Construction and Testing of an Experimental Apparatus for Irradiation of Semiconductor Devices

Informações
Apresentador: 
Atividade: 
Pós-Graduação
Conferência: 
Reunião de Trabalho sobre Física Nuclear no Brasil
Data da Conferência: 
segunda-feira, 8 Setembro, 2014

Resumo: O nível de radiação dentro dos detectores do Large Hadron Colider (LHC) no CERN é uma questão importante para ser considerada em relação ao funcionamento dos dispositivos eletrônicos instalados nos experimentos do LHC. O Centro de Instrumentação em Física de Altas Energias (HEPIC) da Universidade de Sãoo Paulo faz parte da colaboração da ALICE, uma das grandes experiências do LHC/CERN, e está intensamente envolvido com o programa de atualização do sistema de leitura desta experiência. O ambiente do ALICE é suave em termos de radiação, especialmente na zona em que novos componentes eletrônicos serão instalados. A dose total é baixa e apenas um fluxo de partículas da ordem de 1kHz/cm2 poderia ser de alguma preocupação com Efeitos de Eventos Únicos (SEE). O cartão frontal que hospeda a eletrônica irá fornecer, através de reguladores de potência, proteção contra travamento de evento único (SEL), enquanto o processador digital implementará um código para aumentar a imunidade a um único evento perturbado. Para ambas as medidas de mitigação, é importante medir com antecedência a taxa esperada de SEE para avaliar o seu impacto no desempenho geral do detector. Neste trabalho, apresentamos a nossa atividade com o objetivo de testar a sensibilidade do sistema de leitura à SEE. Mostraremos detalhes de design de uma instalação experimental a ser montada na linha de feixes 30B do acelerador Pelletron no Laboratório Aberto de Física Nuclear (LAFN) na Universidade de São Paulo. O acelerador Pelletron fornece feixes de próton de até 15 MeV de energia, bem como feixes de íons pesados com E/A 4 MeV com algumas centenas de nano-amperes de corrente de feixe. A dispersão elástica desses feixes em lâminas finas de ouro é usada para irradiar os dispositivos eletrônicos com fluxo constante e uniformidade espacial. O número de partículas espalhadas, bem como o alinhamento do feixe e sua dispersão, são monitorados através de detectores de silício sensíveis à posição, posicionados simetricamente ao redor do linha de feixe. Combinando estas características com a flexibilidade no posicionamento do chip, é possível estudar o desempenho dos dispositivos eletrônicos em função da Dose Total Irradiada (TID). A configuração dos detectores necessária para controlar o alinhamento do feixe e a corrente que atinge o dispositivo irradiado será descrita neste trabalho, bem como os testes preliminares com o aparelho.

Abstract: The radiation level inside the detectors of the Large Hadron Collider (LHC) at CERN is an important issue to be considered regarding the operation of electronic devices installed in the LHC experiments. The High Energy Instrumentation Center (HEPIC) of the University of São Paulo is part of the ALICE collaboration, one of the large LHC/CERN experiments, and it is intensively involved with the upgrade program of the readout system from this experiment. The ALICE environment is mild in terms of radiation, especially in the zone were the new electronics will be installed. The total dose is low and just a particle flux of the order of 1kHz/cm2 could be of some concern for Single Event Effects (SEE). The front end card hosting the electronics will provide, via power regulators, protection against single event latchup (SEL), while the digital processor will implement a code to increase immunity to single event upset. For both mitigation measures, it is important to measure in advance the expected SEE rate in order to evaluate its impact in the overall detector performance. In this work, we present our activity aimed to test the readout system sensitiveness to SEE. We will show design details of an experimental setup to be assembled in the 30B beam line of the Pelletron accelerator in the Laboratório Aberto de Física Nuclear (LAFN) at the University of São Paulo. The Pelletron accelerator provides proton beams up to 15 MeV energy as well as heavy-ion beams with E/A 4 MeV with a few hundred nano-amperes of beam current. The elastic scattering of those beams in thin gold foils is used to irradiate the electronic devices with constant flux and spatial uniformity. The number of particles scattered, as well the beam alignment and its dispersion, are monitored by using position sensitive silicon detectors, symmetrically positioned around the beam line. Combining these features with the flexibility in positioning the chip, it is possible to study the performance of electronic devices as a function of the Total Irradiated Dose (TID). The setup of the detectors needed to control the beam alignment and the current hitting the irradiated device will be described in this work as well as preliminary tests with the apparatus.