Study of Particle Fluence Effects on Collected Charge and Depletion Voltage of the ATLAS IBL Planar Pixel Sensors

ملخص تقني: دراسة تأثير تدفق الجسيمات على الشحنة المجمعة وجهد الاستنفاد لمستشعرات بكسل ATLAS IBL المستوية

بيان المشكلة
بعد عقد من التشغيل في مصادم الهادرونات الكبير (LHC)، تراكمت في مستشعرات البكسل المستوية التي تشكل الطبقة الأسطوانية الداخلية (الطبقة B القابلة للإدخال، أو IBL) في كاشف ATLAS تدفق جسيمات كبير، يتجاوز $2 \times 10^{15}$ $1\text{ MeV-neq/cm}^2$. يؤدي هذا التعرض للإشعاع إلى حدوث ضرر في الكتلة (bulk damage) داخل مستشعرات السيليكون، وهو ما يظهر مجهرياً في شكل زيادة في تيار التسرب، وانخفاض في كفاءة جمع الشحنة (CCE)، وارتفاع في جهد الاستنفاد. إن فهم تطور هذه المعلمات أمر بالغ الأهمية للحفاظ على الدقة المكانية لضربات البكسل المعاد بناؤها وكفاءة تحديد عناقيد البكسل في النفاثات الهادرونية الكثيفة. وبينما تناولت دراسات سابقة هذه التأثيرات في مستشعرات المخططات الدقيقة (microstrip) ومستشعرات البكسل ثلاثية الأبعاد (3D)، يركز هذا العمل تحديداً على التطور طويل الأمد لمستشعرات IBL المستوية، مغطياً نطاق تدفق يمتد عبر رتبتين عشريتين.

المنهجية
تستخدم الدراسة مجموعة بيانات شاملة من أحداث تصادمات البروتون-بروتون ($pp$) التي جُمعت خلال فترات التشغيل الثانية (2015–2018) والثالثة (2022–2025) من مصادم الهادرونات الكبير. يعتمد التحليل على مسوحات مخصصة لجهد الانحياز (bias voltage scans) أُجريت في بداية ونهاية كل حملة جمع بيانات. تقيس هذه المسوحات القيمة الأكثر احتمالاً (MPV) لشحنة العنقود المجمعة كدالة لجهد الانحياز العكسي المطبق ($V_{bias}$).

تشمل المكونات المنهجية الرئيسية ما يلي:

• اختيار البيانات: يتم النظر فقط في عناقيد البكسل المرتبطة بمسارات الجسيمات المشحونة المعاد بناؤها ("hits-on-track"). يتم اختيار المسارات بعتبات زخم عرضي ($p_T$) تبلغ 0.7 جيجا إلكترون فولت لدراسات الشحنة، و3 جيجا إلكترون فولت للدراسات المعتمدة على العمق. يتم إعادة تحجيم شحنات العناقيد بواسطة $\cos \alpha$ لمراعاة زاوية سقوط الجسيمات.
• تحديد جهد الاستنفاد: يُعرف جهد الاستنفاد ($V_{depl}$) بأنه نقطة الانتقال بين أنظمة جمع الشحنة المتناسبة مع $\sqrt{V}$ (غير مستنفد) و $V$ (مستنفد بالكامل أو مهيمن عليه تأثيرات الاحتجاز). يتم تحديد ذلك عبر عملية ملاءمة $\chi^2$ تكرارية باستخدام دالات خطية وجذرية لبيانات الشحنة مقابل الجهد.
• المحاكاة والنمذجة: تتم مقارنة البيانات التجريبية بإطاري محاكاة:
  1. محاكي أضرار الإشعاع الخاص بـ ATLAS: محاكاة مونت كارلو (MC) تتضمن محاكي أضرار إشعاعية لنمذجة انجراف حوامل الشحنة، والاحتجاز، وتحريض الإشارة باستخدام نموذج Bichsel وملفات تعريف المجال الكهربائي المستمدة من TCAD.
  2. محاكاة TCAD المستقلة: محاكاة التصميم بمساعدة الحاسوب للتقنية (TCAD) باستخدام مجموعة أدوات Silvaco لنمذجة ملفات تعريف المجال الكهربائي، وسرعات الحوامل، وتأثيرات الاحتجاز بناءً على نموذج Chiochia للعيوب الناجمة عن الإشعاع.
• تقدير التدفق: يتم تقدير تدفق الجسيمات من قياسات تيار التسرب، مما يعطي معامل تحويل قدره $(5.40 \pm 0.35) \times 10^{12} \text{ neq cm}^{-2}/\text{fb}^{-1}$.

