Kurzfassung
The aim of this work is to evaluate the performance of planar hybrid pixel detectors designed for the High-Luminosity (HL-LHC) Upgrade of the Inner Tracker of the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment at CERN. The HL-LHC will deliver a peak instantaneous luminosity of 7.5 × 10^34 cm^−2 s^−1, resulting in a total expected fluence for planar sensors of around ϕeq = 1 × 10^16 cm^−2 after an integrated luminosity of 3000 fb^−1.
To operate under such extreme radiation levels and high track densities, the new n+-in-p sensors will feature pixels with pitches of 25 × 100 µm^2, covering an area six times smaller than their Phase-1 counterparts. This work focuses on the characterization of 150 µm thick planar sensors manufactured by Hamamatsu Photonics K.K. These sensors are bump-bonded to the RD53B CMS readout chip and tested using a 5.2 GeV electron beam at the DESY II test beam facility. Key observables such as cluster size, noise, threshold, hit efficiency, and spatial resolution are measured as a function of both the applied bias voltage and the beam incidence angle.
The modules are characterized before and after irradiation with 24 GeV/c protons to fluences up to ϕeq = 1 × 10^16 cm^−2. For perpendicular incidence, hit efficiencies exceeding the corresponding fluence-dependent benchmarks are achieved for bias voltages as low as 5 V before irradiation, and in the range of 400 V–500 V after irradiation, for all thresholds under study, while keeping the amount of disabled pixels below the 1% limit, fulfilling the requirements for the second layer of the Phase-2 pixel detector. These measurements reveal that the optimal efficiency is achieved for a charge threshold of 1200 e− and a bias voltage of 600 V for all investigated fluences.
A spatial resolution of circa 3 µm was measured before irradiation at the optimal track incidence angle, degrading to about 4 µm after irradiation to the highest fluence under exam.
The characterization of these assemblies included in-depth studies of the correlation between crosstalk and readout timing in the first half-size demonstrator (RD53A) and in the pre-series version of the chips (RD53B CMS). By using the integrated charge injection circuit, crosstalk levels well-below the established 10% limit were measured for the optimal readout scheme, meeting the associated requirement.
Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Leistungsfähigkeit von planaren hybriden Pixeldetektoren, die für das High-Luminosity Upgrade (HL-LHC) des Inner Trackers des Compact Muon Solenoid (CMS) Experiments am CERN entwickelt wurden. Der HL-LHC hat eine maximale instantane Luminosität von bis zu 7.5 × 10^34 cm^−2 s^−1. Nach zehn Jahren Laufzeit entspricht dies einer integrierten Luminosität von 3000 fb^−1, was zu maximalen Fluenzen von ϕeq = 1 × 10^16 cm^−2 für planare Sensoren führt. Um unter solch extremen Strahlungsbedingungen und hohen Teilchendichten betrieben werden zu können, verfügen die neuen n+-in-p Sensoren über Pixel mit Abmessungen von 25 × 100 µm^2, die sechsmal kleiner als ihre Vorgänger in Phase-1. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Charakterisierung von 150 µm dicken planaren Sensoren, die von Hamamatsu Photonics K.K. hergestellt wurden. Die Sensoren wurden mit dem RD53B CMS-Auslesechip per fine pitch bump-bonding verbunden und mit einem 5.2 GeV Elektronenstrahl an der DESY-II-Teststrahlanlage vermessen. Wichtige Observablen wie Clustergröße, Rauschen, Schwellwert, Treffereffizienz und Ortsauflösung wurden in Abhängigkeit von angelegter Bias-Spannung und Einfallswinkel des Strahls untersucht. Die Module wurden vor und nach Bestrahlung mit 24 GeV/c Protonen bis zu Fluenzwerten von ϕeq = 1 × 10^15 cm^−2 charakterisiert. Für senkrechten Einfall wurden bereits bei Bias-Spannungen von 10 V vor Bestrahlung sowie im Bereich von 400 V bis 500 V nach Bestrahlung, für alle untersuchten Schwellwerte Effizienzen oberhalb der fluenzabhängigen Benchmarkwerte erreicht. Dabei blieb der Anteil maskierter Pixel stets unter 1 %, womit die Anforderungen für die zweite Lage des Phase-2-Pixeldetektors erfüllt werden. Es zeigte sich, dass die optimale Effizienz für einen Schwellwert von 1200 e− und eine Bias-Spannung von 600 V für alle betrachteten Fluenzwerte erreicht wird. Vor der Bestrahlung wurde eine Ortsauflösung von etwa 3 µm bei optimalem Einfallswinkel gemessen, die sich nach Bestrahlung bis zur höchsten untersuchten Fluenz auf etwa 4 µm verschlechtert. Die Charakterisierung dieser Module umfasste zudem detaillierte Untersuchungen der Korrelation zwischen Crosstalk und Auslesetiming sowohl im ersten halbgroßen Demonstratorchip (RD53A) als auch in der Vorserienversion (RD53B CMS). Unter Verwendung des integrierten Ladungsinjektionsschaltkreises konnten Crosstalk-Werte deutlich unterhalb der festgelegten Grenze von 10 % nachgewiesen werden, womit die entsprechenden Anforderungen erfüllt sind.