[论文解读] 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 3

一句话总结

本文综述了高亮度、高辐射环境下像素探测器的全球进展，重点聚焦于高亮度大型强子对撞机（HL-LHC）升级项目中的下一代设计。文章详细介绍了抗辐射传感器、单片集成、异质结技术以及高吞吐量读出电子学方面的创新，以实现在极端条件下的精确轨迹重建与顶点定位。

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.

研究动机与目标

• 解决在大型强子对撞机（LHC）相互作用点附近极端辐射与高数据率条件下对粒子轨迹重建与顶点定位的更高需求。
• 克服异质像素探测器中传感器与读出组件因电离与非电离辐射损伤带来的挑战。
• 实现高亮度-大型强子对撞机（HL-LHC）升级项目所要求的数据吞吐量与抗辐射能力。
• 开发先进的微电子与微处理技术，以提升空间与时间分辨率的精确度。
• 探索全单片与异质像素探测器架构，以满足未来性能需求。

提出的方法

• 利用微电子与微处理技术的进展，设计抗辐射传感器与读出芯片。
• 采用新型异质结技术，实现传感器与读出电子器件之间性能更优、可靠性更高的连接。
• 开发轻量化机械支撑结构，以减少材料预算并提升轨迹重建分辨率。
• 探索将传感器与读出功能集成于单一硅基板上的全单片像素探测器架构。
• 集成高带宽数据读出系统，以应对高亮度-LHC时代预期的更高数据率。
• 评估在高辐射与高数据率条件下，异质与单片架构之间的性能权衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何使像素探测器具备足够的抗辐射能力，以应对高亮度-LHC的高通量与高数据率条件？
• RQ2 在高数据率环境中，实现亚微米空间分辨率与皮秒级时间分辨率的关键技术使能因素是什么？
• RQ3 在抗辐射能力、数据吞吐量与材料预算方面，异质与单片像素探测器架构有何异同？
• RQ4 先进微加工与集成技术在推动下一代轨迹探测器发展方面发挥何种作用？
• RQ5 在高亮度-LHC中全面替换轨迹系统时，像素探测器系统规模化面临的关键设计挑战是什么？

主要发现

• 新一代像素探测器正在开发中，以满足高亮度-LHC的极端需求，包括更高的数据率与更大的辐射通量。
• 异质像素探测器仍是高精度轨迹重建与顶点定位在LHC相互作用点附近高数据率环境中的领先技术。
• 微电子技术的进步使得能够开发出可抵御电离与非电离辐射损伤的抗辐射传感器与读出芯片。
• 单片像素探测器方法正作为有前途的替代方案浮现，具备更低的材料预算与更简化的集成流程。
• 改进的异质结技术与轻量化支撑结构对于最小化材料预算并提升轨迹重建分辨率至关重要。
• 全球范围的研发努力正聚焦于实现未来对撞机实验在测量精度、抗辐射能力与数据吞吐量方面的前所未有的性能突破。