Avaliação de Desempenho de Sensores LGAD Enriquecidos com Carbono Sob Radiação

O High Granularity Timing Detector (HGTD) tá sendo adicionado ao experimento ATLAS no CERN pra diminuir o impacto dos efeitos de pile-up durante a fase de alta luminosidade do Grande Colisor de Hádrons. Ele usa Detectores de Avalanche de Ganho Baixo (LGADs) pra medir o tempo que as partículas chegam no detector, ajudando a melhorar a localização das partículas. Pra aguentar condições de alta Radiação, esses detectores foram melhorados com a adição de carbono na camada de ganho. Essa adição ajuda eles a manter a performance mesmo depois de expostos à radiação.

#Propósito do Estudo

Esse estudo foca em medir como diferentes sensores LGAD com carbono se saem depois de serem expostos à radiação. Os testes rolaram no CERN e no DESY em 2021 e 2022. Os pontos principais foram a carga coletada pelos sensores, a resolução de tempo e a eficiência na detecção de impactos. Além disso, foi checada a uniformidade da eficiência dos sensores, dependendo de onde a partícula atingiu o sensor.

#Descrição dos LGADs

LGADs são um tipo de sensor de silício feito pra dar medições de tempo rápidas. Eles são usados em física de altas energias pra rastrear partículas. A adição de carbono na camada de ganho permite que esses sensores operem com voltagens mais baixas enquanto mantém boa performance, especialmente depois de serem expostos à radiação.

Os detectores testados nesse estudo foram criados por diferentes fabricantes. Eles foram expostos a altas doses de radiação pra replicar as condições que vão enfrentar durante a vida útil no HL-LHC. O estudo quis descobrir como esses detectores se sairiam sob essas condições.

#Condições de Teste

Os testes envolveram sensores que foram expostos a níveis de radiação diferentes antes de serem analisados. Dois níveis principais de radiação foram usados: 1,5 x 10^15 e 2,5 x 10^15 nêutrons por centímetro quadrado. Esses níveis simulam a radiação máxima que os LGADs podem experimentar ao longo de sua vida útil.

Os sensores foram testados com feixes de partículas no CERN e no DESY. O teste usou partículas de alta energia pra avaliar a capacidade dos sensores de coletar carga, resolver tempos de chegada e detectar impactos de partículas com eficiência.

#Coleta e Análise de Dados

#Configuração de Medição

Durante os testes, os LGADs estavam conectados a placas de leitura especializadas que amplificavam os sinais deles. Um telescópio de feixe foi montado pra rastrear os caminhos das partículas, permitindo medições precisas de onde cada partícula atingiu o detector.

Em ambos os lugares, CERN e DESY, os sistemas registraram formas de onda e posições das partículas, que foram então analisadas pra determinar o desempenho dos sensores.

#Métricas de Performance

As principais métricas de performance avaliadas foram:

1. Carga Coletada: Mede quantas cargas o sensor coleta quando uma partícula atinge ele.
2. Resolução de Tempo: Indica quão precisamente o sensor consegue determinar o tempo de chegada de uma partícula.
3. Eficiência de Impacto: É a porcentagem de vezes que o sensor detecta um impacto de partícula com sucesso em relação ao número de partículas passando pelo sensor.

#Remoção de Eventos de Fundo

Na análise dos dados, qualquer ruído de fundo que pudesse interferir nos resultados foi filtrado usando cortes de tempo. Isso garantiu que apenas sinais válidos de impactos de partículas fossem considerados na análise.

#Resultados

#Carga Coletada

Os resultados mostraram que a carga coletada melhorou com voltagens de polarização mais altas. Sensores que receberam mais radiação ainda conseguiram coletar carga suficiente pra boas medições de tempo. Pra sensores expostos a 1,5 x 10^15 nêutrons, os níveis de carga coletada superaram o limite necessário pra operação eficaz.

Em contrapartida, sensores expostos a 2,5 x 10^15 nêutrons precisaram de voltagens ainda mais altas pra atingir esse mesmo limite de carga. No geral, foi observado que, à medida que o nível de radiação aumentava, a quantidade de carga coletada na mesma voltagem diminuía.

#Resolução de Tempo

A resolução de tempo foi outro fator importante avaliado. Os testes revelaram que a resolução de tempo geralmente melhorava com voltagens de polarização mais altas. Mesmo depois de serem submetidos a altas doses de radiação, os sensores conseguiram manter uma resolução de tempo perto da pré-irradiação.

Em níveis de radiação mais baixos, sensores LGAD conseguiam uma resolução de tempo em torno de 30 a 40 picosegundos. No entanto, após exposição a radiações mais altas, eles ainda mantinham boa precisão de tempo, mas precisavam de voltagens de polarização mais altas pra isso.

#Eficiência de Impacto

A eficiência de impacto é crucial pra que os detectores funcionem bem em altas taxas de colisões de partículas. Os resultados mostraram que aumentar a voltagem de polarização impactou positivamente a eficiência de impacto.

Pra sensores expostos a 1,5 x 10^15 nêutrons, a eficiência superou 98%, enquanto aqueles expostos a 2,5 x 10^15 nêutrons ainda alcançaram eficiências acima do limite necessário de 95%.

#Uniformidade da Eficiência

A eficiência dos sensores também foi examinada com base em onde a partícula atingiu o sensor. Os resultados mostraram algumas variações, mas principalmente mostraram que os sensores detectaram impactos de forma eficaz em uma área ampla. Mais de 99% de eficiência foi alcançada em regiões significativas da superfície do sensor.

#Conclusões

Os sensores LGAD enriquecidos com carbono examinados nesse estudo demonstraram um desempenho promissor mesmo depois de serem expostos a altos níveis de radiação que simulam as condições esperadas durante a fase operacional do HL-LHC.

Eles conseguiram coletar carga suficiente, manter boa resolução de tempo e alcançar alta eficiência de impacto em várias condições de teste. Essas descobertas sugerem que tais detectores conseguem aguentar o ambiente desafiador de experimentos de física de altas energias e podem ser confiáveis para avanços futuros.

#Perspectivas

As descobertas indicam que os sensores LGAD são uma opção viável pro HGTD no experimento ATLAS. Trabalhos futuros vão focar em refinar ainda mais esses sensores e resolver as pequenas inconsistências observadas em seu desempenho. Testes e desenvolvimento contínuos vão fortalecer a confiabilidade e funcionalidade desses sensores para experimentos de alta energia.

No geral, os avanços na tecnologia dos LGADs e a capacidade de funcionar sob estresse de radiação são passos significativos em técnicas de detecção e medição de partículas.