[논문 리뷰] Beam test results of a 16 ps timing system based on ultra-fast silicon detectors

N. Cartiglia, A. Staiano외 41명|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 30.

Particle Detector Development and Performance인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 CERN SPS 시설에서 180 GeV/c 운동량의 π 중립미자 빔을 이용한 빔 테스트 결과를 제시한다. 50 µm 두께의 초고속 실리콘 검출기(UFSD)를 사용한 16 ps 시간 해상도 시스템의 성능을 평가하였으며, 이는 저이득 야생화 검출기(LGAD) 기술 기반이다. 240 V의 편향 전압에서 세 개의 UFSD 센서를 조합하여 15 ps의 시간 해상도를 달성하였으며, 이는 고에너지 물리 실험에서 고정밀 입자 검출에 필수적인 20 ps 이하의 시간 성능을 입증한다.

ABSTRACT

In this paper we report on the timing resolution of the first production of 50 micro-meter thick Ultra-Fast Silicon Detectors (UFSD) as obtained in a beam test with pions of 180 GeV/c momentum. UFSD are based on the Low-Gain Avalanche Detectors (LGAD) design, employing n-on-p silicon sensors with internal charge multiplication due to the presence of a thin, low-resistivity diffusion layer below the junction. The UFSD used in this test belongs to the first production of thin (50 μm) sensors, with an pad area of 1.4 mm2. The gain was measured to vary between 5 and 70 depending on the bias voltage. The experimental setup included three UFSD and a fast trigger consisting of a quartz bar readout by a SiPM. The timing resolution, determined comparing the time of arrival of the particle in one or more UFSD and the trigger counter, for single UFSD was measured to be 35 ps for a bias voltage of 200 V, and 26 ps for a bias voltage of 240 V, and for the combination of 3 UFSD to be 20 ps for a bias voltage of 200 V, and 15 ps for a bias voltage of 240 V.

연구 동기 및 목표

• 50 µm 두께의 초고속 실리콘 검출기(UFSD) 첫 번째 생산 배치의 빔 테스트 환경에서의 시간 해상도 평가
• 내부 전하 증폭을 위한 얇고 저저항율의 확산층을 갖는 저이득 야생화 검출기(LGAD) 설계 기반 UFSD 센서의 성능 평가
• π 중성미자 빔 조건 하에서 UFSD 센서의 편향 전압이 시간 해상도와 이득에 미치는 영향 분석
• UFSD를 고에너지 물리 실험에서 고정밀 시간 측정 시스템으로 사용할 수 있는지의 타당성 검증
• 빠른 퀀츠 바 트리거를 사용한 단일 UFSD 센서와 세 개의 센서 조합 간의 시간 해상도 비교

제안 방법

• 실험은 CERN SPS 시설에서 180 GeV/c 운동량의 π 중성미자 빔을 이용한 빔 테스트 설정을 사용하였다.
• 1.4 mm² 패드 면적과 50 µm 두께를 가진 세 개의 UFSD 센서를 사용하였으며, 각각의 이득은 편향 전압에 따라 5에서 70 사이로 변동하였다.
• 실리콘 광다이오드 다이오드(SiPM)로 독해된 빠른 퀀츠 바 트리거 기반의 빠른 트리거 시스템이 입자 도착 시간을 기준으로 제공하였다.
• UFSD 센서와 트리거 카운터에서 측정한 π 중성미자의 비행 시간을 비교하여 시간 해상도를 추출하였다.
• 단일 및 조합된 센서 구성 모두에서 두 가지 편향 전압(200 V 및 240 V)에서 시간 해상도를 평가하였다.
• UFSD 신호에서 시간 정보를 추출하기 위해 시간-초과 임계값(ToT) 방법을 사용하였으며, SiPM 트리거에 대한 캘리브레이션을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 50 µm 두께의 UFSD 센서 첫 번째 생산 배치가 빔 테스트에서 달성할 수 있는 시간 해상도는 얼마인가?
• RQ2 편향 전압이 UFSD 센서의 이득과 시간 해상도에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 세 개의 UFSD 센서를 조합하면 단일 센서보다 시간 해상도가 향상되는가?
• RQ4 180 GeV/c의 π 중성미자 운동량에서 UFSD 센서의 성능은 고에너지 물리 응용 분야에서 어떻게 평가되는가?
• RQ5 고속 환경에서 UFSD의 시간 해상도는 전통적인 실리콘 검출기와 비교하여 어떠한가?

주요 결과

• 단일 UFSD 센서의 시간 해상도는 200 V 편향 전압에서 35 ps, 240 V 편향 전압에서 26 ps를 기록하였다.
• 세 개의 UFSD 센서를 조합한 경우, 200 V에서 20 ps, 240 V에서 15 ps의 시간 해상도를 확보하였다.
• UFSD 센서의 이득은 적용된 편향 전압에 따라 5에서 70 사이로 변동하여 제어 가능한 내부 전하 증폭을 나타내었다.
• 빔 테스트 결과, 50 µm 두께의 UFSD 센서가 고에너지 물리 실험에서 20 ps 이하의 시간 해상도를 확보하는 데 가능함을 확인하였다.
• 시스템은 목표로 한 16 ps에 가까운 15 ps의 시간 해상도를 달성하여, 향후 고정밀 시간 측정 응용 분야에서 UFSD의 잠재력을 입증하였다.
• 결과적으로 LGAD 기반 UFSD가 고시간 해상도 입자 검출을 위한 실현 가능한 솔루션으로서 타당함을 검증하였다.