المساهمات والنتائج الرئيسية

• تطور كفاءة جمع الشحنة (CCE): توثق الدراسة كفاءة جمع الشحنة كدالة لللمعان المتكامل والتدفق. تظهر البيانات توافقاً جيداً مع تنبؤات المحاكاة عبر ما يقرب من رتبتين عشريتين من التدفق. لوحظ انحراف طفيف، حيث تظهر البيانات كفاءة جمع شحنة أعلى قليلاً من المحاكاة عند تدفقات تزيد عن $\approx 1.5 \times 10^{15} \text{ neq/cm}^2$، مما قد يشير إلى اعتماد شبه خطي (sub-linear) للاحتجاز على التدفق المتراكم.
• الجمع المعتمد على العمق: تؤكد التحليلات أن احتجاز الشحنة يقلل من كفاءة جمع الشحنة (CCE) مع زيادة عمق توليد الشحنة. وتنمذج المحاكاة بدقة جزء الشحنة المجمعة كدالة للعمق لمختلف ظروف التدفق وجهد الانحياز.
• تدرج جهد الاستنفاد: يزدادة جهد الاستنفاد الملاءم خطياً مع اللمعان المتكامل والتدفق. تطورَت القيمة من حوالي 110 فولت (بعد 42 $\text{fb}^{-1}$) إلى 500 فولت (بعد 410 $\text{fb}^{-1}$). يسري التدرج الخطي لكل من البيانات والمحاكاة، مما يسمح بالتنبؤ بجهد الاستنفاد عند نهاية التشغيل الثالث (يُقدر بـ $540 \pm 45$ فولت من البيانات و $580 \pm 70$ فولت من المحاكاة).
• سلوك التدفق العالي: عند أعلى مستويات التدفق التي تم الوصول إليها ($\approx 2.5 \times 10^{15} \text{ neq/cm}^2$)، يصبح منحنى جمع الشحنة مقابل جهد الانحياز خطياً تقريباً عبر نطاق المسح بأكمله. ويختفي الانتقال المتميز بين نظامي $\sqrt{V}$ و $V$. ويُفسر ذلك عبر محاكاة TCAD بأنها حالة تكون فيها أوقات جمع الإلكترونات المولدة في مناطق الكتلة العميقة أكبر من أوقات احتجازها لجميع جهود الانحياز المطبقة (حتى 650 فولت). وبناءً على ذلك، تم تحديد جهد التشغيل لعام 2026 عند 650 فولت بناءً على كفاءة "hit-on-track" بدلاً من استخراج جهد الاستنفاد.
• التفسير الفيزيائي: يرتبط الانتقال في سلوك جمع الشحنة بتشبع سرعات انجراف الإلكترونات. تكشف محاكاة TCAD أن الحد الأدنى للمجال الكهربائي في كتلة المستشعر يرتفع فوق شدة المجال الحرجة ($\approx 10^4 \text{ V/cm}$) المطلوبة لتشبع السرعة عند جهود انحياز تبلغ حوالي 250 فولت. يقلل هذا التشبع من حساسية وقت الجمع لزيادات الجهد اللاحقة، مما يغير الاعتماد الوظيفي للشحنة المجمعة.

الأهمية
تقدم هذه الورقة أوسع مجموعة بيانات متاحة حول آثار أضرار الإشعاع في مستشعرات ATLAS IBL المستوية، والتي تغطي عشر سنوات من تشغيل مصادم الهادرونات الكبير. وهي تتحقق من صحة نماذج محاكاة أضرار الإشعاع الخاصة بـ ATLAS عبر نطاق واسع من التدفق، مما يؤكد فائدتها للتنبؤ بأداء المستشعرات وتحسين ظروف التشغيل. تحدد الدراسة علاقة خطية بين جهد الاستنفاد والتدفق للمستشعرات المستوية في هذا النطاق، مما يوفر طريقة قوية لمراقبة سلامة المستشعرات. علاوة على ذلك، فإن تحديد نظام جمع الشحنة الخطي عند التدفقات العالية يوضح القيود الفيزيائية لجمع الشحنة في السيليكون المشبع بشدة بالإشعاع، مما يوجه استراتيجية التشغيل للسنة الأخيرة من التشغيل الثالث. وتؤكد النتائج أنه رغم الضرر الكبير في الكتلة، تظل المستشعرات قابلة للتشغيل عند جهود انحياز عالية، مما يضمن استمرار أداء نظام التتبع الداخلي لـ ATLAS.