Améliorations de la technologie LGAD pour les mises à niveau du LHC

Au Grand Collisionneur de Hadron (LHC), une grosse mise à jour est en cours pour améliorer ses Performances. Cette mise à jour s'appelle le LHC Haute Luminosité (HL-LHC) et vise à permettre beaucoup plus de collisions de particules. Cette activité accrue peut causer pas mal d'événements qui se chevauchent, appelés pileup. Pour gérer ça, un nouveau type de capteur appelé Détecteur d'Avalanche à Bas Gain (LGAD) est utilisé. Ces capteurs sont super importants pour faire des mesures de temps précises des particules.

#C'est quoi le LGAD ?

Les LGAD sont des capteurs en silicium spéciaux qui peuvent amplifier les signaux modérément, ce qui veut dire qu'ils peuvent détecter les particules avec une grande précision. Ils fournissent une résolution temporelle et spatiale très fine - jusqu'à des picosecondes pour le temps et des micromètres pour la distance. Cependant, des niveaux élevés de radiation du LHC peuvent endommager ces capteurs, affectant leur durée de vie et leurs performances. C'est pourquoi les chercheurs testent à quel point ces capteurs peuvent résister à la radiation.

#Focalisation de la recherche

La plupart des études jusqu'à présent se sont concentrées sur les dommages en profondeur des LGAD, qui désignent des dommages plus profonds dans le matériau. Cependant, on n'a pas trop prêté attention à comment la surface de ces capteurs pourrait tenir sous radiation, surtout pour les LGAD avec du carbone ajouté à leur conception. Cette recherche va se concentrer spécifiquement sur la version 3 des LGAD IHEP-IME, qui a du carbone implanté en surface.

#Configuration des tests

Dans cette étude, les capteurs LGAD version 3 d'IHEP-IME ont été exposés à des Radiations gamma allant jusqu'à 2 MegaGrays (MGy). Les tests ont surveillé divers paramètres de performance des capteurs avant et après irradiation. Les mesures comprenaient le Courant de fuite, la tension de claquage, la capacitance et la résistance inter-pad.

#Résultats clés

#Performance avant et après irradiation

Les résultats des tests ont montré qu'à part quelques petites fluctuations, la performance des capteurs n'a pas beaucoup varié avec les différentes séparations inter-pad. Cependant, après irradiation, il y a eu une augmentation du courant de fuite et de la tension de claquage. Ce changement est probablement dû à la façon dont la surface des capteurs a été traitée pour éviter les dommages.

Globalement, la résistance inter-pad était plus élevée après irradiation comparé à avant, et la capacitance est restée en dessous de 4.5 picofarads avec seulement une légère chute de la tension d'appauvrissement après irradiation. Tous les indicateurs de performance ont répondu aux exigences nécessaires pour le Détecteur de Temps à Haute Granularité (HGTD), suggérant que la version 3 des LGAD IHEP-IME fonctionne très bien pour résister aux effets néfastes de la radiation.

#Importance du dopage au carbone

Les LGAD ont été conçus avec un dopage au carbone pour améliorer leur Capacité à résister à la radiation. Les résultats ont indiqué que cette nouvelle conception pourrait aider à résister à certains types de dommages, surtout les dommages de surface causés par les rayons gamma.

#Dommages causés par la radiation

Quand les capteurs sont exposés à la radiation, les particules à haute énergie peuvent créer des défauts dans le matériau du capteur. Ça peut causer des problèmes comme la création de charges à la surface et affecter l'interface entre les différentes couches du capteur. De tels dommages peuvent impacter la performance du capteur et sa capacité à détecter les signaux avec précision.

#Design et structure du LGAD

La version 3 du LGAD IHEP-IME a une structure détaillée. Elle se compose de différentes couches, y compris une couche de passivation, une couche de gain et d'autres matériaux adaptés pour améliorer sa performance. La couche supérieure protège les parties sensibles du capteur tout en permettant aux particules entrantes de créer un signal détectable.

Le design inclut des caractéristiques pour contrôler le flux de courant, ce qui est important pour gérer le bruit et s'assurer que le capteur peut fonctionner efficacement même dans un environnement chargé comme le LHC.

#Réalisation des tests d'irradiation

Les tests ont été réalisés dans une installation spécialisée où des radiations gamma ont été appliquées aux échantillons de LGAD. Les capteurs étaient placés en toute sécurité autour d'une source de radiation pour s'assurer qu'ils reçoivent une dose uniforme de radiation. Différentes doses ont été testées, et les effets ont été soigneusement mesurés.

#Résultats et mesures

Après les tests, les données ont été analysées pour voir comment les capteurs ont réagi à la radiation. Les mesures clés comprenaient :

• Courant de fuite : La quantité de courant indésirable qui circule à travers le capteur.
• Tension de claquage : La tension à laquelle le capteur commence à conduire du courant de manière incontrôlable, indiquant un potentiel de défaillance.
• Capacitance : La capacité du capteur à stocker une charge électrique, ce qui affecte la performance.
• Résistance inter-pad : Cela mesure la résistance entre différents pads de capteur et est important pour minimiser le bruit pendant l'opération.

Les résultats ont montré une tendance claire : à mesure que la dose de radiation augmentait, le courant de fuite et la tension de claquage des capteurs augmentaient aussi. Cependant, les valeurs de capacitance sont restées stables, indiquant que la radiation avait des effets limités sur ce paramètre.

#Implications pour les conceptions futures

Les résultats de cette étude sont prometteurs pour la conception future et l'utilisation des LGAD dans des environnements à haute radiation. Comprendre comment ces capteurs réagissent à la radiation aide à développer de meilleurs designs avec une performance et une longévité améliorées.

Les données de cette recherche peuvent informer des ajustements des distances inter-pad, la conception des couches de protection, et d'autres facteurs qui contribuent à la capacité d'un capteur à résister à la radiation sans perdre d'efficacité.

#Conclusion

En résumé, la version 3 du LGAD IHEP-IME montre d'excellentes performances en réponse à la radiation gamma. L'étude met l'accent sur les avantages du dopage au carbone pour améliorer l'endurance de ces capteurs dans des conditions difficiles. Avec des recherches et des tests continus, il est possible d'améliorer encore le design des LGAD pour de futures applications en détection de particules. Les résultats positifs de ce travail contribueront significativement aux mises à jour en cours au LHC, garantissant que les détecteurs peuvent fonctionner efficacement même dans des environnements difficiles.