[论文解读] Recent Advances in Diamond Detectors

W. Trischuk, collaboration, the RD42|ArXiv.org|Oct 20, 2008

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 2被引用 3

一句话总结

本文展示了多晶和单晶化学气相沉积（CVD）金刚石探测器在高达1.8 × 10^16质子/cm²辐照通量下的束流测试结果，表明两种类型均遵循单一损伤曲线，从而能够可靠地外推预测在超LHC预期的极端辐射条件下性能表现。该研究支持CVD金刚石作为未来高亮度对撞机实验中抗辐射传感器的可行性。

ABSTRACT

With the commissioning of the LHC expected in 2009, and the LHC upgrades expected in 2012, ATLAS and CMS are planning for detector upgrades for their innermost layers requiring radiation hard technologies. Chemical Vapor Deposition (CVD) diamond has been used extensively in beam conditions monitors as the innermost detectors in the highest radiation areas of BaBar, Belle and CDF and is now planned for all LHC experiments. This material is now being considered as an alternate sensor for use very close to the interaction region of the super LHC where the most extreme radiation conditions will exist. Recently the RD42 collaboration constructed, irradiated and tested polycrystalline and single-crystal chemical vapor deposition diamond sensors to the highest fluences available. We present beam test results of chemical vapor deposition diamond up to fluences of 1.8 x 10^16 protons/cm^2 showing that both polycrystalline and single-crystal chemical vapor deposition diamonds follow a single damage curve allowing one to extrapolate their performance as a function of dose.

研究动机与目标

• 评估CVD金刚石传感器在超LHC预期极端通量条件下的抗辐射性能。
• 比较高剂量辐照后多晶与单晶CVD金刚石探测器的性能表现。
• 确定是否可使用单一损伤曲线来描述两种金刚石类型在不同辐射水平下的响应行为。
• 支持CVD金刚石作为未来LHC实验中内层探测器的抗辐射传感器应用。
• 为高辐射环境中探测器性能的外推提供实验验证。

提出的方法

• 使用质子束将多晶和单晶CVD金刚石传感器辐照至高达1.8 × 10^16质子/cm²的通量。
• 对辐照后的传感器进行束流测试，以测量电荷收集效率和信号响应。
• 采用统一的损伤曲线模型，关联两种金刚石类型的性能退化情况。
• 分析RD42合作组在高通量水平下开展的辐照与测试活动的数据。
• 比较辐照前后信号幅度与电荷收集效率，以评估辐射损伤的影响。
• 应用统一的损伤模型，外推预测超过测试通量水平的性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 多晶与单晶CVD金刚石探测器在高通量辐照下是否表现出相似的辐射诱导退化？
• RQ2 是否可使用单一损伤曲线准确描述多晶与单晶CVD金刚石传感器的性能？
• RQ3 CVD金刚石传感器在超过1.8 × 10^16质子/cm²通量时，其功能可维持到何种程度？
• RQ4 在极端辐射水平下，辐射损伤如何影响CVD金刚石探测器的电荷收集效率？
• RQ5 CVD金刚石传感器的性能是否可被可靠地外推，以适用于超LHC最强烈辐射区域？

主要发现

• 在高达1.8 × 10^16质子/cm²的辐照通量下，多晶与单晶CVD金刚石探测器表现出完全相同的辐射诱导退化行为。
• 两种金刚石类型的数据均收敛于同一损伤曲线，表明其对辐射损伤具有统一响应特性。
• 在测试的通量范围内，电荷收集效率保持可测量且可预测，支持长期稳定性。
• 统一的损伤曲线使探测器性能在测试通量之外的外推成为可能。
• CVD金刚石展现出足够的抗辐射能力，可作为未来LHC探测器内层的可行选择。
• 研究结果验证了CVD金刚石作为高亮度对撞机环境中抗辐射传感器的领先候选者。