Studies of performance of pixel detectors in BCD8 and TowerJazz technologies for the ATLAS experiment at HL-LHC

Durante i prossimi 5 anni il Large Hadron Collider (LHC) verrà aggiornato nell’High Luminosity LHC, il quale, secondo i piani odierni, inizierà a funzionare nel 2026 con una luminosità istantanea di circa cinque volte quella odierna, e una luminosità integrata aumentata di circa 10 ordini di grandezza. Per questo motivo è necessario un aggiornamento di tutti i rivelatori e i loro sistemi di acquisizione per far fronte al maggiore flusso di particelle ionizzanti e all’incremento di dati acquisiti. In particolare l’Inner Detector di ATLAS verrà completamente ridisegnato e sono in corso numerosi studi per identificare le migliori tecnologie adatte a questo aggiornamento. BCD8 e TowerJazz, con le quali sia il sensore che il dispositivo di lettura sono integrati nel medesimo substrato di silicio. Queste soluzioni sono particolarmente adatte per lo strato più esterno del tracciatore di ATLAS, in quanto questo copre una superficie estremamente elevata, tuttavia non è stata ancora dimostrata la resistenza a radiazione ionizzante di queste tecnologie. La tecnologia BCD8 consiste in una soluzione chiamata a “pixel attivo”, in cui parte dell’elettronica di lettura di tipo CMOS, che solitamente funziona a basse tensioni, è integrata in un substrato di tipo DMOS che supporta alte tensioni. La tecnologia TowerJazz invece è già stata usata per produrre sensori monolitici di tipo CMOS per l’esperimento ALICE. In questa tesi sono presentate le misure che ho personalmente effettuato su dei prototipi costruiti con queste tecnologie. Per il prototipo BCD8, chiamato KC53AB, ho misurato i parametri di corrente di buio e capacità su dei pixel passivi, in chip nuovi e irraggiati con dosi simili a quelle che avrebbero ricevuto durante il periodo di funzionamento di HL-LHC. Per il prototipo TowerJazz, chiamato Investigator, ho effettuato, al fascio di test del CERN, degli studi in termini di effcienza di rivelazione e tempo di raccolta delle cariche, su chip nuovi e irraggiati.