[論文レビュー] ATLAS Experiment Pixel Detector Upgrades

M. Garcia-Sciveres, Collaboration, ATLAS|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2011

Particle Detector Development and Performance参考文献 2被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、FE-I4読み出しチップ、放射線耐性を有する3次元および平面型センサ、低質量のカーボンフォーム構造を用いた、ATLAS実験のピクセル・デティクタのアップグレードを詳細に記述している。2013年に設置されたIBL（挿入型B層）は、トラッキング精度とbクォークジェット同定精度をほぼ2倍に向上させた。2018年までに、高輝度LHC運用に適した同じ先進技術を用いたフルデティクタの交換が検討されている。

ABSTRACT

The ATLAS experiment pixel detector upgrade plans are focused on development of new technology, including the FE-I4 readout integrated circuit. The first upgrade project to make use of this new technology is an "Insertable B-Layer" (IBL) pixel detector to be installed on a replacement beam pipe in 2013. The IBL will fit inside and not alter the existing ATLAS pixel detector. However, the possibility is being studied to replace the pixel whole detector in 2018 with a lower mass, higher performance instrument based on the FE-I4 chip and new mechanical structures.

研究の動機と目的

• 元のATLASピクセル・デティクタのレート能力、放射線耐性、消費電力、質量に関する制限を是正する。
• 将来の高輝度LHC運用に向け、FE-I4チップ、高度なセンサ、低質量の機械的構造を含む新技術を開発する。
• 成熟した技術を用いて、2013年に近い時期に挿入型B層（IBL）を実装可能とする。
• FE-I4ベースのシステムを用いた2018年までのフルピクセル・デティクタ交換の実現可能性と利点を評価する。
• 放射線耐性があり、高レート対応で低質量のデティクタ・システムにより、長期的な性能と物理学的到達可能性を確保する。

提案手法

• 130 nm CMOSプロセスを用いてFE-I4読み出し集積回路を設計・製造し、レート能力を向上させるとともに、チップ面積の10%未満に周辺回路を縮小する。
• ヒット電荷とタイミングを4ピクセル領域内に局所的に記憶する新しい読み出しアーキテクチャを実装し、高レート動作を可能にする。
• 13個のガードリングと100 µmのエッジから最後のピクセルまでの距離を有する「スリムエッジ」平面型センサを開発し、有効領域を最大化し、デッドゾーンを低減する。
• 230 µmのシリコンバルクをほとんど貫通するn+およびp+電極を備えた二面型3次元センサを設計し、放射線照射後でも高い電荷収集効率を確保する。
• 熱伝導率が従来のフォームに比べ20倍高い高熱伝導性カーボンフォーム（20×）を機械的サポートに使用し、有限要素解析とサンプル検証を実施する。
• 将来のデティクタ拡張性を考慮し、スタブモジュール構造にオンスタブ電源変換、高速データ送信、低質量ケーブルを統合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FE-I4読み出しチップは、IBLおよび将来の高輝度LHC環境における十分なレート能力と放射線耐性を達成できるか？
• RQ2 3次元およびスリムエッジ平面型センサは、高レート環境下で電荷収集効率と放射線耐性をどの程度向上させるか？
• RQ3 低質量のカーボンフォーム構造は、材料費予算を圧縮しつつ、十分な熱伝導性と機械的安定性を提供できるか？
• RQ4 IBLによって、bクォークジェット同定精度とトラッキング分解能でどの程度の性能向上が達成できるか？
• RQ5 IBLで開発された成熟技術を用いて、2018年までにフルピクセル・デティクタを交換することは実現可能で有益か？

主な発見

• FE-I4チップと高度なセンサを用いたIBLアップグレードにより、bクォークジェット同定の純度がほぼ2倍に向上した。
• FE-I4チップは、FE-I3の30%に対し、周辺回路を10%にまで縮小し、IBLの幾何配置におけるより密なラジアル配置を可能にした。
• IBLデティクタの質量は、有効領域で放射線長の1.5%に留まり、極めて厳しい低質量要件を満たしている。
• 有限要素解析とサンプル測定により、新規カーボンフォームは同密度下で従来のフォームに比べ熱伝導率が2桁高いことが確認された。
• 2018年のフルデティクタアップグレード構想では、3 m²の面積に2億5千万ピクセルを含むが、現在のデティクタは2 m²未満で8千万ピクセルである。
• シミュレーションにより、劣化後もIBLは劣化前の現在のデティクタを上回る優れた性能を維持することが示された。