New Silicon Devices with Charge Multiplication for the ATLAS Upgrade and Medical Applications

Abstract

El Gran Col·lisionador d'Hadrons (LHC) al CERN de Ginebra és un col·lisionador de protons que ha contribuït a importants descobriments científics. El 2013 es va anunciar l'actualització de l'LHC d'Alta Lluminositat (HL-LHC) per augmentar la lluminositat en un factor de cinc a set vegades el disseny original. L'objectiu és arribar a una lluminositat de 5 ×10^34 cm2 i potencialment 7 ×10^34 cm2 . Aquesta actualització pretén oferir una lluminositat integrada de 4000 durant 12 anys. Per gestionar l'augment de la taxa de dades i els nivells més alts de radiació, els experimentos del LHC estan sent actualitzats. El experimento ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) està experimentant millores significatives, incloent la substitució completa d'alguns subdetectors com el nou detector de traçat intern (ITk) i l'addició de nous com el Detector de Sincronització d'Alta Granularitat (HGTD). L'HGTD, que s'instal·larà en ambdòs extrems d'ATLAS pel HL-LHC el 2029, proporcionarà mesures precises de temps de traçat, complementant la informació espacial de l'ITk. L'HGTD utilitza el detector d'avalanxa de baix guany (LGAD, de I'anglès Low Gain Avalanche Detector) com a tecnologia de detecció, oferint una resolució de temps d'aproximadament 30 p . En el context d'aquesta tesi, es van dur a terme estudis sobre sensors LGAD produïts pel IMB-CNM, tant abans com després de la irradiació als nivells de fluència esperats a l'HGTD. L'electrònica de lectura per a LGAD, el xip de lectura de sincronització ATLAS LGAD (ALTIROC), va ser dissenyat específicament per permetre la presa de dades dels sensors LGAD mentre es garanteix un petit impacte en la resolució temporal. El mòdul HGTD consta de dos sensors LGAD i dos xips de lectura, connectats a través d'un PCB flexible de mòdul únic (cable flexible de mòdul). Aquesta tesi presenta els estudis realitzats amb els mòduls HGTD per verificar la seva conformitat amb les especificacions de l'HGTD. A més de la física d'altes energies, els detectors de semiconductors amb multiplicació de càrrega també tenen possibles aplicacions mèdiques. A més, els dispositius CMOS tenen el potencial de reduir costos en comparació amb solucions específiques. En aquesta tesi es van investigar els díodes d'avalanxa de fotons individuals, o Single Photon Avalanche Diodes (SPADs) basats en CMOS per a aquesta aplicació.

El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN en Ginebra es un colisionador de protones que ha contribuido a importantes descubrimientos científicos. En 2013, se anunció la actualización del LHC de Alta Luminosidad (HL-LHC) para aumentar la luminosidad de cinco a siete veces el diseño original. El objetivo es alcanzar una luminosidad de 5 × 1034 cm2 y potencialmente 7 × 1034 cm2. Esta actualización apunta a entregar una luminosidad integrada de 4000 en 12 años. Para manejar el aumento en la tasa de datos y los niveles más altos de radiación, los experimentos del LHC están siendo actualizados. El experimento ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) está siendo mejorado significativamente, incluyendo el reemplazo completo de algunos sub-detectores como el nuevo detector de rastreo interno (ITk) y la adición de nuevos sistemas como el High Granularity Timing Detector (HGTD). El HGTD, que se instalar¿ia en ambos extremos de ATLAS para el HL-LHC en 2029, proporcionaría mediciones precisas del tiempo de las trazas, complementando la información espacial del ITk. El HGTD utiliza detectores de avalancha de baja ganancia (LGAD, del ingles Low Gain Avalanche Detector) como tecnología de detección, ofreciendo una resolución temporal de alrededor de 30 ps . En el contexto de esta tesis, se realizaron estudios sobre sensores LGAD producidos por IMB-CNM, tanto antes como después de la irradiación a los niveles de fluencia esperados en el HGTD. La electrónica de lectura para LGAD, el chip de lectura temporal ATLAS LGAD (ALTIROC), fue diseñado específicamente para habilitar la toma de datos de los sensores LGAD asegurando un pequeño impacto en la resolución temporal. El módulo HGTD comprende dos sensores LGAD y dos chips de lectura, conectados a través de un único PCB flexible de módulo (cable flexible del módulo). Esta tesis presenta los estudios realizados con los módulos HGTD para verificar su cumplimiento con las especificaciones de HGTD. Además de la física de alta energía, los detectores semiconductores con multiplicación de carga también tienen usos posibles para aplicaciones médicas. Ademas, los dispositivos CMOS tienen el potencial de reducir costes en comparación con soluciones específicas. En esta tesis se investigan diodos de avalancha, o Single Photon Avalanche Detectors (SPADs), basados en CMOS para dicha aplicación.

The Large Hadron Collider (LHC) at CERN in Geneva is a proton-proton collider that contributed to major scientific discoveries. In 2013, the High-Luminosity LHC (HL-LHC) upgrade was announced to increase the luminosity by a factor of five to seven times the original design. The goal is to reach a luminosity of 5 × 10^34 cm2 and potentially 7 × 10^34 cm2. This upgrade aims to deliver an integrated luminosity of 4000 over 12 years. To handle the increased data rate and higher radiation levels, the LHC experiments are being upgraded. The ATLAS experiment (A Toroidal LHC ApparatuS) is undergoing significant enhancements, including complete replacement of some sub-detectors like the new inner tracking detector (ITk) and the addition of new ones such as the High-Granularity Timing Detector (HGTD). The HGTD, to be installed in front of the calorimeter end-caps in 2029, will provide precise track timing measurements, complementing the spatial information from the ITk. The HGTD uses Low Gain Avalanche Detector (LGAD) as the sensing technology, offering a time resolution of around 30 ps. In the context of this thesis, studies were conducted on LGAD sensors produced by IMB-CNM, both before and after irradiation to the expected fluence levels at HGTD. The readout electronics for LGAD, ATLAS LGAD timing readout chip (ALTIROC), was specifically designed to enable the data taking of the LGAD sensors while ensuring a small impact on the time resolution. The HGTD module comprises two LGAD sensors and two readout chips, connected via a single module flexible PCB (module flex cable). This thesis presents the studies conducted with HGTD modules to verify their compliance with HGTD specifications. In addition to high-energy physics (HEP), semiconductor detectors with charge multiplication also has potential uses for medical applications. Furthermore, CMOS devices have the potential of reducing cost compared to specific solutions. CMOS based Single Photon Avalanche Diodes (SPADs) are investigated in this thesis for such application.