Irradiation d’un d´ etecteur en silicium

Par deux fois, nous avons irradi´e un d´etecteur en silicium (structure de test). Au cours du premier test, nous avons atteint une dose totale de 15 krad [Ger99]. Lors de la campagne suivante, orient´ee vers une simulation de l’environnement du LHC, le d´etecteur a re¸cu une dose totale de 530 krad. Nous allons nous efforcer, `a partir des donn´ees de la deuxi`eme campagne, de quantifier les effets de l’irradiation sur les performances du d´etecteur en terme d’augmentation du bruit.

a) Courants de fuite

Les courants de fuite sur les anneaux de polarisation (I_BS) et de garde (I_G) du d´etecteur ont ´et´e mesur´es lors de l’irradiation. La figure 3.44 montre leur ´evolution en fonction de la dose absorb´ee. Le courant initial sur l’anneau de polarisation ´etait de 150 nA au d´ebut de l’irradiation, il augmente lin´eairement en fonction de la dose absorb´ee. Nous ne chercherons pas ici `a comparer cette ´evolution `a celles qui ont d´ej`a ´et´e observ´ees pour ce type de d´etecteur, cette ´etude a ´et´e r´ealis´ee dans [Ger01]. Nous conclurons simplement que le coefficient qui d´etermine l’accroissement du courant I<sub>BS</sub> en fonction de la dose absorb´ee est tout `a fait compatible avec les r´esultats d´ej`a publi´es, indiquant un comportement normal du d´etecteur.

Dose (krad) 0 20 40 60 80 100 120 140 iBS (µ A) i G (µ A) 0 1 2 3 4 5 6 7 i_BS i_G

Fig. 3.44: Courants sur les anneaux de polarisation et de garde mesur´es

pendant l’irradiation.

b) Bruit du d´etecteur silicium

Des acquisition de donn´ees ont ´et´e effectu´ees, toutes les pistes des faces p et n ´etaient lues. Un total de 2000 ´ev´enements ´etait enregistr´e en l’absence de faisceau. Le calcul du bruit est accompli selon les m´ethodes d´evelopp´ees pour l’analyse des donn´ees des tests des modules de d´etection sous faisceau.

En premier lieu, nous pouvons remarquer que le bruit sur la face p est plus important que celui de la face n en raison de l’irradiation ant´erieure du circuit de lecture de la face p. La charge ´equivalente de bruit, exprim´ee en ´electrons, augmente clairement sur les deux faces du d´etecteur, passant de 890 (670) `a 2450 (1790) ´electrons pour la face p (face n) apr`es 130 krad. Le bruit calcul´e pour les pistes situ´ees hors du profil de faisceau et par cons´equent non-irradi´ees, reste ´egal `a sa valeur de d´epart. Le bruit pour les pistes irradi´ees est pr´esent´e sur la figure 3.45 pour chaque face. L’augmentation du bruit d’une piste (∆b<sub>p</sub>) est fortement corr´el´ee `a son courant de fuite (i_p), et par extension au courant de fuite total sur l’anneau de polarisation. Ces valeurs sont li´ees par une relation du type ∆b_p ∝ i_p. Cependant il n’est pas possible de reproduire les valeurs du bruit mesur´e avec la seule contribution du courant de fuite, la valeur de ∆b_p calcul´ee est inf´erieure d’un facteur 2. Ce d´esaccord a d´ej`a ´et´e mis en ´evidence pour des d´etecteurs en silicium `a micropistes par la collaboration CDF [Azz96].

Il nous est difficile de conclure quant `a l’augmentation du bruit pour des doses in-f´erieures `a 20 krad. Entre 7 et 17 krad, ∆b_p est est de l’ordre de 200 ´electrons pour la face n et 300 pour la face p. Ces valeurs doivent ˆetre multipli´ees par un facteur tenant compte que seule une fraction de la longueur totale des pistes a ´et´e irradi´ee.

c) Tests en source

Afin de v´erifier que l’irradiation n’introduisait pas de perte dans la cr´eation et/ou la collection du signal, un test avec une source radioactive a ´et´e r´ealis´e. Les particules (β⁻) issues d’une source de Strontium (Sr⁹⁰) poss`edent une ´energie maximale de l’ordre de

Dose (krad) 0 20 40 60 80 100 120 140 Bruit (électrons) 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 face n

Fig. 3.45: Bruit des pistes irradi´es sur les faces p et n.

2 MeV, nous pouvons consid´erer la charge d´epos´ee ´egale au MIP. Les distributions de Landau du signal collect´e sur les pistes poss`edent des caract´eristiques identiques, que ces pistes soient situ´ees dans la zone irradi´ee ou non. L’irradiation ne semble pas affecter la cr´eation du signal dans le d´etecteur.

3.6.4 Conclusions

Ces tests nous permettent d’affirmer que les modules de d´etection pour STAR ne subiront pas de pertes significatives de leurs performances initiales `a cause de la dose ´equivalente re¸cue pendant leur dur´ee de fonctionnement dans l’exp´erience.

Les circuits de lecture montrent une sensibilit´e aux particules ionisantes qui se traduit sur les valeurs des pi´edestaux et des gains. Cependant les effets induits par une dose de 10 krad (´equivalente pour le d´etecteur en silicium) sont ais´ement compensables. De plus, aucune augmentation de bruit n’a ´et´e observ´ee avant 30 krad.

Le d´etecteur en silicium a ´egalement montr´e un comportement tr`es satisfaisant. La collection des charges n’est pas perturb´ee mˆeme pour de tr`es fortes doses. L’augmentation du bruit est toutefois relativement difficile `a quantifier. Si l’on consid`ere des bruits initiaux pour les modules de d´etection de l’ordre de 700 ´electrons sur la face p et 1100 ´electrons sur la face n, alors une dose absorb´ee de 10 krad conduirait aux valeurs de bruit suivantes : 900 ´electrons sur la face p et 1120 sur la face n. Soit des rapports signal sur bruit pour une particule au MIP de 28 et 23 sur les faces p et n respectivement. Les deux remarques suivantes permettent cependant d’ˆetre optimiste quant `a la d´egradation du rapport signal sur bruit des modules de d´etection du SSD :

– lors de la premi`ere campagne d’irradiation, le d´etecteur en silicium a re¸cu une dose de 15 krad. Au d´ebut de la deuxi`eme campagne de test qui a eu lieu 1 an plus tard, le d´etecteur avait compl`etement r´ecup´er´e en terme de courant de fuite : I<sub>BS</sub> ´etait revenu `a sa valeur initiale avant toute irradiation.

la couche la plus interne du SVT. Le flux de particules rapport´e aux modules de d´etection du SSD conduit `a une dose proche de 1 krad.