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Presentazione Progetti Gr. V Trento - 2012 Gian-Franco Dalla Betta DISI, Universitá di Trento INFN – Padova, Gruppo Collegato di Trento Tel.: 0461283904,

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1 Presentazione Progetti Gr. V Trento Gian-Franco Dalla Betta DISI, Universitá di Trento INFN – Padova, Gruppo Collegato di Trento Tel.: ,

2 Progetti TN gr.V 2012 G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 11 Luglio 2011 Progetti TN 2012 SiglaTitoloAnniSezioni Partecipanti Coordinato re nazionale TRIDEAS (continua) Development and optimization of silicon detectors with 3-D Electrodes and Active edgeS (estensione al 2012) BA, TN, TS-dot. (+ FBK-irst) e supporto esterno GE e UD Gian-Franco Dalla Betta (Trento) HYDE (*) (nuovo) HYbrid DEtectors for neutrons LNL, TN (+FBK-irst) Alberto Quaranta (LNL) N.B. Si prevede anche una partecipazione a P-SuperB ed ATLAS (Gruppo I) (*) Evoluzione dei progetti ORIONE e TREDI ( )

3 Progetti TN gr.V 2012 G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 11 Luglio 2011 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 passantiPlanari con bordo attivo

4 Progetti TN gr.V 2012 G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 11 Luglio 2011 Enormi progressi nellultimo anno, ultimati diversi lotti: -3D con colonne passanti -planari con bordo attivo -3D con colonne passanti e bordo sottile FBK-irst

5 Progetti TN gr.V 2012 G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 11 Luglio 2011 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 new Buone caratteristiche elettriche e resa anche su rivelatori di grande area

6 Progetti TN gr.V 2012 G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 11 Luglio 2011 OLD, High p-spray, Low Breakdown NEW, Lower p-spray, Higher Breakdown CUTS First test with old process: High p-spray dose, low breakdown (30V) No signs of current injection up to the 5 th 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] Bordo sottile

7 Progetti TN gr.V 2012 G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 11 Luglio 2011 Caratterizzazione funzionale Sr90, 10 TOT at 40keAm241, 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 ( elettroni rms) nonostante alta capacita

8 Progetti TN gr.V 2012 G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 11 Luglio 2011 Test beam CERN, June 2011, irradiated sensors P-2e15/cm2, 15 Efficiency=99.8%

9 Progetti TN gr.V 2012 G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 11 Luglio 2011 Piano attività 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

10 Progetti TN gr.V 2012 G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 11 Luglio 2011 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 HYDE Goal: Production of hybrid scintillator-3D silicon detectors for the detection of fast and thermal neutrons

11 Progetti TN gr.V 2012 G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 11 Luglio 2011 State of art: ORIONE Sample yield (% EJ-212) yield (% EJ-212) yield (% EJ-254) yield (% EJ-254) no B 65 ± 1674 ± B 4% 44 ± 1349 ± 1266 ± 2269 ± 16 B 6% 40 ± 1448 ± 1164 ± 2462 ± 15 B 8%37 ± 1341 ± 1754 ± 1757 ± 11 Sample without B has a yield similar to EJ-212 Increasing the amount of B does not affect the scintillation yield. New polysiloxane (PS) based scintillators

12 Progetti TN gr.V 2012 G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 11 Luglio 2011 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) ORIONE (2)

13 Progetti TN gr.V 2012 G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 11 Luglio 2011 Bulk Guard ring 10x10 holes matrix 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 (~20:1) - State of art: TREDI

14 Progetti TN gr.V 2012 G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 11 Luglio 2011 New hybrid 3D detectors for neutrons 3D silicon detector PS scintillator Impinging neutron Reaction products Scintillation 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.

15 Progetti TN gr.V 2012 G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 11 Luglio 2011 New hole aspect ratio with respect to the former 3D: From ~20:1 to ~1:1 for 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 ( nm). Challenges with 3D structures

16 Progetti TN gr.V 2012 G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 11 Luglio 2011 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.

17 Progetti TN gr.V 2012 G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 11 Luglio 2011 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. Advanced approach: 3D APD diodes

18 Progetti TN gr.V 2012 G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 11 Luglio 2011 Tests (,, 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. Workplan : 2012

19 Progetti TN gr.V 2012 G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 11 Luglio Assembly and tests of the hybrid detector coupled to an external APD detector. Efficiency and signal analysis (n/ discrimination) TCAD simulation, design and fabrication of the integrated 3D-APD detector 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 2014

20 Progetti TN gr.V 2012 G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 11 Luglio 2011 Riassunto FTE 2012 Progetto \ PersonaRuoloTRIDEASHYDE Gian-Franco Dalla BettaPA40% (resp)20% (resp) Giovanni VerzellesiPO50%--- Giorgio FontanaTC. EP50% Marco PovoliDott.30%--- Leo Huf Campos BragaDott.50% Michele BenettiDott.---50% Ekaterina PaninaDott.---30% Totale FTE per progetto N.B. Altri 2.8 FTE impegnati su progetti di Gruppo I + due nuove associazioni da fare entro fine anno

21 Progetti TN gr.V 2012 G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 11 Luglio 2011 Riassunto richieste 2012 Progetto \ VoceTRIDEASHYDE Missioni interne: - riunioni tecniche e di coordinamento, attivita di test presso LNL Missioni estero: - riunione tecniche con partner stranieri (Univ. Manchester/Univ. Praga) - Test di irraggiamento (Karlsruhe, Lubiana) Consumabili: -Materiali x Laboratorio: probes, componentistica elettronica, PCB, connettori, supporti, laser, etc. - Fabbricazione 1 lotto sensori FBK-irst (prezzo 2200 Euro/lito eq.) Totale (k)


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