Testování křemíkových detektorů částic a projekt ATLAS ITk

Pracovníci Fyzikálního ústavu AV ČR se zabývají vývojem a testováním křemíkových detektorů částic již více než dvacet let. Jejich hlavním zájmem je vývoj a testování stripových křemíkových senzorů určených k identifikaci drah ultrarelativistických částic produkovaných na experimentu ATLAS, který je nainstalován na urychlovači LHC v CERN u Ženevy. Během přípravy vnitřního stripového dráhového detektoru současného experimentu ATLAS testovali pracovníci Fyzikálního ústavu AV ČR 2500 křemíkových senzorů typu End-Cap (EC). Po dokončení konstrukce experimentu ATLAS se skupina vývoje a testování detektorů zaměřila na vývoj radiačně odolných detektorů částic, především na studium změn elektrických vlastností křemíkových senzorů v podmínkách experimentů s vysokou luminozitou, tedy vysokým tokem částic. Tento výzkum probíhá od roku 2009 zejména v rámci členství v kolaboraci RD50 (Radiation hard semiconductor devices for very high luminosity colliders), přičemž skupina z Oddělení vývoje detektorů a zpracování dat se v tomto oboru stala jednou z vedoucích světových institucí.

S plánovaným upgradem urychlovače LHC na tzv. High-Luminosity LHC, jehož spuštění je naplánováno na rok 2026, je nezbytné provést kompletní výměnu současného vnitřního detektoru experimentu ATLAS za plně křemíkový detektor, který se nazývá "Inner Tracker" (ITk). V rámci projektu ATLAS ITk se Česká republika jako člen mezinárodní kolaborace ATLAS závazala otestovat 4500 radiačně odolných stripových senzorů typu EC a sestavit 650 EC modulů. Fyzikální ústav AV ČR, který je hlavním řešitelem tohoto projektu v České republice, se bude na tomto závazku podílet zejména v oblasti testování mechanických a elektrických vlastností stripových senzorů během jejich sériové produkce, která bude probíhat mezi roky 2018 a 2023. Testování křemíkových stripových senzorů během sériové produkce projektu ATLAS ITk se bude skládat z přesně definovaných procedur, které lze rozdělit na

• základní testy prováděné na 100% senzorů - uložení senzoru ve speciálních kabinetech s nízkou relativní vlhkostí a nastavitelnou monitorovanou teplotou, vizuální kontrola senzoru, přesná metrologie senzoru, změření I-V a C-V charakteristiky senzoru,
• a detailní testy prováděné na 10% senzorů - měření bias resistance, coupling capacitance a leakage current na každém stripu senzoru, měření stability proudu, interstrip resistance, interstrip capacitance, punch-through-protection structure a top metal resistance.

Vzhledem k vysokému počtu nezávislých stripů na jednom senzoru (až 5000) a požadavku na měření elektrického proudu, odporu a kapacity pro každý takový strip, představují zejména detailní testy senzorů velice náročnou proceduru vyžadující značnou míru optimalizace.

Oddělení vývoje detektorů a zpracování dat se v současnosti intenzivně připravuje na předprodukční a produkční fázi projektu ATLAS ITk. V rámci těchto příprav došlo k vytvoření specializované laboratoře s vysokou třídou čistoty (ISO 7 ve standardu ISO 14644-1), jejíž celková plocha je cca 52 m2 a v současnosti je vybavena vysoušecí skladovací skříní MP DRY CABINET IV ST, semi-automatickou bondovací stanicí Delvotec, metrologickou stanicí OGP SmartScope CNC 500 a Probe Station Karl Suss PA200 pro přesná měření elektrických vlastností křemíkových senzorů. V roce 2018 pak bude zakoupena nová semi-automatická Probe Station, která bude plně programovatelná a umožní testování senzorů při teplotách -50°C až +200°C. Mezi standardní vybavení laboratoře patří také nezbytné měřící přístroje, zdroje nizkého i vysokého napětí, ale také rozvod čistého stlačeného vzduchu a dusíku. Laboratoř obsahuje také operační bod s vysokou čistotou, která je zajištěna pomocí laminárního flow-boxu.