Enquête sur les limites de tension des capteurs LGAD dans les détecteurs de particules

Ces dernières années, des chercheurs ont remarqué que certains capteurs, appelés LGADs, utilisés dans les détecteurs de particules, peuvent tomber en panne de manière inattendue lorsqu'ils sont exposés à des faisceaux de particules à haute énergie. Ces pannes surviennent à des tensions beaucoup plus basses que ce qui était considéré comme sûr dans les labos. Cet article discute des investigations menées pour trouver les niveaux de tension sûrs pour ces capteurs en les soumettant à des faisceaux de particules dans différentes installations.

#C’est quoi les LGADs ?

Les Low Gain Avalanche Detectors (LGADs) sont des capteurs spécialisés conçus pour détecter des particules. Ils ont une structure unique qui leur permet de créer des Champs électriques élevés, ce qui leur permet de détecter même de petites quantités de charge générées par les particules qui passent. Ces capteurs sont essentiels pour les expériences dans de grands accélérateurs de particules, où de nombreuses particules entrent en collision à des énergies extrêmement élevées.

#Objectif de l'étude

Le but principal de l'étude était de déterminer la tension maximale que ces capteurs peuvent supporter de manière sûre tout en restant efficaces. Des scientifiques de diverses institutions ont collaboré pour tester plusieurs capteurs LGAD qui avaient été exposés à des radiations. Les tests ont été réalisés dans deux grandes installations d'accélérateurs de particules : le DESY à Hambourg et le CERN à Genève.

#Méthodologie de test

Les capteurs LGAD ont été placés dans les faisceaux de particules et maintenus sous une tension pendant de longues périodes. Ce montage a permis à un nombre significatif de particules de traverser chaque capteur, simulant les conditions qu'ils expérimenteraient lors de leur fonctionnement normal dans un détecteur de particules. Les deux installations de test ont fourni des résultats similaires, indiquant que les pannes se produisaient lorsque le champ électrique à l'intérieur des capteurs dépassait un certain seuil.

#Contexte sur le LHC à haute luminosité

Au Grand collisionneur de hadrons (LHC), surtout pendant sa phase à haute luminosité, de nombreuses collisions se produisent en même temps. Ces collisions sont accompagnées d'interactions supplémentaires, ce qui peut interférer avec la détection des événements principaux. Pour faire face à ce problème, l'expérience ATLAS met en place le High Granularity Timing Detector (HGTD), qui utilise des LGADs pour fournir des informations de synchronisation précises sur les collisions.

#Défis rencontrés par les LGADs

Alors que le LHC fonctionne, les LGADs sont exposés à des radiations sévères, surtout dans les zones proches du faisceau. Cette radiation peut dégrader les capteurs au fil du temps, réduisant leur capacité à détecter les particules avec précision. Un des principaux problèmes identifiés est quelque chose appelé "retrait de l'accepteur initial", qui diminue le gain du capteur et oblige les chercheurs à augmenter la tension pour maintenir la performance.

#Conditions des tests

Les capteurs inclus dans les tests provenaient de différents fabricants, chacun avec des conceptions, des épaisseurs et des niveaux d'exposition à la radiation distincts. Les tests ont été conçus pour observer comment ces facteurs influençaient la performance des capteurs.

#Résultats des tests de faisceau

Pendant les tests de faisceau, les chercheurs ont enregistré divers résultats, y compris les tensions auxquelles les capteurs ont échoué. Un échec typique était caractérisé par une marque de brûlure en forme d'étoile, indiquant le point d'impact de la particule. L'enquête a révélé que certains LGADs pouvaient supporter des tensions plus élevées que d'autres en fonction de leur conception et de leur épaisseur.

#Observations de la rupture des capteurs

Lorsque qu'une particule frappe un capteur, cela peut provoquer une importante montée d'énergie, menant à ce qu'on appelle le burnout d'événement unique (SEB). Ce processus se produit lorsqu'une particule à haute énergie génère une quantité excessive de porteurs dans le capteur. Si la densité de ces porteurs devient trop élevée, cela perturbe le champ électrique, provoquant une rupture et finalement endommageant le capteur.

#Facteurs influençant la performance des capteurs

L'épaisseur du matériau actif dans les capteurs a joué un rôle crucial dans leur résilience face aux ruptures. Les capteurs avec une plus grande épaisseur pouvaient supporter des tensions plus élevées sans échouer. Le champ électrique moyen à l'intérieur des capteurs a été calculé, et il a été constaté que lorsque ce champ dépassait une certaine valeur, les échecs devenaient plus fréquents.

#Probabilité de panne des capteurs

Pour ceux des capteurs qui ont échoué pendant les tests, les chercheurs ont calculé la probabilité de panne en fonction du nombre de particules qui les avaient traversés. Cette approche a donné des idées sur la fréquence des ruptures sous des conditions spécifiques.

#Conclusion

Les résultats de recherche montrent clairement que la défaillance des LGADs est fortement liée à la force du champ électrique plutôt qu'à la conception elle-même. Les résultats indiquent une zone de fonctionnement sûre pour ces capteurs, suggérant qu'ils doivent être utilisés à des champs électriques en dessous d'un certain niveau pour minimiser le risque de rupture.

#Remerciements

L’étude a reçu le soutien de diverses institutions et des subventions d’agences gouvernementales, soulignant l’effort collaboratif pour étudier la performance des LGADs dans des conditions réelles.

#Résumé des tests de capteurs

Une liste complète des capteurs testés, y compris leurs propriétés comme la taille et les détails de production, est disponible. Chaque capteur a été soigneusement sélectionné pour représenter une large variété de conceptions et de conditions d’exploitation, fournissant ainsi des données précieuses pour de futures recherches et développements.

#Directions futures

D'autres études seront nécessaires pour affiner la compréhension de la performance des LGAD et développer des conceptions encore plus résistantes. Ces résultats aideront à garantir la fiabilité des capteurs utilisés dans les expériences de physique des hautes énergies alors que nous continuons à explorer des questions fondamentales sur l'univers.