CVD diamond applications for particle detection and identification in high-radiation environments

Abstract

Synthetisch hergestellte Diamanten (Microwave-Assisted Charge Vapour Deposition) können benutzt werden, um hochenergetische Teichen wie alpha, ß und gamma Strahlung, aber auch schnelle und langsame Neutronen, zu detektieren. Dank der hohen Strahlenresistenz und dem exzellente Rauschverhalten sind Diamantdetektoren sehr gute Kandidaten für Anwendungen in hochenergiephysikalischen Experimenten zum Zählen von Teilchen und für die Strahlkontrolle. Dieses Dokument präsentiert eine Bestrahlungsstudie, die zur Untersuchung der Limitationen von Diamant hinblicklich der Temperaturumgebung und Strahlenhärte durchgeführt wurde. Zunächst wurde ein Schadenfaktor von k- = (4.4 ± 1.2) x 10 -18 µm-1 cm2 für 300 MeV Pionen in Einkristalldiamanten gemessen. Danach werden Langzeitstabilitätsmessungen für ß und alpha Strahlung auf bestrahlten Mehrkristalldiamanten präsentiert. In diesen Messungen wurde eine stabile Ladungssammlung für ß Strahlung für Diamanten nach mehreren Millionen ß nachgewiesen, und eine signifikant nachlassende Ladungssammlung für alpha Strahlung nach mehreren Tausend einfallenden Teilchen. Um dieser Verringerung der Ladungssammlung entgegen zu wirken und die ursprüngliche Ladungssammlung wieder herzustellen, werden mehrere "Heilungs"-Prozeduren vorgeschlagen. In dieser Arbeit durchgeführte TCT Messungen deuten auf die Bildung eines komplexen internen elektrischen Feldes aufgrund der Bildung einer Ortsladung im Diamanten hin. Diese TCT Messungen vor und nach Bestrahlung der Diamantsensoren zeigen, dass die Ladungsträgerfangzeit linear mit der Bestrahlungsfluenz steigt. Weiterhin zeigen alpha-TCT Messungen im Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und 4 K auf unbestrahlten Diamantsensoren, dass bei 4 K nur noch ca. ein Drittel der Signalladung der Signalladung bei Raumtemperatur gesammelt wird. Zwei Anwendungen für Teilchendetektion mit synthetischen Diamanten werden präsentiert. Die erste Anwendung nutzt die Beobachtung der gemessenen Ladung im Diamanten, und die zweite Anwendung nutzt die Beobachtung des Stromes im Diamanten. Der ATLAS Diamond Beam Monitor (DBM) ist der erste gepixelte Diamantdetektor, der in einem Hochenergiephysikexperiment eingesetzt wird. Vierundzwanzig Diamant-Pixelsensoren in acht Teleskopen zusammengefasst sind im ATLAS Detector eingebaut. Die Geometrie der Teleskope zeigt auf den Kollisionspunkt, und dank der feinen Segmentierung der Pixelsensoren können aus dem Strahlhintergrund und aus dem Kollisionspunkt stammende Teilchenspuren unterschieden werden. Dadurch kann für jede Kollision die Luminosität im ATLAS Experiment gemessen werden. Dieses Dokument beschreibt den Bau und die Inbetriebnahme des DBM, und dieses Kapitel schließt mit den ersten Daten von realen Proton-Proton Kollisionen. Die zweite Anwendung nutzt einzelkristalline Diamantsensoren für Spektroskopiemessungen. Ein Field Programmable Gate Array (FPGA) wird genutzt um Teilchenidentifikation in Echtzeit zu ermöglichen. Das System analysiert die Profile des Stromsignales in Diamantsensoren für unterschiedliche einfallende Teilchensorten und ermöglicht so die Sorte jedes einfallenden Teilchens in Echtzeit zu bestimmen. Es ist in der Lage, bis zu 6x10 6 s-1 Teilchen zu detektieren und zu bestimmen. Nutzerdefinierte Qualifizierungsvariablen ermöglichen eine Feineinstellung zur besseren Teilchensortenbestimmung und können histogrammiert werden. Diese Technik wird nun für Messungen in Umgebungen mit extrem hohem Fluss unterschiedlicher Teilchensorten angewendet, wie z.B. in Neutronenreaktoren. Die Daten in dieser Arbeit wurden an den Reaktoren CROCUS an der EPFL, Schweiz, und TRIGA am Atominstitut in Wien, Österreich aufgenommen.

Diamond produced with the Microwave-Assisted Charge Vapour Deposition technique can be used to detect highly energetic particles ranging from alpha, ß and gamma to fast and slow neutrons. Its high radiation hardness and excellent noise characteristics make it a viable candidate for use in high-energy physics experiments in applications ranging from particle counting to radiation monitoring. This document presents an irradiation study carried out to define the measurement limitations for diamonds in terms of temperature and irradiation damage. First a damage factor k- = (4.4 ± 1.2) x 10 -18 µm-1 cm2 is obtained for 300 MeV - irradiated singlecrystal CVD diamonds. Then the long-term stability for ß and alpha measurements with irradiated diamonds is presented, showing a stable charge collection of the former when the diamond is in a primed state and a significant decrease in charge collection for the latter after a few thousand counts. To counteract the deteriorating alpha measurements, several "healing" procedures are proposed to recover the charge collection to the initial value. TCT measurements of the long-term alpha measurements hint at a development of complex internal electric fields due to accumulated space charge in the bulk of the sensor. TCT measurements of the diamond sensors before and after irradiation show that charge trapping time increases linearly with irradiation. Furthermore, alpha-TCT measurements at a range of temperatures between 4 K and room temperature show that the non-irradiated diamond collects only a third of the charge at 4 K as compared to room temperature. The charge collection efficiency of the irradiated diamond increases below 75 K. Two applications for particle detection with CVD diamond sensors are presented, the first by monitoring collected charge and the second by monitoring the current. The ATLAS Diamond Beam Monitor is the first pixelated diamond detector used in high-energy physics experiments. It is instrumented with 24 sensors grouped in 8 telescopes that are positioned around the interaction point in the ATLAS experiment. This geometry that points toward the interaction point, together with the high spatial segmentation of the sensors, allows it to distinguish between the beam background and the tracks of particles produced by proton collisions. Its aim is to measure bunch-by-bunch luminosity in ATLAS. This document describes the assembly and testing procedure, as well as integration and commissioning stages. Finally it shows the first data obtained with real proton collisions. The second application uses sCVD diamond for spectroscopic measurements. It employs the FPGA to carry out real-time particle identication. The system analyses ionisation profiles of the current pulses induced in diamond by incident particles and determines the type of radiation. It is capable of analysing particles at a rate up to 6x10 6 s-1. By use of user-defined qualifiers it determines the radiation type and fills the respective histogram. The application is tailored for measurements in high-flux environments with mixed types of radiation, such as neutron reactors. The document presents several use cases with data collected in CROCUS at EPFL, Switzerland and TRIGA at Atominstitut, Austria.