"Silizium Sensoren für die Upgrades des CMS Pixeldetektors"

"Silicon Sensors for the Upgrades of the CMS Pixel Detector"

Kurzfassung

Der Compact Muon Solenoid (CMS) ist ein Universaldetektor am Large Hadron Collider (LHC). Die Luminositaet des LHC wird durch Arbeiten am Beschleuinger und seines Injektors kontinuierlich erhoeht. Zwei wichtige Upgrades werden in den naechsten Jahren stattfinden. Das erste Upgrade betrifft den LHC Injektor und erlaubt es eine Luminositaet von etwa 2×10³⁴ cm⁻² s⁻¹ zu erreichen. In einem weiteren Schritt wird die Luminositaet des LHC weiter auf 5×10³⁴ cm⁻² s⁻¹ erhoeht. Als eine Konsequenz der h ̈oheren Luminositaet muessen ebenfalls die Detektoren verbessert werden. Der CMS Pixeldetektor wird in den naechsten Jahren zwei Upgrades erfahren. Das erste Upgrade (Phase-I) umfasst die vollstaendige Ersetzung des aktuellen Pixeldetektors im Winter 2016/2017. Der verbesserte Pixeldetektor wird neue Ausleseelektronik besitzen, die eine effiziente Datennahme bis zu einer Luminositaet von ×10³⁴ cm⁻² s⁻¹ erlaubt. Diese Luminositaet entspricht der doppelten Designluminositaet des LHC. Die Module, die den vollen Detektor bilden, werden an unterschiedlichen Instituten produziert. Hamburg (Universitaet und DESY) ist dabei verantwortlich fuer die Produktion von 350 Pixelmodulen. Das zweite Upgrade (Phase-II) des Pixeldetektors ist fuer das Jahr 2025 geplant. Die innerste Pixellage des Phase-II Detektors wird nach einer integrierten Luminositaet von 3000 fbs⁻¹ Strahlenschaeden entsprechend einer Aquivalenzfluenz von Φ eq = 2×10¹⁶cm⁻² und einer Dosis von ≈ 10 MGy aufweisen. Verschiedene Arbeitsgruppen untersuchen Sensordesigns und Bauformen, die in der Lage sind einer so hohen Dosis und einem so grossen Fluenz standzuhalten. Die vorliegende Arbeit ist in zwei Teile aufgeteilt, die sich mit wichtigen Aspekten der verschiedenen Upgrades des CMS Pixeldetektors befassen. Fuer das Phase-I-Upgrade wurde ein Versuchsaufbau entwickelt, der es ermoeglicht, eine absolute Energiekalibration der Pixelmodule durchzufuehren. Die Kalibration wird mit Hilfe von monochromatischer Roentgenstrahlung erzielt. Der gleiche Aufbau wird dazu genutzt, die Zwischenspeicherfaehigkeiten des Auslesechips der Module zu testen. Die maximale Rate, der die in Hamburg gebauten Module ausgesetzt sein werden, betraegt 120 MHz/cm². Die Moduleffizienz wurde bei dieser Rate zu 99% bestimmt. In Hinblick auf die Modulmassenproduktion wurde die Energiekalibration automatisiert. Die Modulproduktion, die dem Hamburger Produktionszentrum zugeordnet wurde, sollten bis Ende Februar 2016 abgeschlossen sein. Bezueglich des Phase-II-Upgrades wurden 100 μm dicke Siliziumsensoren mit Protonen entsprechend Φ_eq = 1.3×10¹⁶cm⁻² bestrahlt und charakterisiert. Die Ladungssammlungseffizienz wurde mit Hilfe von Pad-Dioden gemessen. Effekte der Ladungsvervielfachung wurden sowohl in n- als auch p-bulk Sensoren beobachtet. P-bulk Streifensensoren, die eine aktive Dicke von 100 und 200 μm aufweisen, wurden in Teststrahlmessungen charakterisiert. Das Signal dieser Sensoren liegt nach einer Bestrahlung entsprechend eines Fluenz von 1.3×10¹⁶cm⁻² zwischen 4000 und 5000 e⁻. Die 200 μm dicken Sensoren benoetigen dabei eine hoehere Betriebsspannung als die 100 μm dicken Sensoren um dieselbe Signalhoehe zu erreichen. Der noetige Schwellwert, um eine Nachweiseffizienz von 95% zu erzielen, wurde fuer die 100 μm dicken Sensoren zu etwa 2000 e⁻ bestimmt.

Titel

Kurzfassung

Summary

The Compact Muon Solenoid (CMS) is a general purpose detector at the Large Hadron Collider (LHC). The LHC luminosity is constantly increased through upgrades of the accelerator and its injection chain. Two major upgrades will take place in the next years. The first upgrade involves the LHC injector chain and allows the collider to achieve a luminosity of about 2×10³⁴ cm⁻² s⁻¹. A further upgrade of the LHC foreseen for 2025 will boost its luminosity to 5×10³⁴ cm⁻² s⁻¹. As a consequence of the increased luminosity, the detectors need to be upgraded. In particular, the CMS pixel detector will undergo two upgrades in the next years. The first upgrade (phase I) consists in the substitution of the current pixel detector in winter 2016/2017. The upgraded pixel detector will implement new readout electronics that allow efficient data taking up to a luminosity of 2×10³⁴ cm⁻² s⁻¹, twice as much as the LHC design luminosity. The modules that will constitute the upgraded detector are being produced at different institutes. Hamburg (University and DESY) is responsible for the production of 350 pixel modules. The second upgrade (phase II) of the pixel detector is foreseen for 2025. The innermost pixel layer of the upgraded detector will accumulate a radiation damage corresponding to an equivalent fluence of Φ_eq = 2×10¹⁶cm⁻² and a dose of ≈ 10 MGy after an integrated luminosity of 3000 fbs⁻¹. Several groups are investigating sensor designs and configurations able to withstand such high doses and fluences. This work is divided into two parts related to important aspects of the upgrades of the CMS pixel detector. For the phase I upgrade, a setup has been developed to provide an absolute energy calibration of the pixel modules that will constitute the detector. The calibration is obtained using monochromatic X-rays. The same setup is used to test the buffering capabilities of the modules’ readout chip. The maximum rate experienced by the modules produced in Hamburg will be 120 MHz/cm². For this rate the modules’ efficiency has been measured to be 99%. In view of the module production, the energy calibration procedure has been automated. The modules assigned to the Hamburg production center should be completed by the end of February 2016. For the phase II upgrade, thin silicon sensors with an active thickness of 100 μm irradiated with protons up to Φ_eq = 1.3×10¹⁶cm⁻² have been characterized. The charge collection efficiency has been measured using pad diodes. Charge multiplication effects have been observed for both n- and p-bulk sensors. P-bulk strip sensors with an active thickness of 100 and 200 μm have been characterized with a beam test. The signal of these sensors lies between 4000 and 5000e⁻ after a fluence of 1.3×10¹⁶cm⁻². The 200 μm thick sensors require a higher bias voltage than the 100 μm thick sensors to reach this signal height. The threshold necessary to obtain 95% detection efficiency is found to be around 2000 e⁻ for the 100 μm thick sensors.