Caratterizzazione in laboratorio di rivelatori al silicio LGAD segmentati in strip per applicazioni nel monitoraggio di fasci terapeutici di protoni

In questo progetto di tesi, ci si è prefissati di caratterizzare e validare il funzionamento di rivelatori al silicio specificatamente sviluppati e prodotti dalla Fondazione Bruno Kessler (FBK) di Trento nell’ambito dell’esperimento MoVe-IT dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare. Sensori al silicio basati sulla tecnologia LGAD sono rivelatori di particelle allo stato solido che, grazie a uno strato di guadagno interno, coniugano ridotti spessori e ampi segnali, con un rapporto tra rumore e segnale maggiore rispetto a un rivelatore al silicio tradizionale a parità di geometria. Sensori LGAD sono inoltre caratterizzati da elevate risoluzioni temporali (~ 30 ps in uno spessore di 50 μm). Nell’ambito del progetto MoVe-IT dell’INFN di Torino, si è pensato di ricorrere ai sensori LGAD per monitorare i fasci terapeutici di protoni in tempo reale, durante trattamenti di adroterapia. In particolare sensori LGAD sottili e opportunamente segmentati, grazie alla breve durata del segnale, permettono di identificare e contare singole particelle del fascio fino a ratei di fluenza relativamente alti. Nell’ambito dell’esperimento MoVe-IT si sta quindi costruendo e caratterizzando un rivelatore LGAD di dimensioni 2,7 x 2,7 cm2 segmentato in strip e la relativa elettronica di lettura per contare il numero di protoni con un errore inferiore all’1% fino a flussi di 108 p/(cm2∙s). Inoltre, sempre nell’ambito dell’esperimento, si sta costruendo un telescopio di due sensori LGAD per determinare l’energia del fascio a partire dalla misura del tempo di volo, sfruttando l’eccellente risoluzione temporale dei sensori LGAD. I rivelatori dedicati alle applicazioni sovra menzionate sono stati prodotti alla fine del 2019 su 14 wafer, per un totale di 112 sensori per misure di conteggio, di 182 per misure di tempo di volo, e altri 210 strutture di test. Dato l’elevato numero di sensori, è necessario procedere alla verifica della resa della produzione e definirne le caratteristiche, per procedere alla selezione dei più adatti in ambiente clinico. Nella prima fase dello studio, le caratteristiche statiche dei sensori sono state studiate utilizzando una probe-station, per misurare la corrente in funzione della tensione e identificare eventuali strip in cui la tensione operativa non può essere raggiunta a causa dell’aumento eccessivo di corrente. Per estrarre i profili di drogaggio si sono misurati i valori di capacità in funzione della tensione per alcune strip. Nella seconda fase dello studio, si è sperimentato un setup di misura differente, per le stesse misure della prima fase, con l’intenzione di verificare se vi fosse un modo per accelerare la caratterizzazione, dato l’elevato numero di sensori da testare. Nella terza fase dello studio, i sensori, montati su una scheda elettronica di lettura dedicata, sono stati impulsati con un laser all’infrarosso veloce, per emulare il passaggio di particelle cariche; con questa tecnica, si è voluto misurare il profilo di risposta nella regione tra due strip adiacenti, e si è voluto indagare la propagazione del segnale lungo una singola strip, misurandone il ritardo. Per l’analisi dei dati raccolti con la probe station, si è utilizzato l’applicativo MatLab denominato Computational Tools For Sensor Analysis, sviluppato dal gruppo di fisica medica di Torino. Per l’analisi dei dati da misure con laser, si è, invece, usato un programma sviluppato in ambiente Root nell’ambito del lavoro di tesi.