[논문 리뷰] ATLAS Experiment Pixel Detector Upgrades

M. Garcia-Sciveres, Collaboration, ATLAS|arXiv (Cornell University)|2011. 09. 21.

Particle Detector Development and Performance참고 문헌 2인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 ATLAS 실험의 픽셀 검출기 업그레이드를 상세히 기술하며, FE-I4 읽기 회로 칩, 방사선에 강한 3차원 및 평면형 센서, 그리고 저질량 탄소 폼 기계적 구조를 사용한 삽입형 B-층(IBL)에 중점을 둔다. IBL은 2013년에 설치되었으며, 추적 정밀도와 b-쿼크 제트 식별 능력을 거의 두 배로 향상시켰으며, 향후 고광도 LHC 운영을 위해 동일한 첨단 기술을 사용해 2018년에 전체 검출기 교체를 고려 중이다.

ABSTRACT

The ATLAS experiment pixel detector upgrade plans are focused on development of new technology, including the FE-I4 readout integrated circuit. The first upgrade project to make use of this new technology is an "Insertable B-Layer" (IBL) pixel detector to be installed on a replacement beam pipe in 2013. The IBL will fit inside and not alter the existing ATLAS pixel detector. However, the possibility is being studied to replace the pixel whole detector in 2018 with a lower mass, higher performance instrument based on the FE-I4 chip and new mechanical structures.

연구 동기 및 목표

• 기존 ATLAS 픽셀 검출기의 속도 능력, 방사선 내성, 전력 소모 및 질량에 대한 한계를 해결한다.
• 향후 고광도 LHC 운영을 위해 새로운 기술—FE-I4 칩, 고도로 발전한 센서, 저질량 기계적 구조—를 개발한다.
• 성숙한 기술을 활용해 2013년에 근시일 내로 삽입형 B-층(IBL)을 구현한다.
• FE-I4 기반 시스템을 사용해 2018년에 전체 픽셀 검출기 교체의 가능성과 이점을 평가한다.
• 방사선 내성, 고속도, 저질량 검출기 시스템을 통해 장기적인 성능과 물리적 성취 가능성을 확보한다.

제안 방법

• 130 nm CMOS 공정을 사용해 FE-I4 읽기 회로 통합 회로를 설계 및 제작하여 속도 능력을 향상시키고, 외곽부 비율을 칩 면적의 10% 이하로 줄인다.
• 히트 전하와 타이밍을 4픽셀 영역 내부에 국소적으로 저장하는 새로운 읽기 아키텍처를 구현해 고속도 작동을 가능하게 한다.
• 활성 영역을 최대화하고 사각지대를 줄이기 위해 13개의 가드 링과 100 µm의 가장자리에서 마지막 픽셀까지의 거리를 갖춘 '스리밍 에지' 평면형 센서를 개발한다.
• 230 µm 두께의 실리콘 블록을 대부분 관통하는 n+ 및 p+ 전극을 갖춘 이중면 3차원 센서를 설계하여, 방사선 조사 후에도 높은 전하 수확 효율을 확보한다.
• 고열전도성 탄소 폼(기존 폼보다 20배 높은 열전도성)을 기계적 지지대에 사용하고, 유한요소 분석 및 시료 검증을 수행한다.
• 미래 검출기 확장성을 위해 모듈식 스테이브 구조에 전원 변환, 고속 데이터 전송, 저질량 케이블을 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FE-I4 읽기 회로 칩는 IBL 및 향후 고광도 LHC 조건에서 충분한 속도 능력과 방사선 내성을 확보할 수 있는가?
• RQ2 3차원 및 평면형 '스리밍 에지' 센서는 고속도 환경에서 전하 수확 및 방사선 내성에 얼마나 기여하는가?
• RQ3 저질량 탄소 폼 구조는 물질 예산을 줄이면서도 충분한 열전도성과 기계적 안정성을 제공할 수 있는가?
• RQ4 IBL을 통해 b-쿼크 제트 식별 및 추적 해상도 향상에 기여하는 성능 향상은 어느 정도인가?
• RQ5 IBL에 개발된 성숙한 기술을 활용해 2018년에 전체 픽셀 검출기 교체가 가능한가, 그리고 유익한가?

주요 결과

• FE-I4 칩과 고도로 발전한 센서를 사용한 IBL 업그레이드로, b-쿼크 제트 식별 순도가 거의 두 배로 향상되었다.
• FE-I4 칩의 외곽부 비율은 FE-I3 대비 10%로 감소하여 IBL 기하학적 구조에서 더 좁은 반경 간격을 가능하게 하였다.
• IBL 검출기의 질량은 활성 영역에서 방사선 길이의 1.5%에 불과하여 철저한 저질량 요구 조건을 충족시켰다.
• 유한요소 분석 및 시료 측정 결과, 신규 탄소 폼은 동일 밀도에서 기존 폼보다 열전도성이 약 두 계급 높다는 것이 확인되었다.
• 2018년 전체 검출기 업그레이드 개념은 현재 검출기의 2m² 이하에 8000만 개 픽셀이 포함된 데 비해, 3m² 면적에 2억 5000만 개 픽셀을 포함할 것으로 예상된다.
• 시뮬레이션 결과, IBL는 열화 후에도 여전히 현재 검출기의 열화 이전 성능을 뛰어넘는 우수한 성능을 유지함을 보였다.