Silicon detectors for the upgrade of the HL-LHC experiments
Authors: Ασσιούρας Παναγιώτης 
Published: February 2023

Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) στο ευρωπαϊκό οργανισμό πυρηνικών ερευνών στη Γενεύη έχει προγραμματιστεί να υποβληθεί σε σημαντική αναβάθμιση φωτεινότητας μετά τη διάρκεια ζωής των δέκα ετών λειτουργίας του, προκειμένου να μεγιστοποιήσει το δυναμικό επιστημονικής ανακάλυψης. Το Compact Muon Solenoid είναι ένας από τους δύο μεγάλους ανιχνευτές γενικού σκοπού που συνέβαλε στην πρόσφατη ανακάλυψη του μποζονίου Higgs και πολλών άλλων αποτελεσμάτων της φυσικής στη σωματιδιακή φυσική. Το πιο εσωτερικό μέρος του ονομάζεται Tracker και είναι όργανο υψηλής ακρίβειας που μετρά τις τροχιές των δημιουργούμενων σωματιδίων. Αποτελείται από ανιχνευτές πυριτίου με υψηλή χωρική ανάλυση και δυνατότητες υψηλής ταχύτητας. Με συνολική επιφάνεια άνω των 200 τετραγωνικών μέτρων, είναι ο μεγαλύτερος ανιχνευτής αυτού του είδους που κατασκευάστηκε ποτέ. Η αύξηση της φωτεινότητας στον αναβαθμισμένο LHC θα οδηγήσει σε αυξημένη πυκνότητα τροχιάς στα σημεία αλληλεπίδρασης των συγκρουόμενων δεσμών και, ως εκ τούτου, σε ένα πολύ πιο απαιτητικό περιβάλλον ακτινοβολίας. Κατά συνέπεια, απαιτείται σημαντική αναβάθμιση και επανασχεδιασμό των αισθητήρων και των ηλεκτρονικών ανάγνωσης. Οι αναβαθμίσεις θα γίνουν σε 2 φάσεις και ο αναβαθμισμένος LHC αναμένεται να είναι πλήρως λειτουργικός το 2026. Στη Φάση 2, θα υπάρξουν σημαντικές αλλαγές στον Inner Pixel Detector και στο Outer Tracking σύστημα με νέες ανιχνευτικές μονάδες.Το CMS έχει αναπτύξει ένα σχέδιο διασφάλισης ποιότητας για να εξασφαλίσει ότι όλοι οι αισθητήρες πληρούν τις τεχνικές προδιαγραφές και να για να παρακολουθεί τη διαδικασία παραγωγής και τη σταθερότητα κατασκευής τους. Το PQC έρχεται σε επαφή με ειδικά κατασκευασμένες τεστ δομές που παράγονται στο ίδιο wafer με τους αισθητήρες πυριτίου που θα εγκαταστάθηκαν στο πείραμα CMS, με αποτέλεσμα να μοιράζονται τις ίδιες ιδιότητες και υλικά. Αυτές οι τεστ δομές παρέχουν πρόσβαση σε βασικές παραμέτρους σχετικά με την ποιότητα κατασκευής των αισθητήρων, συμπεριλαμβανομένων των παραμέτρων που δεν είναι άμεσα προσβάσιμες στους αισθητήρες και, μαζί με τον ποιοτικό έλεγχο των αισθητήρων, αποτελούν τις κύριες διαδικασίες του σχεδίου διασφάλισης ποιότητας των αισθητήρων του Outer Tracker για την αναβάθμιση Phase-2. Στην εργασία αυτή περιγράφεται η διαδικασία ποιοτικού ελέγχου και η διαδικασία εξαγωγής των σχετικών παραμέτρων. Παρουσιάζονται επίσης τα πρώτα αποτελέσματα από τη φάση παραγωγής.Εκτός από τις πειραματικές μετρήσεις, οι προσομοιώσεις είναι αναπόσπαστο κομμάτι για την επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων. Η αριθμητική προσομοίωση της διαδικασίας κατασκευής και των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών των συσκευών ημιαγωγών προσφέρει έναν γρήγορο και μη δαπανηρό τρόπο ελέγχου των σχεδίων και των διαδικασιών κατασκευής των συσκευών. Οι προσομοιώσεις είναι ζωτικής σημασίας για τη βελτιστοποίηση της δομής της συσκευής και την ανάπτυξη ανιχνευτών. Διάφορες δομές δοκιμής που σχετίζονται με το PQC προσομοιώθηκαν χρησιμοποιώντας τη σουίτα TCAD (Technology Computer-Aided Design) Sentaurus και συγκρίθηκαν με πειραματικά αποτελέσματα. Επιπλέον, αυτή η εργασία περιλαμβάνει προσομοιώσεις χωρητικοτήτων αισθητήρων πυριτίου χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις TCAD καθώς και ένα πρόγραμμα το οποίο λύνει τη δισδιάστατη και τρισδιάστατη εξίσωση Laplace που αναπτύχθηκε στο Εργαστήριο Οργάνων Ανιχνευτών του ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος.Εκτός από τον ποιοτικό έλεγχο των δομών δοκιμής, απαιτούνται εκτενείς δοκιμές ακτινοβολίας για την αξιολόγηση της αντοχής στην ακτινοβολίας των αισθητήρων. Στο αναβαθμισμένο Outer Tracker του πειράματος CMS, η αναμενόμενη δόση ακτινοβολίας θα είναι από 10 έως 750 kGy, ανάλογα με την απόσταση από τη δέσμη. Αυτή η εργασία παρουσιάζει μελέτες ακτινοβολίας σε δοκιμαστικές δομές με φωτόνια γάμμα από μια πηγή Cobalt-60, συμπληρωματικές σε ήδη πραγματοποιηθείσες μελέτες ακτινοβολίας ακτίνων Χ και σωματιδίων.