Til hovedinnhold
Kasett med 20 wafere der hver sensor er kompatibel med elektronikken til CERNS detektosystemer.

Sammen med universiteter i Norge, Europa og USA har de norske forskerne arbeidet i fem år med å utvikle særlig strålingsharde sensorer.

I den 30 kilometer store – og mye omtalte akselerator ringen i CERN, sitter det to detektorer systemer (ATLAS og CMS).  Disse inneholder lag på lag med ulike detektorer som skal bestemme og spore partiklene som dannes etter protonkollisjonene i ringen.


Må tåle sterk stråling
De innerst lagene nær vakuumrøret som omslutter protonstrålene, er utsatt for svært høy stråling, og etter oppgraderingen vil denne strålingen bli èn til to størrelsesordener høyere. Dette gir strålingsdoser som raskt vil ødelegge vanlige silisiumsensorer. De innerste lagene må derfor skiftes ut og erstattes med nye og spesielt strålingsharde detektorer.
 
- For en 3D-sensorbrikke er avstanden mellom de vertikale elektrodene der signalet fanges opp, svært liten – bare 50 til 70 mikrometer. Derfor vil en 3D-detektor være effektiv selv etter store strålingsskader i materialet mellom elektrodene. Faktisk er 3D-sensorene mer strålingsharde enn diamanter, forklarer Thor-Erik Hansen og Angela Kok ved MiNaLab’en som har vært sentrale i dette arbeidet.

For å få "full 3D-sensorer med aktiv kant", fylles det silisium inn i den 5 mikrometer store sprekken mellom sensorbrikkene. FOTO: MiNaLab, SINTEF


Fremst i rekka

Det er laget ulike varianter av sensorer i samarbeidsprosjektet, men i følge Hansen er det, foruten Stanford, bare SINTEF i verden som har fått til det som betegnes ”Full 3D-sensor med aktiv kant” og som kan levere i volum.

Aktiv kant innebærer at kanten av sensorbrikken er høy-dopet med bor. Dette gjør brikkene så følsomme at de kan monteres kant-i-kant uten død areal. I tillegg går elektrodene som er fylt med polykrystallinsk silisium, vertikalt gjennom sensoren.


Gode resultater
 
Så langt har det vært produsert tre serier med 3D-detektorer ved SINTEF MiNaLab. Den første serien ga brukbare detektorer, mens sensorbrikkene fra neste serie har blitt montert sammen med elektronikk til detektormoduler som ga gode resultater i strålingstester. Dette gjelder detektorer tilpasset både ATLAS og CMS.

Strålingshardheten er nå under evaluering ved det tyske forskningsinstituttet DESY som driver med høyenergi fysikk.

- Den tredje serien vår av 3D-detektorer er nettopp ferdig prosessert på lab’en og er nå under testing. Dette er de mest avanserte som er laget med mer enn 40 000 vertikale elektroder på hver sensorbrikke, forteller Thor-Erik Hansen.


Posisjonering
Selv om resultatene er lovende er det ikke før om fem-seks år at disse sensorene vil kunne tas i bruk. – Det er da hovedoverhalingen av akseleratoren skjer etterfulgt av en oppgradering der nye detektorer skal installeres, sier Hansen.

Fram til da vil SINTEF bruke tiden til å posisjonere seg for kontrakter som kan komme.
Forskerne ser også etter andre anvendelser der det kreves strålingsharde og/eller raske detektorer. Dette kan dreie seg om romfart, material analyse, medisin m.m.

Av Åse Dragland