Radiation Hardness Studies of Monolithic Active Pixel Sensors ...

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76 KAPITEL 5. DIE STRAHLENHÄRTESTUDIE Oberflächenschäden ausheilen. Die Addition der stabilen Leckstromkomponente I0 aus Volumenschäden und Oberflächenschäden beschreibt nach Abzug des unbestrahlten Beitrages in erster Näherung die stabile Leckstromkomponente der kombinierten Bestrahlung. Besonders stark ist die Verringerung des Leckstromes innerhalb der ersten 15 Stunden bei T = +80 ◦ C. Beobachtet wurde ein Verringerung um etwa 35 %. 5.2.2.2 Rauschen In Abbildung 5.13 wird das Rauschen von MIMOSA-19 als Funktion der Ausheilzeit gezeigt. Erwartungsgemäß sinkt das Rauschen wie der Leckstrom mit zunehmender Ausheildauer. Durch die Ausheilung bei T = +80 ◦ C verringert sich das Rauschen des Sensors mit sowohl Volumenals auch Oberflächenschäden von (93 ± 3) e − auf (57 ± 1) e − und das Rauschen des Sensors mit nur Oberflächenschäden von (89 ± 2) e − auf (52 ± 1) e − . Das Rauschen des Sensors mit Volumenschäden verringert sich dagegen trotz längeres Aufheizen bei T = +80 ◦ C nur von (43 ± 2) e − auf (40 ± 2) e − . Die Fehlerangaben beziehen sich wieder auf die Produktionstoleranzen der Pixel, die statistische Unsicherheit ist geringer. Die Verringerung des Rauschens des nur mit Neutronen bestrahlten Sensors nach den ersten beiden Messungen bis zur 30. Stunde ist auf einen zeitweilig modifizierten Versuchsaufbau und daraus resultierender veränderten Verstärkung zurückzuführen, die sich im Rauschen nicht vollständig herausrechnen lässt. Die daraus resultierende Unsicherheit liegt noch innerhalb der Breite der Produktionstoleranz. Dieses Ergebnis stützt die Annahme, dass es sich beim Rauschen vorwiegend um Schrotrauschen handelt, welches durch die Aufheizung der Sensoren auf T = +80 ◦ C gesenkt werden kann. Das Rauschen wird auch nicht durch ein eventuelles negatives Ausheilen der Volumenschäden erhöht. Als Konsequenz haben ausgeheilte Sensoren ein geringeres Rauschen als nur bestrahlte Sensoren und es wird unter der Annahme, dass sich auch die Ladungssammlungseffizienz durch die Ausheilung nicht verschlechtert, ein größeres Signal-Rausch-Verhältnis für die ausgeheilten Sensoren erwartet. Die Strahlenhärte der Sensoren kann damit durch thermische Ausheilung der Strahlenschäden zu einem gewissen Teil verbessert werden. 5.2.2.3 Ladungsspektrum Neutronbestrahlung bewirkt nach Abschnitt 5.1.1 einen Einbruch der Ladungssammlungseffizienz. Verantwortlich dafür werden Volumenschäden gemacht. Eine offene Frage ist, ob diese Volumenschäden bei T = +80 ◦ C ausheilen. Eine negative Ausheilung der Ladungssammlungseffizienz würde der positiven Ausheilung des Rauschens entgegenstehen. Abbildung 5.14 zeigt das Ladungsspektrum einer Cd-Quelle bei einer Clustergröße von einem Pixel, aufgenommen für einen Neutronenbestrahlten Chip vor und nach sieben Tage Aufheizung auf T = +80 ◦ C. Da die Spektren mit einem halben Jahr Abstand aufgenommen wurden, wurde die Verringerung der Intensität der Cd-Quelle korrigiert. Die Spektren sind in sehr guter Übereinstimmung. Es ist kein Hinweis auf eine Änderung
5.2. AUSHEILUNG VON STRAHLENSCHÄDEN 77 Noise [e] 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Gain changed X-ray radiation Combined radiation Neutron radiation Stored 3 days at room temperature 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Annealing time at +80°C [h] Abbildung 5.13: Ausheilung im Rauschen als Funktion der Ausheilzeit bei T = +80 ◦ C für kombinierte Bestrahlung (rote Kreise), Röntgenbestrahlung (schwarze Quadrate) und Neutronenbestrahlung (blaue Dreiecke). Auch hier ist der Knick durch eine längere Ausheilung der kombiniert und röntgenbestrahlten Sensoren bei Raumtemperatur sichtbar. Die Verringerung des Rauschens des nur mit Neutronen bestrahlten Sensors nach den ersten beiden Messungen bis zur 30. Stunde ist auf einen zeitweilig modifizierten Versuchsaufbau und daraus resultierender veränderten Verstärkung zurückzuführen.
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Eine Ausheilstudie an bestrahlten M
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B Abstract CMOS Monolithic Active P
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ii INHALTSVERZEICHNIS 4 Methoden zu
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iv ABBILDUNGSVERZEICHNIS 5.2 Ladung
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vi TABELLENVERZEICHNIS
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2 KAPITEL 1. EINLEITUNG 1.2 Fragest
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4 KAPITEL 2. MONOLITHIC ACTIVE PIXE
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10 KAPITEL 2. MONOLITHIC ACTIVE PIX
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18 KAPITEL 3. STRAHLENSCHÄDEN zeln
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