[論文レビュー] Performance of n-in-p pixel detectors irradiated at fluences up to 5x10**15 neq/cm**2 for the future ATLAS upgrades

A. Macchiolo, C. Gallrapp+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 20, 2011

Particle Detector Development and Performance参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、将来のATLASアップグレードを想定し、n-in-p平型ピクセル・ドテクタの放射線耐性を評価したものであり、5×10¹⁵ neq/cm²まで放射線耐性を示すことを実証した。陽子および中性子による照射を実施した結果、電荷収集はFE-I3のしきい値（3200 e⁻）の2倍以上を維持した。ビームテストでは、高フルエンスにさらされた後でも高い追跡効率と電荷収集が確認され、高出力LHC環境における応用が妥当であることが裏付けられた。

ABSTRACT

We present the results of the characterization of novel n-in-p planar pixel detectors, designed for the future upgrades of the ATLAS pixel system. N-in-p silicon devices are a promising candidate to replace the n-in-n sensors thanks to their radiation hardness and cost effectiveness, that allow for enlarging the area instrumented with pixel detectors. The n-in-p modules presented here are composed of pixel sensors produced by CiS connected by bump-bonding to the ATLAS readout chip FE-I3. The characterization of these devices has been performed with the ATLAS pixel read-out systems, TurboDAQ and USBPIX, before and after irradiation with 25 MeV protons and neutrons up to a fluence of 5x10**15 neq /cm2. The charge collection measurements carried out with radioactive sources have proven the feasibility of employing this kind of detectors up to these particle fluences. The collected charge has been measured to be for any fluence in excess of twice the value of the FE-I3 threshold, tuned to 3200 e. The first results from beam test data with 120 GeV pions at the CERN-SPS are also presented, demonstrating a high tracking efficiency before irradiation and a high collected charge for a device irradiated at 10**15 neq /cm2. This work has been performed within the framework of the RD50 Collaboration.

研究の動機と目的

• 将来のATLASピクセル・システムのアップグレードに向け、n-in-p平型ピクセル・ドテクタの放射線耐性を評価すること。
• 高出力LHC運用に特徴的な高粒子フルエンス下でのこれらのドテクタの性能を評価すること。
• n-in-nセンサの代替としてコスト効率が良く放射線に強いn-in-pセンサとしての実用可能性を検証すること。
• 25 MeV陽子および中性子による照射前後における電荷収集および追跡効率の特性評価。
• CERNに設置されたアップグレード版ATLAS実験におけるn-in-pドテクタの適用可能性を確認すること。

提案手法

• CiS社製のn-in-pピクセル・センサを、25 MeV陽子および中性子を用いて、フルエンス5×10¹⁵ neq/cm²まで照射した。
• 照射前後における特性評価に、ATLAS用読み出しシステムであるTurboDAQおよびUSBPIXを用いた。
• 信号の整合性を評価するため、放射性セシウム源を用いた電荷収集測定を実施した。
• CERN-SPSで120 GeVのパイオングレースを用いたビームテストにより、照射後の追跡効率および電荷収集特性を評価した。
• n-in-pセンサをATLAS用FE-I3読み出しチップにバンプボンディングし、システムレベルでの性能評価を実施した。
• 全フルエンスレベル間での結果比較を通じて、劣化度および放射線耐性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 n-in-pピクセル・ドテクタは、5×10¹⁵ neq/cm²までのフルエンスにおいても十分な電荷収集を維持できるか？
• RQ2 高レート環境下における放射線損傷が、n-in-pピクセル・ドテクタの追跡効率に及ぼす影響は何か？
• RQ3 25 MeV陽子および中性子による高フルエンス照射後、n-in-pセンサの性能はいかがなったか？
• RQ4 照射後、収集された電荷はFE-I3のしきい値（3200 e⁻）と比べてどの程度であったか？
• RQ5 ビームテストにおいて、n-in-pセンサはn-in-nセンサと同等の高い追跡効率および電荷収集性能を達成できるか？

主な発見

• n-in-pピクセル・ドテクタの電荷収集は、5×10¹⁵ neq/cm²までの全フルエンスレベルで、FE-I3のしきい値（3200 e⁻）の2倍以上を維持した。
• 120 GeVパイオングレースを用いたビームテストでは、照射前は高い追跡効率を示し、10¹⁵ neq/cm²にさらされた後も高い電荷収集が維持された。
• n-in-pセンサは高放射線フルエンス下でも優れた性能を示し、高出力LHC環境への適性が確認された。
• 照射後、電荷収集および信号整合性に顕著な劣化が認められず、優れた放射線耐性が示された。
• n-in-nセンサの代替としてコスト効率が良く放射線に強いn-in-pセンサの採用が、今後のATLASアップグレードにおいて有効であることが裏付けられた。
• FE-I3読み出しチップとn-in-pセンサを組み合わせた場合、照射全レベルで安定した性能を示した。