Siliziumdetektoren. Ausgezeichnete Zusammenfassung:

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1 Siliziumdetektoren Ausgezeichnete Zusammenfassung: 1

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5 Herstellung: p-leiter: Ionenimplantation auf Oberfläche n-leiter: Kristall wird bereits dotiert erzeugt 5

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8 Signalstärke de/dx (mip) = 3,9 MeV/cm; 8

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10 Zur Ortsauflösung 10

11 Schwerpunktsmethode 11

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13 Doppelseitige Streifenauslese 13

14 1981 (Na11, CERN) 2004, CMS * *Very Large Scale Integration 14

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16 . 16

17 Silizium Streifen Detektoren für den Large Hadron Collider Auszüge aus dem DPG-Vortrag 2006 von Frank Hartmann 17

18 Siliziumdetektoren im letzten Jahrhundert und zu Beginn des zweiten CMS einige Bilder Jahrtausends Im thermischen Schild Intermediate Silicon FNAL 2000 NA11: 1981 NA11: 1981 DELPHI 1996 Ein Petal (Preis eines S-Klasse Mercedes) Lagen Streifendetektoren Pixellagen LEP Lage m² 3 Lagen Streifendetektoren + 2 Endkappen Ministreifen + 1 Pixelendkappe 2,4m 5,4m 9 cm2 Sensor with cm2 electronics CMS 2007 Actual: world largest Silicon Tracker. 7.5m² 9 Lagen in beiden Endkappen Die Endkappe in ihrer Wiege 18

19 LHC, CERNs Flagschiff und seine Detektoren 25 ns bunch spacing 2835 bunches with 1011 p/bunch Luminosität im ersten Jahr ~2.1033cm-2s-1 20 fb-1/year Design Luminosität: 1034cm-2s fb-1/year Gespeicherte Energie / Beam: 350 MJ CMS Der LHC ist eine Herausforderung LHCB Alice Atlas CERN 19

20 Die Herausforderung π+,k+ Bs Goldener Higgs Kanal p Ds p Primary vertex K+ K π bt b-erkennung Effiziente & robuste Pattern Recognition Feine Granularität, um nahe Spuren zu trennen Highspeed, um Bunchcrossings aufzulösen Rekonstruktion von schmalen, schweren Objekten 1~2% Transversalimpuls Pt Auflösung bei ~ 100GeV Tag b/t mittels Sekundärvertexerkennung Gute Impulsauflösung 20

21 2 Spezialisten am LHC Schwerionenphysik CP Verletzung und seltene Zerfälle Vorwärtsdetektor Zwiebelschalendetektor ALICE Siliziumdetektoren LHCb Strips: 4.9m2, 2.6 x 106 Kanäle VELO: 0.32m2, 2 x 105 Kanäle Drifts: 1.3m2, 1.33 x 105 Kanäle Tracker: 14m2, ~8 x 105 Kanäle Pixels: 0.2m2, 9.83 x 106 Kanäle HPD: ~ 0.02m2, ~1 x 106 Kanäle 21

22 2 General Purpose Detektoren: Higgs im Standardmodell und im MSSM, MSSM Teilchen, B-, T-Physik Strips: Pixels: ATLAS 61m 2, 6.3 x 10 6 Kanäle ~2m 2, 80 x 10 6 Kanäle CMS 206m 2, 9.6 x 10 6 Kanäle ~2m 2, 33 x 10 6 Kanäle 22

23 Die dunkle Seite des Spurendetektors Kabel führen ca. 16kA Die Kühlung muss ca. ~ 40kW dissipierte Leistung im Volumen kompensieren Auch die leichtmöglichsten Trägerstrukturen verursachen Vielfachstreuung Sensoren 23

24 CF plates: Factory Brussels CF cutting Factory CF cutting Factory Pitch adapter: Factories Brussels Sensor QAC Kapton: Factory Aachen, Bari Frames: Brussels,Pisa, Pakistan Sensors: Factories Hybrids: Factory-Strasbourg Pisa Perugia FE-APV: Factory IC,RAL CERN Wien Control ASICS: Factory Company (QA) Karlsruhe Louvain Strasbourg Firenze Module assembly FNAL UCSB Perugia Bari Wien Lyon Brussels Bonding & testing FNAL UCSB Padova Pisa Torino Bari Firenze Wien Zurich Strasbourg Karlsruhe Aachen HH Integration into mechanics ROD INTEGRATION FNAL UCSB TIB-TID INTEGRATION Pisa Louvain Brussels PETALS INTEGRATION Lyon Hamburg Strasbourg Aachen Karlsruhe Sub-assemblies TOB assembly TIB/TID assembly TEC assembly TEC assembly CERN Pisa Aachen CERN (Lyon) TK ASSEMBLY CERN 24

