ALICE実験、トラッキングシステムをアップグレード！
CERNのALICE実験が新しいセンサー技術で粒子追跡を強化したよ。
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目次
CERNのALICE実験は、Large Hadron Collider (LHC)の大規模な停止中に、Inner Tracking System (ITS)の重要な改善をする予定だよ。このアップグレードはITS3と呼ばれ、システムの一番内側の3層の追跡レイヤーを、65nm CMOSプロセスで作られた先進的なMonolithic Active Pixel Sensors (MAPS)に置き換えるんだ。この新しいセンサーは、実験中の粒子の検出と追跡を向上させるのに役立つよ。
Monolithic Active Pixel Sensorsって何？
Monolithic Active Pixel Sensorsは、高エネルギー物理学で使われる特別な検出器なんだ。これを使うと、科学者たちは粒子が検出器の中を移動するのを追跡できるようになるんだ。最近のバージョンはALICE ITS2で使われて、すごい結果が出たんだよ。今度のITS3は、さらに良いセンサー技術でこの成功を引き継ぐ予定。
ITS3センサーのデザインと特徴
ITS3の新しいセンサーは、約260mmの長さで、50mm未満の薄さになる予定。既存の検出器セットアップにフィットするように半円筒形に形作られるんだ。小さなセンサーの部分をつなげるために、ステッチングという技術が使われるよ。
この新しいデザインの最大の利点の一つは、消費電力が減ること。これで、センサーをただの空気で冷やすことができるから、かさばる冷却システムなしでセンサーを適切に動かせるのが大事なんだ。デザインは、使用する材料の量も少なくすることを目指していて、システムをより効率的にしてるんだ。
テストプロセス
新しいセンサーが期待通りに動くか確認するために、2021年にMLR1という初回生産が行われたんだ。主な目的は、これらのセンサーが電荷を持つ粒子をどれだけ検出できるか、そして異なるタイプの放射線の下でどうパフォーマンスを発揮するかをテストすることだったよ。テスト用に、Analog Pixel Test Structure (APTS)、Circuit Exploratoire 65 (CE65)、Digital Pixel Test Structure (DPTS)の3種類のセンサーが作られた。
テストからの結果
Analog Pixel Test Structure (APTS)
APTSは6x6ピクセルの小さなマトリックスで、中央の4x4ピクセルからの信号を直接読み取れるようになってるんだ。出力バッファの異なる2つのバージョンが作られて、どちらが良いかをテストしたよ：一つは速度に重点を置いて、もう一つは標準的なパフォーマンスを目指したんだ。10mmから25mmのいろんなピクセルサイズもテストされた。
実験の結果、全バージョンが約99%の検出効率に達したけど、デザインによっては異なる結果が出たんだ、特にセンサーが高い検出しきい値に押し込まれたときに。改良されたテストプロセスで全体的にパフォーマンスが向上したよ。
Circuit Exploratoire 65 (CE65)
CE65は、ローリングシャッター読み出し方式を使った大きなチップだよ。このチップは64x32ピクセルのマトリックスを持っていて、ピクセル内のアンプが異なるんだ。ここでの主な焦点は、チップ全体でピクセルの反応がどれだけ安定しているかを見ることだった。測定で、一部のアンプが電荷収集を改善させて、パフォーマンスを向上させたことが分かった。
Digital Pixel Test Structure (DPTS)
DPTSは32x32ピクセルのマトリックスを持ち、フルデジタル読み出しシステムを備えているよ。すべてのピクセルから同時に電流とタイミング情報を測定して動作するんだ。テストでは、DPTSは約99%の高い検出効率を維持し、エラー率が非常に低かった。
パフォーマンス評価
3種類のセンサーのテストは、放射線という厳しい環境でもうまく機能できることを示したよ。センサーは、実際の運用で直面する放射線レベルにさらされても、その効率を維持してた。
検出効率の課題
テストでは、粒子がセンサーに当たる位置によって検出効率がどう変わるかも分析したんだ。結果は、センサーの端に当たる粒子は中心に近い粒子よりも検出効率が低いことを示した。この発見は、今後のデザインを改良するのに役立つかもしれないね。
アップグレードに向けて進む
MLR1のテスト結果が成功したことを考えると、ITS3の新しいセンサーはいい方向に進んでるってことだよ。高い検出効率と放射線に耐える能力を持ってるから、これらのセンサーは高エネルギー物理学の実験の要求に備えて準備万端だね。
次のステップは、ER1という第二回生産を行うことで、フルスケールプロトタイプをテストし、ITS3アップグレードに必要な大きなセンサーを作るためのステッチングプロセスをさらに改良することだよ。
結論
Monolithic Active Pixel Sensorsの進化は、CERNのALICE実験にとって重要な前進を示してるんだ。チームがアップグレードの準備を進める中で、より小型のセンサー技術と効率に重点を置くことで、今後の実験における粒子の追跡と検出の向上に大きな期待が持たれるね。引き続きテストと開発を進めれば、Inner Tracking System 3は基礎物理学の理解を深める助けになるはずだよ。
タイトル: First measurements with monolithic active pixel test structures produced in a 65 nm CMOS process
概要: The Inner Tracking System (ITS) of the ALICE experiment at CERN will undergo an upgrade during the LHC long shutdown 3, in which the three innermost tracking layers will be replaced. This upgrade, named the Inner Tracking System 3 (ITS3), employs stitched wafer-scale Monolithic Active Pixel Sensors fabricated in a 65 nm CMOS process. The sensors are 260 mm in length and thinned to less than 50 um then bent to form truly half-cylindrical half-barrels. The feasibility of this process for the ITS3 was explored with the first test production run (MLR1) in 2021, whose goal was to evaluate the charged particle detection efficiency and the sensor performance under non-ionising and ionising radiation up to the expected levels for ALICE ITS3 of $10^{13}$ $1$ MeV n$_{\mathrm{eq}}$ cm$^{-2}$ (NIEL) and 10 kGy (TID). Three sensor flavours were produced to investigate this process: Analog Pixel Test Structure (APTS), Circuit Exploratoire 65 (CE65) and Digital Pixel Test Structure (DPTS). This contribution gives an overview of the MLR1 submission and test results, describing the different sensor flavours and presenting the results of the performance measurements done with particle beams for various chip variants and irradiation levels.
著者: M. Buckland
最終更新: 2023-12-13 00:00:00
言語: English
ソースURL: https://arxiv.org/abs/2309.14814
ソースPDF: https://arxiv.org/pdf/2309.14814
ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。
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