Eets des radiations

Les radiations ont un impact dierent pour le detecteur a proprement parler (substrat) et pour l'electronique associee.

3.4.2.1 Au niveau du detecteur

Dans le cas du detecteur, les principaux dommages sont causes par les pertes non-ionisantes [87, 88]. Les deplacements d'atomes induisent des lacunes et des atomes inters-ticiels dans le reseau cristallin, qui peuvent se recombiner avec les autres atomes (silicium ou dopants). Le dopage du substrat est donc modie, et des niveaux donneurs et accepteurs additionnels apparaissent formant des pieges.

Apres irradiation, une amelioration

CPPM Campagne Saturne96

Figure 3.8: Courant de fuite en fonction de la dose (protons de 300 MeV). La taille d'un pixel est de 400



m  50



m, pour une epaisseur de 300



m. La tension de depletion est de 300 V.

para^t rapidement (quelques jours a 20oC): on parle de recuit ou d'annihilation.

Cette evolution positive est provisoire: une phase de contre-annihilation fortement dependante de la temperature suit alors. A temperature ambiante, la concentration eective de defauts actifs cro^t inelucta-blement, rendant de plus en plus dicile l'utilisation du detecteur (voir ci-dessous). A -20oC, cette phase de contre-annihilation est d'une portee beaucoup plus limitee.

Par consequent, la temperature des de-tecteurs au silicium est un parametre cri-tique: non seulement la temperature d'ope-ration des detecteurs doit ^etre basse (-10o

C), mais les periodes de rechauement(pour maintenance par exemple) doivent ^etre tres limitees en duree comme en nombre.

D'un point de vue pratique, deux phe-nomenes caracterisent le comportement d'un detecteur irradie: une augmentation de son courant de fuite et une augmentation de la tension necessaire pour le depleter.

LES DETECTEURS A PIXELS Tenue aux radiations La densite volumique de courant de fuite augmente lineairement avec la uence recue par la diode (gure 3.8). Ceci peut ^etre problematique car le detecteur est couple directement a l'amplicateur.

Toutefois, la petite taille des pixels

Figure 3.9: Tension de desertion (ou concen-tration en impuretes

N

eff) en fonction de la dose (a 20 oC). La degradation d^ue a la contre-annihilation est clairement visible (400 jours plus tard, toujours a 20oC)[87].

conduit a des courants de fuites assez fai-bles (50-100 nA/pixel apres 10 ans de fon-ctionnement). Pour les detecteurs a micro-pistes de silicium, l'eet est 100 fois plus importants simplement a cause de la sur-face des pistes. De plus, les variations que ces courants induisent sur le point de fon-ctionnement de l'amplicateur peuvent ^e-tre compensees automatiquement dans la derniere generationde cellules analogiques developpee pour Atlas. Enn, a basse temperatures, les courants de fuites sont reduits [67].

L'augmentation de la tension de deple-tion est en revanche un probleme serieux. Elle est liee [49] directement a la concen-tration eective de dopants

N

eff. Ainsi, un detecteur courant de type

n

va devenir de plus en plus compense (g. 3.9) jusqu'a atteindre une compensation complete (

N

d

=

N

a) a des uences equivalentes a 

1013n(1MeV)/cm2. Il y a alors inversion de type

n

!

p

, et la tension necessaire pour depleter completement le detecteur augmente rapidement (gure 3.9).

L'evolution de la tension de depletion au cours du fonctionnement dulhc[49] est indiquee sur la gure 3.10. Comme mentionne precedemment, la temperature et ses variations sont capitales: dans ce scenario, la temperature est de 0 oC sauf durant un mois (maintenance a 20oC) pendant les deux premieres annees et ensuite un mois tous les deux ans. La luminosite augmentera progressivement de 5
1032 cm 2s 1 a 1034 cm 2s 1 durant les trois premieres annees. Elle sera ensuite constante (1034 cm 2s 1).

La tension de fonctionnement d'un detecteur protege par des anneaux de garde peut ^etre de 300 V au maximum. Pour une epaisseur de 150



m, il appara^t que le fonctionnement en mode non-completement deplete doit ^etre envisage apres environ huit ans de fonctionnement. Ceci est delicat pour deux raisons. Tout d'abord la reduction de la zone depletee engendre une diminution proportionnelle du signal: neanmoins pour les detecteurs a pixels cette diminution de signal est acceptable car le bruit est toujours a un niveau tres bas. La seconde diculte vient du fait que, pour les detecteurs classiques (

p

+

=n

), la depletion commence par le c^ote de l'electronique. Apres inversion de type, la zone depletee se trouve de l'autre c^ote. On a longtemps pense que cette situation serait redhibitoire. Cependant, des resultats recents [89] montrent que l'on collecte encore 30 a 40% de la charge pour un detecteur a demi-deplete. Tout se passe comme si les charges du c^ote deplete etaient entierement collectees et que du c^otenon-deplete les charges s'arr^etaienta la limite de la zone de depletion. Cette hypothese est confortee par le fait que les charges sont reparties sur une large zone de pixels (



200



m). D'autres materiaux que le silicium pourrait ^etre utilise comme substrat a terme [49]: la structure hybride permet en eet d'adapter un substrat de nature quelconque aux matrices

LES DETECTEURS A PIXELS Tenue aux radiations d'electronique. A l'heure actuelle, les materiaux envisages ne donnent pas encore toute satis-faction mais font l'objet de nombreuses recherches qui pourrait deboucher rapidement. Ainsi le diamant [90] depose par vaporisation (cvd), qui est le meilleur candidat en terme de tenue aux radiations (l'ecacite de collection s'ameliore apres irradiation [91]) est penalise par un signal assez faible, typiquement de l'ordre de 2000 electrons pour 150



m d'epaisseur [92].

