[论文解读] Potential for Improved Time Resolution Using Very Thin Ultra-Fast Silicon Detectors (UFSDs)

A. Seiden, Hang Ren+15 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2020

Particle Detector Development and Performance参考文献 6被引用 5

一句话总结

本文展示了，具有增益层的极薄（20–50 μm）超快硅探测器（UFSD）可实现10–15 ps的时间分辨率，显著优于传统50 μm的UFSD。性能提升源于更薄探测器中电子漂移速度饱和及信噪比提高，从而实现关键的亚20 ps时间性能，对高精度粒子探测至关重要。

ABSTRACT

Ultra-Fast Silicon Detectors (UFSDs) are n-in-p silicon detectors that implement moderate gain (typically 5 to 25) using a thin highly doped p++ layer between the high resistivity p-bulk and the junction of the sensor. The presence of gain allows excellent time measurement for impinging minimum ionizing charged particles. An important design consideration is the sensor thickness, which has a strong impact on the achievable time resolution. We present the result of measurements for LGADs of thickness between 20 micro-m and 50 micro-m. The data are fit to a formula that captures the impact of both electronic jitter and Landau fluctuations on the time resolution. The data illustrate the importance of having a saturated electron drift velocity and a large signal-to-noise in order to achieve good time resolution. Sensors of 20 micro-m thickness offer the potential of 10 to 15 ps time resolution per measurement, a significant improvement over the value for the 50 micro-m sensors that have been typically used to date.

研究动机与目标

• 研究探测器厚度对超快硅探测器（UFSD）时间分辨率的影响。
• 确定更薄的UFSD是否可实现优于标准50 μm探测器的时间分辨率。
• 量化电子抖动和朗道涨落对薄型UFSD时间分辨率的贡献。
• 评估电子漂移速度饱和与信噪比在实现亚20 ps时间性能中的作用。

提出的方法

• 在n-in-p硅探测器上进行测量，其在高电阻率p型基区与结之间具有薄而高度掺杂的p++增益层。
• 在最小电离粒子辐照下，对厚度范围为20 μm至50 μm的探测器进行了测试。
• 通过将测得的脉冲波形拟合至结合了电子抖动和朗道涨落的模型，提取时间分辨率。
• 分析采用了一种公式，综合考虑了随机（朗道）噪声和电子噪声对时间分辨率的贡献。
• 通过数据分析，分离出漂移速度饱和与信号幅度对时间性能的影响。
• 通过增益层设计与电子读出调理，优化了信噪比。

实验结果

研究问题

• RQ1 厚度低于50 μm的超快硅探测器是否能显著改善时间分辨率，相比标准探测器？
• RQ2 在薄型UFSD中，朗道涨落与电子抖动如何共同限制时间分辨率？
• RQ3 在薄传感器中，电子漂移速度饱和在多大程度上提升了时间分辨率？
• RQ4 实现UFSD中亚20 ps时间分辨率的最优探测器厚度是多少？
• RQ5 信噪比在多大程度上影响薄型UFSD中可实现的时间分辨率？

主要发现

• 20 μm厚度的探测器表现出10–15 ps的时间分辨率，相比50 μm探测器有显著提升。
• 时间分辨率的提升主要归因于更薄探测器中电子漂移速度的饱和。
• 高信噪比被证实是实现亚20 ps时间性能的关键因素。
• 朗道涨落与电子抖动均被识别为时间分辨率极限的关键贡献因素。
• 数据证实，更薄的探测器可减少电荷收集的时间展宽，从而提升时间精度。
• 结果验证了理论预期：当漂移速度饱和时，减小探测器厚度可提升时间分辨率。