[论文解读] Test beam results of ATLAS Pixel Sensors

T. Lari|ArXiv.org|Oct 18, 2002

Particle Detector Development and Performance参考文献 1被引用 8

一句话总结

本文展示了ATLAS像素传感器在辐照至1.1×10¹⁵ nₑq cm⁻²和600 kGy后的测试结果，超过LHC设计通量和剂量。在600 V偏置下，传感器实现了229 µm的耗尽深度、20,000 e⁻的平均收集电荷、98.2%的探测效率以及9.6 µm的空间分辨率，证实其在极端辐射条件下完全符合ATLAS性能要求。

ABSTRACT

Silicon pixel detectors produced according to the ATLAS Pixel Detector design were tested in a beam at CERN in the framework of the ATLAS collaboration. The detectors used n+/n sensors with oxygenated silicon substrates. The experimental behaviour of the detectors after irradiation to 1.1 10**15 n_eq/cm**2 and 600 kGy is discussed. At the sensor bias voltage of 600 V the depleted depth is measured to be 229 um, the mean collected charge is 20000 electrons, the detection efficiency is 98.2% and the spatial resolution is 9.6 um

研究动机与目标

• 评估ATLAS像素传感器在超过LHC设计规格条件下的辐射硬度。
• 测量辐照至1.1×10¹⁵ nₑq cm⁻²和600 kGy后传感器的耗尽深度、电荷收集效率和空间分辨率。
• 验证传感器在高辐射LHC环境中维持足够性能以支持顶点重建和触发效率的能力。
• 评估偏置栅格和传感器几何结构对电荷收集均匀性的影响。
• 验证像素探测器在25 ns时间窗口内的定时性能，这对于LHC束团交叉识别至关重要。

提出的方法

• 在CERN SPS使用180 GeV/c的质子束对具有掺氧体单晶硅的n⁺/n硅像素传感器进行辐照测试。
• 利用空间分辨率为6 µm的束流跟踪仪追踪粒子，以重建入射轨迹位置并测量残差分布。
• 通过入射角为30°时像素所覆盖的最大轨迹段深度确定耗尽深度。
• 通过簇电荷总和测量电荷收集效率，并使用已知电荷注入（精度10%）进行校准。
• 通过测量在25 ns窗口内记录的命中事件占40 MHz异步时钟下命中事件的比例，评估探测效率。
• 通过高斯拟合束流跟踪仪与像素探测器轨迹位置之间的残差，结合电荷插值效应，推导出空间分辨率。

实验结果

研究问题

• RQ1 ATLAS像素传感器在掺氧硅基底下，经辐照至1.1×10¹⁵ nₑq cm⁻²和600 kGy后，是否仍能保持完全耗尽和足够的电荷收集？
• RQ2 在10°入射角下，像素传感器的空间分辨率如何？该角度代表ATLAS追踪条件。
• RQ3 偏置栅格的存在如何影响像素列间电荷收集的均匀性？
• RQ4 在25 ns时间窗口内运行时，像素系统的探测效率是多少？该窗口是LHC束团交叉识别的必需条件。
• RQ5 与单像素簇重建相比，电荷共享在多大程度上提升了空间分辨率？

主要发现

• 在600 V反向偏置下，辐照传感器的耗尽深度达到229 ± 8 µm，表明尽管受到辐射损伤，仍接近完全耗尽。
• 在600 V下，平均收集电荷为20,000 ± 10%个电子，相比非辐照状态的25,000 e⁻基线值降低了20%。
• 在25 ns窗口内命中事件的探测效率为98.2%，超过ATLAS要求的97%。
• 在10°入射角下，空间分辨率为9.6 µm，通过相邻像素间的电荷插值显著提升。
• 电荷收集均匀性良好，但在偏置栅格附近因导电结构的存在导致信号降低。
• 测量得到的耗尽深度与偏置电压的平方根成正比，与掺氧辐照硅的理论模型一致。