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Hdr Année : 2013

Instrumentation on silicon detectors: from properties characterization to applications

N. Dinu
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 850181

Résumé

A deep knowledge of the fundamental physics phenomena involved in Silicon Detectors is mandatory for their optimal use in dedicated applications. In the present manuscript, this concept is represented for the particular case of two types of Silicon Detectors: (1) the Silicon Photomultipliers (SiPM) and their applications in medical imaging and (2) the Planar Pixel Sensors (PPS) and their application for the upgrade of the ATLAS inner detector at high-luminosity LHC. My personal work on SiPM detectors started around 10 years ago. Therefore, the first part (A) of my HDR will firstly relate the physical principle of the Geiger-Mode Avalanche Photodiodes (GM-APD), representing the elementary cell of a SiPM detector. Then, the concept of the SiPM detector is introduced and its main physical characteristics are reviewed. The experimental set-ups developed for the measurement of these detectors as well as the SiPM characteristics from main producers are presented. Since the temperature dependence of SiPM parameters represents a particular drawback in different applications, my dedicated work on this subject is also presented showing that this dependence can become negligible if the operating conditions are well controlled. The SiPM detectors present important electrical, optical and mechanical advantages allowing for flexible design in applications where large detection area is required. Therefore, they are very "appetizing" devices for medical imaging applications and my work on using SiPM arrays in two medical applications is also presented: high resolution small animal PET scan and hand-held radiation detector for assisting the surgeon in locating and removing the solid tumors. In parallel with the SiPM activity, in the last years I was involved in the design and characterization of new PPS detectors for the upgrade of the ATLAS inner detector at high luminosity LHC. Therefore, the second part (B) of my HDR details the experimental methods like Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS) and Spreading Resistance Profiling (SRP) used for the doping profiles measurements of PPS detectors. The importance of these measurements for the fabrication process control and the calibration of the Technology-Computed Aided Design simulations (TCAD) are shown. Simulations results predicting the behavior of new planar pixel sensors with improved geometrical and radiation hardness characteristics for the upgrade of the ATLAS inner detector at high-luminosity LHC are also presented.
L'utilisation optimale, dans des applications spécifiques, des Détecteurs Silicium nécessite une connaissance approfondie des phénomènes physiques sous-jacents. Dans ce mémoire, cette idée conductrice est appliquée à deux types de détecteurs : (1) les SiPM et leurs applications en imagerie médicale (2) les détecteurs à pixels planaires (PPS) et leurs applications dans la mise-à-jour du détecteur interne d'ATLAS pour le LHC à haute luminosité. Mon travail personnel sur les SiPM a débuté il y a environ 10 ans. Ainsi la partie (A) de mon HDR rappelle tout d'abord le principe physique de la photodiode à avalanche en mode Geiger (GM-APD), qui constitue la cellule élémentaire d'un SiPM. Puis le fonctionnement du SiPM est développé, avec ses principales caractéristiques physiques, ainsi que les montages expérimentaux mis en œuvre et les mesures de ces paramètres sur les productions des principaux fabricants. La dépendance en température des paramètres des SiPM constitue un inconvénient majeur dans certaines applications, aussi mon travail personnel montre comment on peut en grande partie s'affranchir de cette dépendance, en contrôlant certains paramètres de fonctionnement. Les détecteurs à SiPM présentent des avantages très intéressants au plan électrique, optique, mécanique, etc ..., permettant des applications multiples dans des domaines où une grande surface de détection est requise. Ainsi, les matrices de SiPM sont des composants très attractifs pour des applications d'imagerie médicale. Mon travail dans deux applications de ce type est détaillé : PET à haute résolution pour des petits animaux, et détecteur de radiation portatif pour l'aide à la localisation in situ de tumeurs solides. En parallèle à l'activité SiPM, j'ai été impliquée ces dernières années dans la conception et la caractérisation de nouveaux détecteurs à pixel planaires pour "l'upgrade" de l'expérience ATLAS. La partie (B) de mon HDR expose ainsi les méthodes expérimentales, comme "Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS)" et "Spreading Resistance Profiling" (SRP), utilisées pour la mesure de profils de dopage pour le détecteurs PPS. Je démontre ainsi l'importance de ces mesures pour le contrôle du process de fabrication, et la calibration des simulations TCAD (Technology-Computed Aided Design). Les résultats des simulations prévoyant le comportement des nouveaux détecteurs planaires proposés, avec des caractéristiques géométriques et une résistance aux radiations améliorées, sont présentés.
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Dates et versions

tel-00872318 , version 1 (29-10-2013)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00872318 , version 1

Citer

N. Dinu. Instrumentation on silicon detectors: from properties characterization to applications. Instrumentation and Detectors [physics.ins-det]. Université Paris Sud - Paris XI, 2013. ⟨tel-00872318⟩
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