Detectores semiconductores 3D pixelados altamente resistentes a la radiación para experimentos en futuros aceleradores
La fase de alta luminosidad del Large Hadron Collider (LHC) del CERN plantea exigencias técnicas al experimento Compact Muon Solenoid (CMS), que deberá operar bajo niveles de radiación y tasas de colisión sin precedentes. Para garantizar un rendimiento óptimo en estas condiciones, se ha previsto la...
| Autor: | |
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| Tipo de recurso: | tesis doctoral |
| Fecha de publicación: | 2025 |
| País: | España |
| Institución: | Universidad de Cantabria (UC) |
| Repositorio: | UCrea Repositorio Abierto de la Universidad de Cantabria |
| Idioma: | inglés |
| OAI Identifier: | oai:repositorio.unican.es:10902/38531 |
| Acceso en línea: | https://hdl.handle.net/10902/38531 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palabra clave: | LHC Experimento CMS Alta luminosidad Detectores de trazas Detectors temporales Sensors de silicio con píxeles 3D Resistencia a la radiación Caracterización con láser Caracterización con haz de partículas Caracterización eléctrica CMS experiment High luminosity Tracking detectors Timing detectors 3D pixel silicon sensors Radiation hardness Laser-based characterization Test beam characterization Electrical characterization |
| Sumario: | La fase de alta luminosidad del Large Hadron Collider (LHC) del CERN plantea exigencias técnicas al experimento Compact Muon Solenoid (CMS), que deberá operar bajo niveles de radiación y tasas de colisión sin precedentes. Para garantizar un rendimiento óptimo en estas condiciones, se ha previsto la sustitución completa del sistema de reconstrucción de trazas. El nuevo sistema requiere sensores que combinen alta tolerancia a la radiación, bajo consumo energético, mayor granularidad para mejorar la resolución espacial, y una alta eficiencia de detección. Si bien la mayor parte del sistema interno de trazas utilizará sensores con píxeles planares de silicio, los sensores con píxeles 3D constituyen la única opción viable para la capa más próxima al punto de interacción, gracias a su superior resistencia a la radiación y menor consumo energético. Esta tesis presenta la caracterización de sensores con píxeles 3D---interconectados con prototipos a escala real del chip de lectura---y su validación para ser implementados en el nuevo sistema de trazas de CMS. El rendimiento de estos detectores se evaluó en experimentos con haces de prueba, tanto antes como después de ser irradiados. Los resultados obtenidos demuestran que los sensores de píxeles 3D cumplen con los requisitos establecidos por CMS, confirmando su idoneidad para ser instalados en la capa más interna del sistema de trazas. Asimismo, se realizaron pruebas a nivel de sistema para validar integralmente los nuevos detectores de píxeles. En particular, se evaluaron su rendimiento y funciones específicas del chip de lectura bajo el esquema de distribución de potencia previsto para el sistema interno de trazas. Además, tras un exitoso programa de validación, se realizaron las primeras pruebas de control de calidad de las interconexiones entre el sensor y el chip de lectura, marcando así el inicio de la fase de producción de módulos en uno de los centros de ensamblado. Más allá de la actualización para la fase de alta luminosidad del LHC, los sensores con píxeles 3D se están explorando para aplicaciones de medición temporal en experimentos de próxima generación, donde se requiere alta tolerancia a la radiación y resolución temporal precisa. En esta tesis también se investiga su rendimiento en este contexto, con especial atención a los efectos de las no uniformidades del campo eléctrico y la influencia de la geometría de la celda píxel. Las mediciones realizadas con técnicas láser revelan un impacto significativo del diseño de la celda, lo que resalta la importancia de optimizar la arquitectura de los sensores para este tipo de aplicaciones. |
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