Projekti / Programi
Razvoj prostorsko občutljivega detektorja časa v eksperimentu ATLAS
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.02.06 |
Naravoslovje |
Fizika |
Eksperimentalna fizika osnovnih delcev |
| Koda |
Veda |
Področje |
| P210 |
Naravoslovno-matematične vede |
Fizika osnovnih delcev, kvantna teorija polja |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.03 |
Naravoslovne vede |
Fizika |
Silicijevi detektorji s pomnoževanjem naboja, ATLAS, meritve časa, sevalne poškodbe
Raziskovalci (8)
Organizacije (2)
Povzetek
Cilj predlaganega projekta je razvoj in določitev lastnosti detektorjev/senzorjev, ki bodo uporabljeni v Prostorsko občutljivem detektorju časa (HGTD) v eksperimentu ATLAS po nadgradnji Velikega trkalnika protonov (LHC) okoli leta 2024.
Nadgradnja LHC predstavlja velik izziv zaradi velike pogostosti trkov protonov in posledično številnih delcev, ki izhajajo iz mest trkov. Gruče protonov bodo trkale vsakih 25, pri čemer se bo ob vsakem trku gruč zgodilo 200 trkov protonov. Velika gostota sledi in hadronskih pljuskov zaplete analizo osnovnih fizikalnih reakcij, iz katerih izvirajo ti delci. Pripisovanje zadetkov v detektorjih sledem in pljuskom, ki izvirajo iz točno določenega trka protonov je zapleteno in skoraj ne obhodno vodi do velikega ozadja. To je posledica posledica različnih napačnih kombinacij zadetkov in vodi v precejšnje zahteve po računalniški moči (CPE časa). Eden od načinov za spopadanje s tem problemom, je ločitev posameznih trkov tudi v času nastanka znotraj vsakega prehoda gruč protonov. S prostorsko-časovno informacijo o zadetku detektorja je moč doseči veliko bolj učinkovito sledenje. Poleg tega je možna veliko bolj natančna analiza npr. energijskega toka pri bližnjih trkih protonov. Natančen detektor za določitev časa sledi in pljuska z dovolj veliko razdrobljenostjo, omogoča določitev izvornih procesov hadronskih pljuskov glede na topologijo časa prihoda delcev in krajevne porazdelitve znotraj pljuska.
Kot del nadgradnje eksperimenta ATLAS je trenutno predvidena izgradnja tako imenovanega Prostorsko občutljivega detektorja časa (HGTD), ki bi bil postavljen med tako imenovanim Notranjim sledilcem (ITk) in kalorimeterom iz tekočega argona (LAr). Detektor bi se raztezal med radije 12 cm ( r ( 65 cm, okoli 350 cm od interakcijske točke. Detektor bi imel ciljno časovno ločljivost ~30-40 ps. Predvideno je, da bo služil tudi kot detektor za merjenje luminoznosti in stabilnosti žarka, kar zahteva 40 MHz branje zadetkov.
Najbolj obetavna izbira detektorske tehnologije v HGTD so silicijevi detektorji z nizkim pomnoževanjem (LGAD). Ti detektorji se razlikujejo od standardnih, ki temeljijo na diodnem stiku n +-p,v dodatnem sloju p+ med slojem n++ (implantat) in kristalom tipa p. Na tem spoju nastane dovolj visoko električno polje, ki omogoča pomnoževanje naboja s sekundarno ionizacijo. Princip delovanja je podoben tistemu pri foto-diodi s pomnoževanjem (APD) z nekaj pomembnimi razlikami. Detektorje LGAD je mogoče razdeliti na makro pixel-e () = 1 mm2) ali pasove, kar omogoča posebna obdelava področja okoli elektrod, ki prepreči preboj pri visokih napetostih.
Za želeno časovno resolucijo v HGTD je potrebno pri delovanju detektorjev zmanjšati tako šumno stresanje kot tudi vpliv oblike signala na točko progovnega prehoda. Meritve v testnem žarku so pokazale, da je moč s 45 mm debelimi blaziničastimi detektorji (velikost blazinice 1 mm2) in pomnoževalnim faktorjem okoli 60 doseči časovno resolucijo okoli 26 ps za posamezen detektor in 15 ps s kombinacijo treh. Takšne rezultate so napovedale tudi simulacije.
