Low Gain Avalanche Detectors (LGADs and iLGADs) for High-Energy Physics and Synchrotron Applications

Abstract

Aquesta tesi presenta el desenvolupament de Detectors d'Allau de Guany Moderat (LGAD) a l'IMB-CNM (CSIC) per al seu ús en experiments de física d'altes energies i aplicacions de sincrotró. El Gran Col·lisionador d'Hadrons (LHC) es troba al centre dels esforços de tota la comunitat de física de partícules, ja que és l'accelerador de partícules més potent del món. Està previst que l'LHC s'actualitzi (HL-LHC), proporcionant una major lluminositat que donarà lloc a un ventall més ampli de dades recollides en els experiments, establint així un nou paradigma en la física d'altes energies. Tanmateix, es necessiten detectors de partícules capaços de mesurar amb precisió la traça i el temps en què les partícules carregades passen pel detector. El desenvolupament de detectors de radiació no només es basa en experiments de física de partícules, sinó que també s'utilitzen habitualment en sincrotrons, en els quals els feixos de raigs X s'utilitzen per a diverses aplicacions. En ambdues aplicacions, els detectors de radiació estan subjectes a entorns altament radioactius, de manera que el seu rendiment es veu afectat. Per tant, hi ha el compromís d'optimitzar el disseny d'aquests detectors perquè siguin capaços d'oferir un rendiment òptim en aquestes condicions. Aquest treball descriu el disseny, la fabricació i la caracterització dels detectors LGAD per al seu ús al HL-LHC. A més, s'han optimitzat i fabricat altres variants com el LGAD invers (iLGAD) o el nLGAD (LGAD amb substrats de tipus n) per cobrir una àmplia gamma d'aplicacions dins de la detecció de partícules carregades i de raigs X

Esta tesis presenta el desarrollo de Detectores de Avalancha con Ganancia Moderada (LGAD) en el IMB-CNM (CSIC) para su uso en experimentos de Física de Altas Energías y aplicaciones en sincrotrón. El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) centra los esfuerzos de toda la comunidad de física de partículas, debido a que es el acelerador de partículas más potente del mundo. Está previsto que el LHC sea actualizado (HL-LHC), brindando una mayor luminosidad que conllevará un mayor rango de datos colectados en los experimentos, pudiendo así establecer un nuevo paradigma dentro de la física de altas energías. Sin embargo, son necesarios detectores de partículas capaces de medir precisamente la traza y el tiempo cuando partículas cargadas atraviesan el seno del detector. El desarrollo de detectores de radiación no solo se basa en experimentos en física de partículas, sino que además son comúnmente utilizados en sincrotrones, en los cuales se usan haces de rayos X para diversas aplicaciones. En ambas aplicaciones los detectores de radiación están sujetos a ambientes altamente radioactivos, por lo que su rendimiento se ve afectado. Por lo tanto, existe un compromiso en optimizar el diseño de estos detectores para que sean capaces de brindar un rendimiento óptimo bajo estas condiciones. En este trabajo se describe el diseño, la fabricación y la caracterización de detectores LGAD para ser usados en el HL-LHC. Además, otras variantes como el LGAD Inverso (iLGAD) o el nLGAD (LGAD con sustratos tipo n) se han optimizado y fabricado para cubrir un amplio rango de aplicaciones dentro de la detección de partículas cargadas y rayos X.

This thesis presents the development of Low Gain Avalanche Detectors (LGAD) at IMB-CNM (CSIC) for use in High Energy Physics experiments and synchrotron applications. The Large Hadron Collider (LHC) is at the centre of the efforts of the entire particle physics community, as it is the most powerful particle accelerator in the world. It is planned that the LHC will be upgraded (HL-LHC), providing a higher luminosity that will lead to a wider range of data collected in the experiments, thus establishing a new paradigm in high-energy physics. However, particle detectors capable of precisely measuring the trace and time when charged particles pass through the detector are needed. The development of radiation detectors is not only based on experiments in particle physics, but they are also commonly used in synchrotrons, in which X-ray beams are used for various applications. In both applications, radiation detectors are subject to highly radioactive environments, so their performance is affected. Therefore, there is a commitment to optimise the design of these detectors so that they are able to provide optimum performance under these conditions. This paper describes the design, fabrication and characterisation of LGAD detectors for use in the HL-LHC. In addition, other variants such as the Inverse LGAD (iLGAD) or the nLGAD (LGAD with n-type substrates) have been optimised and fabricated to cover a wide range of applications within charged particle and X-ray detection.