Beam-test evaluation of pre-production Low Gain Avalanche Detectors for the ATLAS High Granularity Timing Detector

Cet article présente les résultats de tests en faisceau démontrant que les détecteurs de type Low Gain Avalanche pré-production pour le détecteur ATLAS High Granularity Timing répondent à toutes les exigences de performance, incluant la collecte de charge, la résolution temporelle et l'efficacité de détection, même après une irradiation par neutrons simulant les conditions de fin de vie du High Luminosity-LHC.

L'essentiel

Imaginez le Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) comme l'accélérateur de particules le plus énergétique au monde, fracassant des protons les uns contre les autres pour recréer les conditions qui prévalaient juste après le Big Bang. Alors que les scientifiques préparent la mise à niveau de cette machine vers la phase de « Haute Luminosité », ils sont essentiellement en train de monter le volume du bruit. Au lieu de quelques particules passant à la fois, ils bombarderont les détecteurs avec un blizzard de collisions se produisant toutes en même temps. Cet « empilement » (pile-up) rend extrêmement difficile la distinction entre la particule provenant de quelle collision.

Pour résoudre ce problème, l'expérience ATLAS construit une nouvelle caméra ultra-rapide appelée High Granularity Timing Detector (HGTD). Considérez ce détecteur non pas seulement comme une caméra qui prend des photos, mais comme une caméra vidéo à haute vitesse capable de figer le temps si précisément qu'elle peut distinguer deux événements se produisant à un milliardième de seconde d'intervalle.

Le cœur de cette nouvelle caméra est un type spécial de capteur silicium appelé Low Gain Avalanche Detector (LGAD). Vous pouvez considérer un LGAD comme un « microphone intelligent » pour les particules. Lorsqu'une particule le frappe, le capteur ne se contente pas d'entendre un murmure ; il amplifie le signal pour qu'il puisse être entendu clairement, même dans une pièce bruyante.

Le test de résistance : simuler un environnement hostile

L'article décrit un « test de résistance » rigoureux auquel ces capteurs ont été soumis avant d'être approuvés pour la caméra finale. L'environnement à l'intérieur du LHC est brutal ; c'est comme un réacteur nucléaire où les capteurs sont constamment bombardés par des radiations. Avec le temps, ces radiations endommagent les capteurs, un peu comme la lumière du soleil constante qui décolore une peinture ou la rouille qui ronge le métal.

Pour se préparer à cela, les scientifiques ont pris des capteurs de pré-production et les ont soumis à un « bain de radiations » dans un réacteur nucléaire en Slovénie. Ils les ont bombardés de neutrons jusqu'à ce qu'ils aient absorbé autant de radiations qu'ils en verraient sur toute la durée de vie de la version améliorée du LHC (jusqu'à 2,5 × 10¹⁵ neutrons par centimètre carré). C'est comme prendre une voiture neuve, la conduire à travers une tempête de sable pendant un million de miles, puis vérifier si le moteur tourne toujours.

Les résultats : fonctionnent-ils toujours ?

L'équipe a testé ces capteurs « malmenés » dans deux grands laboratoires de physique des particules (le CERN en Suisse et le DESY en Allemagne) en utilisant des faisceaux de particules à haute vitesse. Ils ont examiné trois éléments principaux :

1. Le signal (collecte de charge) :

   • L'objectif : Le capteur doit capturer suffisamment de « charge électrique » d'une particule passante pour être utile.
   • Le résultat : Même après avoir été bombardés par le maximum de radiations, les capteurs collectent encore assez de charge pour fonctionner. Curieusement, l'article a découvert que si la particule frappe le capteur avec un léger angle (comme une goutte de pluie frappant un pare-brise plutôt que de tomber verticalement), le capteur collecte en réalité plus de charge. C'est parce que la particule parcourt un chemin plus long à travers le capteur, laissant une trace d'énergie plus grande.

2. La vitesse (résolution temporelle) :

   • L'objectif : Le capteur doit mesurer l'arrivée d'une particule avec une précision extrême (mieux que 50 picosecondes, soit 50 billionièmes de seconde).
   • Le résultat : Les capteurs ont réussi ce test haut la main. Même les capteurs les plus endommagés pouvaient chronométrer les événements avec la précision requise, à condition de leur donner une petite « poussée » électrique (tension) supplémentaire pour surmonter les dommages causés par les radiations.

