[논문 리뷰] Test beam results of ATLAS Pixel Sensors

T. Lari|ArXiv.org|2002. 10. 18.

Particle Detector Development and Performance참고 문헌 1인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 LHC 설계 방사선 조건을 초월하는 1.1×10¹⁵ nₑq cm⁻² 및 600 kGy에 방사선 조사된 ATLAS 픽셀 센서의 시험 비드 결과를 제시한다. 600 V 역편압 조건에서 센서는 229 µm 탈전 깊이, 평균 20,000 e⁻ 수집 전하, 98.2% 탐지 효율성, 9.6 µm 공간 해상도를 확보하여 극한 방사선 조건 하에서도 ATLAS 성능 요구사항을 완전히 충족함을 확인한다.

ABSTRACT

Silicon pixel detectors produced according to the ATLAS Pixel Detector design were tested in a beam at CERN in the framework of the ATLAS collaboration. The detectors used n+/n sensors with oxygenated silicon substrates. The experimental behaviour of the detectors after irradiation to 1.1 10**15 n_eq/cm**2 and 600 kGy is discussed. At the sensor bias voltage of 600 V the depleted depth is measured to be 229 um, the mean collected charge is 20000 electrons, the detection efficiency is 98.2% and the spatial resolution is 9.6 um

연구 동기 및 목표

• LHC 설계 사양을 초월하는 조건에서 ATLAS 픽셀 센서의 방사선 경화성 평가
• 1.1×10¹⁵ nₑq cm⁻² 및 600 kGy에 노출된 후 탈전 깊이, 전하 수집 효율성, 공간 해상도 측정
• 고방사선 LHC 환경에서 복합체 재구성 및 트리거 효율성 유지를 위한 충분한 성능 유지 여부 검증
• 편압 격자 및 센서 기하구조가 전하 수집 균일성에 미치는 영향 평가
• 25 ns 시간 창 내에서 픽셀 검출기의 타이밍 성능 검증 — LHC 번치 식별에 핵심적인 요소

제안 방법

• 산소 도핑된 기판을 가진 n⁺/n 실리콘 픽셀 센서를 CERN SPS에서 180 GeV/c 파이온 비드로 방사선 조사하고 시험
• 6 µm 해상도를 가진 비드 텔레스코프가 입사 궤적 위치를 재구성하고 잔류 분포 측정
• 30° 경사로 입사한 입자에 대해 픽셀이 가로지르는 최대 궤적 세그먼트 깊이를 이용해 탈전 깊이 결정
• 10% 정확도로 알려진 전하 주입을 사용해 校정된 클러스터 전하 합을 통해 전하 수집 효율성 측정
• 40 MHz 이성질 시계에 대비해 25 ns 창 내에 기록된 히트 비율을 측정해 탐지 효율성 평가
• 비드 텔레스코프와 픽셀 검출기의 궤적 위치 간 잔차에 대해 가우시안 피팅을 수행하고 전하 보간 효과 포함해 공간 해상도 유도

실험 결과

연구 질문

• RQ1 산소 도핑된 실리콘 기판을 가진 ATLAS 픽셀 센서는 1.1×10¹⁵ nₑq cm⁻² 및 600 kGy에 방사선 조사된 후에도 완전 탈전과 충분한 전하 수집을 유지할 수 있는가?
• RQ2 ATLAS 추적 조건를 대표하는 10° 입사 각도에서 픽셀 센서의 공간 해상도는 얼마인가?
• RQ3 편압 격자가 존재할 경우 픽셀 컬럼 전역의 전하 수집 균일성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 LHC 번치 식별을 위해 요구되는 25 ns 시간 창 내에서 픽셀 시스템의 탐지 효율성은 얼마인가?
• RQ5 일개 픽셀 클러스터 재구성 대비 전하 공유가 공간 해상도 향상에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• 600 V 역편압 조건에서 방사선 조사된 센서의 탈전 깊이는 229 ± 8 µm에 도달하여 방사선 손상에도 불구하고 거의 완전 탈전 상태임을 나타낸다.
• 600 V에서 평균 수집 전하는 20,000 ± 10% 전자로, 비방사선 조사 시 기준 25,000 e⁻ 대비 20% 감소한 수준이다.
• 25 ns 창 내 히트 탐지 효율성은 98.2%로, ATLAS 요구사항인 97%를 초과한다.
• 10° 입사 각도에서 공간 해상도는 9.6 µm로 측정되었으며, 인접 픽셀 간 전하 보간 효과로 인해 크게 향상되었다.
• 편압 격자 근처를 제외한 영역에서는 전하 수집 균일성이 높았고, 도전성 구조 존재로 인해 신호가 감소한 것으로 나타났다.
• 측정된 탈전 깊이는 편압 전압의 제곱근에 비례하며, 산소 도핑된 방사선 조사된 실리콘에 대한 이론 모델과 일치한다.