Detektorentwicklung für den High Luminosity Large Hadron Collider

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1 Detektorentwicklung für den High Luminosity Large Hadron Collider Dr. Julia Rieger II. Physikalisches Institut, Georg-August-Universität Göttingen

2 Julia Rieger 2 / 26 Inhalt 1. Large Hadron Collider und ATLAS Experiment 2. High Luminosity Large Hadron Collider 3. Module mit aktiven CMOS-Sensoren Aufbau Auslesesystem Parameterstudien Teststrahlmessungen 4. Zusammenfassung und Ausblick

3 Large Hadron Collider und ATLAS Experiment Julia Rieger 3 / 26

4 Large Hadron Collider Proton-Proton-Beschleuniger am CERN nahe Genf Ziele: Überprüfung des Standardmodells und Nachweis des Higgs-Bosons X Higgs-Boson-Entdeckung in 212 Suche nach neuer Physik (Erweiterungen des SM, Dunkle Materie u.v.m.) Schwerpunktsenergie s = 13 TeV cm 2 s 1 Teilchenpakete 264 je 111 Protonen 34 Luminosität L = 1 Ereignisrate 4 MHz Etwa 25 Kollision pro Ereignis Julia Rieger 4 / 26

5 Julia Rieger 5 / 26 ATLAS Detektor Spurdetektoren Kalorimeter Myondetektoren Magnetsystem Triggersystem

6 Julia Rieger 5 / 26 ATLAS Detektor Spurdetektoren Kalorimeter Myondetektoren Magnetsystem Triggersystem Anforderungen: Messung der charakteristischen Größen erzeugter Teilchen: Energie und Impuls Identifikation von Signaturen charakteristischer Physikprozesse: Fehlender transversaler Impuls und Sekundärvertices (b-tagging)

7 ATLAS Pixeldetektor Sensitive Fläche 1,7 m2 Sensor-Chip-Hybridmodule Erweiterung 214: Insertable B-Layer (IBL) Julia Rieger 6 / 26

8 ATLAS Pixeldetektor Sensitive Fläche 1,7 m2 Sensor-Chip-Hybridmodule Erweiterung 214: Insertable B-Layer (IBL) Julia Rieger 6 / 26

9 Julia Rieger 7 / 26 ATLAS Pixeldetektor Signal und Auslese Signalerzeugung: Teilchen: Elektron-Loch-Paaren E-Feld: Drift der Ladungen zu Elektrode Signalinfluenz

10 Julia Rieger 7 / 26 ATLAS Pixeldetektor Signal und Auslese Signalerzeugung: Teilchen: Elektron-Loch-Paaren E-Feld: Drift der Ladungen zu Elektrode Signalinfluenz Verstärkerausgang Schwelle Diskriminatorausgang Auslese: Nullunterdrückung Verstärker: Signalformung Diskriminator: Vergleich Signal/Schwelle Time-over-Threshold (ToT )

11 High Luminosity Large Hadron Collider Julia Rieger 8 / 26

12 High Luminosity Large Hadron Collider Maximierung des Entdeckungspotential des LHCs Entdeckung von seltenen Prozessen Hohe Luminosität Ausbau zum HL-LHC dn dt = L σ L=6x1 cm s L~1x1 cm s L~2x1 cm s L~5-7x1 cm s s=7-8 TeV s=13-14 TeV s=14 TeV s=14 TeV (IBL) (HL-LHC) Julia Rieger 9 / 26

13 High Luminosity Large Hadron Collider Maximierung des Entdeckungspotential des LHCs Entdeckung von seltenen Prozessen Hohe Luminosität Ausbau zum HL-LHC dn dt = L σ L=6x1 cm s L~1x1 cm s L~2x1 cm s L~5-7x1 cm s s=7-8 TeV s=13-14 TeV s=14 TeV s=14 TeV (IBL) (HL-LHC) Neue Detektorherausforderungen Sehr hoher Teilchenfluss und Spurdichte Bis zu 2 Kollision pro Ereignis Julia Rieger 9 / 26

14 ATLAS Inner Tracker Hohe Anforderungen an Spurdetektor > 1 Spuren pro Rapiditätseinheit Anforderungen zu hoch für jetztigen Spurdetektor Neuer ATLAS Inner Tracker (ITk) Julia Rieger 1 / 26

15 ATLAS Inner Tracker Hohe Anforderungen an Spurdetektor > 1 Spuren pro Rapiditätseinheit Anforderungen zu hoch für jetztigen Spurdetektor Neuer ATLAS Inner Tracker (ITk) Anforderungen abhängig von Abstand zum Wechselwirkungspunkt: Innerste Lage: Fluenz 1, neq /cm2 Strahlenhärte Äußere Lagen: Fluenz 1, neq /cm2 ( IBL) Große Fläche O(1 m2 ) Kosteneffizienz Julia Rieger 1 / 26

