[논문 리뷰] Recent Advances in Diamond Detectors

W. Trischuk, collaboration, the RD42|ArXiv.org|2008. 10. 20.

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 초고속 LHC에서 예상되는 극한 방사선 조건에서의 성능을 고려해, 다결정성 및 단일결정성 화학기상증착(CVD) 다이아몬드 검출기의 비드 테스트 결과를 제시한다. 이 검출기는 최대 1.8 × 10^16 프로톤/cm²의 선량에 노출되었으며, 두 유형 모두 동일한 손상 곡선을 따르는 것으로 나타나, 초고속 LHC에서의 성능을 신뢰성 있게 외삽할 수 있음을 입증한다. 본 연구는 향후 고광도 콜라이더 실험을 위한 방사선에 강한 센서로서의 CVD 다이아몬드의 가능성을 뒷받침한다.

ABSTRACT

With the commissioning of the LHC expected in 2009, and the LHC upgrades expected in 2012, ATLAS and CMS are planning for detector upgrades for their innermost layers requiring radiation hard technologies. Chemical Vapor Deposition (CVD) diamond has been used extensively in beam conditions monitors as the innermost detectors in the highest radiation areas of BaBar, Belle and CDF and is now planned for all LHC experiments. This material is now being considered as an alternate sensor for use very close to the interaction region of the super LHC where the most extreme radiation conditions will exist. Recently the RD42 collaboration constructed, irradiated and tested polycrystalline and single-crystal chemical vapor deposition diamond sensors to the highest fluences available. We present beam test results of chemical vapor deposition diamond up to fluences of 1.8 x 10^16 protons/cm^2 showing that both polycrystalline and single-crystal chemical vapor deposition diamonds follow a single damage curve allowing one to extrapolate their performance as a function of dose.

연구 동기 및 목표

• 초고속 LHC에서 예상되는 극한 선량 조건에서 CVD 다이아몬드 센서의 방사선 내성 평가
• 고선량 조사 후 다결정성 및 단일결정성 CVD 다이아몬드 검출기의 성능 비교
• 다양한 방사선 수준에서 두 다이아몬드 유형의 반응을 묘사할 수 있는 단일 손상 곡선의 존재 여부 확인
• 향후 LHC 실험의 내측 검출 층에서 방사선에 강한 센서로 CVD 다이아몬드 사용 지원
• 고방사선 환경에서의 검출기 성능 외삽을 위한 실험적 검증 제공

제안 방법

• 프로톤 비드를 사용해 다결정성 및 단일결정성 CVD 다이아몬드 센서를 최대 1.8 × 10^16 프로톤/cm²의 선량에 노출
• 조사된 센서의 전하 수집 효율성 및 신호 반응 측정을 위한 비드 테스트 수행
• 양측 다이아몬드 유형 간 성능 열화를 연관지어 분석하기 위해 동일한 손상 곡선 모델 사용
• 고선량 수준에서의 조사 및 테스트 캠페인을 수행한 RD42 협력단의 데이터 분석
• 조사 전후의 신호 진폭과 전하 수집 효율성 비교를 통해 방사선 손상 평가
• 통합 손상 모델을 적용해 시험된 선량 수준을 초월한 성능 외삽 수행

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다결정성 및 단일결정성 CVD 다이아몬드 검출기는 고선량 조건에서 유사한 방사선 유도 열화를 보일까?
• RQ2 단일 손상 곡선이 다결정성 및 단일결정성 CVD 다이아몬드 센서의 성능을 정확하게 묘사할 수 있을까?
• RQ3 1.8 × 10^16 프로톤/cm²를 초과하는 선량에서 CVD 다이아몬드 센서는 어느 정도의 기능을 유지할 수 있을까?
• RQ4 극한의 방사선 수준에서 방사선 손상은 CVD 다이아몬드 검출기의 전하 수집 효율성에 어떤 영향을 미칠까?
• RQ5 CVD 다이아몬드 센서의 성능은 초고속 LHC의 가장 강한 방사선 영역에서 신뢰성 있게 외삽할 수 있을까?

주요 결과

• 다결정성 및 단일결정성 CVD 다이아몬드 검출기는 최대 1.8 × 10^16 프로톤/cm²의 선량에 노출되더라도 동일한 방사선 유도 열화를 나타낸다.
• 두 다이아몬드 유형의 데이터는 하나의 손상 곡선에 정확히 수렴하여, 방사선 손상에 대한 통합된 반응을 나타낸다.
• 시험된 선량 범위 전반에서 전하 수집 효율성이 측정 가능하고 예측 가능하며, 장기적 안정성을 뒷받침한다.
• 통합 손상 곡선 덕분에 시험된 선량 수준을 초월한 검출기 성능 외삽이 신뢰성 있게 가능해진다.
• CVD 다이아몬드는 향후 LHC 검출기의 내측 층에서 사용하기에 충분한 방사선 내성을 보이며 실현 가능하다.
• 결과는 CVD 다이아몬드가 고광도 콜라이더 환경에서 방사선에 강한 센서 후보로 적합하다는 것을 검증한다.