Advances in calibration and tracking techniques for pixelated Si Timepix3 detectors

Abstract

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.