Caracterización de sensores pixelados 3d sometidos a condiciones extremas de radiación

Abstract

RESUMEN: El LHC (Large Hadron Collider), el mayor y más potente acelerador de particulas jamás construido, ha programado una parada durante los próximos años con el objetivo de aumentar la luminosidad en las colisiones (High Luminosity LHC, HL-LHC). El aumento de colisiones por segundo implicará trabajar bajo condiciones extremas de radiación, especialmente en las capas más internas del detector. Un intenso programa de I+D está tratando de mejorar la eficiencia de detección de los sensores pero sobre todo su capacidad para soportar altas tasas de radiación, y en la que los detectores 3D se posicionan como la mejor alternativa. Como principal ventaja, estos sensores desacoplan el camino recorrido por las partículas ionizantes del grosor del sensor, permitiendo construir sensores de alta resolución con resistencia intrínseca a la radiación. En este trabajo, se presenta la respuesta de los sensores 3D sometidos a una fluencia de 3 · 1015 neq / cm 2 , caracterizando la eficiencia de detección y carga colectada y comparando los datos con los de un estudio preliminar para un sensor no irradiado. Se ha realizado un estudio que muestra la dependencia de la eficiencia con el voltaje de bias aplicado, encontrándose un valor de saturación de (97.0 ± 0.1) %, en el cual el detector se encuentra completamente vaciado. La eficiencia de detección mejora cuando el sensor se inclina con respecto al haz incidente debido a la presencia de las columnas dopadas sin volumen sensible en su interior. La eficiencia medida en estos casos alcanza un valor de (98.5 ± 1.5) % y (95.5 ± 1.9) % respectivamente para los dos sensores estudiados. El daño causado por radiación reduce la habilidad del sensor de recolectar carga, y donde se ha estimado que se recolecta el (56 ± 5) % y el (47 ± 5) % de carga en los dos sensores estudiados respecto a ellos mismos antes de ser irradiados. Para estimar dicha eficiencia de recolección se ha calibrado el sensor utilizando un método basado en comparar la respuesta entre una incidencia perpendicular y una inclinada del haz. Los resultados muestran los efectos de trapping debidos a la radiación en la respuesta del detector

ABSTRACT: The LHC (Large Hadron Collider), the largest and powerful particle accelerator ever built, have programmed a technical stop around 2025-2026 with the objective of improving the luminosity of the collisions (High Luminosity LHC, HL-LHC). The new rate of events per collision will also imply for the components of the detector work under extreme radiation conditions, specially the detector layers near to the particle collisions. An intense R&D program has been started trying to improve the efficiency of the detectors but also their capability to endure the new radiation fluence. A 3D pixel detectors technology is being proved to be an outstanding sensor candidate. As the main advantage, it decouples the path of the ionized particles from the sensor thickness, allowing to build high-resolution position sensors with intrinsic radiation resistance. The response of the irradiated 3D sensors at a fluence of 3 · 1015 neq/cm2 is presented, by characterizing the hit efficiency and the collected charge, and comparing the data with the fresh sensor results provided by a first preliminary study. A study of the hit efficiency dependence against the bias voltage applied has been done, finding a saturation value of (97.0 ± 0.1) %, when the detector is fully depleted. The hit efficiency is improved when the sensor is tilted with respect to the incident tracks due to the presence of the doped column dead regions. This efficiency has been measured to be (98.5 ± 1.5) %, and (95.5 ± 1.9) % respectively for the two available sensors. The charge collection has be found to be (56 ± 5) %, and (47 ± 5) % of the collected charge of the sensors before irradiation. This charge collecting efficiency was estimated using a charge calibration method based on the different expected response of the sensor when particles impinge perpendicularly compared when impinge with certain angle. The results show the trapping effects due to radiation damage on the response of the detector.