3. La fiabilité (efficacité) :

   • L'objectif : Le capteur doit détecter presque chaque particule qui passe à travers lui (au moins 95 % du temps).
   • Le résultat : Les capteurs étaient incroyablement fiables. Ils ont détecté les particules avec une efficacité de plus de 99 % lorsqu'ils étaient neufs, et maintenaient toujours une efficacité de plus de 95 % même après les lourds dommages dus aux radiations. Les tests ont montré que les capteurs fonctionnent de manière uniforme sur toute leur surface, ce qui signifie qu'aucun « point mort » n'est apparu après le test de résistance.

Le verdict

L'article conclut que ces capteurs spécifiques, fabriqués par deux équipes différentes (IHEP et USTC en Chine), sont prêts pour la tâche. Ils ont prouvé qu'ils peuvent survivre à l'environnement rude et chargé de radiations du futur LHC tout en agissant comme des chronomètres ultra-rapides et précis.

En bref, les scientifiques ont construit un prototype de « microphone intelligent », l'ont jeté dans un ouragan de radiations, et ont découvert qu'il entend toujours chaque murmure parfaitement. Cela leur donne la confiance nécessaire pour installer des millions de ces capteurs dans le détecteur ATLAS, garantissant qu'ils pourront démêler le réseau complexe des collisions de particules dans le futur.

Résumé technique

Résumé technique : Évaluation par test de faisceau de détecteurs LGAD de pré-production pour le détecteur de haute granularité temporelle (HGTD) d'ATLAS

Énoncé du problème
Le détecteur de haute granularité temporelle (HGTD) est un composant critique pour la mise à niveau de la Phase-II de l'expérience ATLAS lors du Large Hadron Collider à haute luminosité (HL-LHC). Sa fonction principale est d'atténuer les effets de pile-up dans la région avant ($2.4 < |\eta| < 4.0$) et de permettre des mesures de luminosité par bunch en combinant une précision temporelle et un suivi spatial. Le détecteur repose sur des détecteurs à faible gain de type avalanche (LGAD), qui doivent fonctionner dans des conditions de radiation extrêmes, spécifiquement jusqu'à une fluence de neutrons équivalents de 1 MeV de $2.5 \times 10^{15} \, \text{neq/cm}^2$.

Le défi consiste à garantir que les capteurs LGAD de pré-production, fabriqués avec des couches de gain enrichies en carbone pour améliorer la dureté face aux radiations, répondent à des objectifs de performance stricts tout au long de leur durée de vie opérationnelle. Ces objectifs incluent une résolution temporelle de 40 ps (non irradié) et 50 ps (irradié), une charge collectée supérieure à 15 fC (non irradié) et 4 fC (irradié), ainsi que des efficacités de reconstruction de coups dépassant 97 % (non irradié) et 95 % (irradié) dans la zone centrale de la plaque. Valider ces capteurs avant la production de masse est essentiel pour confirmer leur aptitude à l'environnement du HL-LHC.

Méthodologie
L'étude a évalué des capteurs LGAD de pré-production provenant de deux groupes de conception : l'Institut de Physique des Hautes Énergies (IHEP) et l'Université de Science et Technologie de Chine (USTC), tous deux fabriqués par l'Institut de Microélectronique (IME). Les capteurs présentaient une épaisseur active de 50 $\mu$m et une épaisseur totale de 775 $\mu$m (avec certaines variantes de pré-production à 300 $\mu$m).

L'évaluation a consisté en une campagne complète de tests de faisceau menée au CERN (utilisant un faisceau de pions de 120 GeV) et au DESY (utilisant un faisceau d'électrons de 5 GeV) en 2023 et 2024. Le montage expérimental comprenait :

