LHCのアップグレードのためのLGAD技術の向上

大型ハドロン衝突型加速器（LHC）で、大きなアップグレードが行われていて、性能を向上させることを目指しているんだ。このアップグレードは高ルミノシティLHC（HL-LHC）と呼ばれていて、より多くの粒子衝突を可能にすることが狙い。これにより、重なり合ったイベント、つまりパイルアップがたくさん発生するかもしれない。これを管理するために、ローゲインアバランシェディテクター（LGAD）という新しいタイプのセンサーが使われているんだ。このセンサーは粒子の正確なタイミング測定に重要なんだよ。

#LGADって何？

LGADは、信号を中程度に増幅できる特別なシリコンセンサーで、粒子を高精度で検出できるんだ。非常に細かいタイミングと空間の解像度を提供していて、時間はピコ秒、距離はマイクロメートルまで対応してる。ただ、LHCからの高い放射線レベルがこれらのセンサーを傷つけることがあるから、その寿命や性能にも影響が出るんだ。だから、研究者たちはこれらのセンサーが放射線にどれだけ耐えられるかをテストしているんだ。

#研究の焦点

これまでの研究の多くはLGADのバルクダメージ、つまり材料深部の損傷に注目してきたけど、放射線の下でのセンサーの表面がどれほど耐えられるか、特にカーボンを添加したLGADについては十分に注目されていなかった。この研究は、浅いカーボンが埋め込まれたIHEP-IME LGADバージョン3に特に焦点を当てるんだ。

#テストの設定

この研究では、IHEP-IME LGADバージョン3センサーを最大2メガグレイ（MGy）のガンマ放射線にさらした。テストでは、照射の前後でセンサーのさまざまな性能パラメータを監視した。測定にはリーク電流、ブレークダウン電圧、静電容量、インターパッド抵抗が含まれた。

#主な発見

#照射前後の性能

テスト結果は、いくつかの小さな変動を除けば、センサーの性能は異なるインターパッド間隔であまり変わらなかったことを示した。ただし、照射後にはリーク電流とブレークダウン電圧が増加した。この変化は、センサーの表面を傷害から守るための処理に起因していると思われる。

全体的に見ると、照射後のインターパッド抵抗は前よりも高くなり、静電容量は4.5ピコファラッド未満で、照射後にはわずかに減少した電圧の変化しかなかった。すべての性能指標は高粒度タイミング検出器（HGTD）に必要な要件を満たしていて、IHEP-IME LGADバージョン3は放射線の損傷効果に対して非常に良好な性能を示すことがわかった。

#カーボンドーピングの重要性

LGADは放射線に耐える能力を向上させるためにカーボンドーピングで設計されていて、結果はこの新しい設計が特にガンマ線による表面損傷に対抗するのに効果があるかもしれないことを示していた。

#放射線による損傷

センサーが放射線にさらされると、高エネルギー粒子がセンサー材料に欠陥を生じさせることがある。これにより、表面に荷電が生成されたり、センサーの異なる層間のインターフェースに影響が出たりすることがある。こうした損傷はセンサーの性能や信号の正確な検出能力に影響を与える可能性がある。

#LGADの設計と構造

IHEP-IME LGADバージョン3は詳細な構造を持っていて、パッシベーション層、ゲイン層、性能を向上させるためにカスタマイズされた他の材料が含まれている。最上部の層はセンサーの敏感な部分を保護しながら、入ってくる粒子が検出可能な信号を生成するのを許可する。

設計には、ノイズを管理し、LHCのような忙しい環境でもセンサーが効果的に動作できるようにするための電流の流れを制御する機能が含まれている。

#照射テストの実施

テストは、LGADサンプルにガンマ放射線が適用される専門施設で行われた。センサーは放射線源の周りに安全に配置され、均一な放射線量を受けるようにした。さまざまな放射線量がテストされ、その影響が慎重に測定された。

#結果と測定

テスト後、データを分析してセンサーが放射線にどう反応したかを確認した。重要な測定には以下が含まれる：

• リーク電流：センサーを通って流れる不要な電流の量。
• ブレークダウン電圧：センサーが制御できなくなる電流を導く電圧で、潜在的な故障を示す。
• 静電容量：センサーが電荷を蓄える能力で、性能に影響を与える。
• インターパッド抵抗：異なるセンサーパッド間の抵抗を測定し、動作中のノイズを最小化するのに重要。

結果は明確な傾向を示し、放射線量が増えるとともにリーク電流とブレークダウン電圧も増加した。ただし、静電容量の値は安定していて、放射線がこのパラメータに限られた影響を与えたことを示している。

#今後の設計への影響

この研究の結果は、高放射線環境でのLGADの設計と使用に対して希望が持てるものだ。これらのセンサーが放射線にどう反応するかを理解することは、より良い設計を開発し、性能と寿命を向上させるのに役立つ。

この研究から得られたデータは、インターパッド距離の調整、保護層のデザイン、放射線に耐えるセンサーの効果を損なわない要因に情報を提供できる。

#結論

まとめると、IHEP-IME LGADバージョン3はガンマ放射線に対する応答性能が非常に良好だ。この研究は、厳しい条件下でセンサーの耐久性を向上させるカーボンドーピングの利点を強調している。継続的な研究とテストによって、将来の粒子検出用途に向けてLGADの設計をさらに向上させることが可能だ。この作業から得られたポジティブな結果は、LHCでの進行中のアップグレードに大きく貢献し、挑戦的な環境でも検出器が効果的に機能できるようにするだろう。