Sviluppo di Ultra-Fast Silicon Detectors per misure di tempo ad High-Luminosity LHC

The future High-Luminosity LHC (HL-LHC) environment will require substantial upgrades to its experiments in order to maintain their current performances. The addition of the timing information in the reconstruction process is one of the key items to achieve this goal. A Timing Detector has therefore been proposed to be installed in the CMS Detector, both in the Barrel and in the Endcap regions, for the beginning of HL-LHC operations. This Thesis deals with the development of Ultra-Fast Silicon Detectors (UFSDs), that have been chosen as reference solution for the Endcap region of the CMS Timing Detector. The UFSDs are thin Silicon sensors, based on the Low-Gain Avalanche Diode technology, which, due to a moderate internal gain, provide fast, low-jitter rising pulse edge. The sensors for the Endcap Timing layer are required to provide a time resolution of 30-50 ps and to survive a radiation fluence of about 1.5x1015 neq/cm2 . The first chapter of this work explains the need of a Timing detector at CMS and clarifies the specifications such a detector should fulfill, while the second chapter describes in detail the characteristics of UFSDs and their potential use at LHC. The third chapter presents several kinds of measurements to characterize the UFSDs. In particular, the methodology and the results obtained with the Transient Current Technique (TCT) setup, an innovative tool used for precision measurements on Silicon devices, are shown and discussed. Moreover, in the second part of the chapter, the measurements performed at Fermi National Laboratory during a beam test with 120 GeV protons, both on irradiated and unirradiated sensors, are presented. In the fourth chapter the overall results of the performed measurements are discussed. The main results of this work are summarized in the following: - UFSDs provide the desired time resolution of 30-50 ps. - The internal gain mechanism of UFSD is affected by large exposures to radiation, but, increasing the bias voltage, the target time resolution can still be reached by sensors irradiated to fluences up to 3x1015 neq/cm2. - The test beam and the TCT measurements have showed differences of about 20 ps in the Time of Arrival of signals coming from regions of the sensor with or without a superficial metalization. The effect of superficial metalization are subject of further ongoing studies to decide whether or not this metalization process should be implemented in the final production. - The TCT technique has proved to be a valuable method to study with a spatial resolution of 10 micron the fine structure of the sensor layout. This will be crucial for the development of the future multipad structures of the Endcap Timing Detector.

Le future condizioni di High-Luminosity LHC (HL-LHC) richiederanno ai suoi esperimenti degli upgrade fondamentali affinché vengano mantenute le attuali prestazioni. L'aggiunta di un'informazione temporale nel processo di ricostruzione è uno degli elementi chiave per raggiungere questo obiettivo. E' stato perciò proposto di installare un Timing Detector nel rivelatore di CMS, sia nella regione di barrel che in quelle di endcap, per l'inizio delle operazioni di HL-LHC. Questo lavoro di tesi tratta lo sviluppo degli Ultra-Fast Silicon Detectors (UFSDs), che sono stati scelti come soluzione di riferimento per la regione di endcap del Timing Detector di CMS. Gli UFSDs sono sensori al Silicio sottili, basati sulla tecnologia Low-Gain Avalanche Diode, che, grazie ad un guadagno interno moderato, forniscono un fronte di salita del segnale veloce ed a basso jitter. E' richiesto che i sensori per il Timing Layer nella regione di endcap forniscano una risoluzione temporale di 30-50 ps e che sopravvivano a fluenze di radiazioni di circa 1.5x1015 neq/cm2 . Il primo capitolo di questo lavoro spiega perché sia necessario un rivelatore di tempo a CMS e chiarisce le specifiche che un tale rivelatore deve soddisfare, mentre il secondo capitolo descrive in dettaglio le caratteristiche degli UFSD e i loro potenziale impiego a LHC. Il terzo capitolo presenta diversi tipi di misure per caratterizzare gli UFSD. In particolare, la metodologia e i risultati ottenuti con il Transient Current Technique (TCT) setup, uno strumento innovativo usato per fare misure di precisione su rivelatori al Silicio, sono mostrati e discussi. In aggiunta, nella seconda parte del capitolo, sono presentate le misure che sono state fatte al Fermi National Laboratory durante un beam test con protoni da 120 GeV, sia su sensori irraggiati che non irraggiati. Nel quarto capitolo i risultati di queste misure sono discussi. I risultati principali di questo lavoro possono essere riassunti come segue: - Gli UFSD forniscono la risoluzione temporale richiesta di 30-50 ps. - Il meccanismo di guadagno interno degli UFSD è modificato da grandi esposizioni alle radiazioni, ma, aumentando il bias voltage, la risoluzione temporale desiderata può comunque essere raggiunta da sensori irraggiati a fluenze fino a 3x1015 neq/cm2. - Le misure del test beam e della TCT hanno mostrato delle differenze di circa 20 ps nel Time of Arrival dei segnali provenienti da regioni del sensore con o senza metallizzazione superficiale. L'effetto della metallizzazione superficiale è ancora oggetto di studi per decidere se il processo di metallizzazione debba essere implementato nella produzione finale o meno. - La tecnica della TCT ha dimostrato di essere un metodo funzionante per studiare, con una risoluzione spaziale di 10 micron, la struttura fine del sensore. Questo sarà cruciale per lo sviluppo delle future strutture a multipad per l'Endcap Timing Detector.