Glavna ovira pri za njihovo uporabo je relativno hitro zmanjšanje pomnoževanja z obsevanjem. Ta je posledica zmanjšanja začetne koncentracije primesi v pomnoževalni plasti. Namen predlaganega projekta je sodelovanje pri načrtovanju, proizvodnji in testiranju detektorjev LGAD, kar bi privedlo do izgradnje HGTD. Projekt je razdeljen na več delovnih sklopov: več iteracij načrtovanja in proizvodnje senzorskih prototipov (vključno z možno uporabo detektorjev 3D z majhno osnovno celico v sevalno najbolj obremenjenih delih HGTD), vzpostavitev sistema za natančne meritve čas preleta minimalno ionizirajočih delcev, obsevanja, karakterizacija senzorji lastnosti po obsevanju, simulacije delovanja senzorjev in načrtovanje scenarijev delovanja detektorjev LGAD v HGTD. V okviru projekta si bomo prizadevali, da bi našli način za zmanjšanje vpliva sevalnih poškodb z uporabo različnih primesi v kristalu, načrtnim vnosom nečisto
Pomen za razvoj znanosti
Rezultati raziskave bodo pomembno prispevali k izgradnji HGTD v eksperimentu ATLAS. HGTD bo izboljšal učinkovitost detektorja ATLAS na različne načine, od zmanjšanja vpliva ozadja do dodatnih možnosti v analizi podatkov in s tem do morebitnih novih odkritij v fiziki osnovnih delcev. Uspešno delovanje krajevno občutljivih polprevodniških detektorjev polprevodnikov, ki ponujajo tudi natančno časovno informacijo o zadetku (tako imnovanje 4D sledenje delcev), bo omogočilo načrtovanje prihodnjih eksperimentov v fiziki delcev (kot npr Prihodnji krožni trkalnik), saj bodo ti zaradi izboljšanih metod zaznave uspešnejši. Čeprav ATLAS HGTD zahteva relativno velike elektrode (1 mm2) se bo tudi razvoj senzorjev z večjo segmentacijo (točkovnih in pasovnih detektorje, kot LGAD ali iLGAD) naslanjal nanj.
Poleg fizike visokih energij imajo časovno občutljivi silicijevi detektorji delcev velik potencial tudi v drugih aplikacijah, predvsem v medicini. Uporaba LGAD odpira možnost natančne meritve časa preleta (ToF), ki na primer omogoča protonskim-CT skenerjem, da delujejo brez uporabe precej zahtevnega kalorimetra za meritev energije. Nedavno proizvedeni LGADs iz FBK so pokazali zelo visoke faktorje pomnoževanja, tudi do več sto. Takšni faktorji v kombinaciji z odlično krajevno ločljivostjo ((1 mm) omogočajo Time-of-Fligth PET-skenerje, ki lahko hkrati določijo natančen položaj neposredno zaznanega konvertiranega elektrona. S tem dobimo "povečevalno steklo", ki omogoča veliko večjo ločljivost slike. Obstaja tudi več drugih aplikacij, kjer bi uporaba detektorjev LGAD izboljšala delovanje. To so npr. kamere z zelo natančno kontrolo zaslonke, ali visokofrekvenčni števci delcev v hadronskih terapijah.
Pomen LGAD tehnologije na različnih področjih raziskav so prepoznali tudi v Evropskem raziskovalnem svetu (ERC) s financiranjem projekta Zelo hitri časovni detektorji (ERC-2014-ADG).
Pomen za razvoj Slovenije
Results of the research will significantly contribute to construction of HGTD in ATLAS experiment. HGTD will improve the performance of ATLAS detector in many ways, from improving the background rejection to increasing the discovery potential by opening new ways to analyse data, hence leading to possible new discoveries in particle physics. Successful operation of segmented semiconductor detectors with precise timing information (4D particle tracking) will allow also planning of future experiments in particle physics (e.g. Future Circular Collider) with much larger scientific discovery potential. Although ATLAS HGTD requires relatively large macro pixels (1 mm2) also more finely segmented sensors (pixel and strip as LGAD or inverse-LGAD) will greatly benefit from its development.
Apart from high energy physics position and timing sensitive particle detectors have large potential in other applications, most notably in medicine. The ability to use LGADs in precise Time-Of-Flight measurements allows proton-CT scanners to determine accurately the energy of the scattered protons, hence the usage of bulky and complicated calorimeters can be avoided. Recently produced LGADs from FBK have shown very high gains of several hundred. Such gains in combination with excellent position resolution ((1 mm) would allow construction of Time-of-Fligth PET-Scanners where the good position resolution of LGADs can be exploited for direct detection of conversion electrons, therefore serving as a “magnifying glass” to enhance the image resolution. There are several other applications which would all benefit from LGADs such as precise Range-Gated-Cameras where excellent timing combined with high signals is crucial or high frequency counters for hadron therapies.
The importance of LGAD technology in various fields of research was recognized also by ERC by awarding the project Ultra-Fast Timing Detectors (ERC-2014-ADG) a research grant.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
