MiniCACTUS-V2
El Gran Col·lisionador d'Hadrons (LHC), situat al CERN, preveu una actualització cap a la fase d'Alta Lluminostitat (HL-LHC) l'any 2030, amb l'objectiu d'augmentar la lluminositat en un factor de 5 a 7. Aquest increment comportarà un nombre molt més gran de col·lisions per e...
| Autor: | |
|---|---|
| Tipo de recurso: | tesis doctoral |
| Fecha de publicación: | 2025 |
| País: | España |
| Institución: | Universitat Autònoma de Barcelona |
| Repositorio: | Dipòsit Digital de Documents de la UAB |
| Idioma: | inglés |
| OAI Identifier: | oai:ddd.uab.cat:320550 |
| Acceso en línea: | https://ddd.uab.cat/record/320550 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palabra clave: | Física d'Altes Energies High Energy Physics Física de Altas Energías Ciències Experimentals |
| Sumario: | El Gran Col·lisionador d'Hadrons (LHC), situat al CERN, preveu una actualització cap a la fase d'Alta Lluminostitat (HL-LHC) l'any 2030, amb l'objectiu d'augmentar la lluminositat en un factor de 5 a 7. Aquest increment comportarà un nombre molt més gran de col·lisions per encreuament de feixos, fet que suposa nous reptes per a la reconstrucció de trajectòries de partícules. Per adaptar-se a aquest entorn, el detector ATLAS renovarà el seu sistema de seguiment intern (ID), que serà reemplaçat per l'ITk, un sistema basat completament en sensors de silici. Tanmateix, la resolució espacial de l'ITk no és suficient per resoldre totes les trajectòries en la regió més propera al feix, on la densitat de partícules és molt elevada. Per mitigar l'efecte de "pile-up", ATLAS ha proposat un detector de temporització addicional: l'High Granularity Timing Detector (HGTD), que proporcionarà informació temporal amb resolució de 30 a 50 ps. Aquest sistema híbrid, basat en sensors LGAD, és eficaç però complex de fabricar i integrar. Com a alternativa més econòmica i integrada, els sensors DMAPS (Depleted Monolithic Active Pixel Sensors) combinen el sensor i l'electrònica en un sol xip, permetent una recollida de càrrega per deriva, amb avantatges en resolució temporal, cost i tolerància a la radiació. Per explorar aquesta opció, es van desenvolupar els prototips CACTUS i MiniCACTUS. MiniCACTUS, amb lectura columnar, va aconseguir una resolució de 65 ps, però amb un temps de lectura superior als 60 ns, massa lent per als requisits d'ATLAS (25 ns). El nou prototip, MiniCACTUS-V2, es va dissenyar per mantenir una resolució temporal de desenes de picosegons amb un temps de lectura inferior a 25 ns. Aquest treball descriu el disseny teòric i experimental del circuit. Primer, es proposa una metodologia analítica basada en senyals d'entrada triangulars, més realista que les aproximacions habituals. Mitjançant un model de segon ordre i transformades de Laplace, s'obtenen respostes transitories que s'ajusten a les simulacions en Matlab. Això permet identificar paràmetres clau per al disseny de preamplificadors ràpids. Segon, s'ha reduït el temps de lectura mitjançant l'optimització dels transistors amb una base de dades del Process Design Kit (PDK) i scripts en Matlab. Així, s'ha aconseguit un temps de lectura inferior a 25 ns. Tercer, per reduir el soroll i el consum energètic, s'ha implementat un preamplificador amb estructura cascode i "gain-boosting", amb una guany de 70 dB. El transistor d'entrada treballa en règim d'inversió feble per maximitzar la transconductància amb consum reduït. L'ENC total és inferior a 250 electrons i el consum del front-end és de només 1.65 mW. Els xips es van fabricar amb gruixos de 150, 175 i 200 μm i metal·lització posterior. Les proves mostren una alta resistència al voltatge (superior a 380 V) i rendiment temporal excel·lent. Amb lectura CSA2, s'obtenen 63 ps a 300 V; amb VPA, 80 ps. En resum, MiniCACTUS-V2 demostra la viabilitat dels DMAPS com a sensors de lectura ràpida i alta resolució temporal per a futures aplicacions en física d'altes energies, oferint una possible alternativa monolítica al HGTD d'ATLAS. |
|---|