[논문 리뷰] Performance of n-in-p pixel detectors irradiated at fluences up to 5x10**15 neq/cm**2 for the future ATLAS upgrades

A. Macchiolo, C. Gallrapp외 5명|arXiv (Cornell University)|2011. 10. 20.

Particle Detector Development and Performance참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 향후 ATLAS 업그레이드를 위한 n-in-p 평면 픽셀 검출기의 성능을 평가하며, 5×10¹⁵ neq/cm²까지 방사선 내성임을 입증한다. 양성자 및 중성자 조사 실험을 통해 전하 수집 능력이 FE-I3 기준치(3200 e⁻)의 두 배 이상 유지되었으며, 빔 테스트를 통해 고선량 조사 후에도 높은 추적 효율성과 전하 수집 능력을 확보하여, 고광도 LHC 환경에서의 적용 가능성을 검증하였다.

ABSTRACT

We present the results of the characterization of novel n-in-p planar pixel detectors, designed for the future upgrades of the ATLAS pixel system. N-in-p silicon devices are a promising candidate to replace the n-in-n sensors thanks to their radiation hardness and cost effectiveness, that allow for enlarging the area instrumented with pixel detectors. The n-in-p modules presented here are composed of pixel sensors produced by CiS connected by bump-bonding to the ATLAS readout chip FE-I3. The characterization of these devices has been performed with the ATLAS pixel read-out systems, TurboDAQ and USBPIX, before and after irradiation with 25 MeV protons and neutrons up to a fluence of 5x10**15 neq /cm2. The charge collection measurements carried out with radioactive sources have proven the feasibility of employing this kind of detectors up to these particle fluences. The collected charge has been measured to be for any fluence in excess of twice the value of the FE-I3 threshold, tuned to 3200 e. The first results from beam test data with 120 GeV pions at the CERN-SPS are also presented, demonstrating a high tracking efficiency before irradiation and a high collected charge for a device irradiated at 10**15 neq /cm2. This work has been performed within the framework of the RD50 Collaboration.

연구 동기 및 목표

• 향후 ATLAS 픽셀 시스템 업그레이드를 위한 n-in-p 평면 픽셀 검출기의 방사선 내성 평가
• 고광도 LHC 운영 조건에서 일반적인 고입자 선량 조건에서의 검출기 성능 평가
• n-in-n 센서에 대한 비용 효율적이고 방사선 내성인 대안으로서의 n-in-p 센서 사용 가능성 검증
• 25 MeV 양성자 및 중성자로 조사한 후 전하 수집 및 추적 효율성 특성 분석
• CERN의 업그레이드된 ATLAS 실험에서의 n-in-p 검출기 사용 적합성 확인

제안 방법

• CiS에서 공급받은 n-in-p 픽셀 센서를 25 MeV 양성자 및 중성자로 5×10¹⁵ neq/cm²의 선량까지 조사
• 사전 및 사후 조사 특성 분석을 위해 ATLAS 독자 시스템인 TurboDAQ 및 USBPIX 사용
• 신호 무결성 평가를 위해 방사성 원소를 이용한 전하 수집 측정 수행
• CERN-SPS에서 120 GeV 편자 빔 테스트를 통해 조사 후 추적 효율성 및 전하 수집 능력 평가
• 시스템 수준 성능 평가를 위해 n-in-p 센서를 ATLAS FE-I3 독자 칩에 블록 bonding 처리
• 다양한 선량 수준 간 결과 비교를 통해 열화 및 방사선 내성 평가

실험 결과

연구 질문

• RQ1 n-in-p 픽셀 검출기는 5×10¹⁵ neq/cm²까지의 선량에서 충분한 전하 수집 능력을 유지할 수 있는가?
• RQ2 고속도 환경에서 방사선 손상은 n-in-p 픽셀 검출기의 추적 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 고선량에서 25 MeV 양성자 및 중성자로 조사한 후 n-in-p 센서의 성능은 어떠한가?
• RQ4 조사 후 수집된 전하량은 FE-I3 기준치(3200 e⁻)와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 빔 테스트에서 n-in-p 센서는 n-in-n 센서와 비교해 높은 추적 효율성과 전하 수집 능력을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 모든 선량 수준에서 5×10¹⁵ neq/cm²까지 n-in-p 픽셀 검출기의 전하 수집 능력이 FE-I3 기준치(3200 e⁻)의 두 배 이상 유지되었다.
• 120 GeV 편자 빔 테스트에서 사전 조사 시 고추적 효율성이 확보되었고, 10¹⁵ neq/cm² 선량에 노출된 후에도 높은 전하 수집 능력을 유지하였다.
• n-in-p 센서는 고선량 방사선 조건에서도 뛰어난 성능을 보이며, 고광도 LHC 조건에 적합함을 확인하였다.
• 조사 후 전하 수집 및 신호 무결성에 대한 열화가 최소한이었으며, 강력한 방사선 내성 특성을 보였다.
• 결과는 향후 ATLAS 업그레이드에서 n-in-n 센서에 대한 비용 효율적이고 방사선 내성인 대안으로서의 n-in-p 센서 사용 가능성을 뒷받침한다.
• 모든 조사 선량 수준에서 n-in-p 센서와 함께 사용된 FE-I3 독자 칩의 성능은 안정을 유지하였다.