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Rivelatori al silicio innovativi
I rivelatori al silicio svolgono un ruolo cruciale in molti rami della fisica sperimentale. In particolare, rappresentano la tecnologia di frontiera per la rivelazione e il tracciamento di radiazione e particelle cariche negli esperimenti di fisica delle alte energie, medica e spaziale. Il gruppo di rivelatori innovativi di silicio lavora allo sviluppo di rivelatori basati sulle tecnologie piu’ all’avanguardia nel campo: i sensori a pixel monolitici attivi di silicio (MAPS) e i Diodi a valanga a basso guadagno (LGAD).
I sensori MAPS incorporano il volume sensibile al passaggio della particella e la logica CMOS di elaborazione del segnale nello stesso cristallo di silicio, spesso in poche decine di micron di spessore. Nella versione piu’ avanzata, ogni pixel monolitico misura solo 20 micron di lato e ospita decine di transistor, permettendo la raccolta, la discriminazione, il campionamento e la memorizzazione del segnale di carica generato dal passaggio della particella, a fronte di un rumore minimo e di un consumo di potenza molto contenuto.
La possibilita’ di assottigliare i sensori fino a meno di 50 micron inoltre, permette di costruire dei sensori flessibili che possono assumere geometrie non planari, dalla forma perfettamente cilindrica adatta ai tracciatori degli esperimenti ai collisionatori di particelle, fino a forme piu’ fantasiose, adatte ad applicazioni specifiche. La tecnica dello stitching (cucitura), disponibile per la produzione dei wafer MAPS, permette inoltre di realizzare sensori a grande area, fino a 25 cm per 10 cm, che funzionano come singola unita’ e devono essere alimentati e contattati solo dalle due estremita’.
La struttura risultante e’ un rivelatore leggerissimo e perfettamente cilindrico, in cui il solo materiale che rimane sulla strada delle particelle e’ il silicio attivo, oltre ai sottili profili in fibra di carbonio che permettono di connetterli meccanicamente al resto dell’apparato. Tutte queste caratteristiche permettono di tracciare le particelle e di ricostruire i vertici primari di produzione e quelli secondari di decadimento con precisione dell’ordine di 10 micron.
Il rivelatore attualmente in fase di sviluppo e’ l’Inner Tracking System 3 - ITS3 dell’esperimento ALICE a LHC (CERN). A Trieste sono stati realizzati i primi prototipi curvati e sono stati caratterizzati. Lo sviluppo delle nuove generazioni di prototipi del sensore in processo CMOS TPSco a 65 nm e la loro caratterizzazione continua con la misura delle soglie, del rumore e della risposta in energia allo stimolo esterno indotto da sorgenti radioattive come 55Fe e da fluorescenza a raggi X, utilizzando le nuove generazioni di sensori che porteranno nel 2026 alla costruzione e all’installazione del rivelatore finale in ALICE.
La stessa tecnologia sara’ poi evoluta per il futuro esperimento ALICE 3 che prendera’ il posto di quello attuale a LHC nel 2035: condizioni estreme in termini di numero di particelle da rivelare per unita’ di area, tolleranza alle radiazioni, e brevissimi tempi di risposta, richiedono una serrata campagna di ricerca e sviluppo nei prossimi anni per raggiungere i risultati voluti. I sensori sviluppati per l’ITS3, inoltre, andranno a popolare il tracciatore di vertice dell'esperimento ePIC presso il collisionatore di elettroni e ioni EIC attualmente in costruzione ai laboratori BNL di Brookhaven, NY, USA.
Inoltre, numerose applicazioni di questa stessa tecnologia nei campi dell’osservazione spaziale e della fisica medica sono attualmente in fase di progettazione.
Info
Ultimo aggiornamento: 13-05-2024 - 10:50
