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

本文展示了束流测试结果，证明了用于 ATLAS 高粒度计时探测器的预生产阶段低增益雪崩探测器（LGA D）满足所有性能要求，包括电荷收集、时间分辨率和命中效率，即使在模拟高亮度 LHC 寿命末期条件的中子辐照之后也是如此。

要点

想象一下，大型强子对撞机（LHC）是世界上能量最高的粒子加速器，通过让质子相互碰撞来重现大爆炸刚刚发生时的条件。随着科学家们将这台机器升级到“高亮度”阶段，他们实际上是在调高噪声的音量。不再是每次只有少量粒子通过，而是用一场同时发生的碰撞“暴风雪”来轰击探测器。这种“堆积”（pile-up）现象使得分辨出哪个粒子来自哪次碰撞变得极其困难。

为了解决这个问题，ATLAS实验正在建造一种全新的、超高速的照相机，即高粒度时间探测器（HGTD）。你可以不把这个探测器仅仅看作是一个拍照的照相机，而是一个高速摄像机，它能够精确到足以冻结时间，从而区分两个间隔十亿分之一秒发生的事件。

这个新照相机的心脏是一种特殊的硅传感器，称为低增益雪崩探测器（LGAD）。你可以把LGAD想象成一个针对粒子的“智能麦克风”。当一个粒子击中它时，传感器捕捉到的不仅仅是低语，它还会放大信号，使其即使在嘈杂的房间里也能被清晰地听到。

压力测试：模拟恶劣环境

论文描述了这些传感器在被批准用于最终照相机之前所经历的一场严格的“压力测试”。LHC内部的环境是残酷的；它就像一个核反应堆，传感器不断受到辐射的轰击。随着时间的推移，这些辐射会损坏传感器，就像持续的阳光会让画作褪色，或者铁锈侵蚀金属一样。

为了应对这种情况，科学家们将预生产传感器送往斯洛文尼亚的一个核反应堆，接受了“辐射浴”。他们用中子猛烈轰击传感器，直到其吸收的辐射量达到升级后的LHC在整个寿命周期内可能遇到的最大值（高达每平方厘米 2.5 × 10¹⁵ 个中子）。这就像是一辆新车，在经历了一百万英里的沙尘暴行驶后，再去检查它的引擎是否仍在运转。

结果：它们还能正常工作吗？

团队在两个主要的粒子物理实验室（瑞士的CERN和德国的DESY）使用高速粒子束对这些“伤痕累累”的传感器进行了测试。他们主要观察了三个方面：

1. 信号（电荷收集）：

   • 目标： 传感器需要从经过的粒子中捕捉足够的“电荷”以发挥作用。
   • 结果： 即使在经历了最大强度的辐射轰击后，传感器仍然能收集足够的电荷来工作。有趣的是，论文发现，如果粒子以微小的角度击中传感器（就像雨滴斜着撞击挡风玻璃，而不是垂直落下），传感器收集到的电荷实际上会更多。这是因为粒子在传感器中行进的路径更长，留下的能量轨迹也更大。

2. 速度（时间分辨率）：

   • 目标： 传感器需要以极高的精度对粒子到达进行计时（优于 50 皮秒，即 50 万亿分之一秒）。
   • 结果： 传感器出色地通过了这项测试。即使是受损最严重的传感器，只要给予一点额外的电学“推力”（电压）来克服辐射损伤，也能实现所需的计时精度。

3. 可靠性（效率）：

   • 目标： 传感器需要检测几乎每一个经过的粒子（至少达到 95% 的时间）。
   • 结果： 这些传感器表现得极其可靠。在全新状态下，它们的探测效率超过 99%，而在经历重度辐射损伤后，仍能保持 95% 以上的效率。测试表明，传感器的整个表面工作非常均匀，这意味着在压力测试后并未出现“死区”。

结论

论文得出结论，由两个不同团队（中国的 IHEP 和 USTC）制造的这些特定传感器已经准备好胜任这项工作。它们证明了自己能够在未来 LHC 那种充满辐射的严酷环境中生存下来，同时仍能充当超高速、高精度的计时器。

简而言之，科学家们制造了一个原型“智能麦克风”，把它扔进了辐射飓风中，发现它依然能完美地听到每一次低语。这让他们有信心将数百万个这样的传感器安装到 ATLAS 探测器中，从而确保能够理清未来粒子碰撞中那复杂的网络。

技术摘要

技术摘要：用于 ATLAS 高粒度计时探测器（HGTD）预生产低增益雪崩探测器（LGAD）的束流测试评估

问题陈述
高粒度计时探测器（HGTD）是高亮度大型强子对撞机（HL-LHC）阶段 II 升级中 ATLAS 实验的关键组件。其主要功能是在前向区域（$2.4 < |\eta| < 4.0$）减轻堆积效应（pile-up），并通过结合精确的计时与空间追踪来实现每束流亮度测量。该探测器依赖于低增益雪伐探测器（LGAD），这些探测器必须在极端的辐射条件下运行，具体为高达 $2.5 \times 10^{15} \, \text{neq/cm}^2$ 的 1 MeV 中子等效通量。

