Kohlenstoff-reiche LGADs zeigen vielversprechende Strahlungsresistenz

Low Gain Avalanche Detectors (LGADs) sind spezielle Sensoren, die in Experimenten, besonders in der Hochenergiephysik, verwendet werden. Diese Sensoren sind dafür gemacht, winzige Teilchen zu detektieren und die Zeit zu messen, wann sie ankommen. Ein interessantes Forschungsfeld ist, wie gut diese Detektoren mit Strahlung umgehen können, speziell wenn sie Neutronenstrahlung ausgesetzt sind. Diese Forschung schaut sich LGADs an, die mit einer speziellen kohlenstoffangereicherten Schicht hergestellt wurden. Das Ziel ist herauszufinden, ob das Hinzufügen von Kohlenstoff diesen Sensoren helfen kann, besser zu funktionieren, selbst nach Strahlenbelastung.

#Hintergrund

Der Large Hadron Collider (LHC) ist eine mächtige Maschine, die Teilchen mit sehr hohen Geschwindigkeiten zusammenprallen lässt. Um seine Leistung zu verbessern, steht ein grosses Upgrade namens High-Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) kurz bevor. Diese neue Version des LHC wird viele Kollisionen in sehr kurzer Zeit erleben. Diese Situation, bekannt als Pileup, macht es den Detektoren schwer, zwischen verschiedenen Ereignissen zu unterscheiden. Daher werden bessere Timing-Detektoren, wie die LGADs, benötigt, um die Genauigkeit der Datensammlung zu verbessern.

#Neutronenstrahlung und LGADs

In dieser Studie haben Forscher untersucht, wie Neutronenstrahlung die Zeitmessung und den Gewinn von LGADs beeinflusst, die eine kohlenstoffangereicherte Multiplikationsschicht haben. Neutronen sind neutrale Teilchen, die Schäden an der Struktur von Materialien verursachen können, einschliesslich Halbleitern, die in Detektoren verwendet werden. Die Forschung konzentrierte sich auf zwei Arten von LGADs: eine mit einer kohlenstoffangereicherten Schicht und eine andere mit einer Standard-Schicht ohne Kohlenstoff.

Die LGADs wurden in einer Einrichtung in Spanien hergestellt und dann in einem Forschungsreaktor in Slowenien Neutronen ausgesetzt. Die Detektoren wurden verschiedenen Strahlungslevels ausgesetzt, um ihre Leistung zu vergleichen.

#Vorteile von kohlenstoffangereicherten LGADs

Die Ergebnisse zeigten, dass LGADs mit einer kohlenstoffangereicherten Schicht eine bessere Widerstandsfähigkeit gegenüber Strahlung hatten. Genauer gesagt, als die Strahlung diese Sensoren traf, war der Schaden, der an ihrer Leistung verursacht wurde, weniger schwerwiegend im Vergleich zu den Standard-Sensoren. Die Anwesenheit von Kohlenstoff half, die Funktion der Detektoren selbst nach Strahlenbelastung aufrechtzuerhalten.

Die Studie stellte ausserdem fest, dass die Zugabe von Kohlenstoff die Rate, mit der der Gewinn des Detektors abnahm, reduzierte. Gewinn ist ein Mass dafür, wie gut ein Detektor das Signal der Teilchen, die er detektiert, verstärken kann. Eine niedrigere Reduktion des Gewinns bedeutet, dass die kohlenstoffangereicherten LGADs auch unter extremen Bedingungen besser arbeiten konnten.

#Zeitauflösung und Ladungssammlung

Neben der Untersuchung der Strahlungseffekte schauten die Forscher auch darauf, wie die Strahlenbelastung die Zeitauflösung und die Ladungssammelfähigkeit der LGADs beeinflusste. Zeitauflösung bezieht sich darauf, wie genau der Sensor die Ankunftszeit eines Teilchens bestimmen kann. Ladungssammlung ist, wie gut der Sensor die elektrische Ladung sammeln kann, die entsteht, wenn ein Teilchen hindurchgeht.

Bei beiden Arten von LGADs nahmen mit steigendem Strahlungslevel die Zeitauflösung und die Fähigkeit zur Ladungssammlung ab. Allerdings behielten die kohlenstoffangereicherten LGADs eine bessere Leistung im Vergleich zu den Standard-Sensoren. Das bedeutet, dass die kohlenstoffangereicherten Sensoren auch unter extremen Bedingungen zuverlässige Messungen liefern konnten.

#Messtechniken

Für diese Forschung wurden mehrere Methoden verwendet, um die Leistung der LGADs zu bewerten. Strom-Spannungs (IV) und Kapazitäts-Spannungs (CV) Messungen wurden vor und nach der Strahlenbelastung durchgeführt. Diese Tests helfen den Forschern zu verstehen, wie gut die Sensoren funktionieren.

Die IV-Messungen zeigen, wie viel elektrischer Strom bei unterschiedlichen Spannungslevels durch den Detektor fliesst. Die CV-Messungen zeigen, wie sich die Kapazität, ein mit der Ladungsspeicherung verbundenes Merkmal, mit der Spannung verändert. Beide Messungen geben Einblicke in die allgemeine Gesundheit der Sensoren und deren Funktionsfähigkeit.

#Geräuschanalyse

Zusätzlich führten die Forscher eine Geräuschanalyse an den LGADs durch. Geräusche können die Messungen der Detektoren stören und ihre Leistung beeinflussen. Sie massen die Basisgeräuschpegel und suchten nach unerwünschten elektrischen Signalen, die als falsche Pulse bekannt sind und aufgrund thermischer Effekte auftreten können.

Das Basisgeräusch bezieht sich auf das Niveau zufälliger elektrischer Fluktuationen in Abwesenheit detektierter Signale. Es wurde festgestellt, dass mit steigendem Strahlungsfluss das Geräusch in den kohlenstoffangereicherten Sensoren ebenfalls anstieg. Allerdings arbeiteten diese Sensoren trotz des Anstiegs des Geräuschs weiterhin effektiv.

#Fazit

Diese Forschung deutete darauf hin, dass kohlenstoffangereicherte LGADs strahlungsresistenter sind als Standard-LGADs. Sie behielten eine bessere Zeitauflösung und Ladungssammelfähigkeit, selbst nach einer hohen Neutronenstrahlung. Das ist wichtig für zukünftige Anwendungen in Hochenergiephysik-Experimenten, wo präzise Messungen entscheidend sind.

Wenn die Forschung in diesem Bereich weitergeht, könnten kohlenstoffangereicherte LGADs eine entscheidende Rolle in der nächsten Generation von Teilchendetektoren spielen. Ihre verbesserte Leistung unter Strahlung könnte zu genaueren Datensammlungen in Experimenten wie denen am HL-LHC führen.

Zusammenfassend stellt die Integration von Kohlenstoff in LGADs einen vielversprechenden Fortschritt in Bezug auf Strahlungsbeständigkeit und Detektorleistung dar. Weitere Studien und Entwicklungen in diesem Bereich könnten den Weg für widerstandsfähigere Sensoren ebnen, die den Herausforderungen der Hochenergiephysik-Experimente standhalten können.