ABSTRACT
Abstract Nowadays, the experiments related to High Energy Physics and others fields demand the use of detectors with greater radiation resistance, and the novel material GaAs:Cr has demonstrated excellent radiation hardness compared with other semiconductors. On the basis of evidence obtained in the JINR experiment with the use of 22 MeV electrons beam generated by the LINAC-800 accelerator, an analysis of electron radiation effects on GaAs:Cr and Si detectors is presented. The measured I-V characteristics showed a dark current increase with dose, and an asymmetry between the two branches of behaviors for all detectors. Analyzing the MIP spectra and CCE dose dependence measurements a deterioration process of detectors collection capacity with dose increase was found, although behaviors are somewhat different according to the detector type. The detailed explanation of these effects from the microscopic point of view appears in the text, and are generally linked to the generation of atomic displacement, vacancies and other radiation defects, modifying the energy levels structure of the target material. These changes affect the lifetime and concentration of the charge carriers, and other characteristics of the target material.
Resumen Actualmente, los experimentos relacionados con la física de altas energías y otros campos, demandan el uso de detectores con mayor resistencia a las radiaciones y el novedoso material GaAs:Cr ha demostrado poseer una excelente fortaleza comparado con otros semiconductores. En base a las evidencias obtenidas en el experimento del IUIN con el uso de un haz de electrones de 22 MeV generado por el acelerador LINAC-800, se presenta un análisis de los efectos de la radiación en detectores de Si y GaAs:Cr. Las características I-V medidas mostraron un incremento de la corriente de fuga con la dosis y una asimetría entre las dos ramas de estos comportamientos para todos los detectores. Analizando las mediciones de los espectros MIP y la dependencia de la CCE con la dosis, fue encontrado un proceso de deterioro de la capacidad de detección de los detectores con el aumento de la dosis, sin embargo, los comportamientos son diferentes de acuerdo al tipo de detector. La explicación detallada de estos efectos desde el punto de vista microscópico aparece en el texto, los cuales están relacionados generalmente con la generación de desplazamientos atómicos, vacancias y otros defectos producto de la radiación, modificando la estructura de los niveles energéticos en el material sensor. Estos cambios afectan el tiempo de vida y la concentración de los portadores de carga, así como otras características del material.
ABSTRACT
Abstract Among the latest ionizing radiation detectors, those based on chromium compensated gallium arsenide (GaAs:Cr) are ones of the most competitive for many applications due to their high Z and strong resistance to radiation damage. They have been used in high energy physics research, medical visualization and spatial technologies, geological prospecting, among other advanced fields. The object of this work is a 900 µm GaAs:Cr detector with Timepix readout technology. Some detector characteristics for three experimental conditions were measured and studied by using the X-rays from a synchrotron and an X-ray tube provided with different materials for obtaining the corresponding fluorescence photons. A complex function was used to decompose the differential spectra into the most important contributions involved. As an additional tool for the research, the mathematical modeling of the mobility of charge carriers generated by radiation within the active volume of the detector was used. The results of these charge sharing effect studies showed a noticeable prevalence in the detector of this effect, changing its contribution according to the experiment characteristics. The detector was calibrated for the planned experiments and the energy resolution was determined. From the analysis of all the obtained results and their comparison with those reported in literature, it was confirmed that the detector has a marked charge-sharing effect between neighboring pixels, being its performance more impaired as the energy of incident photons increases.
Resumen Entre los últimos detectores de radiación ionizante, los basados en arseniuro de galio compensado con cromo (GaAs: Cr) son de los más competitivos para muchas aplicaciones debido a su alto Z y fuerte resistencia al daño de la radiación. Se han utilizado en investigación de física de alta energía, visualización médica y tecnologías espaciales, prospección geológica, entre otros campos avanzados. El objeto de este trabajo es un detector de GaAs: Cr de 900 µm con tecnología de lectura Timepix. Algunas características del detector para tres condiciones experimentales se midieron y estudiaron utilizando rayos X de un sincrotrón y un tubo de rayos X provisto de diferentes materiales para obtener los fotones de fluorescencia correspondientes. Se utilizó una función compleja para descomponer los espectros diferenciales en las contribuciones más importantes involucradas. Como herramienta adicional para la investigación, se utilizó el modelado matemático de la movilidad de los portadores de carga generados por la radiación dentro del volumen activo del detector. Los resultados de estos estudios de efecto de carga compartida mostraron una prevalencia notable en el detector de este efecto, cambiando su contribución según las características del experimento. El detector se calibró para los experimentos planificados y se determinó la resolución de energía. A partir del análisis de todos los resultados obtenidos y su comparación con los reportados en la literatura, se confirmó que el detector tiene un marcado efecto de reparto de carga entre píxeles vecinos, y su rendimiento se ve más afectado a medida que aumenta la energía de los fotones incidentes.
