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Dessin et caractérisation des capteurs à pixels pour l’upgrade du détecteur des traces de l’expérience ATLAS à LHC

Responsable : Giovanni Calderini

tél : 01 44 27 23 25

e-mail : giovanni.calderini lpnhe.in2p3.fr

Contenu :

Après son démarrage, prévu fin 2009, le LHC passera par une phase d’optimisation et de mise au point. Cette phase sera suivie par plusieurs années de prises de données à basse luminosité (10^{33} cm^{-2} s^{-1}) correspondant à une luminosité intégrée d’environ 30 fb^{-1}, puis à la luminosité nominale de 10^{34} cm^{-2} s^{-1}. Il est prévu pour étendre au maximum le domaine de recherche de nouvelle physique et pour maximiser les capacités du LHC à pousser dans ses retranchements le Modèle Standard d’accroître par la suite encore la luminosité d’un facteur 10, l’amenant à la valeur fantastique de 10^{35} cm^{-2} s^{-1}. Le taux de collisions correspondant place des contraintes inégalées sur les détecteurs, en termes de tenue aux radiations, ainsi qu’en termes de résolution spatiale afin de préserver la capacité à distinguer les traces proches. Divers types de détecteurs sont actuellement en cours de conception et de caractérisation pour le système de suivi des traces chargées, domaine dans lequel le LPNHE à choisi de s’impliquer.

Les capteurs silicium à pixels planaires qui forment les couches internes du détecteur exigent des solutions nouvelles pour résister a des flux intégrés supérieurs à 10^{16} neutrons équivalents par cm^{-2}, avec une taille des pixels réduite afin de limiter le taux d’occupation. Le sujet de thèse proposé porte sur la conception et la caractérisation de ces détecteurs.

La R&D sur les détecteurs à pixels planaires

Les détecteurs à pixels n-in-n ont été soumis à nombreux tests d’irradiation et se sont avérés bien fonctionner jusqu’à des flux intégrés typiques de 10^{15} neutrons équivalents cm^{-2}. Cette technologie, donc, pourrait être le meilleur choix pour la partie interne du trajectographe d’ATLAS. D’autre part, les substrats p ont récemment montré moins de capture d’électrons à des fluences élevées, en permettant une très bonne tenue aux radiations. De plus, ca ne requiert qu’un traitement simple-face des plaquettes avec une réduction conséquente des coûts. Les deux technologies n-in-n et n-in-p devront être évaluées par rapport à leurs performances spécifiques à haute dose intégrée, sur la base de la caractérisation des détecteurs et de la simulation pour les options différentes d’aménagement. Le système pixel n-in-n actuellement installé dans ATLAS est pris comme point de départ, mais la taille du pixel sera ensuite adaptée pour correspondre à la puce FE-I4, l’évolution du chip de lecture actuel d’ATLAS, la FE-I3. La FE-I4 est beaucoup plus grande par rapport à la FE-I3 et présente une taille plus petite du pixel (50x250um). Dans le design final, l’idée sera d’avoir des modules à puce simple, avec une seule puce connecté à chaque capteur. Les récents progrès dans l’expérience avec les capteurs n-in-p produits par un grand nombre de fonderies commerciales, avec une variété de types de plaquettes, encourage l’étude de cette option pour les détecteurs. Des résultats récents sur des détecteurs à pistes indiquent un bon processus de collection des charges même à des doses importantes (10^{16} neutrons équivalents). Le plan de travail sur ce point consistera à mener la recherche dans la salle propre pour effectuer des mesures qui permettent la caractérisation des propriétés électriques et physiques de ces détecteurs.

Simulations Numériques

Une des premières étapes pour la conception du senseur est l’utilisation des techniques de simulation numérique pour optimiser la structure du détecteur. Ceci est d’une importance capitale pour limiter le temps de développement et réduire le nombre de prototypes nécessaires à l’évaluation des propriétés du senseur. En utilisant le logiciel Silvaco TCAD, il est possible d’extraire la distribution du champ électrique dans le silicium et de prévoir propriétés électriques, comme la courant de fuite entre les capacités entre les divers implants, en fonction des paramètres géométriques et du dopage des implants. Par exemple, la configuration des anneaux de garde (nombre, largeur, séparation) et l’étude du dessin du bord du senseur permettront d’optimiser le facteur de remplissage du futur système pixel d’ATLAS en minimisant la zone inactive à la frontière du détecteur. Les résultats seront comparés à la caractérisation des dispositifs de tests en laboratoire. La comparaison des concentrations efficaces de dopage et des courants de fuite dans divers matériaux irradiés et non irradiés pourrait également être envisagée avec ces simulations et comparés avec des mesures en salle blanche.

L’amélioration des performances du détecteur avec les nouveaux types de senseur Silicium sera par ailleurs évaluée en utilisant des simulations de physique d’ATLAS, et comparée aux performances du détecteur actuel, telle que mesurée à partir des premières données de collisions.

Collaboration : ATLAS

Lieu de travail : LPNHE - Paris

Déplacements : missions régulières au CERN à Genève

Documentation : http://lpnhe-atlas.in2p3.fr/Atlas/index.html

Contact : Giovanni Calderini, 01 44 27 23 25 ou giovanni.calderini lpnhe.in2p3.fr

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