[논문 리뷰] Advances in pixel detectors for experiments with high rate and radiation

M. Garcia-Sciveres, N. Wermes|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 26.

Particle Detector Development and Performance인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 고속, 고방사선 환경에서의 픽셀 검출기 전반적인 발전을 검토하며, 향후 고광도 LHC 업그레이드를 위한 차세대 설계에 초점을 맞춘다. 고방사선 센서, 단일체 통합, 하이브리드 기술 및 고처리량 읽기 전자 회로의 혁신을 상세히 기술하여 극한 조건에서도 정밀한 트래킹과 버텍스링을 가능하게 한다.

ABSTRACT

The Large Hadron Collider (LHC) experiments ATLAS and CMS have established hybrid pixel detectors as the instrument of choice for particle tracking and vertexing in high rate and radiation environments, as they operate close to the LHC interaction points. With the High Luminosity-LHC upgrade now in sight, for which the tracking detectors will be completely replaced, new generations of pixel detectors are being devised. They have to address enormous challenges in terms of data throughput and radiation levels, ionizing and non-ionizing, that harm the sensing and readout parts of pixel detectors alike. Advances in microelectronics and microprocessing technologies now enable large scale detector designs with unprecedented performance in measurement precision (space and time), radiation hard sensors and readout chips, hybridization techniques, lightweight supports, and fully monolithic approaches to meet these challenges. This paper reviews the world-wide effort on these developments.

연구 동기 및 목표

• LHC 상호작용 영역 근처의 극한의 방사선 및 고속 조건에서 더 나은 입자 트래킹과 버텍스링이 필요하다.
• 하이브리드 픽셀 검출기의 센서 및 읽기 전자 회로 구성 요소에 대한 침입성 및 비침입성 방사선 손상에 대비한 과제를 해결한다.
• 앞서 예고된 고광도 LHC 업그레이드를 위해 요구되는 데이터 처리 속도 및 방사선 내성 확보.
• 공간 및 시간 해상도의 정밀도를 향상시키기 위한 고도화된 마이크로전자 및 마이크로처리 기술 개발.
• 미래 성능 요구사항을 충족시키기 위한 완전한 단일체 및 하이브리드 픽셀 검출기 아키텍처 탐색.

제안 방법

• 마이크로전자 및 마이크로처리 기술의 발전을 활용하여 고방사선 센서 및 읽기 전자 회로 칩 설계.
• 성능 및 신뢰성 향상을 위한 새로운 하이브리드 기술 적용으로 센서와 읽기 전자 회로 연결.
• 재료 예산을 줄이고 트래킹 해상도를 향상시키기 위해 경량 기계적 지지 구조 개발.
• 단일 실리콘 기판에 센서 및 읽기 전자 기능을 통합한 완전한 단일체 픽셀 검출기 아키텍처 탐색.
• HL-LHC 시대에 예상되는 증가된 데이터 속도를 관리하기 위해 고대역폭 데이터 읽기 시스템 통합.
• 고방사선 및 고속 조건에서 하이브리드 및 단일체 접근 방식 간의 성능 상충 요소 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 하면 HL-LHC의 높은 선량 및 고속 조건에서 살아남을 수 있는 충분한 고방사선 성능을 갖춘 픽셀 검출기를 만들 수 있는가?
• RQ2 고속 환경에서 마이크로미터 이하 공간 해상도 및 피코초 수준 시간 해상도를 달성하기 위한 핵심 기술적 요소는 무엇인가?
• RQ3 고방사선 내성, 데이터 처리 속도, 재료 예산 측면에서 하이브리드 및 단일체 픽셀 검출기 아키텍처는 어떻게 비교되는가?
• RQ4 고도화된 마이크로제조 및 통합 기술은 차세대 트래킹 검출기 실현에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 HL-LHC의 전체 트래킹 시스템 교체를 위한 픽셀 검출기 시스템의 스케일업 과정에서의 주요 설계 과제는 무엇인가?

주요 결과

• 고광도 LHC의 극한 요구사항을 충족시키기 위해 새로운 세대의 픽셀 검출기가 개발되고 있으며, 이는 더 높은 데이터 속도 및 증가된 방사선 선량을 수반한다.
• 하이브리드 픽셀 검출기는 LHC 상호작용 영역 근처의 고속 환경에서 고정밀 트래킹 및 버텍스링을 위한 주요 기술로 남아 있다.
• 마이크로전자 기술의 발전 덕분에 침입성 및 비침입성 방사선 손상에 견딜 수 있는 고방사선 센서 및 읽기 전자 칩 개발이 가능해졌다.
• 단일체 픽셀 검출기 접근 방식은 재료 예산 감소 및 통합의 단순화로 인해 유망한 대안으로 부상하고 있다.
• 향상된 하이브리드 기술 및 경량 지지 구조는 재료 예산을 최소화하고 트래킹 해상도를 향상시키는 데 핵심이다.
• 세계적인 연구개발 노력은 향후 실험을 위한 측정 정밀도, 고방사선 내성, 데이터 처리 속도에서의 비례 없는 성능 향상을 목표로 하고 있다.