Development of a characterization technique, the Time-of-Flight electron Beam Induced Current, and design of diamond detectors for the identification of short range particles.
Développement d'une technique de caractérisation, le courant induit par faisceau d'électrons à temps de vol, et conception de détecteurs en diamant pour l'identification des particules à faible parcours
Résumé
The work carried out during this thesis concerns the implementation and the development of characterization tools for instrumental devices (telescope, p-n junction), in diamond technology intended for the detection of particles with a short path in matter (alpha particles, fission fragments, ...) for applications in the field of nuclear physics and radioprotection. In a first step, synthetic diamond substrates were characterized at room temperature. Their excellent transport properties (high mobilities and saturation speeds) and charge collection properties (100% charge collection efficiency) were demonstrated. In parallel, a test bench allowing to induce a current in a diamond sample using a pulsed electron beam (eBIC for electron Beam Induce Current) was developed. The objective was to reproduce an energy deposition similar to weakly penetrating particles and to study the charge collection processes in diamond detectors. This ToF - eBIC (ToF for Time of Flight) technique allowed to characterize the charge transport properties of diamond over a wide temperature range (from 13 to 300 K) and to support the state of the art with a low field mobility measurement of 1.03 ± 0.04 × 106 cm2/(V-s) holes at 13 K, thus opening the way to future applications related to quantum information transport. In addition, an innovative ∆E-E telescope in diamond technology was designed and built. This type of detector, allowing the identification of incident particles, has a crucial role in nuclear physics combining compactness, good resistance to radiation and detection efficiency. An incident particle, with a short path, will pass through the ∆E stage and be stopped in the E stage. Its identification will be done by comparing the two energy deposits. The challenge in this aspect of the project was the design of a heavily boron-doped diamond electrode overlying the E-stage, followed by epitaxial rework and growth of a diamond layer with residual doping to form the ∆E stage. The performance of the ∆E-E detector, evaluated in the laboratory, with an alpha source, could be compared with that of a diamond p-n junction, fabricated in Japan, as part of an international collaboration in which the project was involved.
Les travaux menés au cours de cette thèse portent sur la mise en œuvre et le développement d’outils de caractérisation de dispositifs instrumentaux (télescope, jonction p-n), en technologie diamant destinés à la détection de particules à faible parcours dans la matière (particules alpha, fragments de fission, …) pour des applications au domaine de la physique nucléaire et de la radioprotection. Dans un premier temps, des substrats en diamant synthétique ont été caractérisés à température ambiante. Leurs excellentes propriétés de transport (mobilités et vitesses de saturation élevées) et de collecte de charges (100% d’efficacité de collection de charge) ont été mis en évidence. En parallèle, un banc de tests permettant d'induire un courant dans un échantillon diamant à l'aide d'un faisceau d'électrons pulsé (eBIC pour electron Beam Induce Current) a été mis au point. L’objectif était de reproduire un dépôt d’énergie similaire à celui de particules faiblement pénétrantes et d’étudier les processus de collection de charge dans les détecteurs en diamant. Cette technique de ToF – eBIC (ToF pour Time of Flight) a ainsi permis de caractériser les propriétés de transport de charges du diamant sur une large gamme de températures (de 13 à 300 K) et d’étayer l'état de l'art grâce à une mesure de la mobilité à faible champs des trous de 1.03 ± 0.04 × 106 cm2/(V·s) à 13 K, ouvrant ainsi la voie à de futures applications liées notamment au transport d’informations quantiques. Par ailleurs, un télescope ∆E-E innovant en technologie diamant a été conçu et fabriqué. Ce type de détecteur, permettant l’identification de particules incidentes, joue un rôle crucial en physique nucléaire alliant compacité, bonne résistance aux radiations et efficacité de détection. Une particule incidente, à faible parcours, va traverser l’étage ∆E et être stoppée dans l’étage E. Son identification s’effectuera par comparaison des deux dépôts d’énergie. Le défi de cet aspect du projet a résidé en la conception d'une électrode en diamant fortement dopée en bore, qui surmonte l’étage E, suivie par une reprise d’épitaxie et la croissance d’une couche diamant avec un dopage résiduel pour former l’étage ∆E. Les performances du détecteur ∆E-E, évaluées en laboratoire, avec une source alpha, ont pu être comparées avec celles d’une jonction p-n en diamant, fabriquée au Japon, et ce dans le cadre d’une collaboration internationale dans laquelle le projet s’est inscrit.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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