Was ist die Anwendung von Siliziumdetektoren – Definition

Halbleiterdetektoren auf Siliziumbasis werden hauptsächlich für Detektoren für geladene Teilchen (insbesondere zum Verfolgen geladener Teilchen ) und weiche Röntgendetektoren verwendet, während Germanium für die Gammastrahlenspektroskopie weit verbreitet ist. Ein großer, sauberer und nahezu perfekter Halbleiter ist ideal als Zähler für Radioaktivität . Es ist jedoch schwierig, große Kristalle mit ausreichender Reinheit herzustellen. Die Halbleiterdetektoren haben daher einen geringen Wirkungsgrad, geben jedoch ein sehr genaues Maß für die Energie. Detektoren auf Siliziumbasis weisen auch bei Raumtemperatur ein ausreichend geringes Rauschen auf. Dies wird durch die große Bandlücke verursachtaus Silizium (Egap = 1,12 eV), wodurch wir den Detektor bei Raumtemperatur betreiben können, aber Kühlung wird bevorzugt, um das Rauschen zu reduzieren. Der Nachteil ist, dass Siliziumdetektoren viel teurer sind als Wolkenkammern oder Drahtkammern und eine ausgeklügelte Kühlung erfordern, um Leckströme (Rauschen) zu reduzieren. Sie werden im Laufe der Zeit auch durch Strahlung abgebaut, dies kann jedoch dank des Lazarus-Effekts erheblich verringert werden.

Anwendung von Siliziumdetektoren

Da Detektoren auf Siliziumbasis sehr gut zur Verfolgung geladener Teilchen geeignet sind, sind sie ein wesentlicher Bestandteil des Detektionssystems am LHC des CERN. Die meisten Siliziumpartikeldetektoren dotieren im Prinzip schmale (normalerweise etwa 100 Mikrometer breite) Siliziumstreifen , um sie in Dioden umzuwandeln, die dann in Sperrrichtung vorgespannt werden. Wenn geladene Teilchen diese Streifen passieren, verursachen sie kleine Ionisationsströme, die erfasst und gemessen werden können. Die Anordnung von Tausenden dieser Detektoren um einen Kollisionspunkt in einem Teilchenbeschleuniger kann ein genaues Bild davon liefern, welchen Weg Teilchen nehmen. Das Inner Tracking System (ITS) eines Large Ion Collider Experiments (ALICE) enthält beispielsweise drei Schichten von Detektoren auf Siliziumbasis:

• Silizium-Pixeldetektor (SPD)
• Silicon Drift Detector (SDD)
• Silizium-Streifendetektor (SSD)

Silizium-Streifendetektoren

Detektoren auf Siliziumbasis sind sehr gut zur Verfolgung geladener Teilchen geeignet. Ein Siliziumstreifendetektor ist eine Anordnung von streifenförmig geformten Implantaten, die als Ladungssammelelektroden wirken.

Siliziumstreifendetektoren mit einer Fläche von 5 x 5 cm ² sind weit verbreitet und werden in Reihe verwendet (genau wie Ebenen von MWPCs)) zur Bestimmung von Flugbahnen geladener Teilchen mit Positionsgenauigkeiten in der Größenordnung von mehreren μm in Querrichtung. Diese Implantate bilden auf einem niedrig dotierten, vollständig verarmten Siliziumwafer eine eindimensionale Anordnung von Dioden. Durch Verbinden jedes der metallisierten Streifen mit einem ladungsempfindlichen Verstärker wird ein positionsempfindlicher Detektor aufgebaut. Zweidimensionale Positionsmessungen können durch Aufbringen einer zusätzlichen streifenartigen Dotierung auf die Waferrückseite unter Verwendung einer doppelseitigen Technologie erreicht werden. Solche Vorrichtungen können verwendet werden, um kleine Aufprallparameter zu messen und dadurch zu bestimmen, ob ein geladenes Teilchen aus einer Primärkollision stammt oder das Zerfallsprodukt eines Primärteilchens war, das eine kleine Strecke von der ursprünglichen Wechselwirkung zurückgelegt hat und dann zerfiel.

Siliziumstreifendetektoren sind ein wesentlicher Bestandteil des Detektionssystems am LHC im CERN. Die meisten Siliziumpartikeldetektoren dotieren im Prinzip schmale (normalerweise etwa 100 Mikrometer breite) Siliziumstreifen, um sie in Dioden umzuwandeln, die dann in Sperrrichtung vorgespannt werden. Wenn geladene Teilchen diese Streifen passieren, verursachen sie kleine Ionisationsströme, die erfasst und gemessen werden können. Die Anordnung von Tausenden dieser Detektoren um einen Kollisionspunkt in einem Teilchenbeschleuniger kann ein genaues Bild davon liefern, welchen Weg Teilchen nehmen.

Beispielsweise enthält das Inner Tracking System (ITS) eines Large Ion Collider-Experiments (ALICE) drei Schichten von Detektoren auf Siliziumbasis:

• Silizium-Pixeldetektor (SPD)
• Silicon Drift Detector (SDD)
• Silicon Strip Detector (SSD)

Delta E – E Detektor – Teleskop

In der experimentellen Physik sind ΔE-E-Detektoren , sogenannte Teleskope , leistungsstarke Geräte zur Identifizierung geladener Teilchen . Zur Identifizierung geladener Teilchen können Teleskope verwendet werden, die aus Paaren dünner und dicker Oberflächensperrendetektoren bestehen . Diese Detektoren müssen in Reihe geschaltet werden. Die Geschwindigkeit wird aus der in den Dünndetektoren ( ΔE-Detektoren ) gemessenen Bremskraft abgeleitet . Es besteht eine starke Korrelation zwischen der in jedem Detektor abgelagerten Energie. Diese Korrelation hängt von der Masse (A), der Ladung (Z) und der kinetischen Energie (E) jedes Teilchens ab. Die Masse wird aus dem Bereich oder aus dem gesamten kinetischen Energieverlust im dickeren Detektor abgeleitet (E Detektor ).

Teleskope können aus mehreren Detektoren bestehen ( z. B. Ionisationskammern , Siliziumdetektoren und Szintillatoren ), die gestapelt sind, um einfallende geladene Teilchen zu verlangsamen, wobei der erste Detektor der dünnste und der letzte der dickste ist. CsI-Szintillationszähler können beispielsweise als endgültige E-Zähler verwendet werden. Als Beispiel eines Teleskops kann eine Anordnung verwendet werden, die auf zwei vorderen ΔE-Siliziumdetektoren (10 oder 30 um) und einem 1500 um dicken E-Siliziumzähler basiert, um hochenergetische geladene Teilchen zu detektieren.