En conclusion, la petite taille des diodes

Figure 3.10: Tension de depletion en fonction du temps de fonctionnement du

lhc pour dierentes epaisseurs de sub-strats [49].

des detecteurs a pixels leur permet d'aronter les conditions de radiations severesrencontrees pres du point de collision dans les meilleures conditions qui soient car leur courant de fuite est minime et leur tresbon rapport signal/bruit autorise un fonctionnement avec un detecteur n et/ou non-completement deplete.

Toutefois, une temperature basse (-5/-10

oC) est requise. La duree de vie estimee de la couche

B

placee a un rayon de 4 cm est de 3 ans a basse luminosite plus 1 an a la luminosite nominale. Pour la couche a 11 cm, la duree de vie estimee est de 10 ans, avec un fonctionnement durant les deux dernieres annees en depletion partielle (100



m).

Pour le fonctionnement en mode partiel-lement deplete, de nouveaux tests sont re-quis pour determiner si la combinaison im-plant/substrat retenue actuellement (

n

+

=n

) est necessaire bien que co^uteuse.

3.4.2.2 Eets sur l'electronique

L'electronique des detecteurs a pixels etant

Temps (1 c. = 50 ns)

Avant irradiation

Sortie (1 c. = 25 mV)

Figure3.11: Reponse de l'amplicateur sui-vant la dose recue (0, 0.5, 5 et 15 Mrad).

connectee directement aux detecteurs, elle est exposee aux m^eme niveau de radiation. Tou-tefois l'impact est dierent car dans ce cas le volume actif ou les dommages par deplace-ments peuvent porter a consequence est beau-coup plus limite. Il s'agit essentiellement [93] d'effets d'accumulation de charge dans les oxy-des et sur les interfaces.

Actuellement, trois technologies [92] peu-vent repondre aux besoins requis par les de-tecteurs a pixels aupres du lhc: Harris, Ho-neywell etdmill[94, 95]. Cette derniere tech-nologie a fait l'objet d'etudes nombreuses et approfondies [96, 97, 98]. Le comportement des composants elementaires a etecaracterise, ainsi que les proprietes des cellules analogiques et de la partie digitale de lecture. Les derniers resultats (campagnecppm Saturne 1996) sont resumes ci-apres.

LES DETECTEURS A PIXELS Tenue aux radiations La gure 3.11 montre la variation du signal de sortie de l'amplicateur de charge selon la dose accumulee.

L'irradiation a ete menee au

Labora-0 5 10 15 0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Seuil (en electrons)

Dose (en Mrad)

Figure3.12: Evolution du seuil du discrimina-teur en fonction de la dose recue.

toire National Saturne avec des protons de 300 MeV et a environ -10 oC. Trois doses sont representees: 1013 p/cm2 (500 krad), 1014 p/cm2 (5 Mrad) et 3 1014 p/cm2 (15 Mrad). Le temps de montee du signal, qui est le parametre important, ne s'est decale a mi-amplitude que de quelques nano-se-condes. Qui plus est, la degradation se pro-duit essentiellement au debut de l'irradia-tion [96], ce qui est tres encourageant pour extrapoler vers des doses elevees, 25 Mrad ou plus.

Le m^eme comportement appara^t pour le seuil du discriminateur (g. 3.12): apres les premiers kilorads, il n'evolue que tres lentement et reste stable. Le comportement

de l'ensemble de l'etage analogique (amplicateur + mise en forme + discriminateur) a egalement ete etudie. La courbe 3.13 presente les variations du temps de reponse de l'etage pour une charge donnee en entree (signal), et ce pour dierentes doses.

Pour que la cellule reponde dans la

fen^e-0 10 20 30 40 50 0 2000 4000 6000 8000 10000

Charge injectee (en electrons)

Delai (en ns)

Figure3.13: Evolution de la reponse temporelle de la cellule analogique pour dierentes doses. La courbe inferieure est avant irradiation. Les doses sont ensuite 1, 3, 5, 10, 12 et 15 Mrad. tre de temps impartie a un croisement de

faisceaux (25 ns), on note que le seuil du comparateur doit ^etre augmente d'environ 1000 electrons par rapport au fonctionne-ment sans irradiation. Les resultats obte-nus avec une matrice complete (Lepton) irradiee jusqu'a 30 Mrad sont compatibles avec le comportement decrit precedemment.

Enn le dernier aspect relatif a l'irradia-tion de l'electronique concerne la partie lo-gique: des fragments secondaires issus de reactions nucleaires

p

-Si peuvent occasion-nellement faire basculer l'etat d'un registre. Les resultats de tests [99] sur des registres en technologiedmill ont montre que pour la couche de pixels a 11 cm, un bascule-ment de ce type par bit se produisait toutes les 139 heures a la luminosite nominale.

Dans les conditions attendues de fonctionnement, ceci se traduit par la perte de 8.1 10 8

pixel (pixel non vu, bascule 1 ! 0) par evenement ayant declenche le niveau 1; et par l'apparition de 1.8 10 5 faux pixel (0!1).

En denitive, le comportement de l'electroniquedmillsous radiations est excellent: apres une legere degradation, il n'y a plus d'evolution en fonction de la dose. Il serait interessant de poursuivre ces etudes en irradiant l'electronique a des doses plus elevees (100 Mrad) an de trouver les limites de resistance de cette technologie.

LES DETECTEURS A PIXELS Tenue aux radiations Certains des prototypes decrits dans ce chapitre ont ete testes en faisceau de particules. Les resultats sont presentes dans le chapitre suivant.

Tests en faisceau des detecteurs a

Dans le document Étiquetage des quarks b par un détecteur de vertex à pixels dans l'expérience ATLAS auprès du LHC (Page 65-70)