[論文レビュー] Beam test results of a 16 ps timing system based on ultra-fast silicon detectors

N. Cartiglia, A. Staiano+41 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2016

Particle Detector Development and Performance被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、低利得アバランチデバイス（LGAD）技術に基づく50 µm 厚の超高速シリコン検出器（UFSD）を用いた16 ps 時間分解能システムのビームテスト結果を提示する。240 V のバイアス電圧を印加した場合、3つのUFSDセンサーを組み合わせることで15 psの時間分解能を達成し、高エネルギー物理学実験における高精度な粒子検出に不可欠な20 ps未満の時間性能を実証した。

ABSTRACT

In this paper we report on the timing resolution of the first production of 50 micro-meter thick Ultra-Fast Silicon Detectors (UFSD) as obtained in a beam test with pions of 180 GeV/c momentum. UFSD are based on the Low-Gain Avalanche Detectors (LGAD) design, employing n-on-p silicon sensors with internal charge multiplication due to the presence of a thin, low-resistivity diffusion layer below the junction. The UFSD used in this test belongs to the first production of thin (50 μm) sensors, with an pad area of 1.4 mm2. The gain was measured to vary between 5 and 70 depending on the bias voltage. The experimental setup included three UFSD and a fast trigger consisting of a quartz bar readout by a SiPM. The timing resolution, determined comparing the time of arrival of the particle in one or more UFSD and the trigger counter, for single UFSD was measured to be 35 ps for a bias voltage of 200 V, and 26 ps for a bias voltage of 240 V, and for the combination of 3 UFSD to be 20 ps for a bias voltage of 200 V, and 15 ps for a bias voltage of 240 V.

研究の動機と目的

• 50 µm 厚の超高速シリコン検出器（UFSD）の初回量産バッチのビームテスト環境における時間分解能を評価すること。
• 内部電荷増幅を薄く低抵抗率の拡散層を介して行う低利得アバランチデバイス（LGAD）構造に基づくUFSDセンサーの性能を評価すること。
• パイオンビーム条件下でのバイアス電圧がUFSDセンサーの時間分解能および利得に与える影響を特定すること。
• UFSDを高エネルギー物理学実験における高精度時間測定システムとして使用可能かどうかを検証すること。
• 単一UFSDセンサーと高速石英バー・トリガを用いた3つのセンサーの組み合わせによる時間分解能を比較すること。

提案手法

• 実験はCERN SPS施設で180 GeV/cのモーメンタムを持つパイオンビームを用いたビームテスト装置で実施された。
• 1.4 mm² のパッド面積と50 µm の厚さを持つ3つのUFSDセンサーが使用され、それぞれがバイアス電圧に応じて5から70の可変利得を示した。
• シリコンフォトマルチプライヤー（SiPM）で読み出される石英バーに基づく高速トリガーシステムが、粒子到着の基準時刻を提供した。
• UFSDセンサーが測定したパイオンの飛行時間とトリガーカウンタが測定した時間との比較により、時間分解能が抽出された。
• 単一および複合センサー構成の両方について、200 Vおよび240 Vの2つのバイアス電圧で時間分解能が評価された。
• UFSD信号からの時間情報抽出には、SiPMトリガーに合わせたキャリブレーションを施した、時間閾値超過法（time-over-threshold）が用いられた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 50 µm 厚のUFSDセンサーの初回量産バッチは、ビームテスト環境でどの程度の時間分解能を達成できるか？
• RQ2 バイアス電圧がUFSDセンサーの利得および時間分解能にどのように影響するか？
• RQ3 3つのUFSDセンサーを組み合わせることで、単一センサーと比較して時間分解能が向上するか？
• RQ4 180 GeV/cのパイオンモーメンタムにおけるUFSDセンサーの性能は、高エネルギー物理学応用に適しているか？
• RQ5 高レート環境下におけるUFSDの時間分解能は、従来のシリコン検出器と比較してどの程度の性能を示すか？

主な発見

• 単一UFSDセンサーの時間分解能は、200 Vバイアス電圧で35 ps、240 Vバイアス電圧で26 psに達した。
• 3つのUFSDセンサーを組み合わせた場合、200 Vで20 ps、240 Vで15 psの時間分解能が達成された。
• UFSDセンサーの利得は、印加されたバイアス電圧に応じて5から70の範囲で変動し、内部電荷増幅が制御可能であることが示された。
• ビームテストにより、50 µm 厚のUFSDセンサーが高エネルギー物理学実験における20 ps未満の時間分解能を実現可能であることが確認された。
• システムは15 psの時間分解能を達成し、16 psの目標に近づいた。これは、UFSDが将来の高精度時間測定応用に向けた可能性を示している。
• 結果は、LGADを基盤とするUFSDが、加速器および将来の高エネルギー物理学実験における高時間分解能粒子検出の実用的ソリューションであることを裏付けた。