• Systèmes de référence : Un télescope à pixels MIMOSA à six plans pour la reconstruction de trajectoire et un photomultiplicateur à tube photomultiplicateur à micro-canaux (MCP-PMT) pour la référence temporelle (calibré à une résolution de $\sim$10,6 ps).
• Dispositif sous test (DUT) : Des LGAD à plaque unique montés sur des cartes de lecture personnalisées avec amplification embarquée, refroidis à environ -30 °C.
• Irradiation : Les capteurs ont été exposés à des neutrons rapides dans le réacteur TRIGA à Ljubljana, en Slovénie, à des fluences de 0, 0,8, 1,5 et $2.5 \times 10^{15} \, \text{neq/cm}^2$.
• Acquisition de données : Les formes d'onde ont été capturées via un oscilloscope de 1 GHz, et les déclenchements étaient gérés par une puce FE-I4 et une unité de logique de déclenchement (TLU) au sein du cadre EUDAQ2.
• Analyse : Le traitement des données impliquait la numérisation des formes d'onde, la soustraction du socle (pedestal) et l'extraction du temps par discriminateur à fraction constante (CFD). La reconstruction de trajectoire a été effectuée via le cadre Corryvreckan. Les métriques de performance ont été analysées en fonction de la tension de polarisation et de l'angle d'incidence du faisceau (0°, 6°, 12°, 18°).

Contributions clés et résultats
L'article présente une caractérisation détaillée de la collecte de charge, de la résolution temporelle et de l'efficacité de détection des capteurs sous diverses doses de radiation et conditions opérationnelles.

1. Collecte de charge :

   • Les capteurs non irradiés ont systématiquement collecté des charges dépassant 15 fC, même à de faibles tensions de polarisation.
   • Les capteurs irradiés ont montré une réduction de la collecte de charge due à l'élimination des accepteurs dans la couche de gain. Cependant, à la fluence maximale de $2.5 \times 10^{15} \, \text{neq/cm}^2$, tous les capteurs ont atteint le seuil requis de >4 fC à des tensions de polarisation inférieures à 550 V (la limite de fonctionnement sécurisée).
   • Une augmentation significative de la charge collectée a été observée avec l'augmentation de l'angle d'incidence (jusqu'à 18°). Cela est attribué à une longueur de trajet des particules plus longue à travers le capteur et à une réduction des effets d'écran de charge sur la couche de gain, particulièrement pour les capteurs non irradiés.

2. Résolution temporelle :

   • La résolution temporelle a été dérivée en soustrayant la contribution du MCP-PMT de la distribution résiduelle entre le DUT et la référence.
   • Les capteurs non irradiés ont atteint des résolutions temporelles inférieures à 40 ps.
   • Les capteurs irradiés ont maintenu des résolutions temporelles inférieures à 50 ps à travers les fluences testées, les performances s'améliorant ou se stabilisant généralement à des tensions de polarisation plus élevées, à condition que la tension reste inférieure au seuil de claquage.
   • La résolution temporelle a montré une dépendance minimale à l'angle du faisceau incident, les variations relatives restant de l'ordre de quelques pourcents.

3. Efficacité de reconstruction de coups :

   • Pour les capteurs non irradiés et modérément irradiés, l'efficacité de détection est restée supérieure à 99 % sur toute la plage de tension testée.
   • Même à la fluence la plus élevée ($2.5 \times 10^{15} \, \text{neq/cm}^2$), tous les designs de capteurs ont respecté l'exigence minimale d'efficacité de 95 % aux tensions de polarisation appropriées.
   • Les études d'uniformité spatiale ont révélé que la zone active restait cohérente sur toute la surface du capteur. Curieusement, les capteurs irradiés ont présenté une légère augmentation apparente de la zone active (définie par le point d'efficacité de 50 %), probablement due à des modifications induites par les radiations dans la distribution du champ électrique plutôt qu'à une expansion physique.

Signification et affirmations
Les auteurs concluent que les capteurs LGAD de pré-production issus des conceptions IHEP et USTC répondent avec succès aux exigences de performance de l'HGTD en termes de collecte de charge, de résolution temporelle et d'efficacité de détection, même sous les conditions de radiation extrêmes attendues à la fin de la durée de vie du HL-LHC.

L'étude valide la dureté face aux radiations de la conception de la couche de gain enrichie en carbone, démontnant que les capteurs peuvent fonctionner dans des limites de tension de polarisation sûres (inférieures à 550 V) tout en maintenant la qualité de signal nécessaire. Les résultats soutiennent le déploiement de ces conceptions de capteurs spécifiques dans le détecteur HGTD final. L'article note que bien que ces tests sur plaques uniques soient prometteurs, d'autres validations utilisant des capteurs de taille réelle hybridés avec les ASICs de lecture ALTIROC finaux et des tests complets au niveau du système sont en cours pour confirmer la faisabilité du système de détection temporelle complet.