4H-Silicon carbide as real time monitor for high-intensity ion beams

Abstract

Silicon carbide as a particle detector material offers various advantages over the use of other materials. For instance, it has a higher radiation hardness and produces a lower dark current than silicon, and larger detector areas are realizable than with CVD (chemical vapor deposition) diamond. Some of these properties make it particularly interesting for detecting high-intensity particle beams, such as those used in ion beam therapy for cancer treatment. To learn more about the signal properties of silicon carbide detectors, a planar single-channel 4H-silicon carbide sensor was investigated in this project and compared to other sensors made of CVD diamond and silicon. The first step was to simulate the output signals of all sensors when they are penetrated by MIP particles (minimum ionizing particles) in a program called Weightfield2. Then measurements were performed with an alpha source, a beta source, and at the MedAustron proton beam, where different particle energies (60-800 MeV) and rates (kHz-GHz) were used. A setup created exclusively for this project was employed to record the generated detector signals remotely via a computer and simultaneously display and store the corresponding particle rates. The three sensors were operated with the UCSC (University of California Santa Cruz) board, which forms the readout electronics and consists mainly of a transimpedance amplifier. To investigate its influence on the signal output, the board circuit was simulated and examined in the program Qucs. The results show that the signal-to-noise ratio of the used silicon carbide detector system is at the moment not sufficient to detect individual MIP particles reliably. This is due to the low signal amplitudes, which were measured to be in average roughly only a sixteenth of the signal amplitudes of the silicon sensor. In addition, noise is induced by the components of the readout electronics. The findings gained in this project serve as the base for the development of an entirely new readout circuit, which, through various precautions and a realization implemented in an ASIC (application-specific integrated circuit), should make it possible in the future to increase the SNR to such an extent that a reliable detection is possible.

Der Einsatz von Siliziumkarbid als Teilchendetektormaterial bietet diverse Vorteile gegenüber der Verwendung von anderen Materialien. So weist Siliziumkarbid eine höhere Strahlungshärte und einen kleineren Dunkelstrom als Silizium auf. Zudem lassen sich damit größere Detektorflächen als mit CVD (chemical vapor deposition) Diamant realisieren. Seine Eigenschaften machen das Material für die Detektion von hochintensiven Teilchenstrahlen, wie sie zum Beispiel bei der Krebsbehandlungen durch Ionenstrahltherapie eingesetzt, besonders interessant. Um mehr über die Signaleigenschaften solcher Siliziumkarbid-Detektoren zu erfahren, wurde in diesem Projekt ein planarer ein Kanal 4H-Siliziumkarbid Sensor untersucht und mit anderen Sensoren aus CVD Diamant und Silizium verglichen. Hierbei wurden die Ausganssignale aller Sensoren beim Beschuss durch MIP (minimum ionizing particles) Teilchen in einem Programm namens Weightfield2 simuliert. Dann wurden Messungen mit einer Alpha-Quelle, einer Beta-Quelle und einem Protonen-Strahl (im Forschungs- und Krebsbehandlungszentrum MedAustron) mit verschiedenen Teilchenenergien (60-800 MeV) und Raten (kHz-GHz) durchgeführt. Eingesetzt wurde dabei ein Messaufbau, welcher eigens für diesen Zwecke entwickelt wurde und es ermöglicht, die erzeugten Detektorsignale ferngesteuert über einen Computer aufzuzeichnen und gleichzeitig die Teilchenraten darzustellen und abzuspeichern. Bei allen Messungen wurden die drei Sensoren mithilfe des UCSC (University of California Santa Cruz) Bord ausgelesen, welches zum größten Teil aus einem Transimpedanzverstärker besteht. Um dessen Einfluss auf das Ausgansverhalten zu untersuchen, wurde die Schaltung des Boards in dem Programm Qucs simuliert und untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass das Signal-Rausch-Verhältnis des verwendeten Siliziumkarbid-Detektorsystems momentan nicht ausreicht, um einzelne MIP Teilchen verlässlich zu detektieren. Probleme bereiten die geringen Signalamplituden, welche gemessen und genähert im Durchschnitt nur etwa ein sechzehntel der Signalamplituden des untersuchten Silizium-Sensors betragen. Hinzu kommen Rauschanteile, die von den Bauteilen der Ausleseelektronik induziert werden. Die in diesem Projekt erlangten Erkenntnisse dienen als Basis für eine Weiterentwicklung der Ausleseelektronik, welche es durch diverse Vorkehrungen und eine in ASIC (application-specific integrated circuit) implementierte Realisierung in Zukunft möglich machen soll, den SNR so weit zu erhöhen, dass eine zuverlässige Detektierung möglich wird.