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ATLAS 実験次期計画のための 高放射線耐性シリコン検出器の開発 - PowerPoint PPT Presentation


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ATLAS 実験次期計画のための 高放射線耐性シリコン検出器の開発. 筑波大学 秦野博光 目黒立真 2007/8/21. MONT BLANC. Lac Léman. Geneva Air Port. LHCb. CMS. ATLAS. 約 8.5km. ALICE. LHC 加速器・ ATLAS 実験とは. LHC ( Large Hadron Collider ). ・スイス・ジュネーブ郊外にある陽子 - 陽子を衝突させる加速器 ・ 2008 年・春の実験開始に向け、現在急ピッチで建設中 ・重心系エネルギー 14TeV ⇒. ×. 実験目的

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Presentation Transcript
Atlas

ATLAS実験次期計画のための高放射線耐性シリコン検出器の開発

筑波大学 秦野博光 目黒立真

2007/8/21


MONT BLANC

Lac Léman

Geneva Air Port

LHCb

CMS

ATLAS

約8.5km

ALICE

LHC加速器・ATLAS実験とは

LHC(Large Hadron Collider)

・スイス・ジュネーブ郊外にある陽子-陽子を衝突させる加速器

・2008年・春の実験開始に向け、現在急ピッチで建設中

・重心系エネルギー 14TeV

×


実験目的

・Higgs粒子の探索

・超対称性粒子の発見

・余剰次元の検証

・BハドロンによるCP対象性破れの測定

・トップクォークの物理

・QCDの検証 etc

初めてのTeV領域実験として新しい物理の発見が期待される。


42m

LAr HEC

LAr EM

Tile HD

LAr HEC

23m

ミューオン検出器

ATLAS 検出器

・飛跡検出器

 ・Pixelシリコンピクセル検出器

 ・SCTシリコンマイクロストリップ検出器

 ・TRT遷移輻射ストローチューブチェンバー

・カロリーメータ

 ・LAr EM液体アルゴンカロリーメータ(Pb)

 ・Tile HDシンチレータタイルカロリーメータ

 ・ LAr HECハドロンエンドキャップ(Cu)

 ・LAr FCal前方カロリーメータ(Pb)

・ミューオン検出器

 ・MDTドリフトチューブチェンバー

 ・TGC, RPC, CSCトリガー用チェンバー


SCT検出器

荷電粒子の運動量測定,B メソンや τレプトンの崩壊点測定に貢献

する.

そのために高い位置分解能が要求される

位置分解能は

Y方向:16 μm

X方向:580μm


LHCの次期計画

35 -2 -1

ルミノシティをLHCの10倍 → 10 cm s にする計画

更に第2段階としてビームエネルギーを12.5TeVに上げる計画も検討されている。

2016年ごろ?

ルミノシティを上げたことによる影響:

(1)陽子衝突当たりのイベント数が20から200へ

(2)放射線量も積分ルミノシティと同時に増える。

このような環境でも検出能力を落とさないようにATLAS検出器の増強設定が進んでいる。


今、インストールされているSCT

次期計画のSCT

Al

SiO2

N+

N+

P-stop

P+

Al

P-bulk


Atlas sct n on p sct
ATLASSCT検出器N-on-P型SCTモジュールの研究開発


Motivation
motivation

Al

Al

SiO2

SiO2

Type inversion により現在のSCTは寿命を迎える

将来的にはLHCにおいてさらに高いLuminosity になる

N+

N+

P-stop

N-bulk

N+

P+

Al

Al

N-on-P型のSCTが必要

現段階での目的

・P-type Silicon Bulk の基本的性質の確認

・Strip間の繋がりを避けることのできる構造

・放射線耐性の確認

・1cm×1cm のサンプルを用いて性能を評価

・ジオメトリーなどについてはまだ。

・物理の要求などもまだわからない。

P-bulk

P+

P+


Samples
samples

材質

  • Wafer types → FZ1,FZ2,MCZ (3 types)

    製法の違い

  • P-stop structures

    → zone1~zone6(6 types)

  • P-stop/p-spray concentrations

    → P-spray, Low, High (3 types)

  • Implant Depth →std, deep (2 types)

形状

Al

  • Fluence

  • → 5E14, 10E14, 20E14 (1MeV n-eq/cm2) (3 types)

SiO2

P-stop

N+

N+

東北大学 CYRIC で 70MeV proton を照射

60度の恒温槽で80分間Annealing

P-bulk

Al


測定項目

Typical な CV curve

IV測定:バルク中の暗電流の測定 → SN比 (→N.O.?) , 温度の上昇、マイクロディスチャージ(熱暴走)  waferのタイプ fluenceによる?

