[論文レビュー] First demonstration of in-beam performance of bent Monolithic Active Pixel Sensors

ALICE ITS project, :+253 more|arXiv (Cornell University)|May 27, 2021

CCD and CMOS Imaging Sensors参考文献 9被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、50 μm厚のALPIDEチップを2 cmの半径に曲げた際、機械的・電気的損傷を生じさせることなく、最初のビーム内性能を示した。5.4 GeV電子ビーム照射下でも、検出効率が99.9％以上を維持した。これは、ALICE ITS3のような高エネルギー物理学実験における超低材料バジェット・円筒形バーテックス・デティクタに実用可能であることを裏付けた。

ABSTRACT

A novel approach for designing the next generation of vertex detectors foresees to employ wafer-scale sensors that can be bent to truly cylindrical geometries after thinning them to thicknesses of 20-40$μ$m. To solidify this concept, the feasibility of operating bent MAPS was demonstrated using 1.5$ imes$3cm ALPIDE chips. Already with their thickness of 50$μ$m, they can be successfully bent to radii of about 2cm without any signs of mechanical or electrical damage. During a subsequent characterisation using a 5.4GeV electron beam, it was further confirmed that they preserve their full electrical functionality as well as particle detection performance. In this article, the bending procedure and the setup used for characterisation are detailed. Furthermore, the analysis of the beam test, including the measurement of the detection efficiency as a function of beam position and local inclination angle, is discussed. The results show that the sensors maintain their excellent performance after bending to radii of 2cm, with detection efficiencies above 99.9% at typical operating conditions, paving the way towards a new class of detectors with unprecedented low material budget and ideal geometrical properties.

研究の動機と目的

• 次世代バーテックス・デティクタ用に、ウェーハスケールの超薄型モノリシックアクティブピクセルセンサ（MAPS）を曲げた円筒形幾何学に応用可能かどうかを検証すること。
• 現在のバーレル・バーテックス・デティクタにおける材料予算と半径近接性の制限を克服し、真に円筒形のセンサーレイヤーを実現すること。
• 曲げられたMAPSがビーム条件下でも機械的・電気的耐性を保ち、曲げ後も完全に機能することを実証すること。
• 検出性能、特に効率と角度応答を、曲げられたセンサーフェース全体で特徴づけること。
• ALICE ITS3の提案を支援し、衝突点から18 mmの内層を実現し、材料予算を最小限に抑えるバーテックス・デティクタを実現すること。

提案手法

• ALICE ITS2用に開発された、元々は50 μm厚のALPIDEチップを、曲げとビームテストのための試験センサとして使用した。
• アクリル接着剤を用いてチップの縁を固定し、マイクロメーター精度のホイルを備えたホイルを回転させる方式により、逆転可能で段階的な曲げ手順を開発した。
• 曲げ中におけるボンディングされていないセンサ領域の保護と均一な曲率の維持のため、120 μm厚のポリイミドホイルを用いた。
• Ω型のアルミ固定具を用いて、ビームテスト中における曲率の安定化を図り、2 cmの半径に曲げたチップを固定した。
• 5.4 GeVの電子ビームを用いて、検出効率、位置分解能、およびビーム入射角に応じた応答を評価した。
• センサーフェース全体の検出効率と、局所的傾斜角に応じた検出効率を分析し、曲げ後の性能均一性を評価した。

Figure 1 : Layout of the ALPIDE pixel matrix. The pixels are organised in double-columns, each featuring a priority encoder circuit which propagates the addresses of the hit pixels to the periphery logic. The aluminum pads providing the electrical interface to the chip are located on the top of the

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 50 μm厚のALPIDE MAPSを2 cmの半径に曲げた際、機械的・電気的故障を生じさせることなく実現可能か？
• RQ2 曲げ後も、MAPSの電気的機能性および粒子検出性能が保持されるか？
• RQ3 ビーム位置および局所的傾斜角に応じた、曲げられたMAPSの検出効率はいかほどか？
• RQ4 曲げがセンサの空間分解能および信号応答に与える影響はどの程度か？
• RQ5 曲げられたMAPSは、高エネルギー物理学実験における超低材料バジェット・円筒形バーテックス・デティクタに必要な性能を満たすか？

主な発見

• ALPIDEチップは、2 cmの半径に曲げられたが、機械的・電気的損傷を生じさせず、曲げ手順の実現可能性が確認された。
• ビームテストによる検証により、曲げ後も完全な電気的機能性と粒子検出性能が維持された。
• 通常の運用条件下で、曲げられたセンサーフェース全体で99.9％を超える検出効率を示し、ほぼ理想に近い性能を示した。
• 異なるビーム位置および局所的傾斜角においても、高い安定した効率が維持され、曲面での応答の一様性が確認された。
• 本研究は、今後のバーテックス・デティクタに、ウェーハスケールの曲げMAPSを応用可能であることを裏付けた。これにより、衝突点から18 mmまでの半径位置にセンサを配置可能となった。
• 材料予算は、ほぼセンサの厚さにまで最小限に抑えられ、支持構造はほとんど不要になることが確認された。

(a) Bent ALPIDE chip on the carrier card