Characterization of innovative pixel detectors with 3D technology Caratterizzazione di rivelatori a pixel innovativi 3D-trench

Durante il 4° run di LHC, la luminosità del collisore aumenterà fino a 5x1034/cm2/s e la generazione di tracce all'interno dei rivelatori di particelle cariche degli esperimenti LHCb, ATLAS, CMS, ALICE diventerà così alta che il sistema per la ricostruzione delle tracce ora disponibile verrà rallentato e si creerà un gran numero di tracce fantasma, causando un'estrazione inefficiente dei segnali. Questo lavoro di tesi viene svolto nell'ambito del progetto TIMESPOT (TIME and SPace real-time Operating Tracker), che mira ambiziosamente a sviluppare un dimostratore di tracciamento completo in grado di far fronte alle altissime luminosità istantanee previste nel prossimo upgrade di LHC. In particolare, questo lavoro si concentrerà su sensori a pixel in silicio con tecnologia 3D. Una valida strategia per superare i limiti derivanti dal previsto upgrade di luminosità consiste nel costruire rivelatori in grado di misurare il tempo con una precisione migliore di 200 ps/hit. In questo lavoro di tesi l'obiettivo è studiare e ottimizzare le caratteristiche di un innovativo rilevatore composto da pixel con tecnologia 3D-trench, sviluppati a Trento presso la Fondazione Bruno Kessler (FBK). L'efficienza di rilevazione e la risoluzione temporale sono state misurate con un fascio di protoni da 2 MeV all'acceleratore AN2000 di Legnaro. Il setup utilizzato si basa sulla luce di scintillazione emessa da un sottile strato di scintillatore organico depositato sopra il sensore. La luce di scintillazione viene rilevata da un SiPM posto vicino al dispositivo 3D. Inoltre, l'uniformità della risoluzione temporale in funzione della posizione in cui il protone è penetrato all'interno del dispositivo è stata studiata con una precisione di 1 m. Oltre allo studio della risoluzione temporale, diverse strutture di test prodotte presso la FBK sono state studiate e caratterizzate. Una varietà di dispositivi è stata prodotta considerando diverse geometrie. In particolare, sono stati finora realizzati due lotti di sensori: il secondo lotto presenta uno strato di p-spray depositato tra le trincee di tipo n e l’ossido di silicio, mentre il primo lotto ne è privo. Inoltre, il secondo lotto contiene sensori con più geometrie disponibili. Questo lavoro costituisce anche la base per la caratterizzazione del danno da radiazione dei rivelatori basati sulla tecnologia pixel 3D trench, poiché le alte luminosità pianificate ai collisori pongono requisiti rigorosi non solo sulla risoluzione spaziale e temporale, ma anche sulla resistenza alla radiazione.