[論文レビュー] Pixel Vertex Detectors

N. Wermes|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2006

Particle Detector Development and Performance参考文献 30被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、LHC用の最先端のトラッキング機器であるハイブリッドピクセルバーテックス検出器の物理学的・技術的側面をレビューしている。これらの検出器は、サブマイクロメートル級の空間分解能を達成し、極端な放射線環境および高データレートに耐える。設計、放射線耐性、性能について詳細に記述し、10–70 μmのインパクトパラメータ分解能を実証するとともに、DEPFETおよびMAPSセンサを用いた先進技術を活用した将来のコライダー、例えばILC向けの実現可能性を示している。

ABSTRACT

Pixel vertex detectors are THE instrument of choice for the tracking of charged particles close to the interaction point at the LHC. Hybrid pixel detectors, in which sensor and read-out IC are separate entities, constitute the present state of the art in detector technology. Three of the LHC detectors use vertex detectors based on this technology. A development period of almost 10 years has resulted in pixel detector modules which can stand the extreme rate and timing requirements as well as the very harsh radiation environment at the LHC for its full life time and without severe compromises in performance. This lecture reviews the physics and technology of pixel detectors for tracking and vertexing at the LHC.

研究の動機と目的

• ピクセルバーテックス検出器がLHCの衝突点付近における主なトラッキング機器として果たす役割を分析すること。
• 50 GHzの高粒子レート、10^15 n_eq/cm²の放射線フルエンス、10年間の運用における放射線損傷という極めて厳しい課題に対処すること。
• ハイブリッドピクセル検出器が高精度なバーテックス検出および運動量測定を達成する性能を評価すること。
• DEPFETおよびMAPS技術を用いて、将来のコライダー、例えばILC向けの次世代ピクセル検出器の実現可能性を検討すること。
• インパクトパラメータ分解能に及ぼす検出器層の分解能、マテリアルバンク、多重散乱の影響を定量化すること。

提案手法

• ハイブリッドピクセル検出器が採用され、センサと読み出しICが別々に配置されており、高チャネル密度（約5000チャンネル/cm²）と高速読み出しを可能としている。
• インパクトパラメータ分解能は、2層構成の検出器モデルを用いてモデル化されている：σ_b² = (r₁/(r₂−r₁)σ₂)² + (r₂/(r₂−r₁)σ₁)² + σ_MS²。この式は、層の分解能と多重散乱を考慮している。
• 放射線耐性は、非イオン化損傷（NIEL）およびイオン化損傷（IEL）によるエネルギー損失を評価し、しきい値のシフトとリーク電流が主な損傷機構である。
• DEPFETセンサは、内部ゲートFETを用いて電荷を増幅・保持するため、高SN比を実現し、薄く放射線に強い構造を実現できる。
• DESYおよびCERNでのテストビームにより性能が検証され、450 μm厚のセンサでノイズが200–300e⁻、信号が約35,000e⁻の測定がなされた。
• ILCにおける5層DEPFET検出器の消費電力は5–10 W程度と推定され、低質量で冷却不要な設計が可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ピクセル検出器は、高レート・高放射線環境下のLHCでどのように10 μm未満のインパクトパラメータ分解能を達成するのか？
• RQ2 支配的な放射線損傷機構（NIELおよびIEL）は何か、それらがピクセル検出器の性能にどのように影響を与えるか？
• RQ3 2層トラッキング系において、内側のピクセル層の空間分解能はインパクトパラメータ分解能にどのように影響を与えるか？
• RQ4 DEPFETおよびMAPS技術は、将来のコライダー、例えばILC向けの放射線およびレート要件を満たすことができるか？
• RQ5 実際のビーム条件下で、DEPFETセンサの達成可能な空間分解能と信号対ノイズ比は何か？

主な発見

• ATLASピクセル検出器は、二次バーテックスに対して約10 μm（rϕ）および約70 μm（z）のインパクトパラメータ分解能を達成している。
• ATLASにおけるプライマリバーテックス分解能は約11 μm（rϕ）および約45 μm（z）であり、寿命分解能は約70 psである。
• DEPFETセンサは、450 μm厚のセンサでノイズ200–300e⁻、信号約35,000e⁻を示し、真の空間分解能が約2 μmに達することが可能となった。
• DEPFET検出器は、イオン化放射線線量約10 kGy（ILCの予想値の5倍）に耐えられ、しきい値シフトはわずか約4 Vにとどまり、ゲート電圧の調整で補正可能である。
• ILCにおける5層DEPFETピクセル検出器の消費電力は5–10 W程度と推定され、低質量で冷却不要な設計が可能となる。
• 20 μmピッチでは1.5 μm（5 μm）の分解能、40 μmピッチでは5 μm（10 μm）の分解能が、テストビームで測定された。