Radyasyon hasarının yüksek enerji silikon detektörlere etkisi

Abstract

CERN' de Büyük Hadron Çarpıştırıcısı üzerinde kurulan CMS detektörünün elektromagnetik kalorimetresinin (ECAL) fıçı kısmındaki kurşun tungsten (PbWO4) kristalleri için orantılı modda çalışan fotodetektör olarak Hamamatsu S8148 Silikon Çığ Fotodiyot (APD) seçilmiştir. Kristalden çıkan ışık miktarı, APD' nin kuantum verimi, çığ kazancı ve çığ kazancında dalgalanma olarak tanımlanan ilave gürültü faktörü PbWO4 - APD sisteminin enerji çözünürlüğü için önemli parametrelerdir.CMS detektörünün 10 yıllık çalışması sonrasında ECAL fıçı kısmı yaklaşık 2x1013 n/cm2 değerinde bir nötron akısına maruz kalacaktır. Yüksek enerji fiziği deneylerinde yüksek hadron akıları hem sintilasyon kristalleri hem de silikon detektörlerin temel parametrelerini fazlasıyla etkiler. Özellikle silikon detektörler için tam yerdeğiştirme bölgesi olma gerilimi, yük toplama verimi ve kaçak akımı akının bir fonksiyonu olarak değişirken sintilasyon kristalinde iletim kayıpları meydana gelir.10 yıllık CMS çalışması boyunca PbWO4 - APD sistemi parametreleri, nötron akısının bir fonksiyonu olarak analiz edilmiştir. Bu amaçla radyasyon etkisi altında kristal - detektör sisteminin parametreleri hesaplanmış ve Tek Parçacık Monte Carlo tekniği kullanarak hazırladığımız bilgisayar programı yardımı ile benzetişimi yapılmıştır. Sonuçlar nötron akısının 10 yıllık CMS çalışma süresi boyunca PbWO4 - APD sisteminin enerji çözünürlüğünde dikkate değer bir etkiye sahip olduğunu göstermiştir.

The CMS collaboration has chosen Hamamatsu S8148 Silicon Avalanche Photodiodes (APDs) as photodetectors working in proportional mode for the leadtungstate (PbWO4) crystals light in the barrel of the CMS electromagnetic calorimeter (ECAL) at the Large Hadron Collider at CERN. The light output of the crystal and the quantum efficieny, avalanche gain and excess noise factor, defined as the fluctuation in the avalanche gain, of the APD are important parameters for the energy resolution of the PbWO4 - APD system.The system will be exposed to a neutron fluence of about 2x1013 n/cm2 after 10 years of CMS operation in the ECAL barrel. In high-energy physics experiments, high hadron fluences strongly affect the main parameters of both the scintillation crystals and the silicon detectors. In particular for silicon detectors, the full depletion voltage, the charge collection efficiency and the leakage current change as a function of the fluence whereas the transmission losses in scintillation crystal occur.The parameters of the PbWO4 - APD system have been analyzed as a function of the neutron fluence during 10 years of CMS operation. For this purpose radiation induced crystal - detector system parameters have been calculated and simulated using a Single Particle Monte Carlo simulation programme. The results show that the neutron fluence has an influence on the energy resolution of the PbWO4 - APD system during 10 years of CMS operation.