Strålingsharde pikselsensorer til oppgradering av ATLAS

100 meter under bakken ved grensen mellom Sveits og Frankrike ligger ATLAS-detektoren ved CERN. ATLAS identifiserer og måler energien til de ulike partiklene som skapes i partikkelkollisjonene i Large Hadron Collider (LHC), verdens største partikkelakselerator. I LHC akselereres partikler til nær lysets hastighet før de kollideres. Disse kollisjonene skjer ofte—600 millioner ganger hvert sekund—for å øke sjansen for å observere eksotiske partikler. Dette gjør det mulig for forskere å studere grunnleggende partikkelfysikk og lete etter nye fenomener.

I ATLAS blir partiklene først detektert i det innerste systemet, som består av silisium-pikseldetektorer. I 2026 skal disse detektorene oppgraderes for å møte kravene i neste fase av LHC med høyere intensitet. Dette krever utvikling av ny sensorteknologi som må tåle det enorme strålingsnivået som oppstår.

I avhandlingen undersøkes silisium-pikselsensorer produsert av SINTEF. Sensorene er basert på et innovativt design der diodestrukturer etses dypt inn i sensormaterialet i et såkalt "3D"-design. Dette gjør dem mer motstandsdyktige mot stråleskader. Sensorene ble bestrålt til høye strålingsdoser, og ytelsen deres ble deretter målt i eksperimenter ved CERN. Resultatene viser at disse sensorene opprettholder høy effektivitet etter bestråling og oppfyller spesifikasjonene satt av ATLAS.

Videre karakteriseres ATLAS-versjonen av utlesningschipen som skal kobles til disse 3D-sensorene. Chipens hastighet og jordingsforskjeller ble studert ved å injisere ladninger i utlesningselektronikken. I tillegg ble en alternativ sensor for chipen undersøkt, hvor selen brukes i stedet for silisium. Denne detektoren ble testet med en radioaktiv kilde for å utforske nye bruksområder, som i fremtidige partikkelakseleratorer eller innen medisinsk avbildning.

Dette arbeidet bidrar til utviklingen av ny sensor- og chipteknologi, som er nødvendig for å oppgradere ATLAS-detektoren og møte utfordringene ved High-Luminosity LHC.

Personalia

Simon Kristian Huiberts (f. 1992) fullførte i 2018 en mastergrad i medisinsk fysikk og teknologi ved Universitet i Bergen. Fra 2019 til 2024 har han arbeidet som doktorgradsstipendiat i subatomær fysikk ved UiB. Under doktorgradsarbeidet ble han tildelt Peder Sather Grant Award og var Visiting Scholar ved University of California, Berkeley, tilknyttet Lawrence Berkeley National Laboratory i USA. Hovedveiledere er professor Bjarne Stugu (UiB) og biveileder er professor Kjetil Ullaland (UiB).