[论文解读] Beam test results of a 16 ps timing system based on ultra-fast silicon detectors

N. Cartiglia, A. Staiano+41 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2016

Particle Detector Development and Performance被引用 6

一句话总结

本文展示了基于低增益雪崩二极管（LGAD）技术的50 µm厚超快硅探测器（UFSD）的束流测试结果。在240 V偏置电压下，该16 ps时间测量系统结合三个UFSD传感器，实现了15 ps的时间分辨率，证明了其在高能物理实验中实现亚20 ps时间性能的潜力，对高精度粒子探测至关重要。

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.

研究动机与目标

• 评估首批50 µm厚超快硅探测器（UFSD）在束流测试环境中的时间分辨率。
• 评估基于低增益雪崩二极管（LGAD）设计、通过薄的低电阻率扩散层实现内部电荷倍增的UFSD传感器性能。
• 确定在π介子束条件下，偏置电压对UFSD传感器时间分辨率和增益的影响。
• 验证在高能物理实验中使用UFSD作为高精度时间测量系统的可行性。
• 比较单个UFSD传感器与使用快速石英棒触发器组合三个传感器的时间分辨率。

提出的方法

• 实验在CERN SPS设施中进行，使用动量为180 GeV/c的π介子束流。
• 采用三个面积为1.4 mm²、厚度为50 µm的UFSD传感器，其增益随偏置电压变化，范围在5至70之间。
• 基于石英棒并由硅光电倍增管（SiPM）读出的快速触发系统，为粒子到达时间提供参考。
• 通过比较UFSD传感器测得的π介子飞行时间与触发计数器的时间，提取时间分辨率。
• 在两个偏置电压（200 V和240 V）下，对单个和组合传感器配置的时间分辨率进行了评估。
• 分析采用时间阈值以上（time-over-threshold）方法，从UFSD信号中提取时间信息，并与SiPM触发信号进行校准。

实验结果

研究问题

• RQ1 首批50 µm厚UFSD传感器在束流测试中可实现的时间分辨率是多少？
• RQ2 偏置电压如何影响UFSD传感器的增益和时间分辨率？
• RQ3 组合三个UFSD传感器是否能相比单个传感器提升时间分辨率？
• RQ4 UFSD传感器在180 GeV/c π介子动量下的性能如何，该条件与高能物理应用密切相关？
• RQ5 在高计数率环境下，UFSD的时间分辨率与传统硅探测器相比如何？

主要发现

• 单个UFSD传感器在200 V偏置电压下时间分辨率可达35 ps，在240 V偏置电压下为26 ps。
• 当组合三个UFSD传感器时，时间分辨率在200 V下提升至20 ps，在240 V下进一步提升至15 ps。
• UFSD传感器的增益在5至70之间随偏置电压变化，表明其内部电荷倍增可被有效控制。
• 束流测试证实，50 µm厚UFSD传感器可用于高能物理实验中实现亚20 ps时间分辨率。
• 该系统实现了15 ps的时间分辨率，接近16 ps的目标，证明了UFSD在未来的高精度时间测量应用中的潜力。
• 结果验证了基于LGAD的UFSD是未来对撞机和高能物理实验中高时间分辨率粒子探测的可行解决方案。