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

(*) Evoluzione dei progetti ORIONE e TREDI (2005-2008) Progetti TN 2012 Sigla Titolo Anni Sezioni Partecipanti Coordinatore nazionale TRIDEAS (continua) Development and optimization of silicon detectors with 3-D Electrodes and Active edgeS 2009-2011 (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 2012-2014 LNL, TN (+FBK-irst) Alberto Quaranta (LNL) (*) 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

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

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

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) old new 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

Bordo sottile CUTS OLD, High p-spray, Low Breakdown 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

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

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

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

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

New polysiloxane (PS) based scintillators State of art: ORIONE New polysiloxane (PS) based scintillators Sample a yield (% EJ-212) g- yield (% EJ-254) no B 65 ± 16 74 ± 15 - B 4% 44 ± 13 49 ± 12 66 ± 22 69 ± 16 B 6% 40 ± 14 48 ± 11 64 ± 24 62 ± 15 B 8% 37 ± 13 41 ± 17 54 ± 17 57 ± 11 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

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

State of art: TREDI Single column 3D diodes: 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

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

Challenges with 3D structures 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 (390-450 nm). 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. G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 11 Luglio 2011

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

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

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

Riassunto FTE 2012 Progetto \ Persona Ruolo TRIDEAS HYDE Gian-Franco Dalla Betta PA 40% (resp) 20% (resp) Giovanni Verzellesi PO 50% --- Giorgio Fontana TC. EP Marco Povoli Dott. 30% Leo Huf Campos Braga Michele Benetti Ekaterina Panina Totale FTE per progetto 2.20 2.00 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

Riassunto richieste 2012 Progetto \ Voce TRIDEAS HYDE Missioni interne: - riunioni tecniche e di coordinamento, attivita’ di test presso LNL 1.0 1.5 Missioni estero: riunione tecniche con partner stranieri (Univ. Manchester/Univ. Praga) Test di irraggiamento (Karlsruhe, Lubiana) --- 2.0 Consumabili: Materiali x Laboratorio: probes, componentistica elettronica, PCB, connettori, supporti, laser, etc. Fabbricazione 1 lotto sensori 3D@ FBK-irst (prezzo convenzione @ 2200 Euro/lito eq.) 15.4 Totale (k€) 4.0 20.4 G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 11 Luglio 2011