Projekti / Programi
Osiromašeni senzorji CMOS za nadgradnjo sledilnikov v detektorju ATLAS in bodočih trkalnikih
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.02.00 |
Naravoslovje |
Fizika |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| P210 |
Naravoslovno-matematične vede |
Fizika osnovnih delcev, kvantna teorija polja |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.03 |
Naravoslovne vede |
Fizika |
CERN, Veliki hadronski trkalnik, detektor ATLAS, nadgradnja, polvodniški detektorji, HV-CMOS, HR-CMOS, zbiranje naboja, sevalne poškodbe
Raziskovalci (10)
Organizacije (2)
Povzetek
V tem raziskovalnem projektu predlagamo raziskave zbiranja naboja in odpornosti na sevalne poškodbe v detektorjih izdelanih v CMOS tehnologiji. Raziskave so namenjene razvoju detektorjev za sledenje nabitih delcev v močno radioaktivnem okolju v eksperimentih na HL-LHC (High Luminosity - Large Hadron Collider). CMOS tehnologija odpira možnost za izdelavo detektorjev z visoko ločljivostjo s standardnimi industrijskimi procesi v obratih, kjer izdelujejo tudi komercialna integrirana vezja. Ta tehnologija ponuja tudi možnost za izdelavo monolitnih detektorjev, kjer sta senzor in bralna elektronika integrirana na istem čipu, ki bi lahko delovali z zadostno hitrostjo in bili zadosti odporni na sevanje za uporabo na HL-LHC. Rezultat uspešnega razvoj v CMOS tehnologiji bi bili detektorji z visoko ločljivostjo in majhno maso, kar zmanjšuje težave zaradi večkratnega sipanja in konverzij fotonov, ogromni denarni prihranki kot tudi veliko hitrejša izdelava detektorjev. CMOS detektorje preučujejo tudi za uporabo za sledenje nabitih delcev pri bodočih napravah za fiziko osnovnih delcev kot sta CLIC in FCC, predvidenih za čas po HL-LHC.
Detektorji za sledenje nabitih delcev so že bili izdelani v CMOS tehnologiji vendar ti niso primerni za uporabo na HL-LHC zaradi premajhne hitrosti in prevelike občutljivosti na sevanje. Razlog je, da zbiranje naboja sloni na difuziji, ki je počasen proces in zelo občutljiv na sevalne poškodbe. CMOS detektorji za HL-LHC omogočajo priključitev višjih napetosti s čimer dosežemo večje globine osiromašenega področja in tako zbiranje naboja zaradi premikanja naboja, ki ga povzroči električno polje, kar lahko zagotovi zadostno hitrost in odpornost na sevanje za HL-LHC okolje. Naslednja možnost je CMOS na tanki epitaksialni plasti z visoko upornostjo, ki jo lahko osiromašimo pri razmeroma nizkih napetostih. Pri teh uporabijo tudi zbiralno elektrodo z majhno površino, da znižajo šum. Eno najpomembnejših odprtih vprašanj pri razvoju CMOS detektorjev je učinkovitost zbiranja naboja po obsevanju z visokimi fluencami hitrih hadronov. Izbor začetne upornosti detektorskega materiala je tesno povezan s tem vprašanjem. Ta lahko zavzema velik razpon pri CMOS detektorjih. Odstranjevanje začetnih akceptorjev povzročenih s sevanjem lahko zato pomembno vpliva na zbiranje naboja, kar bomo preiskovali v tem projektu.
Mehanizem zbiranja naboja in odvisnost od obsevanja bomo raziskovali z Edge-TCT metodo, z meritvami signalov povzročenimi z nabitimi delci iz Sr-90 in v testnem žarku. Merili bomo s pasivnimi testnimi strukturami kot tudi z aktivnimi segmentiranimi detektorji. Testne strukture bodo načrtovale druge skupine, ki sodelujejo v kolaboracijah, ki raziskujejo to tehnologijo v okviru CERNa. Vzore struktur za meritve bomo dobili preko sodelovanja v teh kolaboracijah. Obsevanja z nevtroni bomo izvedli v reaktorju v Ljubljani, obsevanja z nabitimi hadroni pa v drugih obsevalnih centih, na primer v CERNu.
Rezultati tega projekta bodo znatno prispevali k razvoju CMOS detektorske tehnologije za hadronske trkalnike in odločujoce vplivali na izbor tehnologije za blaziničaste detektorje v nadgrajenem eksperimentu ATLAS.
