Silicon Carbide sensors for the detection of Charged Particles and X-Rays [Sensori in Carburo di Silicio per la Rilevazione di Particelle Cariche e Raggi X]
La rilevazione della radiazione ionizzante è di fondamentale importanza in molti ambiti scientifici e tecnologici, tra cui la fisica nucleare e la medicina. I recenti progressi nella fisica dello stato solido hanno posto le basi per lo sviluppo di rivelatori a stato solido per radiazione ionizzante, caratterizzati da una risoluzione e un'efficienza di rilevazione superiori rispetto ai rivelatori tradizionali, come i tubi riempiti di gas. Inoltre, le dimensioni ridotte di questi dispositivi e la natura del loro segnale di uscita ne facilitano la miniaturizzazione e l'integrazione in una vasta gamma di sistemi, dai grandi laboratori come i sincrotroni e gli acceleratori di particelle, dove precisione e affidabilità sono essenziali, fino ai dispositivi portatili, come i dosimetri elettronici personali (EPD) utilizzati per il monitoraggio continuo dei livelli di radiazione, e i rivelatori portatili preferiti ai contatori Geiger-Müller convenzionali per la loro maggiore risoluzione energetica e la capacità di discriminare diversi tipi di radiazioni. I rivelatori di radiazione a stato solido tradizionali si sono generalmente basati su semiconduttori di silicio, grazie alle loro proprietà elettriche consolidate e ai processi di fabbricazione maturi. Tuttavia, i rivelatori a base di silicio mostrano limitazioni prestazionali quando sottoposti a livelli elevati di radiazione, alte temperature o ambienti corrosivi. In queste condizioni estreme, i rivelatori in silicio subiscono un aumento delle correnti di perdita e danni da radiazione, che portano a un calo di affidabilità nel tempo. L'introduzione del carburo di silicio (SiC) come materiale sensibile nei rivelatori a stato solido è emersa come una soluzione promettente per la rilevazione di radiazioni ionizzanti in ambienti estremi. L'eccezionale durezza alle radiazioni, la resistenza alle alte temperature e l'inattaccabilità chimica del carburo di silicio lo rendono particolarmente adatto per applicazioni in ambienti con alta radiazione, come reattori nucleari, missioni spaziali ed esperimenti di fisica delle alte energie, così come in contesti chimicamente reattivi, come la gestione dei rifiuti nucleari e l'esplorazione planetaria. Inoltre, recenti progressi nella rimozione selettiva del substrato di SiC al di sotto del dispositivo hanno portato allo sviluppo di rivelatori a membrana ultrasottili e autoportanti, progettati per assorbire solo una parte dell'energia della radiazione incidente. La loro elevata trasparenza li rende ideali per applicazioni in cui è necessario caratterizzare il fascio di radiazione prima che interagisca con un campione, come negli esperimenti di sincrotrone e nell'impiantazione deterministica di singoli ioni. Questa tesi si concentra sullo sviluppo e sulla caratterizzazione di innovativi rivelatori basati su SiC, valutandone le prestazioni e l'efficacia nella rilevazione di protoni, ioni, elettroni e raggi X. I dispositivi sono stati fabbricati a partire da substrati homoepitassiali di 4H-SiC, con diversi passaggi litografici per definire gli strati depositati, come contatti metallici e strati di isolamento, seguiti da un processo di incisione elettrochimica per i dispositivi a membrana. I rivelatori a membrana in 4H-SiC sono stati testati per applicazioni di impiantazione deterministica di singoli ioni, dimostrando un'elevata efficienza nella rilevazione di singoli ioni con una minima variazione dell'energia e della direzione degli ioni, ottenendo risultati promettenti per applicazioni di rilevazione in-beam di singoli ioni. Inoltre, i dispositivi bulk in 4H-SiC sono stati analizzati per la radioterapia FLASH con fascio di elettroni, mostrando una perfetta linearità del segnale di uscita del rivelatore con l'aumento della dose per impulso fino a 2 Gy/impulso, evidenziando il loro potenziale come dosimetri per applicazioni con fasci di elettroni a dose ultra-elevata. Inoltre, è stata valutata la risposta di un rivelatore a quattro pad in 4H-SiC con un'apertura centrale per la rilevazione di raggi X in applicazioni di sincrotrone, dimostrando un'elevata sensibilità e il potenziale per il monitoraggio continuo dell'intensità e della posizione del fascio. Infine, viene presentato uno studio completo sulla tolleranza alle radiazioni dei dispositivi SiC a temperature elevate e ambiente, insieme a un confronto con la durezza alle radiazioni dei rivelatori in silicio, evidenziando la capacità dei dispositivi SiC di resistere a danni da radiazioni elevati con una minima degradazione delle prestazioni.
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