Presentazione Progetti Gr. V Trento - 2012

1. Presentazione Progetti Gr. V Trento - 2012 Gian-Franco Dalla Betta DISI, Universitá di Trento INFN – Padova, Gruppo Collegato di Trento Tel.: 0461283904, e-mail: dallabe@disi.unitn.it

2. Progetti TN 2012 (*) Evoluzione dei progetti ORIONE e TREDI (2005-2008) N.B. Si prevede anche una partecipazione a P-SuperB ed ATLAS (Gruppo I) G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 11 Luglio 2011

3. TRIDEAS Obiettivo generale: Sviluppare ulteriormente ed ottimizzare (sia a livello tecnologico che progettuale) rivelatori 3D con bordo attivo, orientati ad upgrade LHC. Base di partenza: rivelatori 3D e planari con bordo attivo da prog. TREDI 3D con colonne non passanti Planari con bordo attivo G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 11 Luglio 2011

4. Fabbricazione @ FBK-irst • Enormi progressi nell’ultimo anno, ultimati diversi lotti: • 3D con colonne passanti • planari con bordo attivo • 3D con colonne passanti e bordo sottile G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 11 Luglio 2011

5. Caratterizzazione elettrica Ottimizzazione del processo in termini di corrente di leakage (effetti di stress meccanici – bowing) e tensione di breakdown (da correlare a dose p-spray) new old old new Buone caratteristiche elettriche e resa anche su rivelatori di grande area G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 11 Luglio 2011

6. Bordo sottile OLD, High p-spray, Low Breakdown CUTS NEW, Lower p-spray, Higher Breakdown • First test with old process: • High p-spray dose, low breakdown (30V) • No signs of current injection up to the 5th cut • Second test with new process: • Lower p-spray, higher breakdown (>50V) • Similar results in terms of current injection • Edge area can be reduced to ~100 um • [M. Povoli iWoRID2011, Zurich, 3-7 July 2011] G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 11 Luglio 2011

7. Caratterizzazione funzionale Sr90, 10 TOT at 40ke Am241, 10 TOT at 20ke • Misure in laboratorio con sorgenti radioattive beta e gamma • 100% di efficienza di raccolta di carica gia’ a bassa tensione (15V) • Basso rumore (140 -180 elettroni rms) nonostante alta capacita’ G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 11 Luglio 2011

8. Test beam CERN, June 2011, irradiated sensors Efficiency=99.8% P-2e15/cm2, 15 G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 11 Luglio 2011

9. Piano attività 2011-2012 • Completamento caratterizzazione rivelatori 3D con bordo sottile del primo lotto • Confronto con simulazioni TCAD • Revisione del progetto/layout e fabbricazione secondo lotto • Caratterizzazione elettrica e funzionale rivelatori 3D secondo lotto • Test di irraggiamento e beam test al CERN sui migliori rivelatori del secondo lotto G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 11 Luglio 2011

10. HYDE Goal: Production of hybrid scintillator-3D silicon detectors for the detection of fast and thermal neutrons • Neutron detectors with good spatial, temporal and energy resolution are needed • Silicon based detectors proposed so far (for thermal neutrons) reached about 5% of efficiency; indirect silicon detector are limited by the range of reaction products or recoil protons G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 11 Luglio 2011

11. State of art: ORIONE • New polysiloxane (PS) based scintillators • Sample without B has a yield similar to EJ-212 • Increasing the amount of B does not affect the scintillation yield. G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 11 Luglio 2011

12. ORIONE (2) • High radiation hardness with respect to commercial plastic scintillators (unaffected up to 40 KGy) • Synthesis based on liquid resins giving scintillators with different shapes and dimensions (good for hole filling) G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 11 Luglio 2011

13. 10x10 holes matrix State of art: TREDI Guard ring Bulk (~20:1) • Single column 3D diodes: • Low depletion voltage and leakage current • Excellent process yield • Two-phase response time: • - fast (electron) and slow (hole) component • Radiation hardness up to ~1e15cm-2 - G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 11 Luglio 2011

14. New hybrid 3D detectors for neutrons • Impinging neutron • PS scintillator • Scintillation • 3D silicon detector • Reaction products • Hybrid detectors obtained by pouring polysiloxane scintillators into 3D silicon detector cavities • Increase of the active interaction volume for neutron, giving higher detection efficiencies • 2D spectroscopic detection of fast neutrons • 2D detection of thermal neutrons by doping the PS scintillator. G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 11 Luglio 2011

15. Challenges with 3D structures • New hole aspect ratio with respect to the former 3D: • From ~20:1 to ~1:1for increasing the active volume. • Easier etching treatment but less control on the surface topography (problems with lithography after etching).  Tests on the mechanical hardness of the structure. • DRIE: Vertical walls. • Doping only by thermal diffusion giving deep profiles with low efficiency to scintillation photons (390-450 nm). G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 11 Luglio 2011

16. First approach for a hybrid system • 3D silicon detector • PS scintillator • APD/SiPM • Coupling of the hybrid system to a multiplication photodetector for the detection of the scintillation light. G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 11 Luglio 2011

17. Advanced approach: 3D APD diodes • Integration of avalanche photodiodes (APD) in 3D structures. • Ion implantation for tailoring the doping profiles. • TMAH wet etching giving 54 inclined walls and ion implantation for fixing the breakdown voltage • Multiplication (from 10x up to 100x) of the carriers generated by the scintillation light. G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 11 Luglio 2011

18. Workplan : 2012 • Tests (a, g, fast and thermal n) on the light yield of PS scintillator by coupling scintillating films with an APD detector • Monte Carlo analysis of the production of scintillation light and reaction/recoil products for optimizing the cavity geometry. • TCAD simulation and design of 3D detectors • Fabrication and preliminary tests of 3D detectors • Tests for the detection of reaction products with hybrid structures. G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 11 Luglio 2011

19. 2013 • Assembly and tests of the hybrid detector coupled to an external APD detector. Efficiency and signal analysis (n/g discrimination) • TCAD simulation, design and fabrication of the integrated 3D-APD detector 2014 • Electronic set-up and testing for the 3D-APD detector • Realization of the 3D-APD hybrid detector with polysiloxane scintillator • Neutron detection tests with the 3D-APD hybrid detector: efficiency and signal analysis G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 11 Luglio 2011

20. Riassunto FTE 2012 N.B. Altri 2.8 FTE impegnati su progetti di Gruppo I + due nuove associazioni da fare entro fine anno G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 11 Luglio 2011

21. Riassunto richieste 2012 G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 11 Luglio 2011