Les LGAD enrichis en carbone montrent du potentiel en résistance aux radiations

Les détecteurs à avalanche à faible gain (LGAD) sont des capteurs spéciaux utilisés dans les expériences, surtout en physique des hautes énergies. Ces capteurs sont conçus pour détecter des particules minuscules et mesurer le temps de leur arrivée. Un domaine d'étude intéressant est de voir comment ces détecteurs gèrent la Radiation, notamment quand ils sont exposés à la radiation neutronique. Cette recherche porte sur des LGAD fabriqués avec une couche spéciale enrichie en carbone. Le but est de voir si l'ajout de carbone peut aider ces capteurs à mieux fonctionner même après avoir été exposés à la radiation.

#Contexte

Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) est une machine puissante qui fait entrer en collision des particules à des vitesses très élevées. Pour améliorer ses performances, une mise à niveau majeure appelée le Grand collisionneur de hadrons à haute luminosité (HL-LHC) va bientôt commencer. Cette nouvelle version du LHC va subir de nombreuses collisions sur une très courte période. Cette situation, appelée pileup, complique la capacité des détecteurs à distinguer différents événements. C'est pourquoi des détecteurs de timing meilleurs, comme les LGAD, sont nécessaires pour améliorer la précision de la collecte des données.

#Irradiation par neutrons et LGAD

Dans cette étude, les chercheurs ont exploré comment la radiation neutronique affecte la performance de timing et le gain des LGAD qui ont une couche de multiplication enrichie en carbone. Les neutrons sont des particules neutres qui peuvent endommager la structure des matériaux, y compris des semi-conducteurs utilisés dans les détecteurs. La recherche s'est concentrée sur deux types de LGAD : l'un fabriqué avec une couche enrichie en carbone et l'autre avec une couche standard sans carbone.

Les LGAD ont été fabriqués dans une installation en Espagne puis exposés à des neutrons dans un réacteur de recherche en Slovénie. Les détecteurs ont été soumis à différents niveaux de radiation pour comparer leur performance.

#Avantages des LGAD enrichis en carbone

Les résultats ont montré que les LGAD avec une couche enrichie en carbone avaient une meilleure résistance à la radiation. Plus précisément, quand la radiation frappait ces capteurs, les dommages causés à leur performance étaient moins sévères comparativement aux capteurs standards. La présence de carbone a aidé à maintenir la fonction des détecteurs même après l'exposition à la radiation.

L'étude a également révélé que l'ajout de carbone réduisait le taux de diminution du gain du détecteur. Le gain est une mesure de la capacité d'un détecteur à amplifier le signal des particules qu'il détecte. Une réduction de gain plus faible signifie que les LGAD enrichis en carbone pouvaient continuer à mieux performer dans des conditions plus difficiles.

#Résolution temporelle et Collecte de charge

En plus d'examiner les effets de la radiation, les chercheurs ont aussi regardé comment l'exposition à la radiation impactait la résolution temporelle et la collecte de charge des LGAD. La résolution temporelle fait référence à la capacité du capteur à déterminer avec précision le temps d'arrivée d'une particule. La collecte de charge, c'est comment le capteur peut rassembler la charge électrique créée quand une particule le traverse.

Pour les deux types de LGAD, à mesure que le niveau de radiation augmentait, leur résolution temporelle et leur capacité de collecte de charge diminuaient. Cependant, les LGAD enrichis en carbone conservez une meilleure performance comparativement aux standards. Ça veut dire que même dans des conditions extrêmes, les capteurs enrichis en carbone pouvaient encore fournir des mesures fiables.

#Techniques de mesure

Pour réaliser cette recherche, plusieurs méthodes ont été utilisées pour évaluer la performance des LGAD. Des mesures Courant-Tension (IV) et Capacitance-Tension (CV) ont été effectuées avant et après l'exposition à la radiation. Ces tests aident les chercheurs à comprendre à quel point les capteurs fonctionnent bien.

Les mesures IV montrent combien de courant électrique passe à travers le détecteur à différents niveaux de tension. Les mesures CV indiquent comment la capacitance, une propriété liée au stockage de charge, change avec la tension. Les deux mesures fournissent des informations sur la santé générale des capteurs et leur capacité de fonctionner.

#Analyse du bruit

En plus, les chercheurs ont réalisé une analyse du bruit sur les LGAD. Le bruit peut interférer avec les lectures des détecteurs et affecter leur performance. Ils ont mesuré les niveaux de bruit de base et cherché des signaux électriques indésirables, appelés impulsions spurieuses, qui peuvent se produire à cause des effets thermiques.

Le bruit de base fait référence au niveau de fluctuations électriques aléatoires en l'absence de signaux détectés. Il a été constaté qu'à mesure que la fluence de radiation augmentait, le bruit dans les capteurs enrichis en carbone augmentait aussi. Cependant, malgré cette augmentation du bruit, ces capteurs continuaient de fonctionner efficacement.

#Conclusion

Cette recherche indique que les LGAD enrichis en carbone sont plus résistants à la radiation par rapport aux LGAD standards. Ils maintiennent une meilleure résolution temporelle et des capacités de collecte de charge, même après avoir été exposés à de hauts niveaux de radiation neutronique. C'est important pour les futures applications dans des expériences de physique des hautes énergies où des mesures précises sont essentielles.

Alors que la recherche continue dans ce domaine, les LGAD enrichis en carbone pourraient jouer un rôle crucial dans la prochaine génération de détecteurs de particules. Leur performance améliorée sous radiation pourrait mener à une collecte de données plus précise dans des expériences comme celles conduites au HL-LHC.

En résumé, l'intégration de carbone dans les LGAD représente une avancée prometteuse en termes de tolérance à la radiation et de performance des détecteurs. D'autres études et développements dans ce domaine pourraient ouvrir la voie à des capteurs plus résistants capables de surmonter les défis posés par les expériences de physique des hautes énergies.