Avanços no Detector de Temporização de Alta Granularidade do ATLAS

O Detector de Tempo de Alta Granularidade ATLAS (HGTD) é uma nova parte do projeto do Grande Colisor de Hádrons (LHC). O objetivo é melhorar a precisão dos experimentos realizados no LHC, fornecendo informações de tempo com alta precisão. Para isso, um novo tipo de eletrônica, chamado Circuito Integrado de Aplicação Específica (ASIC), foi desenvolvido, especificamente o ALTIROC1. Esse ASIC foi projetado para trabalhar com sensores de Diodo de Avalanche de Baixo Ganho (LGAD) que são super bons em detectar sinais minúsculos produzidos durante as colisões de partículas.

#O que é o ALTIROC1?

ALTIROC1 é um protótipo de ASIC que serve como a eletrônica de front-end para o HGTD. Ele consiste em uma matriz de 5x5, basicamente uma grade de conexões, e contém vários componentes chave. Esses incluem um pré-amplificador, um discriminador, dois conversores de tempo para digital (TDCs) e um sistema de memória chamado SRAM. O papel do pré-amplificador é amplificar os pequenos sinais elétricos dos sensores LGAD. O discriminador ajuda a determinar quando um sinal foi detectado, enquanto o TDC mede o tempo preciso dos sinais.

#Componentes Explicados

#Pré-amplificadores

Foram testados dois tipos diferentes de pré-amplificadores: o pré-amplificador de transimpedância (TZ) e o pré-amplificador de tensão (VPA). O tipo de transimpedância é mais sensível e melhor em lidar com sinais rápidos. O pré-amplificador de tensão é mais fácil de projetar, mas teve alguns problemas ao ser usado com a matriz de sensores LGAD.

#Discriminador

O discriminador é responsável por identificar quando um sinal ultrapassa um determinado limiar. Quando um sinal é detectado, o discriminador produz uma saída que pode ser usada para processamento posterior pelos TDCs.

#Conversores de Tempo para Digital (TDCs)

Os TDCs medem o tempo em que um sinal ocorre em relação a um relógio (configurado em 40 MHz). Eles convertem essa informação de tempo em um formato digital que pode ser processado depois. O design dos TDCs permite medições de tempo muito precisas.

#Memória (SRAM)

A SRAM no ALTIROC1 armazena dados temporariamente. Ela permite acesso rápido às informações capturadas pelo ASIC e ajuda a gerenciar o fluxo de dados durante os experimentos.

#Testes de Desempenho

Para determinar como o ALTIROC1 funciona, foram realizados vários testes. O ASIC foi testado tanto sozinho em um banco quanto como parte de um sistema conectado aos sensores LGAD. Os resultados desses testes mostraram que o ASIC poderia atender aos requisitos técnicos estabelecidos para o projeto do HGTD.

#Testes em Banco

Durante os testes em banco, o ASIC se saiu bem, alcançando baixos níveis de Jitter (a variabilidade no tempo) ao medir o sinal. No entanto, um problema surgiu quando o ASIC foi conectado à matriz de sensores LGAD, levando a um aumento notável no ruído e a uma queda no desempenho.

#Jitter e Detecção de Sinal

O jitter é uma métrica de desempenho crítica para detectores de tempo. Ele indica quão consistente é o tempo dos sinais detectados. Por exemplo, quando uma carga de 10 fC (femtoCoulombs) foi injetada no ASIC, o jitter medido foi de 15 ps (picosegundos). Mas quando a carga foi reduzida para 4 fC, o jitter aumentou para 35 ps.

#Efeitos do Acoplamento

Os problemas de desempenho observados ao conectar o ASIC à matriz LGAD foram atribuídos ao acoplamento digital. É quando os sinais digitais do ASIC interferem nos sinais que estão sendo detectados. Quando o ASIC foi usado com a matriz LGAD, a menor carga detectável aumentou de 1.5 fC para 3.4 fC, indicando uma redução na sensibilidade.

#Resultados do Teste de Feixe

Para avaliar melhor as capacidades do ASIC, um teste de feixe foi realizado usando partículas de alta energia no CERN. Os testes revelaram que o dispositivo ainda poderia atender às suas especificações, apesar dos problemas de acoplamento observados.

#Medição da Resolução de Tempo

A resolução de tempo é outro fator importante na avaliação do desempenho. Os testes mostraram uma impressionante resolução de tempo de 40.2 ps quando correções para discrepâncias de tempo foram aplicadas.

#Correções de Time-Walk

O efeito de time-walk refere-se a mudanças no tempo de detecção do sinal com base na amplitude do sinal. Foram desenvolvidas técnicas para corrigir esse efeito usando as informações coletadas pelos TDC. A melhor correção alcançada levou a uma resolução de tempo de 46.3 ps.

#Melhorias Futuras

As próximas iterações do ASIC ALTIROC incluirão melhorias para resolver os problemas identificados durante os testes. Isso inclui ampliar para uma matriz de 15x15 e introduzir componentes digitais para melhorar o desempenho.

#Otimizando o Design

O objetivo será minimizar os efeitos de acoplamento e melhorar a sensibilidade geral do detector. Esse trabalho envolverá testar o ASIC sob várias condições, incluindo diferentes temperaturas e níveis de radiação.

#Conclusão

O desenvolvimento e teste do ASIC ALTIROC1 mostram resultados promissores para melhorar o desempenho do ATLAS HGTD. Embora alguns desafios permaneçam, especialmente relacionados ao acoplamento digital e resolução de tempo, o design eletrônico é capaz de atender aos altos padrões exigidos para futuros experimentos no LHC. Melhorias contínuas no design e mais testes garantirão que essa tecnologia possa ser uma parte chave para avançar nossa compreensão da física de partículas.