16 Julia Rieger 11 / 26 Pixeltechnologien Aktiver CMOS-Sensor mit kapazitiv gekoppeltem FE-I4-Auslesechip Neue Technologie in Hochenergiephysik

17 Module mit aktiven CMOS-Sensoren Julia Rieger 12 / 26

18 Julia Rieger 13 / 26 HV2FEI4v2-Modul CMOS-Sensoren: Industrielle Herstellung Sensorproduktion auf größeren Wafern (8 oder 12 ) Reduktion der Modulkosten um Faktor 4

19 Julia Rieger 13 / 26 HV2FEI4v2-Modul CMOS-Sensoren: Industrielle Herstellung Sensorproduktion auf größeren Wafern (8 oder 12 ) Reduktion der Modulkosten um Faktor 4 Kapazitive Kopplung HV2FEI4v2-CMOS-Sensor AMS 18 nm HVCMOS-Prozess 1 µm Depletionszone CMOS-Transistor-Logik mit Verstärker und Komparator Pixelgröße µm 2 FE-I4-Auslesechip Pixelgröße 25 5 µm 2

20 Subpixelzuordnung und Pixelaufbau Julia Rieger 14 / 26 Verbindung: 3 Sensorpixel zu 1 FE-I4-Pixel Codierung der Subpixelposition durch Signalamplitude Globale Einstellung der Amplitude: VNOut1/2/3 FE-I4: Subpixelsignal als ToT

21 Subpixelzuordnung und Pixelaufbau Julia Rieger 14 / 26 Verbindung: 3 Sensorpixel zu 1 FE-I4-Pixel Codierung der Subpixelposition durch Signalamplitude Globale Einstellung der Amplitude: VNOut1/2/3 FE-I4: Subpixelsignal als ToT Einstellung Transistor-Arbeitspunkte: Schieberegister und externe Spannungen Wichtige Parameter: Externe Schwellenspannung Th Feedbackstrom VNFB

22 USBpix-Auslesesystem Digitale Kommunikation Versorgungsspannungen Für verschiedene Prototypen verwendbar Software: STcontrol Julia Rieger 15 / 26

23 USBpix-Auslesesystem Digitale Kommunikation Versorgungsspannungen Für verschiedene Prototypen verwendbar Software: STcontrol Implementation der HV2FEI4v2-Funktionalität Gleichzeitiger Zugriff auf Sensor- und FE-I4-Parameter Tuning der FE-I4-Antwort auf HV2FEI4v2-Signal Julia Rieger 15 / 26

24 Julia Rieger 16 / 26 Parameterstudien Zahlreiche Parameterstudien Ausführliche Untersuchung der Komparatorschwelle Externe Schwellenspannung (Th) Feedback-Parameter (VNFB) Threshold Equivalent Voltage [V] Fehlerbalken=Breite VNFB External Threshold Voltage [V]

25 Julia Rieger 16 / 26 Parameterstudien Zahlreiche Parameterstudien Ausführliche Untersuchung der Komparatorschwelle Externe Schwellenspannung (Th) Feedback-Parameter (VNFB) Threshold Equivalent Voltage [V] Fehlerbalken=Breite VNFB External Threshold Voltage [V] Ergebnisse Optimales Schwelle-zu-Rausch-Verhältnis 6,25 Minimale stabile Schwelle 1e (ca. MIP-Signal in 1 µm Si)

26 Julia Rieger 17 / 26 Subpixeleinstellung Fehlerbalken=Breite Kleiner VNOut-Bereich mit Änderung des ToT [a.u.] ToT Code VNOut1 VNOut2 VNOut VNOut [DAC]

27 Julia Rieger 17 / 26 Subpixeleinstellung Kleiner VNOut-Bereich mit Änderung des ToT VNOut-Tuning Ergebnis: Unterschiedliche ToT -Signale für drei Subpixeltypen [a.u.] ToT Code Fehlerbalken=Breite VNOut1 4 VNOut2 2 VNOut VNOut [DAC] VNOut3 # VNOut1 VNOut2 VNOut3 VNOut VNOut ToT Code [a.u.]