Pomen za razvoj znanosti
Eksperiment ATLAS, katerega nadgradnjo podpira predlagani projekt, predstavljata vrhunsko znanstveno ustvarjanje na meji znanstvenih in tehnoloških zmožnosti celotnega človeštva. Raziskave na njem so preizkušane ter odobrene v recenzijah programskih svetov mednarodnega središča, v katerem se izvajajo. Namenjene so preverjanju dogajanja v svetu osnovnih gradnikov narave in interakcij med njimi. Uporabljajo pospeševalnike najvišjih energij in pogostosti trkov, kar jim omogoča razširiti meje spoznanj o Naravi. Visoke gostote energije nas vodijo v svet, kot je obstajal takoj po Velikem poku in s tem pripomorejo k razumevanju nastanka Vesolja.
Detektorski projekt je vezan na kolaboracijo ATLAS in R&R kolaboracijo CERN RD-50, katerih delovanje in dosežki so pod nadzorom programskega sveta LHCC v CERNu. Projekti nadgradenj detektorjev pa so podvrženi stalnemu notranjemu nadzoru v kolaboraciji in pa nadzoru agencij, ki projekte financirajo.
Rezultati predlaganega projekta bodo prinesli napredek in nove rešitve v ciljnih detektorskih tehnikah. Predvsem pa bodo omogočili nadgradnjo eksperimentov in uspešne meritve pri velikih luminoznostih izpopolnjenjih trkalnikov ter s tem možnost detekcije in izvrednotenja pojavov Nove fizike. Odpirajo tudi možnosti za uporabo v sledilnikih načrtovanih novih trkalnikov (CLIC, FCC) v naslednjih desetletjih.
Procesi Nove fizike, če obstajajo, bodo nedvomno predstavljali veliko spremembo v razumevanju sestave sveta. Če za primer vzamemo supersimetrične razširitve SM, temelječe na teoriji strun, si lahko predstavljamo, da bi vplivale na dojemanje narave podobno, kot je vplivala teorija relativnosti z vpeljavo četrte, časovne dimenzije, kot enakovredne trem prostorskim. Teorije namreč predvidevajo deset namesto treh prostorskih koordinat, dodatne dimenzije pa se ne raztezajo v neskončnost kot že poznane, pač pa so skrčene in mnogo velikostnih redov manjše od dimenzij težkih delcev sestavljenih iz kvarkov. Na trkalniku HL-LHC bo po predvidevanjih mogoče neposredno pridobiti signale za obstoj delcev, ki jih napoveduje Nova fizika, če pa bodo odkriti na LHC, pa natančneje določiti njihove lastnosti).
Pomen za razvoj Slovenije
Research by the ATLAS experiment, supported in its upgrade plans by the proposed project, represents a challenging task at the very frontier of contemporary scientific endeavour, utilizing vast human and financial resources and stretching or even extending existing technologies to render the experiments possible. The experiment has been heavily scrutinized and finally approved by research committees, composed of leading experts from the field and beyond. They represent a joint effort of the global scientific community, and are constantly monitored by scientists as well as by the authorities that are funding them. Their task is to deepen our insight into constituents of matter and the forces acting between them. In this quest accelerators of highest energies and luminosities are used, to probe high energy densities, as they existed a glimpse after the Big Bang that created the Universe. These upgraded experiments will have a good chance of finding signatures and exploring physics beyond the Standard model, be it the predicted and long awaited supersymmety or some more exotic realization of physics at a larger energy scale.
The detector project is heavily interlinked with the ATLAS and CERN RD-50 collaborations, where progress and achievements are periodically controlled by the LHCC committee. Upgrade projects of the experiments are subject to both internal scrutiny as well as control of the respective funding agencies.
The results of the proposed project will bring new knowledge to detector physics and novel methods of particle detection. But most importantly, this progress in detectors will enable the targeted experiment to function properly at the upgraded collider, discover signatures of New Physics and evaluate its properties. They also pave the way for CMOS detectors application in particle trackers at future colliders (CLIC, FCC) in the decades to come.
The CMOS detectors, developed in this project, can be applied to several fields outside their original scope. Their application in the upgraded ATLAS tracker could lead to significant financial and logistic benefits. It would free us from the current high resistivity float zone sensors, where manufacturing is limited to a few small-scale producers, resulting in long lead times and high cost. Any sizable CMOS foundry could produce the complete set of tracker sensors on a time-scale of one month, and the price reduction is expected to be significant.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo
