Um 2022 ist eine Aufrüstung des LHC und seiner Vorbeschleiniger geplant, um die Luminosität zu erhöhen. Diese Ausbaustufe heißt High Luminosity LHC, HL-LHC. Die höhere Luminosität bedeutet für die Experimente, dass sie mit einer höhren Zahl von Kollisionen pro Paketkreuzung arbeiten müssen und die höhere Strahlung des HL-LHC im Vergleich zum LHC überleben müssen. Vor allem die Spurdetektoren müssen dafür verbessert werden. Die höhere Anzahl von Spuren macht eine vergrößerte Zahl von Auslesekanälen und die höhre Strahlenbelastung neue Sensormaterialien notwendig. Innerhalb von CMS wurde eine Messkampagne gestartet, um verschiedene Siliziummaterialien nach einer hohen Strahlenbelastung zu testen. Um die erwartete Strahlung zu simulieren wurden die Teststrukturen mit Neutronen und mit Protonen niedriger und hoher Energie bestrahlt.
Die Strahlenschäden können in zwei Kategorien aufgeteilt werden: Erstens führt ionisierender Energieverslust in der Oberflächenisolationsschicht des Sensors zu einer Änderung der geladenen Zustände in der Sensoroberfläche und verändert damit das elektrische Feld im Sensor. Zweitens führt nicht ionisierender Energieverlust im Siliziummaterial zu einer Reihe von verschiedenen Defekten im Siliziumgitter. Elektrisch aktive Defekte können die Materialeigenschaften verändern. Die drei untersuchten Eigenschaften sind der Leckstrom, die Verarmungsspannung und die Ladungssammlung. Während der Leckstrom und die Verarmungsspannung die Verlustleistung und das Rauschen des Detektors beeinflussen, beeinflusst die gesammelte Ladung direkt die Messung. Zur Untersuchung der Materialeigenschaften wurden Flächensensoren und Streifensensoren verwandt. Die Teststrukturen wurden mit Neutronen und Protonen entsprechend der erwarteten Fluenzen an verschiedenen Radien des äusseren Spurdetektors nach 3000 fb$^{-1}$ bestrahlt und vor und nach Bestrahlung elektrisch charakterisiert. Die Messung der Ladungssammlung wurde hauptsächlich mit dem ALiBaVa Auslesesystem durchgeführt. Die Ladung wurde dabei mit Hilfe von β-Quellen und Lasern induziert.
Zusätzlich wurden Oberflächeneffekte untersucht. Es wurde ein großer Einfluss der Oberflächenbedingunden auf die Ladungssammlung und das Rauschen gefunden. Die Oberflächeneffekte sollten im Design der Siliziumsensoren berücksichtigt werden.
Around 2022, an upgrade of the LHC collider complex is planned to significantly increase the luminosity $($the High Luminosity LHC, HL-LHC$)$. This means that the experiments have to cope with a higher number of collisions per bunch crossing and survive in a radiation environment much harsher than that at the present LHC. Especially the tracking detectors have to be improved for the HL-LHC. The increased number of tracks requires an increase of the number of readout channels while the higher radiation makes new sensor materials necessary. Within CMS, a measurement campaign was initiated to study the performance of different silicon materials in a corresponding radiation environment. To simulate the expected radiation the samples were irradiated with neutrons and with protons with two different energies.
Radiation damage can be divided in two categories. First, ionizing energy loss in the surface isolation layers of the sensor leads to a change of the concentration of charged states in the sensor surface and therefore alters the distribution of the electrical fields in the sensor. Second, non-ionizing energy loss in the bulk of the sensor material leads to a variety of defects in the silicon lattice. Electrically active defects can influence the material properties. The three properties under investigation are the reverse current, the full depletion voltage and the charge collection. While the reverse current and full depletion voltage influence the power dissipation and the noise of the detector, the charge collection directly influences the measurement. The material properties were studied using pad and strip sensor. The structures were electrically characterized before and after irradiation with different fluences of neutrons and protons, corresponding to the expected fluences at different radii of the outer tracker after 3000 fb$^{-1}$. The charge collection measurements were mainly performed using the ALiBaVa readout system and the charge was induced with β-sources and lasers.
In addition to the bulk properties, surface effects were studied. It was found that surface conditions have a great influence on the charge collection as well as on the noise and therefore have to be considered in the design of silicon sensors.