Characterization of the radiation field in ATLAS using Timepix detectors

Le travail présenté dans cette thèse porte sur le réseau de détecteurs à pixels ATLAS-TPX, installé dans l’expérience ATLAS afin d’étudier l’environement radiatif en utilisant la tech- nologie Timepix. Les travaux sont rapportés en deux parties, d’une part l’analyse des données recueillies entre 2015 et 2018, d’autre part l’étude de nouveaux détecteurs pour une mise à niveau du réseau. Dans la première partie, une méthode pour extraire certaines propriétés des MIPs (Mini- mum Ionizing Particles) est développée, basée sur l’étude des traces laissées par ces particules lorsqu’elles traversent les matrices de pixels des détecteurs ATLAS-TPX. Il est montré que la direction des MIPs et leur perte d’énergie (dE/dX) peut être déterminée, permettant d’évaluer leur origine. De plus, la méthode pour mesurer les champs de neutrons thermiques et neutrons rapides avec ces détecteurs est expliquée, puis appliquée aux données. Les flux de neutrons thermiques mesurés aux différentes positions des détecteurs ATLAS-TPX sont présentés, alors que le signal des neutrons rapides ne se distingue pas du bruit de fond. Ces résultats sont décrits dans une publication, et la façon dont ils peuvent être utilisés pour valider les simulations de champs de radiation dans ATLAS est discutée. Dans la seconde partie, la thèse présente une étude de détecteurs Timepix utilisant l’arséniure de gallium (GaAs) et le tellurure de cadmium (CdTe) comme capteur de radia- tion. Ces semiconducteurs offrent des avantages par rapport au silicium et pourraient être utilisés dans les prochaines mises à niveau du réseau ATLAS-TPX. Comme ils sont connus pour des problèmes d’instabilité dans le temps et une efficacité de collection de charge incomplète, ils sont testés en utilisant divers types d’irradiation. Ceci est décrit dans deux articles, l’un portant sur un capteur au GaAs de 500 μm d’épaisseur, l’autre sur un capteur au CdTe de 1 mm d’épaisseur. Malgré l’apparition de pixels bruyants lors des mesures, les détecteurs montrent une bonne stabilité du signal dans le temps. Par contre, l’efficacité de  iv collection de charge est inhomogène à travers la surface des détecteurs, avec des fluctuations de produits mobilité-temps de vie (μτ) importantes. Ces résultats montrent qu’il est nécessaire d’étudier l’influence de ces défauts sur les algorithmes de reconnaissance de traces avant l’utilisation du GaAs et CdTe dans les mises à niveau du réseau ATLAS-TPX. The work presented in this thesis focuses on the ATLAS-TPX pixel detector network, in- stalled in the ATLAS experiment for studying the radiation environement using the Timepix technology. The achievements are presented in two parts, on one hand the analysis of data acquired between 2015 and 2018, on another hand the study of new detectors for an upgrade of the network. In the first part, a method to extract properties of MIPs (Minimum Ionizing Particles) is developed, based on the analysis of clusters left by the interaction of these particles in the pixel matrixes of the ATLAS-TPX detectors. It is shown that the direction of MIPs and their energy loss (dE/dX) can be determined, allowing the evaluation of their origin. Moreover, the method for mesuring the thermal and fast neutron fields is explained, and applied to the data. The thermal neutron fluxes at the different detector locations are reported, whereas the fast neutron signal cannot be distingished from the background. Thoses results are described in a publication, and their use for benchmarking simulations of the radiation field in ATLAS is discussed. In the second part, the thesis presents a study of Timepix detectors equipped with gallium arsenide (GaAs) and cadmium telluride (CdTe) sensors. These semiconductors offer some advantages over silicon and could be used for upgrades of the ATLAS- TPX network. Since they are known to suffer from time instabilities and incomplete charge collection efficiency, they are tested using several types of irradiation. This is described in two publications, one focusing on a 500μm thick GaAs sensor, another focusing on a 1mm thick CdTe sensor. Despite the appearance of noisy pixels during the measurements, the detectors are found to be reasonably stable in time. However, the charge collection efficiency is found to be inhomogeneous across the sensor surfaces, with significant fluctuations of mobility-lifetime (μτ) products. These results show that  vi it is necessary to study the influence of these material defects on the pattern recog- nition algorithms before the integration of such sensors in the ATLAS-TPX upgrades.

Keyphrases: Mesure de radiation, Atlas, Timepix, Détecteur GaAs, détecteur CdTe, Atlas, Timepix, Radiation monitoring, GaAs detector, CdTe detector