LGADs Enriquecidos com Carbono Mostram Potencial em Resistência à Radiação

Detectores de Avalanche de Baixo Ganho (LGADs) são sensores especiais usados em experimentos, principalmente em física de altas energias. Esses sensores são feitos pra detectar partículas minúsculas e medir o tempo que elas chegam. Uma área de estudo interessante é como esses detectores lidam com Radiação, especificamente quando são expostos à radiação de nêutrons. Essa pesquisa analisa LGADs que têm uma camada de carbono enriquecido. O objetivo é ver se adicionar carbono pode ajudar esses sensores a funcionarem melhor mesmo depois de serem expostos à radiação.

#Contexto

O Grande Colisor de Hádrons (LHC) é uma máquina poderosa que colide partículas a velocidades altíssimas. Pra melhorar seu desempenho, uma grande atualização chamada Colisor de Hádrons de Alta Luminosidade (HL-LHC) vai começar em breve. Essa nova versão do LHC vai passar por muitas colisões acontecendo em um tempo muito curto. Essa situação, conhecida como pileup, dificulta que os detectores consigam distinguir entre diferentes eventos. Portanto, detectores de tempo melhores, como os LGADs, são necessários pra melhorar a precisão da coleta de dados.

#Irradiação de Nêutrons e LGADs

Neste estudo, os pesquisadores exploraram como a radiação de nêutrons afeta o desempenho de tempo e ganho dos LGADs que têm uma camada de multiplicação enriquecida com carbono. Nêutrons são partículas neutras que podem causar danos à estrutura dos materiais, incluindo semicondutores usados nos detectores. A pesquisa focou em dois tipos de LGADs: um feito com uma camada enriquecida com carbono e outro feito com uma camada padrão sem carbono.

Os LGADs foram fabricados em uma instalação na Espanha e depois expostos a nêutrons em um reator de pesquisa na Eslovênia. Os detectores foram submetidos a vários níveis de radiação pra comparar seu desempenho.

#Benefícios dos LGADs Enriquecidos com Carbono

Os resultados mostraram que os LGADs com uma camada enriquecida com carbono tinham melhor resistência à radiação. Especificamente, quando a radiação atingia esses sensores, o dano causado ao seu desempenho era menos severo em comparação com os sensores padrão. A presença de carbono ajudou a manter a função dos detectores mesmo após a exposição à radiação.

O estudo também descobriu que a adição de carbono reduziu a taxa de diminuição do ganho do detector. Ganho é uma medida de quão bem um detector pode amplificar o sinal das partículas que detecta. Uma menor redução no ganho significa que os LGADs enriquecidos com carbono poderiam continuar a performar melhor em condições mais severas.

#Resolução de Tempo e Coleta de Carga

Além de investigar os efeitos da radiação, os pesquisadores também analisaram como a exposição à radiação impactou a resolução de tempo e a coleta de carga dos LGADs. Resolução de tempo se refere a quão exatamente o sensor pode determinar o tempo de chegada de uma partícula. Coleta de carga é quão bem o sensor consegue juntar a carga elétrica criada quando uma partícula passa por ele.

Para ambos os tipos de LGADs, conforme o nível de radiação aumentava, a resolução de tempo e a capacidade de coleta de carga diminuíam. No entanto, os LGADs enriquecidos com carbono mantiveram um desempenho melhor em comparação com os padrões. Isso significa que mesmo em condições extremas, os sensores enriquecidos com carbono ainda podiam fornecer medições confiáveis.

#Técnicas de Medição

Pra realizar essa pesquisa, vários métodos foram usados pra avaliar o desempenho dos LGADs. Medidas de Corrente-Tensão (IV) e Capacitância-Tensão (CV) foram feitas antes e depois da exposição à radiação. Esses testes ajudam os pesquisadores a entender como os sensores estão funcionando.

As medidas IV mostram quanta corrente elétrica flui pelo detector em diferentes níveis de tensão. As medidas CV indicam como a capacitância, uma propriedade relacionada ao armazenamento de carga, muda com a tensão. Ambas as medidas oferecem insights sobre a saúde geral dos sensores e sua capacidade de funcionar.

#Análise de Ruído

Além disso, os pesquisadores realizaram uma análise de ruído nos LGADs. O ruído pode interferir nas leituras dos detectores e afetar seu desempenho. Eles mediram os níveis de ruído de fundo e procuraram por sinais elétricos indesejados, conhecidos como pulsos espúrios, que podem ocorrer devido a efeitos térmicos.

O ruído de fundo se refere ao nível de flutuações elétricas aleatórias na ausência de sinais detectados. Foi encontrado que conforme a fluência de radiação aumentava, o ruído nos sensores enriquecidos com carbono também aumentava. No entanto, apesar do aumento no ruído, esses sensores continuaram a funcionar efetivamente.

#Conclusão

Essa pesquisa indicou que os LGADs enriquecidos com carbono são mais resistentes à radiação em comparação com os LGADs padrão. Eles mantiveram melhor resolução de tempo e habilidades de coleta de carga, mesmo depois de expostos a altos níveis de radiação de nêutrons. Isso é importante para futuras aplicações em experimentos de física de altas energias onde medições precisas são essenciais.

Conforme a pesquisa continua nessa área, os LGADs enriquecidos com carbono podem desempenhar um papel crucial na próxima geração de detectores de partículas. Seu desempenho melhorado sob radiação poderia levar a uma coleta de dados mais precisa em experimentos como os realizados no HL-LHC.

Resumindo, a integração de carbono nos LGADs representa um avanço promissor na tolerância à radiação e no desempenho do detector. Novos estudos e desenvolvimentos nessa área podem abrir caminho pra sensores mais resilientes que consigam enfrentar os desafios impostos por experimentos de física de altas energias.