Rozwój technologii czujników na potrzeby przyszłych doświadczeń
Finansowany ze środków Unii Europejskiej projekt AIDAinnova(odnośnik otworzy się w nowym oknie) jest wspólnym wysiłkiem czołowych europejskich ośrodków badawczych i instytucji akademickich, które wspólnie pracują nad przesunięciem granic technologii wykrywaczy cząstek. Projekt, w którym uczestniczyło 15 państw i CERN, opierał się na osiągnięciach poprzedniej inicjatywy - AIDA-2020. Kontynuując udoskonalanie wykrywaczy na potrzeby Wielkiego Zderzacza Hadronów i innych zderzaczy cząstek, zespół projektu AIDAinnova skupiał się także na przyszłych wyzwaniach, które obejmują opracowanie zaawansowanego oprzyrządowania dla potencjalnej fabryki Higgsa(odnośnik otworzy się w nowym oknie), zgodnie z niedawnym zaleceniem FCC-ee, przyczyniając się do rozwoju badań nad neutrinami i wzmacniając współpracę z przemysłem. „Wprowadziliśmy innowacje w zakresie technologii wykrywaczy i czujników obejmujące kategorie monolitycznych i hybrydowych czujników pikselowych, kalorymetrycznych, gazowych i kriogenicznych, a także elektroniki, mechaniki i oprogramowania wykorzystywanego w doświadczeniach dotyczących fizyki cząstek nowej generacji”, wyjaśnia Paolo Giacomelli, koordynator projektu.
Zaawansowane czujniki o wyższej tolerancji na promieniowanie
Prace badawcze skupiły się na ustaleniu, czy nowy rodzaj czujników - zubożone monolityczne czujniki z aktywnymi pikselami (DMAPS), które śledzą ścieżki cząstek powstałe podczas zderzeń wysokoenergetycznych, mogą spełnić rygorystyczne wymagania dotyczące osiągów przyszłych detektorów śledzących w zderzaczach cząstek. Badacze skupili się na ich tolerancji na oddziaływanie intensywnego promieniowania i wysokiej rozdzielczości przestrzennej. Wykorzystując zaawansowaną technologię CMOS, zespół zbudował i udoskonalił prototypy czujników DMAPS oparte na zaawansowanym procesie technologicznym. Testy rozwiązań wykazały doskonałą skuteczność wykrywania, precyzyjną rozdzielczość przestrzenną i stabilne osiągi przy ekstremalnych poziomach promieniowania przekraczających 10^15 neq/cm2. To przełomowe rozwiązanie charakteryzuje się wyjątkowym limitem tolerancji promieniowania, dzięki czemu czujniki DMAPS są dobrym kandydatem do wykorzystania w przyszłych systemach śledzenia. Trwają prace nad skalowaniem rozwiązania, a także optymalizacją i integracją tych czujników z większymi systemami.
Czujniki śledzące o wysokiej precyzji czasoprzestrzennej
Kolejnym działaniem zrealizowanym w ramach projektu było opracowanie czujników z aktywnymi pikselami, które łączą niezwykle wysoką rozdzielczość przestrzenną (rzędu mikrometrów) z ultraszybką rozdzielczością czasową (rzędu dziesiątek pikosekund) - taki poziom precyzji jest niezbędny do dokładnego odtworzenia trajektorii cząstek. Czujniki te są połączone z elektroniką gromadzącą dane w detektorach hybrydowych, które zbierają sygnały z wykrywającego cząstki czujnika o wysokiej oporności. Naukowcy pracowali nad detektorami hybrydowymi, ponieważ są one obecnie jedyną technologią, która zapewnia taki poziom precyzji. Zespół opracował zaawansowane diody lawinowe o niskim wzmocnieniu (LGAD) (występujące w czujnikach o wysokiej oporności) w celu wzmacniania sygnałów cząstek i uzyskania ulepszonych trójwymiarowych struktur pikseli w celu zwiększenia dokładności pomiaru czasu. Ponadto badacze opracowali nowe metody połączeń między LGAD a czujnikami z aktywnymi pikselami, takie jak anizotropowe folie przewodzące, pasty i łączenie wafli krzemowych.
Zrównoważona technologia wykrywaczy gazu
Innym ważnym zagadnieniem było opracowanie przyjaznych dla środowiska mieszanek gazowych na potrzeby przyszłych wykrywaczy gazu, aby zastąpić obecnie wykorzystywane i szkodliwe dla środowiska rozwiązania zawierające gazy cieplarniane i substancje fluorowane. Zespół współpracował również z przemysłem w celu opracowania nowego typu czujnika gazu z mikrowzorami (MPGD). „To istotny kamień milowy w procesie transferu technologii ze środowiska akademickiego do przemysłu z istotnymi implikacjami - przyszłe czujniki gazu w dużej skali, składające się z mozaiki modułów MPGD, mogą być bezpośrednio produkowane przez przemysł. Technologia ta może być również dostosowana do wykorzystania w innych dziedzinach, w tym w obszarze bezpieczeństwa wewnętrznego oraz w opiece zdrowotnej”, zauważa Giacomelli.
Poprawa osiągów czujników
Zespół projektu AIDAInnova skupił się również na bardziej ryzykownych koncepcjach rozwoju technologii czujników, kładąc nacisk na weryfikację eksperymentalną zamiast na stopniowe ulepszenia. Sukcesem było opracowanie zaawansowanych czujników LGAD, które utrzymywały stabilne osiągi przy ekstremalnych poziomach promieniowania (do 5×10^15 neq/cm2), które poprawiły możliwości precyzyjnego pomiaru czasu na poziomy promieniowania wcześniej uważane za niedostępne dla czujników krzemowych wykorzystujących wzmacniacze. „Kolejnym osiągnięciem było opracowanie szybkiego bezprzewodowego systemu odczytu wykorzystującego łącza 60 GHz, umożliwiającego transmisję danych z przepustowością wielu gigabitów z niskim opóźnieniem i stabilnymi osiągami. Nasze rozwiązania są lepsze od dostępnych technologii, a obecnie nadal je rozwijamy na potrzeby przyszłych systemów czujników”, podsumowuje Giacomelli.