挑战在于确保采用碳增强增益层制造以提高抗辐射能力的预生产 LGAD 传感器，在其整个运行寿命期间都能满足严格的性能目标。这些目标包括：未辐照时时间分辨率为 40 ps，辐照后为 50 ps；收集电荷在未辐照时大于 15 fC，辐照后大于 4 fC；以及在中心焊盘区域，未辐照时的命中重建效率超过 97%，辐照后超过 95%。在量产前验证这些传感器对于确认其是否适用于 HL-LHC 环境至关重要。

方法论
本研究评估了来自两个设计组（高能物理研究所 IHEP 和中国科学技术大学 USTC，均由微电子研究所 IME 制造）的预生产 LGAD 传感器。这些传感器的特征是具有 50 $\mu$m 的活性厚度和 775 $\mu$m 的总厚度（部分预生产变体为 300 $\mu$m）。

评估过程涉及在 2023 年和 2024 年于 CERN（使用 120 GeV 派子束）和 DESY（使用 5 GeV 电子束）进行的全面束流测试活动。实验装置包括：

• 参考系统： 用于轨迹重建的六层 MIMOSA 像素望远镜，以及用于时间参考（校准至 $\sim$10.6 ps 分辨率）的微通道板光电倍增管（MCP-PMT）。
• 被测器件（DUT）： 安装在带有板载放大器的定制读取板上的单焊盘 LGAD。器件冷却至约 -30°C。
• 辐照： 传感器在斯洛文尼亚卢布尔雅那的 TRIGA 反应堆中暴露于快中子下，通量分别为 0、0.8、1.5 和 $2.5 \times 10^{15} \, \text{neq/cm}^2$。
• 数据采集： 通过 1 GHz 示波器捕获波形，并在 EUDAQ2 框架内通过 FE-I4 芯片和触发逻辑单元（TLU）管理触发。
• 分析： 数据处理包括波形数字化、基线减除和恒定分数判别器（CFD）时间提取。轨迹重建使用 Corryvreckan 框架完成。性能指标作为偏置电压和入射角（0°, 6°, 12°, 18°）的函数进行分析。

主要贡献与结果
本文详细描述了传感器在不同辐射剂量和运行条件下的电荷收集、时间分辨率和命中效率的特性。

1. 收集电荷：

   • 未辐照传感器即使在低偏置电压下也能稳定收集超过 15 fC 的电荷。
   • 辐照后的传感器由于增益层中的受体移除（acceptor removal）导致电荷收集减少。然而，在最大通量 $2.5 \times 10^{15} \, \text{neq/cm}^2$ 下，所有传感器在低于 550 V（安全工作极限）的偏置电压下均达到了要求的 >4 fC 阈值。
   • 观察到收集电荷随入射角增加（最高达 18°）而显著增加。这归因于粒子穿过传感器的路径长度变长，以及增益层上电荷屏蔽效应的减少，对于未辐照传感器尤为明显。

2. 时间分辨率：

   • 时间分辨率是通过减去 MCP-PMT 的贡献，从 DUT 与参考系统之间的残差分布中得出的。
   • 未辐照传感器的实现时间分辨率低于 40 ps。
   • 辐照后的传感器在测试的通量范围内保持了低于 50 ps 的时间分辨率，且在偏置电压保持在击穿阈值以下时，性能通常随偏置电压增加而提高或趋于稳定。
   • 时间分辨率对入射束流角的依赖性极小，相对变化保持在百分之几以内。

3. 命中重建效率：

   • 对于未辐照和中度辐照的传感器，在测试的偏置范围内，命中效率保持在 99% 以上。
   • 即使在最高通量（$2.5 \times 10^{15} \, \text{neq/cm}^2$）下，所有传感器设计在适当的偏置电压下均满足了最低 95% 的效率要求。
   • 空间均匀性研究表明，活性区域在传感器表面保持一致。有趣的是，辐照后的传感器表现出明显的活性面积增加（由 50% 效率点定义），这可能是由于辐射引起的电场分布修改而非物理扩张所致。

意义与主张
作者得出结论，来自 IHEP 和 USTC 设计的预生产 LGAD 传感器成功满足了 HGTD 对电荷收集、时间分辨率和命中效率的要求，即使是在 HL-LHC 末期预期的极端辐射条件下。

该研究验证了碳增强增益层设计的抗辐射能力，证明了这些传感器可以在安全偏置电压限制（低于 550 V）内运行，同时保持必要的信号质量。研究结果支持将这些特定的传感器设计部署到最终的 HGTD 探测器中。论文指出，虽然这些单焊盘测试前景广阔，但进一步使用与最终 ALTIROC 读取 ASIC 混合的完整尺寸传感器进行验证以及全面的系统级测试仍在进行中，以确认完整计时探测器系统的可行性。