Protonenbestrahlungsplatz für Silizium Detektoren
Am Bonner Isochron-Zyklotron werden Bestrahlungen von Silizium(-Pixel)-Detektoren durchgeführt, welche ein essentieller Teil der Entwicklung von "State-of-the-Art", strahlenresistenten Detektoren für Experimente der Hochenergie-Physik darstellen. Sogenannte Devices-Under-Test (DUTs) werden in einer thermisch isolierten und aktiv gekühlten Box homogen mit einem Protonenstrahl mit einer typischen kinetischen Energie von 14 MeV und einem Strahlstrom von 1 µA bestrahlt.
Aufbau
Überblick über den Bestrahlungsplatz im Hochstromraum des Bonner Isochron-Zyklotrons. Der Aufbau besteht aus einer thermisch isolierten Kühlbox auf einem zweidimensionalen Verfahrachsen, der auf einem Experimentiertisch vor den Strahlaustrittsfenster installiert ist. Ein Reservoir mit flüssigem Stickstoff dient zur Kühlung von Stickstoffgas, welches in die Kühlbox geleitet wird. Die Abbildung zeigt den Aufbau in Bestrahlungsposition, nur einige Zentimeter vom Strahlaustrittsfenster entfernt.
Merkmale der Protonenbestrahlung (typisch)
| Strahlenergie | \( 7~\text{bis}~ 14~\text{MeV} ~~~(14~ \text{MeV})\) |
| Strahlstrom | \(20~ \text{nA}~\text{bis}~ 2~ \mu\text{A} ~~~(1~ \mu\text{A})\) |
| Strahlbreite \((x/y)\) | \(\text{wenige mm}~~~ (4/6~\text{mm})\) |
| Temperatur am DUT | \(\text{bis zu}~ -40~^\circ\text{C}~~~ (-20~^\circ\text{C})\) |
| Max. DUT-Fläche | \(19~\text{cm} \times 11~\text{cm} ~~~(2~\text{cm} \times 1~\text{cm})\) |
| Max. DUT-Dicke (Si) | \(300 ~\mu \text{m}~~~ (150~\mu \text{m})\) |
| Min. | Max. NIEL pro Scan | \(\left.5\cdot 10^{11} ~~\right\arrowvert ~~10^{14} ~\text{ neq}/\text{cm}^2\) |
| NIEL/TID Verhältnis | \(10^{13}~ \text{ neq}/\text{cm}^2 \text{ pro Mrad}\) |
Ermittlung der Bestrahlungsfluenz
Die Protonenfluenz \(\Phi_\text{P}\) ist direkt proportional zu den NIEL-Schäden im Detektor. NIEL steht hierbei für Non-Ionizing Energy Loss. Bei Kenntnis des Protonenstrahlstroms \( I_\text{P} \) wird die Fluenz wie folgt berechnet $$ \Phi_\text{P}=\frac{I_\text{P}}{q_\text{e}\cdot v_x\cdot \Delta y} $$ Diese Gleichung beschreibt die Fluenz pro vollständigem Scan der jeweiligen Fläche, mit der elektrischen Ladung \(q_\text{e}\), der Scan-Geschwindigkeit \(v_x\) und der vertikalen Schrittweite \(\Delta y\).
Dargestellt ist das schematische Abtastverfahren während des Bestrahlvorgangs. Der Strahlfleck (roter Kreis) wird in einem Raster über den abgetasteten Bereich bewegt, das in \(H/\Delta y\) Zeilen unterteilt ist. Das Testobjekt befindet sich innerhalb des grünen Rechtecks, in dem die Scangeschwindigkeit (und damit die Fluenz) konstant ist.
Der Strahlstrom \(I_\text{P}\) wird in jeder gescannten Reihe mit 10 bis 100 Hz gemessen, während \(\Delta y\) und \(v_x\) direkt von der Verfahrachse abgerufen werden. Nachfolgend ist die Verteilung der Fluenz für jede Zeile im Scanbereich dargestellt. Die Protonenfluenz ist auf der ersten, die Neutronenfluenz auf der zweiten y-Achse angegeben. Die durchschnittliche Fluenz über den gesamten Scanbereich ist durch die horizontale Linie gekennzeichnet.
Proton Hardness-Faktor
Der Hardness-Faktor \(\kappa_p\) würde für Protonen mit einer Energie von 13.5 MeV, dies entspricht etwa 12.28 MeV auf dem DUT, zu $$ \kappa_p = 3.71 \pm 0.11 $$ durch Bestrahlung von sechs 150 μm LFoundry Test-Strukturen bestimmt.
Strahldiagnose
Zur Bestimmung des Strahlstroms, der relativen Position und einer möglichen Strahlabschneidung bei der Extraktion wird ein eigens entwickelter, kalibrierter Strahlmonitor sowie eine Ausleseelektronik verwendet. Der Strahlmonitor besteht aus zwei Modulen: Einem Sekundärelektronen-Monitor (SEM) sowie einem Strahlverlust-Monitor, dem sogenannten BLM (Beam Loss Monitor). Das SEM-Modul besteht aus zwei Paaren von horizontal bzw. vertikal segmentierten, dünnen Aluminiumfolien, durch die der Strahl hindurchpropagiert. Dabei schlägt der Strahl Sekundärelektronen von den Folienoberflächen ab, die über Elektroden aufgefangen werden. Die Summe aller Folien ist direkt proportional zum Strahlstrom und ermöglicht nach der Kalibrierung eine zerstörungsfreie Strahlstrommessung. Das Verhältnis zwischen den Foliensignalen ermöglicht eine relative Strahlpositionsbestimmung. Das BLM-Modul besteht aus einer Blende, die die gleiche Größe wie das Extraktionsfenster hat. Wenn der Strahl (absichtlich) auf das BLM abgelenkt wird, kann der Strahlverlust direkt gemessen werden.
Nach dem Passieren des Strahlmonitors verlässt der Strahl das Vakuum und propagiert zum DUT in der Kühlbox.
Abgebildet ist die Visualisierung der vom SEM gemessenen Strahlparameter, die auf dem Online-Monitor der grafischen Benutzeroberfläche irrad_control abrufbar sind. Die erste Abbildung zeigt die Variation des gemessenen Strahlstroms mit der Zeit. Die zweite Abbildung zeigt die relative Strahlposition am Standort des SEM.
Veröffentlichungen
D. Sauerland, R. Beck, J. Dingfelder, P.D. Eversheim, and P. Wolf, “Proton Irradiation Site for Si-Detectors at the Bonn Isochronous Cyclotron”, in Proc. IPAC'22, Bangkok, Thailand, Jun. 2022, pp. 130-132. doi:10.18429/JACoW-IPAC2022-MOPOST030 (Poster)
D. Sauerland, R. Beck, J. Dingfelder, P.D. Eversheim and P. Wolf, "Proton Irradiation Site for High-Uniformity Radiation Hardness Tests of Silicon Detectors at the Bonn Isochronous Cyclotron", in Proc. Cyclotrons'22, Beijing, China, Dez. 2022 pp. 38-41. doi:10.18429/JACoW-CYCLOTRONS2022-MOBO03 (Vortrag)
P. Wolf, D. Sauerland, R. Beck and J. Dingfelder, "A beam-driven proton irradiation setup for precision radiation damage tests of silicon detectors", in Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, Vol. 1064, Apr. 2024, doi:10.1016/j.nima.2024.169358 (Poster)
