Valutazione delle prestazioni dei sensori LGAD arricchiti di carbonio sotto radiazioni

Il Rivelatore di Tempistica ad Alta Granularità (HGTD) viene aggiunto all'esperimento ATLAS al CERN per ridurre l'impatto degli effetti di pile-up durante la fase ad alta luminosità del Grande Collisore di Hadroni. Utilizza Rivelatori a Valanga a Basso Guadagno (LGAD) per misurare il tempo in cui le particelle arrivano al rivelatore, il che aiuta a determinare meglio le posizioni delle particelle. Per resistere a condizioni di alta Radiazione, questi rivelatori sono stati migliorati aggiungendo carbonio allo strato di guadagno. Questa aggiunta li aiuta a mantenere le loro prestazioni dopo essere stati esposti alla radiazione.

#Scopo dello Studio

Questo studio si concentra sulla misurazione di come si comportano diversi sensori LGAD arricchiti di carbonio dopo essere stati esposti a radiazione. Questi test si sono svolti al CERN e al DESY nel 2021 e 2022. I punti chiave d'interesse erano la carica raccolta dai sensori, la loro risoluzione temporale e l'efficienza con cui rilevano gli impatti. Inoltre, è stata controllata l'uniformità dell'efficienza dei sensori, a seconda di dove la particella colpiva il sensore.

#Descrizione degli LGAD

Gli LGAD sono un tipo di sensore al silicio progettato per fornire misurazioni temporali rapide. Sono usati nella fisica delle alte energie per tracciare le particelle. L'aggiunta di carbonio nello strato di guadagno consente a questi sensori di funzionare a tensioni inferiori mantenendo buone prestazioni, specialmente dopo essere stati esposti alla radiazione.

I rivelatori testati in questo studio sono stati creati da diversi produttori. Sono stati sottoposti a dosi elevate di radiazione per replicare le condizioni che affronteranno durante la loro vita operativa nell'HL-LHC. Lo scopo dello studio era capire come si comporterebbero questi rivelatori in tali condizioni.

#Condizioni di Test

I test hanno coinvolto sensori esposti a diversi livelli di radiazione prima di essere analizzati. Sono stati utilizzati due livelli principali di radiazione: 1,5 x 10^15 e 2,5 x 10^15 neutroni per centimetro quadrato. Questi livelli simulano la massima radiazione che gli LGAD potrebbero sperimentare nel loro ciclo di vita.

I sensori sono stati testati con fasci di particelle al CERN e al DESY. Il test ha utilizzato particelle ad alta energia per valutare l'abilità dei sensori di raccogliere carica, risolvere i tempi di arrivo e rilevare efficientemente gli impatti delle particelle.

#Raccolta e Analisi Dati

#Setup di Misurazione

Durante i test, gli LGAD erano collegati a schede di lettura specializzate che amplificavano i loro segnali. È stato impostato un telescopio a fascio per tracciare i percorsi delle particelle, consentendo misurazioni precise di dove ciascuna particella colpiva il rivelatore.

Sia al CERN che al DESY, i sistemi registravano forme d'onda e posizioni delle particelle, che venivano poi analizzate per determinare le prestazioni dei sensori.

#Metriche di Prestazione

Le principali metriche di prestazione valutate erano:

1. Carica Raccolta: Misura quante cariche il sensore raccoglie quando una particella lo colpisce.
2. Risoluzione Temporale: Indica con quale precisione il sensore può determinare il tempo di arrivo di una particella.
3. Efficienza di Rilevamento: È la percentuale di volte che il sensore rileva con successo un impatto di particella rispetto al numero di passaggi delle particelle attraverso il sensore.

#Rimozione di Eventi di Sfondo

Nell'analizzare i dati, è stato filtrato qualsiasi rumore di fondo che potesse interferire con i risultati usando tagli temporali. Questo ha assicurato che solo i segnali validi dagli impatti delle particelle venissero considerati nell'analisi.

#Risultati

#Carica Raccolta

I risultati hanno mostrato che la carica raccolta migliorava con tensioni di polarizzazione più alte. I sensori che hanno ricevuto più radiazione sono riusciti comunque a raccogliere sufficiente carica per buone misurazioni temporali. Per i sensori esposti a 1,5 x 10^15 neutroni, i livelli di carica raccolta superavano la soglia necessaria per un'operazione efficace.

Al contrario, i sensori esposti a 2,5 x 10^15 neutroni richiedevano tensioni ancora più elevate per raggiungere quella stessa soglia di carica. Complessivamente, è stato osservato che all'aumentare del livello di radiazione, la quantità di carica raccolta alla stessa tensione diminuiva.

#Risoluzione Temporale

La risoluzione temporale era un altro fattore importante valutato. I test hanno rivelato che la risoluzione temporale generalmente migliorava con tensioni di polarizzazione più alte. Anche dopo essere stati sottoposti a dosi elevate di radiazione, i sensori sono riusciti a mantenere prestazioni quasi del tutto simili a quelle prima dell'irraggiamento.

A livelli di radiazione più bassi, i sensori LGAD potevano raggiungere una risoluzione temporale di circa 30-40 picosecondi. Tuttavia, dopo esposizioni a radiazione più elevate, sono comunque riusciti a mantenere una buona precisione temporale ma necessitavano di tensioni di polarizzazione più elevate per farlo.

#Efficienza di Rilevamento

L'efficienza di rilevamento è cruciale per i rivelatori per poter performare efficacemente sotto alte frequenze di collisioni di particelle. I risultati hanno mostrato che l'aumento della tensione di polarizzazione ha un impatto positivo sull'efficienza di rilevamento.

Per i sensori esposti a 1,5 x 10^15 neutroni, l'efficienza superava il 98%, mentre quelli esposti a 2,5 x 10^15 neutroni raggiungevano comunque efficienze superiori alla soglia richiesta del 95%.

#Uniformità di Efficienza

È stata esaminata anche l'efficienza dei sensori in base a dove sulla superficie del sensore la particella colpiva. I risultati hanno mostrato alcune variazioni ma principalmente hanno dimostrato che i sensori rilevavano efficacemente gli impatti su una vasta area. Più del 99% di efficienza è stata raggiunta su ampie regioni della superficie del sensore.

#Conclusioni

I sensori LGAD arricchiti di carbonio esaminati in questo studio hanno dimostrato prestazioni promettenti anche dopo essere stati sottoposti a livelli elevati di radiazione che simulano le condizioni attese durante la fase operativa dell'HL-LHC.

Hanno raccolto con successo abbastanza carica, mantenuto una buona risoluzione temporale e raggiunto alta efficienza di rilevamento in varie condizioni di test. Questi risultati suggeriscono che tali rivelatori possono resistere all'ambiente impegnativo degli esperimenti di fisica delle alte energie e possono essere affidabili per i futuri progressi.

#Prospettive

I risultati indicano che i sensori LGAD sono un'opzione valida per l'HGTD nell'esperimento ATLAS. Il lavoro futuro si concentrerà sul perfezionare ulteriormente questi sensori e affrontare le piccole incoerenze osservate nelle loro prestazioni. Test e sviluppi continui rafforzeranno l'affidabilità e la funzionalità di questi sensori per esperimenti di alta energia.

In generale, i progressi nella tecnologia LGAD e la capacità di funzionare sotto stress da radiazione sono passi significativi in avanti nelle tecniche di rilevamento e misurazione delle particelle.