요약본 (Summary):
This paper investigates the effects of high-energy proton damage on charge trapping in germanium cross-strip detectors. The goal is to measure electron and hole trapping due to impurities, as well as quantify the rate at which charge traps are produced by proton irradiation for COSI-SMEX mission. By characterizing the spectral resolution of a spare COSI-balloon detector, it was found that electron trapping dominates over hole trapping in undamaged detectors. Two rounds of proton irradiation were performed to measure the relationship between hole trap density and cross-sectional area with proton fluence. A linear relationship was observed with a slope of (5.4 ± 0.4) × 10−11 cm/p+. The measurements of physical trapping parameters were used for calibrations, correcting for trapping effects and mitigating degradation to the detector’s spectral resolution.
이 논문은 게르마늄 크로스 스트립 탐지기의 전하 포획에 대한 고 에너지 양성자 손상의 효과를 조사합니다. 목표는 불순물로 인한 전자 및 구멍 트래핑을 측정하고 COSI-SMEX 미션을위한 양성자 조사에 의해 전하 트랩이 생성되는 속도를 정량화하는 것입니다. 여분의 COSI- 볼로 룬 검출기의 스펙트럼 해상도를 특성화함으로써, 전자 트래핑은 손상되지 않은 검출기에서 구멍 트래핑 위에 지배되는 것으로 밝혀졌다. 구멍 트랩 밀도와 양성자 플루 엔스와의 단면적 사이의 관계를 측정하기 위해 2 라운드의 양성자 조사를 수행 하였다. (5.4 ± 0.4) × 10-11 cm/p+의 기울기로 선형 관계가 관찰되었다. 물리적 트래핑 파라미터의 측정은 교정에 사용되어 트래핑 효과를 수정하고 검출기의 스펙트럼 분해능으로의 저하를 완화했습니다.
Excerpt from PDF:
Characterizing hole trap production due to proton irradiation in germanium cross-strip detectors Sean N. Pike 1*, Steven E. Boggs 1,2, Gabriel Brewster 1, Sophia E. Haight 1, Jarred M. Roberts 1, Albert Y. Shih 3, Joanna Szornel 4, John A. Tomsick 2, Andreas Zoglauer 2 1Department of Astronomy & Astrophysics, University of California, San Diego, 9500 Gilman Drive, La Jolla, 92093, CA, USA. 2Space Sciences Laboratory, University of California, Berkeley, 7 Gauss Way, Berkeley, 94720, CA, USA. 3NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, 20771, MD, USA. 4Nuclear Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, 94720, CA, USA. *Corresponding author(s). E-mail(s): snpike@ucsd.edu; Abstract We present an investigation into the effects of high-energy proton damage on charge trapping in germanium cross-strip detectors, with the goal of accom- plishing three important measurements. First, we calibrated and characterized the spectral resolution of a spare COSI-balloon detector in order to determine the effects of intrinsic trapping, finding that electron trapping due to impurities dominates over hole trapping in the undamaged detector. Second, we performed two rounds of proton irradiation of the detector in order to quantify, for the first time, the rate at which charge traps are produced by proton irradiation. We find that the product of the hole trap density and cross-sectional area, [nσ]h follows a linear relationship with the proton fluence, Fp, with a slope of (5.4 ± 0.4) × 10−11 cm/p+. Third, by utilizing our measurements of physical trapping parameters, we performed calibrations which corrected for the effects of trapping and mitigated degradation to the spectral resolution of the detector. Keywords: Germanium semiconductor detectors, charge trapping, gamma-ray spectroscopy, radiation damage 1 arXiv:2412.08836v1 [physics.ins-det] 12 Dec 2024 1 Introduction The soft gamma-ray band remains an understudied regime in astronomy due to the