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Efecto Lázaro

Mecanismo de creación de defectos en red (arriba) y atrapamiento/desatrapamiento de electrones y huecos a diferentes temperaturas (abajo)

El efecto Lázaro se refiere a los detectores de semiconductores ; cuando estos se utilizan en entornos de radiación agresivos, comienzan a aparecer defectos en la red cristalina del semiconductor a medida que los átomos se desplazan debido a la interacción con las partículas de alta energía que pasan por ella . Estos defectos, en forma de vacantes en la red y de átomos en sitios intersticiales, tienen el efecto de atrapar temporalmente los electrones y los huecos que se crean cuando las partículas ionizantes pasan a través del detector. Dado que son estos electrones y huecos que se desplazan en un campo eléctrico los que producen una señal que anuncia el paso de una partícula , cuando se producen grandes cantidades de defectos, la señal del detector puede reducirse considerablemente, lo que da lugar a un detector inutilizable (muerto).

Daños por radiación producidos por iones de plomo relativistas del haz SPS que inciden en un detector de microbanda de silicio del experimento NA50 del CERN

Sin embargo, en 1997, Vittorio Giulio Palmieri, Kurt Borer, Stefan Janos , Cinzia Da Viá y Luca Casagrande de la Universidad de Berna (Suiza) descubrieron que a temperaturas inferiores a 130 kelvins (aproximadamente -143 grados Celsius ), los detectores muertos aparentemente vuelven a la vida. [1] La explicación de este fenómeno, conocido como efecto Lázaro, está relacionada con la dinámica de los defectos inducidos en la masa del semiconductor .

A temperatura ambiente, los defectos inducidos por daños por radiación atrapan temporalmente los electrones y huecos resultantes de la ionización , que luego se emiten de nuevo a la banda de conducción o banda de valencia en un tiempo que suele ser más largo que el tiempo de lectura de la electrónica conectada. En consecuencia, la señal medida es más pequeña de lo que debería ser. Esto conduce a relaciones señal-ruido bajas que, a su vez, pueden impedir la detección de la partícula que atraviesa . Sin embargo, a temperaturas criogénicas , una vez que un electrón o un hueco , resultante de la ionización o de la corriente de fuga del detector , queda atrapado en un defecto local, permanece atrapado durante mucho tiempo debido a la energía térmica muy baja de la red . Esto hace que una gran fracción de "trampas" se llenen y, por lo tanto, se inactiven. De este modo, se evita el atrapamiento de electrones y huecos generados por partículas que atraviesan el detector y se pierde poca o ninguna señal. Este comportamiento se ha observado en varios artículos científicos. [2] [3] [4]

Gracias al efecto Lázaro, se ha demostrado que los detectores de silicio pueden sobrevivir a dosis de radiación superiores a 90 GRad [5] [6] y se han propuesto para futuros experimentos de alta luminosidad. [7] Se ha establecido una colaboración científica RD39 [8] en el CERN para comprender completamente los detalles de la física involucrada en el fenómeno. [9] [10] [11]

Recientemente, se ha propuesto el efecto Lázaro como el mecanismo que proporciona una mayor dureza de la radiación para dispositivos voltaicos alfa y beta de silicio de alta energía operados a temperaturas criogénicas. [12] Esto podría conducir a dispositivos basados ​​en el radioisótopo estroncio-90 , que es mucho más barato que el níquel-63 que se usa actualmente en las baterías nucleares de diamante. [13] Dichos dispositivos podrían ser útiles para la exploración del espacio profundo .

