Neuartige Silizium-Auslesestrukturen für Flugzeitdetektoren

Wissenschaftler:innen am ETP arbeiten gemeinsam mit dem INFN Turin und dem CERN an der Entwicklung eines Siliziumsensors mit präziser zeitlicher und räumlicher Auflösung, dem sogenannten Resistive Silicon Detector (RSD/AC-LGAD). Dabei handelt es sich um einen n-in-p-Sensor mit einer internen Verstärkungsschicht und einer resistiven Schicht nahe der Oberfläche. Wenn geladene Teilchen den Sensor durchqueren, induzieren sie Signale, die zwischen den Ausleseelektroden geteilt werden. Dieses Konzept der resistiven Ladungsteilung ermöglicht große Abstände zwischen den Elektroden bei gleichzeitiger Beibehaltung der räumlichen und zeitlichen Präzision.

In zukünftigen Kollisionsversuchen wie dem FCC-ee kann ein solcher Sensor als Flugzeitdetektor (Time-of-Flight-Detektor) als Teil eines Systems eingesetzt werden, das die Art der den Detektor durchquerenden Teilchen identifiziert. Dies ist eine grundlegende Komponente, um zukünftige Experimente zur präzisen Untersuchung des Standardmodells der Teilchenphysik zu ermöglichen. Ein solches System würde viele Quadratmeter an Siliziumdetektoren erfordern. Die derzeit in Zeitmessschichten verwendete Standardtechnologie der Low-Gain-Avalanche-Dioden (LGAD) muss in Pixel unterteilt werden; der Einsatz von LGADs in einem Flugzeit-System würde zu einer hohen Kanalanzahl und hohen Gesamtkosten des Detektors führen. Daher ist eine alternative Sensorgeometrie erforderlich, um eine geringe Anzahl von Auslesekanälen zu gewährleisten (geringerer Stromverbrauch, geringerer Kühlbedarf und geringere Kosten).

Dieser Beitrag beschreibt eine neuartige Auslesegeometrie, die für den zukünftigen Einsatz in diesen großen Flugzeitsystemen erweitert werden könnte. Diese neuartige RSD wird eine präzise Zeitmessung sowie eine präzise, eindimensionale räumliche Auflösung aufweisen. Die Ergebnisse wurden von ETP auf der TREDI-Konferenz in Perugia, Italien, vorgestellt und sind nun in JINST veröffentlicht.