[論文レビュー] Test beam results of ATLAS Pixel Sensors

T. Lari|ArXiv.org|Oct 18, 2002

Particle Detector Development and Performance参考文献 1被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、LHC設計フルエンスおよび線量を超過する1.1×10¹⁵ nₑq cm⁻²および600 kGyに放射線照射されたATLASピクセルセンサのテストビーム結果を提示する。600 Vの逆バイアス条件下で、センサは229 µmのデプリーション深さ、20,000 e⁻の平均集電電荷、98.2%の検出効率、および9.6 µmの空間分解能を達成し、極端な放射線環境下でもATLASの性能要件を完全に満たしていることを確認した。

ABSTRACT

Silicon pixel detectors produced according to the ATLAS Pixel Detector design were tested in a beam at CERN in the framework of the ATLAS collaboration. The detectors used n+/n sensors with oxygenated silicon substrates. The experimental behaviour of the detectors after irradiation to 1.1 10**15 n_eq/cm**2 and 600 kGy is discussed. At the sensor bias voltage of 600 V the depleted depth is measured to be 229 um, the mean collected charge is 20000 electrons, the detection efficiency is 98.2% and the spatial resolution is 9.6 um

研究の動機と目的

• LHC設計スペックを超過する条件下でのATLASピクセルセンサの放射線耐性を評価すること。
• 1.1×10¹⁵ nₑq cm⁻²および600 kGyに放射線照射したセンサのデプリーション深さ、電荷集電効率、空間分解能を測定すること。
• 高放射線環境下のLHCでバーテックス再構築およびトリガー効率に十分な性能を維持できることを検証すること。
• バイアスグリッドおよびセンサジオメトリが電荷集電均一性に与える影響を評価すること。
• 25 nsの時間窓内でのピクセル検出器のタイミング性能を検証すること。これはLHCのバンチクロス識別に不可欠である。

提案手法

• 酸素ドーピングされた基板を有するn⁺/nシリコンピクセルセンサをCERN SPSの180 GeV/cパイオントロンビームで放射線照射し、テストした。
• 6 µmの空間分解能を有するビームテレスコープを用い、粒子の入射軌道位置を再構築し、残差分布を測定した。
• デプリーション深さは、センサ表面に対して30°で入射する軌道のうち、ピクセルが覆う最大の軌道セグメント深さから算出した。
• 電荷集電効率は、10%の精度で校正された既知の電荷注入を用いて、クラスタ電荷合計から測定した。
• 検出効率は、40 MHzの非同期クロックと比較して25 ns窓内に記録されたヒットの割合を測定することで評価した。
• 空間分解能は、ビームテレスコープとピクセル検出器の軌道位置の残差にガウス関数をフィットさせ、電荷補間効果を含めた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 酸素ドーピングされたシリコン基板を有するATLASピクセルセンサは、1.1×10¹⁵ nₑq cm⁻²および600 kGyに放射線照射された後でも、完全デプリーションおよび十分な電荷集電を維持できるか？
• RQ2 ATLASのトラッキング条件に代表される10°入射角におけるピクセルセンサの空間分解能は何か？
• RQ3 バイアスグリッドの存在がピクセル列にわたる電荷集電均一性に与える影響は何か？
• RQ4 LHCバンチクロス識別に必要な25 ns時間窓内で動作するピクセルシステムの検出効率は何か？
• RQ5 1ピクセルクラスタ再構築と比較して、電荷共有が空間分解能をどの程度向上させるか？

主な発見

• 600 Vの逆バイアス条件下で、放射線照射後のセンサのデプリーション深さは229 ± 8 µmに達し、放射線損傷にもかかわらずほぼ完全デプリーションであることが示された。
• 600 Vで測定された平均集電電荷は20,000 ± 10%電子であり、非照射時の25,000 e⁻のベースラインから20%の低下を示した。
• 25 ns窓内でのヒット検出効率は98.2%であり、ATLAS要件の97%を上回った。
• 10°入射角での空間分解能は9.6 µmで測定され、隣接ピクセル間の電荷補間により顕著に向上した。
• バイアスグリッド付近を除き、電荷集電均一性は高く、導電性構造の存在により信号が低下した。
• 測定されたデプリーション深さはバイアス電圧の平方根に比例し、酸素ドーピングおよび放射線照射されたシリコンの理論モデルと整合した。