difficulty of achieving high sensitivity in the “MeV gap” between about 100 keV and 100 MeV. NASA’s Compton Spectrometer and Imager (COSI) Small Explorer (SMEX) mission will provide an opportunity to probe astrophysical sources in the energy range of 0.2–5 MeV with unprecedented imaging and excellent spectral resolution as well as sensitivity to polarization (Tomsick et al., 2023). This will be achieved via the recon- struction of Compton scattering events across a 4 × 4 stack of cross-strip germanium detectors (GeDs), each with dimensions 8 cm × 8 cm × 1.5 cm. By utilizing a perpen- dicular strip readout geometry, 3-dimensional spatial information can be inferred from differential drift times of the electron and hole charge clouds produced by each photon interaction in the detector, which drift in opposite directions due to a high voltage applied across each detector (Amman and Luke, 2000; Bandstra, 2010). Additionally, by reading out event information on both sides of each detector, the drift properties of both the liberated electrons and the corresponding positively-charged holes can be probed, allowing us to disentangle effects which act on the two types of charge carri- ers independently. In the work presented here, we discuss the effects of electron and hole trapping in particular. Charge trapping occurs when drifting charge …더보기
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번역 (Translation):
게르마늄 크로스 스트립 탐지기의 양성자 조사로 인한 구멍 트랩 생산 특성 Sean N. Pike 1*, Steven E. Boggs 1,2, Gabriel Brewster 1, Sophia E. Haight 1, Jarred M. Roberts 1, Albert Y. Shih 3, Joanna Szornel 4, John A. Tomsick 2, Andreas Zoglauer 2 1department of Grostomy 및 Storly의 지구조 및 지구조. Diego, 9500 Gilman Drive, La Jolla, 92093, CA, 미국. 2 스페이스 과학 실험실, 캘리포니아 대학교, 버클리, 7 가우스 웨이, 버클리, 94720, 캘리포니아 주 버클리. 3NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, 20771, MD, 미국. 4 핵 과학 부서, 로렌스 버클리 국립 연구소, 버클리, 94720, 캘리포니아 주. *해당 저자. 이메일 : snpike@ucsd.edu; 초록 우리는 세 가지 중요한 측정을 수행하기 위해 게르마늄 크로스 스트립 탐지기의 전하 포획에 대한 고 에너지 양성자 손상의 영향에 대한 조사를 제시합니다. 먼저, 본 발명자들은 고유 트래핑의 효과를 결정하기 위해 여분의 COSI- 볼로 룬 검출기의 스펙트럼 분해능을 보정하고 특성화하여, 불순물로 인한 전자 트래핑이 손상되지 않은 탐지기에서 구멍 포획보다 우세하다는 것을 발견했다. 둘째, 본 발명자들은 처음으로, 전하 트랩이 양성자 조사에 의해 생성되는 속도를 처음으로 정량화하기 위해 검출기의 두 라운드의 양성자 조사를 수행 하였다. 우리는 구멍 트랩 밀도 및 단면적 인 [nσ] h의 생성물이 (5.4 ± 0.4) × 10-11 cm/p+의 경사와 함께 양성자 fluence fp와의 선형 관계를 따른다는 것을 발견했다. 셋째, 물리적 트래핑 매개 변수의 측정을 활용하여 검출기의 스펙트럼 분해능에 대한 트래핑 및 완화 된 저하의 영향에 대해 보정 된 교정을 수행했습니다. 키워드 : 게르마늄 반도체 탐지기, 충전 트래핑, 감마선 분광학, 방사선 손상 1 ARXIV : 2412.08836V1 [Physics.ins-Det] 2024 년 12 월 12 일 소개 소프트 감마 밴드는 100 Kev와 100 Mev의 “Mev Gap”의 어려움에서 높은 감수성을 달성하기 때문에 소프트 감도 밴드로 남아 있습니다. NASA의 Compton Spectrometer and Imager (COSI) Small Explorer (SMEX) 미션은 전례없는 이미징 및 우수한 스펙트럼 분해능으로 0.2-5 MEV의 에너지 범위에서 천체 물리학 소스를 조사 할 수있는 기회를 제공 할 것입니다 (Tomsick et al., 2023). 이것은 4 × 4 스택의 크로스 스트립 게르미늄 탐지기 (GEDS)에 걸친 Compton 산란 이벤트의 재구성을 통해 달성 될 것입니다. 수직 스트립 판독 지오메트리를 이용함으로써, 3 차원 공간 정보는 각각의 검출기에 적용되는 고전압으로 인해 반대 방향으로 드리프트하는 전자 및 구멍 충전 구름의 차등 드리프트 시간으로부터 추론 될 수있다 (Amman and Luke, 2000; Bandstra, 2010). 또한, 각 검출기의 양쪽에 이벤트 정보를 읽음으로써, 해방 된 전자 및 상응하는 양으로 충전 된 구멍의 드리프트 특성을 조사 할 수 있으므로 두 가지 유형의 전하 운반체에 독립적으로 작용하는 효과를 분리 할 수 있습니다. 여기에 제시된 작업에서 우리는 특히 전자 및 구멍 포획의 효과에 대해 논의합니다. 전하 트래핑은 표류 할 때 발생합니다 … 더보기
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