Referencias

  1. ^ Vittorio Giulio Palmieri; Kurt Borer; Stefan Janos; Cinzia Da Viá; Luca Casagrande (1998), "Evidencia de recuperación de eficiencia de recolección de carga en detectores de silicio fuertemente irradiados operados a temperaturas criogénicas", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment , vol. 413, no. 2–3, pp. 475–478, Bibcode :1998NIMPA.413..475P, doi :10.1016/S0168-9002(98)00673-1
  2. ^ K. Borer et al.: Eficiencia de recolección de carga de un detector de silicio irradiado operado a temperaturas criogénicas. En: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. 440, 2000, págs. 5-16, doi :10.1016/S0168-9002(99)00799-8
  3. ^ V. Granata et al.: Tecnología criogénica para detectores de rastreo. En: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. 461, 2001, págs. 197-199, doi :10.1016/S0168-9002(00)01205-5
  4. ^ K. Borer et al.: Eficiencia de recolección de carga de un detector de silicio doble p criogénico irradiado. En: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. 462, 2001, págs. 474–483, doi :10.1016/S0168-9002(01)00198-X
  5. ^ Casagrande et al.: Un nuevo rastreador criogénico de silicio ultrarresistente para haces de iones pesados ​​En: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. 478, 2002, S. 325-329, doi :10.1016/S0168-9002(01)01819-8
  6. ^ Rosinský, P.; Borer, K.; Casagrande, L.; Devaux, A.; Granata, V.; Guettet, N.; Hess, M.; Heuser, J.; Jarron, P.; Li, Z.; Lourenço, C.; Manso, F.; Niinikoski, TO; Palmieri, VG; Radermacher, E. (2003-09-21). "El rastreador de haz de silicio criogénico de NA60 para haces de iones pesados ​​y protones". Instrumentos y métodos nucleares en la investigación en física Sección A: Aceleradores, espectrómetros, detectores y equipos asociados . Actas del 11.º taller internacional sobre detectores de vértices. 511 (1): 200–204. Código Bibliográfico :2003NIMPA.511..200R. doi :10.1016/S0168-9002(03)01793-5. ISSN  0168-9002.
  7. ^ Zhang Li et al.: Detectores criogénicos de silicio para dureza de ultra radiación en ambientes SLHC. En: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. 579, 2007, págs. 775–781, doi :10.1016/j.nima.2007.05.296
  8. ^ "Colaboración CERN RD39: detectores de rastreo criogénicos". rd39.web.cern.ch . Consultado el 30 de enero de 2024 .
  9. ^ Verbitskaya, E.; Abreu, M.; Anbinderis, P.; Anbinderis, T.; D'Ambrosio, N.; de Boer, W.; Borchi, E.; Borer, K.; Bruzzi, M.; Buontempo, S.; Casagrande, L.; Chen, W.; Cindro, V.; Dezillie, B.; Dierlamm, A. (2003-11-21). "El efecto de la recuperación de la recolección de carga en detectores de unión p–n de silicio irradiados por diferentes partículas". Instrumentos y métodos nucleares en la investigación en física Sección A: Aceleradores, espectrómetros, detectores y equipos asociados . Actas de la 4ª Conferencia internacional sobre efectos de la radiación en materiales semiconductores, detectores y dispositivos. 514 (1): 47–61. Código Bibliográfico :2003NIMPA.514...47V. doi :10.1016/j.nima.2003.08.083. ISSN  0168-9002.
  10. ^ Mendes, PR; Abreu, MC; Eremin, V.; Zheng Li; Niinikoski, TO; Rodrigues, S.; Sousa, P.; Verbitskaya, E. (2003). "Una nueva técnica para la investigación de niveles profundos en silicio irradiado basada en el efecto Lazarus". Simposio de Ciencias Nucleares IEEE 2003. Registro de la conferencia (IEEE Cat. No.03CH37515) . págs. 417–423 Vol.1. doi :10.1109/nssmic.2003.1352075. ISBN 0-7803-8257-9. S2CID  21935672 . Consultado el 30 de enero de 2024 .
  11. ^ Li, Zheng; Eremin, Vladimir; Verbitskaya, Elena; Dehning, Bernd; Sapinski, Mariusz; Bartosik, Marcin R.; Alexopoulos, Andreas; Kurfürst, Christoph; Härkönen, Jaakko (11 de julio de 2016). "Actividades de colaboración CERN-RD39 dirigidas a la aplicación de un detector de silicio criogénico en el Gran Colisionador de Hadrones de alta luminosidad". Instrumentos y métodos nucleares en la investigación en física Sección A: Aceleradores, espectrómetros, detectores y equipos asociados . Detectores de vanguardia para física de vanguardia: Actas de la 13.ª reunión de Pisa sobre detectores avanzados. 824 : 476–479. Código Bibliográfico :2016NIMPA.824..476L. doi : 10.1016/j.nima.2015.09.070 . ISSN  0168-9002.
  12. ^ Palmieri, Vittorio Giulio; Casalino, Maurizio; Di Gennaro, Emiliano; Romeo, Emanuele; Russo, Roberto (1 de abril de 2024). "Dispositivos de silicio alfa y beta-voltaicos operados a temperaturas criogénicas: una fuente de energía para la exploración del espacio profundo". Next Energy . 3 : 100101. Bibcode :2024NextE...300101P. doi : 10.1016/j.nxener.2024.100101 . ISSN  2949-821X.
  13. ^ Bormashov, VS; Troschiev, S. Yu.; Tarelkin, SA; Volkov, AP; Teteruk, DV; Golovanov, AV; Kuznetsov, MS; Kornilov, NV; Terentiev, SA; Blank, VD (1 de abril de 2018). "Prototipo de batería nuclear de alta densidad de potencia basado en diodos Schottky de diamante". Diamond and Related Materials . 84 : 41–47. Bibcode :2018DRM....84...41B. doi : 10.1016/j.diamond.2018.03.006 . ISSN  0925-9635.

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