Advances in calibration and tracking techniques for pixelated Si Timepix3 detectors
Thesis or Dissertation
Abstract(s)
Cette thèse présente un travail ciblé sur les fonctionnalités d’un détecteur Timepix3 (TPX3)
en ce qui concerne son utilisation dans le programme expérimental ATLAS-TPX3 au grand
collisionneur de hadrons. Une évaluation directe d’un TPX3-Si a été complétée, ciblant plusieurs
variables importantes connectées à la mesure du champ de radiation dans l’expérience
ATLAS, par des études de retraçage de particules, de spectrométrie, ainsi que de stabilité
du détecteur dans cet environment. Tout les résultats sont décrits dans trois publications
formant la base de cette oeuvre.
Le Timepix utilisé dans cette thèse consiste en un senseur de silicium ayant une épaisseur
de 500 μm divisée en 256 × 256 pixels. Chaque pixel a une aire de 55 × 55 μm^2.
La première étude porte sur la réponse du détecteur aux fluctuations de température
qui ont été étudiées avec le but de déterminer la stabilité du détecteur dans le vide ainsi
que dans des environments ou des situations dans lesquels les températures de matériaux
entrant en contact avec le détecteur sont variables. Il a été observé que l’augmentation de
la température correspond à une croissance dans la taille des amas de pixels. Cela indique
que la température réduit le biais effectif interne, ce qui a comme conséquence la diminution
de la zone de désertion, par la suite réduisant le champ électrique auquel sont soumis les
porteurs de charge.
La deuxième étude vise à déterminer les paramètres affectant le regroupement des amas
de pixels (clustering). Une technique impliquant l’utilisation de plusieurs faisceaux d’ions
est appliquée pour déterminer l’effet de l’énergie ainsi que de la masse d’une particule sur la
taille des amas de pixels, avec le résultat que les énergies plus élevées produisent des amas plus grands. Pourtant, il est aussi trouvé que la taille des amas s’accroit aussi selon la masse
des ions, bien que plus faiblement. Ces résultats ont des conséquences sur les algorithmes de
retraçage qui sont cruciaux pour l’identification des particules.
La troisième étude décrit une évolution de la présente technique d’étalonnage en énergie
utilisée dans le réseau de détecteurs ATLAS-TPX3. Des protons possédant des énergies entre
2-4 MeV sont utilisés comme particules d’étalonnage, dans le but de réduire la saturation
de charge qui se produit aux énergies élevées dans chaque pixel, étant vue dans la technique
d’étalonnage conventionnelle. Pour déveloper une extension de cette technique pixel-parpixel,
seules les hauteurs d’amas de ces protons sont gardées dans les amas, avec leurs
énergies corrigées pour ajuster pour la perte de charge causée par la saturation. Appliquant
ce nouvel étalonnage à des protons dans la gamme énergétique de 1,3 à 8,4 MeV, l’énergie
reconstruite s’approche de la vraie valeur à 30% en moyenne. Les ions de lithium et de
carbone dans la gamme énergétique de 8 à 25 MeV ont également été mesurés avec des
énergies reconstruites améliorées. This thesis presents research focused on the functionalities of a Tmepix3 (TPX3) detector
as they relate to the operation of this device in the ATLAS-TPX3 experimental program at
the Large Hadron Collider. A direct testing of one TPX3-Si detector is performed, focusing
on several important variables relevant to the measurement of the radiation field in ATLAS
through tracking and spectrometry, as well as stability of the detector in that environment.
All results are described in the three publications which form the basis of this work.
This Timepix3 detector consists of a segmented Si sensor layer with a thickness of 500
μm divided into 256 × 256 pixels. Each pixel has an area of 55 × 55 μm^2.
The first study deals with the detector’s response to temperature fluctuations that were
studied with the aim of determining the detector’s stability in vacuum as well as in environments
or situations where contact temperatures can vary. It has been observed that
temperature increases correspond to larger clusters and lower measured energies for protons
measured over the course of this temperature increase. This indicates that, in effect,
the temperature reduces the internal bias, decreasing the size of the depletion region and
weakening the electric field to which charge carriers are subjected.
The second study focuses on parameters that affect clustering. A technique involving the
use of multiple ions is developed to determine the respective independent effect of energy as
well as particle mass on the sizes of clusters produced by those ions. It is found that energy is
the primary driver in determining cluster sizes, with higher energy particles producing larger
clusters. However, it is also determined that cluster size increases as ion mass increases, albeit much more weakly. This has implications for tracking algorithms which are crucial to particle
identification efforts.
The third study focuses on an adaptation to the current conventional energy calibration
procedure used in the ATLAS-TPX3 network of detectors. Protons with energies between
2-4 MeV are used as calibration particles in order to reduce the impact of charge saturation
that occurs at high per-pixel energies, seen in the conventional calibration. To achieve an
extension to the current per-pixel technique, only the cluster heights of these protons are
kept in the clusters, with their energies corrected to compensate for the lost charge due
to saturation. When applying this new calibration to protons in the energy range of 1.3 -
8.4 MeV, the energy that is reconstructed approaches the true energy by 30% on average.
Likewise, Li and C ions with energies in the range of 8 - 25 MeV were also measured with
similarly improved energy reconstructions.
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