28 Julia Rieger 18 / 26 Teststrahl: Aufbau DESY: 4 GeV Elektronen Teleskop: EUDET DUT: HV2FEI4 v2 Referenz: IBL-Modul Spurrekonstruktion und Alignment mit EUTelescope Analyse mit TBmonII Referenzmodul DUT (Device Under Test)

29 Teststrahl: Aufbau DESY: 4 GeV Elektronen Teleskop: EUDET DUT: HV2FEI4 v2 Referenz: IBL-Modul Spurrekonstruktion und Alignment mit EUTelescope Analyse mit TBmonII Messprogramm: Auflösung #Gute Spuren mit Treffer Treffereffizienz = #Gute Spuren Gute Spuren: Anforderungen an Region, Pixelverhalten, Timing Referenzmodul DUT (Device Under Test) Julia Rieger 18 / 26

30 Julia Rieger 19 / 26 Teststrahl: Messungen Ausführliche Studien mit einem Subpixeltypen u. a. Effizienz sinkt mit steigender Komparatorschwelle Efficiency External Threshold Voltage [V]

31 Teststrahl: Messungen Ausführliche Studien mit einem Subpixeltypen u. a. Effizienz sinkt mit steigender Komparatorschwelle Efficiency Studien mit allen Subpixeltypen Neu: Subpixelzuordnung Einführung Likelihood-Methode (ToT und Lvl1) Verbessung zur Methode mit Schnitten (nur ToT ) External Threshold Voltage [V] Matched Hits Lvl1 [25 ns] Matched Hits Lvl1 [25 ns] Matched Hits Lvl1 [25 ns] Matched Cluster ToT [25 ns] Matched Cluster ToT [25 ns] Matched Cluster ToT [25 ns] Julia Rieger 19 / 26

32 Julia Rieger 2 / 26 Auflösung Entries 3 25 Entries X Residual [µm] Standardabweichung: Pixelauflösung Teleskopauflösung Einzel-Pixel-Auflösung: Abschätzung: 37, 5 µm und 13, 8 µm Ergebnis: 35, 6 ±, 1 µm und 15, 65 ±, 6 µm Y Residual [µm] d 12 Teleskopauflösung: 1 µm Abweichung durch Ladungsteilung und Ausrichtungsfehler FE-I4-Modul: 7, 6 ±, 2 µm und 17, 65 ±, 6 µm

33 Julia Rieger 21 / 26 Treffereffizienz Fraction all Subpixel Subpixel 1 Subpixel 2 Subpixel Efficiency Mittlere Effizienz aller Subpixel 72% mit Breite von 21% Subpixeltyp 1: VNOut klein + Höhere Schwelle mit großer Dispersion Niedrigere Effizienz und größere Breite

34 Julia Rieger 22 / 26 In-Pixel-Effizienz Short Side[µm] Long [µm] Side VNOut Short Side[µm] Long [µm] Side VNOut Kein Unterschied zwischen Subpixeln mit gleicher Schwelle Effizienz am Rand niedriger durch Ladungsteilung Short Side[µm] Short Side[µm] Long [µm] Side VNOut2 Short Side[µm] Long [µm] Side VNOut2 Short Side[µm] VNOut2 VNOut3 VNOut Long [µm] Side VNOut Long [µm] Side VNOut1

35 Zusammenfassung und Ausblick Julia Rieger 23 / 26

36 Zusammenfassung 33-2 L=6x1 cm s L~1x1 cm s s=7-8 TeV (IBL) -2 L~2x1 cm s s=13-14 TeV s=14 TeV L~5-7x1 cm s -1 s=14 TeV 224 (HL-LHC) Entdeckungspotenzial auszunutzen: LHC zu HL-LHC Neuer ATLAS Inner Tracker: Kosteneffiziente Module Julia Rieger 24 / 26

37 Zusammenfassung 33-2 L=6x1 cm s L~1x1 cm s s=7-8 TeV (IBL) -2 L~2x1 cm s s=13-14 TeV L~5-7x1 cm s -1 s=14 TeV s=14 TeV (HL-LHC) Entdeckungspotenzial auszunutzen: LHC zu HL-LHC Neuer ATLAS Inner Tracker: Kosteneffiziente Module HV2FEI4v2-Modul: Früher Prototyp Integration von Anstreuerung + Tuning in USBpix Verbesserung der Pixelauflösung Fraction Erfolgreiche Subpixelzuordnung.4 all Subpixel.35 Subpixel 1.3 Subpixel 2 Mittlere Treffereffizienz von 72% zu gering.25 Subpixel Efficiency Julia Rieger 24 / 26

38 Ausblick Neuere CMOS-Prototypen: Behandlung der Komparator-Schwelle und des Timings Untersuchungen zu Verbindung von Sensor und Auslesechip Durchführung von Bestrahlungskampagnen Strahlenhärte Monolithische CMOS-Detektoren als Option Weniger Material Untersuchung der Auslese-Geschwindigkeit Entscheidung bis 217 Julia Rieger 25 / 26

39 Danke für die Aufmerksamkeit! Julia Rieger 26 / 26

und das ATLAS-Experiment

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