First evaluation of the tracking performance of the ARCADIA Fully Depleted MAPS with 120 GeV proton beam

Resumen Técnico: Primera Evaluación del Rendimiento de Seguimiento de los MAPS Completamente Depletados ARCADIA con un Haz de Protones de 120 GeV

Problema y Contexto
Los Sensores de Píxeles Activos Monolíticos (MAPS) se utilizan ampliamente en los detectores de vértice y seguimiento de la Física de Altas Energías (HEP) debido a su bajo presupuesto de material y sus ventajas de costo sobre los sensores de píxeles híbridos. Si bien el sistema de seguimiento interno (ITS) del experimento ALICE (que utiliza chips ALPIDE) representa una implementación importante, los experimentos de HEP actuales y de próxima generación exigen un rendimiento cada vez más estricto. Un avance tecnológico clave que aborda estas necesidades es el MAPS Completamente Depletado (FD-MAPS), el cual utiliza altos voltajes de polarización para depletar completamente el volumen activo. Este enfoque desplaza la recolección de carga de mecanismos dominados por la difusión a mecanismos dominados por la deriva, lo que resulta en una recolección de señal más rápida y eficiente. Este trabajo aborda la necesidad de caracterizar el prototipo más reciente en este dominio: el ARCADIA Main Demonstrator 3 (MD3).

Metodología
El estudio presenta la caracterización mediante haz de prueba del chip ARCADIA MD3, un FD-MAPS de 200 µm de espesor fabricado mediante un proceso CIS LFoundry 110 nm personalizado sobre un sustrato de alta resistividad. El chip cuenta con una matriz de píxeles de 512 × 512 con un paso (pitch) de 25 µm cuadrados, segmentada en 16 secciones independientes.

Las mediciones experimentales se realizaron en la Instalación de Haz de Prueba de Fermilab (FTBF) utilizando un haz de protones de 120 GeV. La configuración consistió en un telescopio de tres planos idénticos de ARCADIA MD3: un Dispositivo Bajo Prueba (DUT) posicionado centralmente, flanqueado por dos planos de seguimiento externos (Plano 0 en -33.8 mm y Plano 2 en +29.4 mm). Dado que la configuración carecía de un disparador (trigger) de hardware, la sincronización se logró mediante un comando de software que reinicia simultáneamente los contadores de tiempo (timestamp) de los FPGAs en los tres chips.

El análisis de datos se realizó utilizando el framework Corryvreckan. El procedimiento consistió en:

1. Alineación: Una pre-alineación utilizando el Plano 0 como referencia, seguida de una alineación precisa basada en trayectorias reconstruidas para corregir desalineaciones traslacionales y rotacionales.
2. Reconstrucción de Trayectorias: Las trayectorias se reconstruyeron en los planos externos asociando pares de cústeres dentro de una ventana de tiempo de 5 µs. Solo se retuvieron eventos con un único cúster por plano para evitar ambigüedades.
3. Escaneo de Parámetros: El rendimiento del DUT se evaluó variando parámetros específicos:
   • Umbral (Threshold): Escaneado en el rango [38, 62] DAC (correspondiente a umbrales efectivos de hasta ~2300 electrones).
   • Corrientes de Polarización del Front-end: Escaneo de la corriente del discriminador ($I_D$) y de la corriente de polarización de la rama de retroalimentación ($I_{FB}$).
   • Voltaje de Depleción: Escaneo del voltaje de polarización trasera en el rango [-70, -96] V.
4. Métricas: El estudio midió el tamaño del cúster (multiplicidad), el ancho del cúster, el ancho del residuo (resolución espacial), la eficiencia de detección y las tasas de impactos falsos (fake hits).

Resultados Clave

• Eficiencia de Detección: El ARCADIA MD3 demostró una eficiencia de detección superior al 99% en todo el rango escaneado de umbrales y voltajes de polarización trasera. Se encontró que la eficiencia es independiente de la configuración del umbral, lo cual es consistente con el hecho de que los umbrales establecidos eran significativamente menores que la señal generada por una Partícula Ionizante Mínima (MIP) en 200 µm de silicio (~16,000 electrones).
• Resolución Espacial: Debido al espesor del sustrato de 200 µm, la compartición de carga entre píxeles adyacentes es prevalente. Consecuentemente, los tamaños de cúster mayores a 1 píxel son dominantes incluso con umbrales altos. Esta compartición de carga resulta en una distribución de residuo cuyo ancho es consistentemente menor que la resolución binaria de 7.2 µm.
  • El ancho de residuo mínimo se midió en 4.65 µm (a un umbral de 56 DAC).
  • Al desacoplar la contribución del telescopio de la resolución intrínseca del sensor mediante un cálculo geométrico, la resolución espacial intrínseca del ARCADIA MD3 se determinó en 3.8 µm a un umbral de 58 DAC.
• Dependencia de Parámetros:
  • Umbral: Umbrales más bajos aumentaron el ancho y la multiplicidad del cúster, pero no afectaron significativamente la eficiencia.
  • Corrientes de Polarización: Las variaciones en $I_D$ e $I_{FB}$ mostraron efectos menores en los anchos de cúster y de residuo (variaciones del 2-20% dependiendo del parámetro), manteniéndose la eficiencia estable por encima del 99%.
  • Voltaje de Depleción: Las métricas de rendimiento (ancho de residuo y eficiencia) no mostraron una dependencia significativa del voltaje de polarización trasera dentro del rango probado. Los resultados indican que el sustrato está completamente depletado a -70 V, sin que se observen mejoras adicionales de rendimiento hasta los -96 V.
• Ruido: La tasa de impactos falsos se mantuvo por debajo de $4 \times 10^{-6}$ impactos/píxel/s para casi todo el rango de umbrales, con un aumento notable solo en la configuración de umbral más bajo.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que el ARCADIA MD3 cumple con éxito los requisitos para el seguimiento de alto rendimiento en aplicaciones de HEP. La principal contribución de este trabajo es la validación experimental de las capacidades de seguimiento del prototipo MD3, demostrando:

1. Alta eficiencia de detección (>99%) en un entorno de haz de protones de 120 GeV.
2. Resolución espacial sub-píxel (3.8 µm) lograda mediante una gestión efectiva de la compartición de carga en una arquitectura completamente depletada.
3. Robustez del rendimiento a través de las variaciones de umbral y corrientes de polarización.
4. Confirmación de que la depletación completa se logra a -70 V para el sustrato de 200 µm, estableciendo la línea base operativa para el dispositivo.

Los autores concluyen que el ARCADIA MD3 representa un candidato viable para futuros detectores de vértice y seguimiento en HEP, aprovechando los beneficios de la tecnología completamente depletada para lograr una recolección de carga rápida y una alta precisión espacial.