[論文レビュー] Advances in pixel detectors for experiments with high rate and radiation

M. Garcia-Sciveres, N. Wermes|arXiv (Cornell University)|May 26, 2017

Particle Detector Development and Performance被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、高流量・高放射線環境におけるピクセル検出器の世界的な進歩をレビューし、ハイ・リュミノシティ-LHC（HL-LHC）アップグレードに向けた次世代設計に焦点を当てる。放射線耐性センサー、モノリシック統合、ハイブリッド接続技術、および高スループット読出し電子回路の革新について詳述し、極限的な条件下でも正確なトラッキングとバーテックス検出を可能にする。

ABSTRACT

The Large Hadron Collider (LHC) experiments ATLAS and CMS have established hybrid pixel detectors as the instrument of choice for particle tracking and vertexing in high rate and radiation environments, as they operate close to the LHC interaction points. With the High Luminosity-LHC upgrade now in sight, for which the tracking detectors will be completely replaced, new generations of pixel detectors are being devised. They have to address enormous challenges in terms of data throughput and radiation levels, ionizing and non-ionizing, that harm the sensing and readout parts of pixel detectors alike. Advances in microelectronics and microprocessing technologies now enable large scale detector designs with unprecedented performance in measurement precision (space and time), radiation hard sensors and readout chips, hybridization techniques, lightweight supports, and fully monolithic approaches to meet these challenges. This paper reviews the world-wide effort on these developments.

研究の動機と目的

• LHC相互作用点付近の極限的な放射線および高流量条件下での、より優れた粒子トラッキングおよびバーテックス検出のニーズに対応する。
• ハイブリッドピクセル検出器のセンサーや読出し部品に及ぶイオン化放射線および非イオン化放射線損傷の課題を克服する。
• まもなく始まるハイ・リュミノシティ-LHCアップグレードに必要なデータスループットおよび放射線耐性を実現する。
• 空間的・時間的分解能を向上させるために、高度なマイクロエレクトロニクスおよびマイクロプロセッシング技術を開発する。
• 将来の性能要件を満たすために、完全モノリシックおよびハイブリッドピクセル検出器アーキテクチャを検討する。

提案手法

• マイクロエレクトロニクスおよびマイクロプロセッシング技術の進歩を活用し、放射線耐性を持つセンサーおよび読出しチップの設計を進める。
• 性能および信頼性の向上を図るため、新しいハイブリッド接続技術を実装する。
• 材料予算の削減とトラッキング分解能の向上を目的に、軽量な機械的支持構造を開発する。
• センサーと読出し機能を1つのシリコン基板に統合する完全モノリシックピクセル検出器アーキテクチャを検討する。
• HL-LHC時代に予想される増加するデータレートに対応するため、高帯域幅のデータ読出しシステムを統合する。
• 高放射線および高流量条件下でのハイブリッド方式とモノリシック方式の間の性能トレードオフを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして、HL-LHCの高フラクチュエイションおよび高流量条件下に耐える十分な放射線耐性を持つピクセル検出器を実現できるか？
• RQ2 高流量環境下でサブミクロン空間分解能およびピコ秒時間分解能を達成するための主な技術的要因は何であるか？
• RQ3 放射線耐性、データスループット、材料予算の観点から、ハイブリッド方式とモノリシック方式のピクセル検出器アーキテクチャは、どのように比較できるか？
• RQ4 高度なマイクロファブリケーションおよび統合技術は、次世代トラッキング検出器の実現にどのように寄与するか？
• RQ5 HL-LHCにおける完全なトラッキングシステムの置き換えをスケールアップするにあたり、どのような重要な設計上の課題が生じるか？

主な発見

• ハイ・リュミノシティ-LHCの極限的な要求に応えるために、新しい世代のピクセル検出器が開発されている。これには、より高いデータレートと増加する放射線フラクチュエイションが含まれる。
• ハイブリッドピクセル検出器は、LHC相互作用点付近の高流量環境下での高精度トラッキングおよびバーテックス検出の分野で、依然として最先端技術の地位を占めている。
• マイクロエレクトロニクス分野の進歩により、イオン化および非イオン化放射線損傷に耐える放射線耐性センサーおよび読出しチップの開発が可能になった。
• モノリシックピクセル検出器アプローチは、材料予算の削減と統合の簡素化を実現する有望な代替手段として登場している。
• 改良されたハイブリッド接続技術および軽量な支持構造は、材料予算の最小化とトラッキング分解能の向上に不可欠である。
• 世界的な研究開発努力は、将来のコライダー実験における測定精度、放射線耐性、データスループットの面で、前例のない性能向上を目指している。