Response of Si, SiC and LGAD semiconductor detector systems to alpha radiation

Abstract

Diese Arbeit befasst sich mit der Signalantwort verschiedener Halbleiterdetektorsysteme auf Alphastrahlung. Die Studie wurde im Zusammenhang mit neuen Detektortechnologien durchgeführt, die auf eine schnellere Zeitauflösung und eine höhere Strahlenhärte abzielen, wie Low Gain Avalanche Detectors (LGAD) und Halbleiter mit breitem Bandabstand wie Siliziumkarbid (SiC).Für die Charakterisierung und Entwicklung neuer Detektortechnologien sind Tests in bekannten Strahlungsumgebungen unerlässlich. Radioaktive Laborquellen sind eine praktische Möglichkeit, dies zu erreichen, ohne die Erfordernis eines Teilchenbeschleunigers. Insbesondere Alpha-Quellen weisen die günstigen Eigenschaften einer nahezu monoenergetischen Teilchenemission sowie große Signale in den Sensoren aufgrund ihrer vollständigen Absorption in der Materie auf.Aufgrund der geringen Reichweite von Alphateilchen in Luft unter atmosphärischem Druck und dem damit verbundenen Energieverlust ist es experimentell erforderlich, die Messungen bei ausreichend niedrigem Druck durchzuführen, um reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten. Dies könnte durch die Einrichtung eines Vakuum-Setups und das Testen der Detektoren bei niedrigem Druck erreicht werden.Unter Verwendung des Vakuumaufbaus wurden die Eigenschaften einer herkömmlichen Siliziumdiode mit dem Verhalten von SiC- und LGAD-Sensoren in Abhängigkeit vom Luftdruck verglichen. Es wurden verschiedene elektronische Ausleseketten untersucht und miteinander verglichen (Breitband-HochfrequenzVerstärker mit HF (Hochfrequenz)-Datenspeicherung gegen einen spektroskopischen Verstärker und Digitalisierung mit einem Oszilloskop). Ergänzende MonteCarlo-Studien wurden mit dem GATE (Geant4 Application for Emission Tomography)-Framework durchgeführt, um alle Messergebnisse durch Simulationen zu unterstützen und die Energieachsen der Spektren zu kalibrieren. Unter Anwendung der spektroskopischen Auslesekette konnte ein Wert von ε = 7.755 ± 0.132 eV für die Ionisationssenergie von SiC und F = 0.100 ± 0.01 für seinen Fano-Faktor experimentell bestimmt werden, indem Spektren von Si und SiC, die unter ähnlichen Bedingungen aufgenommen wurden, verglichen wurden.

This thesis investigates the response of various semiconductor detector systems to alpha radiation. The study is conducted in the context of new detector technologies aiming for faster timing resolution and improved radiation hardness, like Low Gain Avalanche Detectors (LGAD) and wide band gap materials like Silicon Carbide (SiC).In order to characterize and develop new detector technologies, testing in known radiation environments is indispensable. Radioactive laboratory sources are a convenient way to achieve this without the need for a particle accelerator. Alpha sources especially exhibit the beneficial properties of an almost monoenergetic release of particles, as well as large signals in the sensors owing to their complete absorption in matter. Due to the short range of alpha particles in atmospheric air and the associated energy loss, it is experimentally imperative to perform the measurements at sufficiently low pressures to obtain reproducible results. This was achieved by implementing a vacuum setup and testing the detectors at low pressure.Using the vacuum setup, the performance of a conventional Silicon diode was compared to the behavior of SiC and LGAD sensors as a function of air pressure. Different electronic readout chains were studied and compared against each other (broad-band high-frequency amplifier with HF (High frequency) data storage vs. shaping spectroscopic amplifier and digitization using an oscilloscope). Complementary Monte Carlo studies were performed using the GATE (Geant4 Application for Emission Tomography) framework to support all measurement results with simulations and calibrate the energy axes of the spectra. Applying the spectroscopic readout chain, a value of ε = 7.755 ± 0.132 eV, for the ionization energy of SiC and F = 0.100 ± 0.01 for its Fano factor, were be experimentally determined by a comparison of Si and SiC spectra measured similar conditions.