CV測定:バルク静電容量の測定 → 全空乏化電圧 (放射線耐性の良い指標?)  

waferのタイプ fluenceによる?

Isolation測定:Isolation電圧の測定

 → 繋がってしまっていると信号が隣のストリップに流れてしまう? 形状による?

Typical な Isolation curve

Typical な I-V curve

測定セットアップ


Iv wafer
IV測定結果(waferの比較)

FZ

MCZ

0 5E+14 10E+14 20E+14

(1 MeV n-eq /cm2)


シリコン検出器の暗電流-電圧(I-V)特性 

暗電流には以下の寄与が考えられる.

  • バルク暗電流

    電子-正孔対が熱により発生(温度に依存)

    空乏層の厚さに比例(逆バイアス電圧に依存)

    Conductance ∝ eNDμe

  • 表面電流

    有限な表面抵抗により電流が発生

    電圧に対してリニア?

  • マイクロ放電

    不純物や傷により

    局所的な高電場により電流が増幅される

シリコン検出器断面

I

I

I

V

V

V


IV測定結果

来週の照射:1E+14,2E+14

ここの差を埋める

FZ

MCZ

0 5E+14 10E+14 20E+14

Waferによる差は見られない

MicroDischargeはいつなくなるのか?

Currentによるlimitはどのくらいか?

表面電流の消失については理解できていない

(1 MeV n-eq /cm2)


CV測定

V<VFDにおいては

全空乏化電圧=400V

1/C2

Capacitance(F)

Bias(V)

Bias(V)


Cv wafer
CV測定結果(waferの比較)

FZ

全空乏化電圧の変化と照射量の関係

MCZ

全空乏化電圧(V)

0 5E+14 10E+14 20E+14

Fluence (n eq/cm2 /1014)

(1 MeV n-eq /cm2)


Isolation
Isolation測定 構造による違い

Al

  • P-stop structure → zone1~zone6

  • P-stop/p-spray concentrations

  • → P-spray, Low, High (3 types)

  • Implant Depth →std, deep (2 types)

SiO2

8E+12 (+P-splay)

1E+13

2E+13 atoms/cm3

N+

N+

P-stop

P+

Al

??

??

Ex) FZ2 Zone3

Strip間分離達成電圧 vs 照射量

電圧(V)

P-stopの濃度を2E+13/cm3にすることでStrip間分離は充分に達せられる

Implant Depth による違いはほとんど見られない

Fluence (1MeV n-eq/cm2)


結論とこれから

・現段階では

wafer type : FZ

P-stop concentration : >2E+13 が有力候補

・今回紹介できなかったが P-stop structure に

 ついての理解も進んでいる

・照射量を変えての測定(来週照射予定)

・新たなサンプルを作成し、更なるstudyを



Atlas06 wafers
ATLAS06 Wafers

  • Two lots of FZ materials

    • FZ-1: Lower defects, FZ-2: Normal wafers


Isolation1
Isolation測定

Al

SiO2

N+

N+

P-stop

  • 形状

  • P-stop structures

  • → zone1~zone6(6 types)

P+

Al


Individual common
Individual と Common

strip

P-stop

individual

common


Strip isolation
Strip Isolation

explanatory

・which zone is good for strip isolation?

・Efficience of P-spray?

Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6


Leakage current t 20
Leakage Current (T=20℃)

Mention in passing

This time(2007May)                   last time(2006)

Ileak/volume(A/cm^3)

Fluence(1MeV n-eq/cm^2)

Estimation of irradiation likely to correct.


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