A Comparison of the Effects of Neutron and Gamma Radiation in Silicon Photomultipliers

Abstract

The effects of radiation damage in silicon photomultipliers (SiPMs) from gamma rays have been measured and compared with the damage produced by neutrons. Several types of MPPCs from Hamamatsu were exposed to gamma rays and neutrons at the Solid State Gamma Ray Irradiation Facility (SSGRIF) at Brookhaven National Lab and the Institute for Nuclear Research (Atomki) in Debrecen, Hungary. The gamma ray exposures ranged from 1 krad to 1 Mrad and the neutron exposures ranged from 10 8 n/cm 2 to 10 12 n/cm 2 . The main effect of gamma ray damage is an increase in the noise and leakage current in the irradiated devices, similar to what is seen from neutron damage, but the level of damage is considerably less at comparable high levels of exposure. In addition, the damage from gamma rays saturates after a few hundred krad, while the damage from neutrons shows no sign of saturation, suggestive of different damage mechanisms in the two cases. The change in optical absorption in the window material of the SiPMs due to radiation was also measured. This study was carried out in order to evaluate the use of SiPMs for particle physics applications with moderate levels of radiation exposures.

A Compton polarimeter using scintillators read out with MPPCs through Citiroc ASIC

“…These effects will degrade the low energy response of a polarimeter based on MPPC readout. Mitigating the effects of radiation damage in MPPCs is currently an active area of research, and methods like thermal annealing have been shown to be effective in reducing the increase in dark currents [14,15].…”

Влияние электрон-фононного взаимодействия и облучения γ-квантами на обратные токи кремниевых фотодиодов

“…Взаимодействие радиационного излучения с полупроводниками сопровождается возникновением дефектов кристаллической решетки: вакансий и межузельных атомов основного вещества, а также более сложных дефектов вторичного дефектообразования [1,2]. Такие дефекты существенно изменяют основные физические свойства полупроводников, в первую очередь время жизни неосновных носителей заряда и обратные токи приборов [3][4][5][6]. К настоящему времени накоплена достаточно обширная информационная база об образовании радиационных дефектов в кремнии и кремниевых структурах, а также проводились исследования параметров глубоких центров различными методами [1][2][3][4][5][6][7][8].…”

“…Такие дефекты существенно изменяют основные физические свойства полупроводников, в первую очередь время жизни неосновных носителей заряда и обратные токи приборов [3][4][5][6]. К настоящему времени накоплена достаточно обширная информационная база об образовании радиационных дефектов в кремнии и кремниевых структурах, а также проводились исследования параметров глубоких центров различными методами [1][2][3][4][5][6][7][8]. Анализ этих работ показывает, что дефекты, которые образуются в результате радиационного облучения, в первую очередь оказывают влияние на величину обратных токов p−n-переходов [9].…”

Temperature compensated low voltage MOSFET radiation sensor: proof of concept and a case study

“…There are basically two types of radiation: particle (typically neutrons or protons) and photons (X or Gamma radiation) [12], [13]. The latter is the one received when a cancer treatment or diagnosis is made.…”