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

Resumo Técnico: Primeira Avaliação do Desempenho de Rastreamento dos MAPS Totalmente Depletados ARCADIA com Feixe de Prótons de 120 GeV

Problema e Contexto
Sensores de Pixels Ativos Monolíticos (MAPS) são amplamente utilizados em detectores de vértice e rastreamento de Física de Altas Energias (HEP) devido ao seu baixo orçamento de material e vantagens de custo sobre os sensores de pixel híbridos. Embora o experimento ALICE (utilizando chips ALPIDE) represente uma implementação importante, os experimentos de HEP atuais e de próxima geração demandam um desempenho cada vez mais rigoroso. Um avanço tecnológico fundamental que aborda essas necessidades é o FD-MAPS (MAPS Totalmente Depletado), que utiliza altas tensões de polarização para depletar totalmente o volume ativo. Esta abordagem desloca a coleta de carga de mecanismos dominados por difusão para mecanismos dominados por deriva, resultando em uma coleta de sinal mais rápida e eficiente. Este trabalho aborda a necessidade de caracterizar o protótipo mais recente neste domínio: o ARCADIA Main Demonstrator 3 (MD3).

Metodologia
O estudo apresenta a caracterização em feixe de teste do chip ARCADIA MD3, um FD-MAPS de 200 µm de espessura fabricado em um processo LFoundry 110 nm CIS customizado em um substrato de alta resistividade. O chip apresenta uma matriz de 512 × 512 pixels com um pitch de 25 µm quadrados, segmentada em 16 seções independentes.

As medições experimentais foram conduzidas na Instalação de Feixe de Teste de Fermilab (FTBF) utilizando um feixe de prótons de 120 GeV. A configuração consistia em um telescópio de três planos idênticos de ARCADIA MD3: um Dispositivo Sob Teste (DUT) posicionado centralmente, flanqueado por dois planos de rastreamento externos (Plano 0 em -33,8 mm e Plano 2 em +29,4 mm). Como a configuração carecia de um gatilho (trigger) de hardware, a sincronização foi alcançada via um comando de software que resetou os contadores de timestamp do FPGA simultaneamente em todos os três chips.

A análise de dados foi realizada utilizando o framework Corryvreckan. O procedimento envolveu:

1. Alinhamento: Um pré-alinhamento usando o Plano 0 como referência, seguido por um alinhamento preciso baseado em trilhas reconstruídas para corrigir desalinhamentos translacionais e rotacionais.
2. Reconstrução de Trilhas: As trilhas foram reconstruídas nos planos externos associando pares de clusters dentro de uma janela de tempo de 5 µs. Apenas eventos com um único cluster por plano foram retidos para evitar ambiguidades.
3. Varreduras de Parâmetros: O desempenho do DUT foi avaliado variando parâmetros específicos:
   • Limiar (Threshold): Escaneado no intervalo [38, 62] DAC (correspondendo a limiares efetivos de até ~2300 elétrons).
   • Correntes de Polarização do Front-end: Varredura da corrente do discriminador ($I_D$) e da corrente de polarização do ramo de feedback ($I_{FB}$).
   • Tensão de Depleção: Varredura da tensão de polarização traseira no intervalo [-70, -96] V.
4. Métricas: O estudo mediu o tamanho do cluster (multiplicidade), largura do cluster, largura do resíduo (resolução espacial), eficiência de detecção e taxas de hits falsos (fake hits).

Resultos Principais

• Eficiência de Detecção: O ARCADIA MD3 demonstrou uma eficiência de detecção superior a 99% em todo o intervalo escaneado de limiares e tensões de polarização traseira. A eficiência mostrou-se independente da configuração do limiar, o que é consistente com o fato de que os limiares estabelecidos eram significativamente menores que o sinal gerado por uma Partícula Ionizante Mínima (MIP) em 200 µm de silício (~16.000 elétrons).
• Resolução Espacial: Devido à espessura do substrato de 200 µm, o compartilhamento de carga entre pixels adjacentes é prevalente. Consequentemente, tamanhos de cluster maiores que 1 pixel são dominantes mesmo em limiares altos. Este compartilhamento de carga resulta em uma largura de distribuição de resíduo consistentemente menor que a resolução binária de 7,2 µm.
  • A largura mínima do resíduo foi medida em 4,65 µm (a um limiar de 56 DAC).
  • Ao desacoplar a contribuição do telescópio da resolução intrínseca do sensor usando um cálculo geométrico, a resolução espacial intrínseca do ARCADIA MD3 foi determinada como 3,8 µm a um limiar de 58 DAC.
• Dependências de Parâmetros:
  • Limiar (Threshold): Limiares mais baixos aumentaram a largura e a multiplicidade do cluster, mas não impactaram significativamente a eficiência.
  • Correntes de Polarização: Variações em $I_D$ e $I_{FB}$ mostraram efeitos menores nas larguras de cluster e de resíduo (variações de 2-20% dependendo do parâmetro), com a eficiência permanecendo estável acima de 99%.
  • Tensão de Depleção: Métricas de desempenho (largura do resíduo e eficiência) não mostraram dependência significativa da tensão de polarização traseira dentro do intervalo testado. Os resultados indicam que o substrato está totalmente depletado a -70 V, sem ganhos adicionais de desempenho observados até -96 V.
• Ruído: A taxa de hits falsos permaneceu abaixo de $4 \times 10^{-6}$ hit/pixel/s para quase todo o intervalo de limiar, com um aumento notável apenas na configuração de limiar mais baixa.

Significância e Alegações
O artigo afirma que o ARCADIA MD3 atende com sucesso aos requisitos para rastreamento de alto desempenho em aplicações de HEP. A principal contribuição deste trabalho é a validação experimental das capacidades de rastreamento do protótipo MD3, demonstrando:

1. Alta eficiência de detecção (>99%) em um ambiente de feixe de prótons de 120 GeV.
2. Resolução espacial sub-pixel (3,8 µm) alcançada através do gerenciamento eficaz de compartilhamento de carga em uma arquitetura totalmente depletada.
3. Robustez do desempenho através de variações de limiar e correntes de polarização.
4. Confirmação de que a depleção total é alcançada a -70 V para o substrato de 200 µm, estabelecendo a linha de base operacional para o dispositivo.

Os autores concluem que o ARCADIA MD3 representa um candidato viável para futuros detectores de vértice e rastreamento em HEP, aproveitando os benefícios da tecnologia totalmente depletada para alcançar coleta de carga rápida e alta precisão espacial.