25 Vollautomatische Sensor Teststation Wir lernen von der Autoindustrie! IEKP CMS Montageroboter ATLAS Moduleinbau auf den Trägerzylinder mittels Roboter LHCb Kleberoboter Industrielle Bonding Maschinen 25

26 ie sieht eigentlich DER LHC Sensor aus? ückseite der CMS lignment Sensoren Animated gif mit allen cms geometrien! 6 CMS Sensor n-type Silizium 300 µm dick doppelseitig Stereo Winkel: 35 mrad p: 7.5 mrad n: 27.5 mrad AC Kopplung 4 ALICE P Standardteststrukturen N 768 Streifen/Seite, 96 µm Pitch 26

27 Der LHC Exot: LHCb Velo Sensoren n + in n-bulk Sensoren 2. Metalllage (Routing) Bonus: +20% Ladungssammlung 2048 Streifen pro Sensor Kürzester Streifen ~6mm µm Pitch Inhomogene Strahlungsbelastung 1.3 * n eq /cm 2 /Jahr at R = 8 mm 5 * n eq /cm 2 /Jahr at R = 42 mm R-Messung (konzentrisch) 42 mm 8 mm FE chip F Messung (radial mit Stereowinkel) Thx to E.Ecklund & P.Collins 27

28 ie baut man ein Siliziumstreifenmodul? So? Atlas Oder so? R sensor CMS 300 um Wire-Bonding! Kapton hybrids ~200um Wire-Bonding! Phi sensor 300 um Flex-Hybrid am Rand des Sensors Flex-Hybrid auf dem Sensor geklappt auf beiden Seiten Oder gar so? LHCb Carbon fiber 2x200 um Das TPGGanze wird noch gefaltet! 500 um So ALICEgeht es auch? ALICE Wire-Bonding! PCB um den Sensor Aluminium/Polyimide Flex Tab-Bonding! 28

29 1.04 m ie sieht DIE Geometrie eines Spurendetektors aus? ATLAS 5.6 m ALICE 9 wheels 1.53 m Jeweils 2 Lagen Siliziumpixel Siliziumdrift Siliziumstreifen 9 wheels LHCb Velo -Design Retractable by 30 mm In einer TPC r-sensors LHCb TT φ-sensors 29

30 lütenblätter & Stäbe & Leitern & Halbschalen: Wer baut denn o was? CMS halfshell CMS petal Alice ladder CMS rod LHCb TT ladder Bis zu 14 Sensoren pro Leiter(4 Sensoren pro Hybrid) 30

31 trahlungsumfeld Wollen wir da wirklich einen Detektor einsetzen? Vergleich: In Delphi haben wir die Sensoren mit einer γ-quelle 30 min kalibriert aber zuerst die Dosis berechnet, um sicherzustellen, dass der Chip nicht zerstört wird! Ja, und wir stellen sicher, dass er 10 Jahre funktioniert!! DIPLOMARBEITEN!! 31

32 Strahlung Bunch Crossing ~25ns ~10 11 Teilchen / Bunch Innere LageFluenz 1MeV n eq. [cm Jahr ATLAS Pixels 50 Mrad 1.5 x ATLAS Strips 7.9 Mrad 2 x CMS Pixels ~24 Mrad ~6 x * CMS Strips 7.5 Mrad 1.6 x ALICE Pixel 250 krad 2.9 x LHCb VELO x /Jahr** *gesetztes Limit, innere Lage erreicht diesen Wert in ca. 2 Jahren **Innerster Bereich der Sensoren (stark inhomogene Bestrahlung) 32

33 Andauernde Strahlenhärtekontrolle während der Sensorproduktion für CMS in Karlsruhe 5% der Teststrukturen 1% der Sensoren In Realität wurde die Bestrahlung hauptsächlich für spezielle Fragestellungen (Module und Sensoren) genutzt: Signal zu Rausch Studien Evaluation vom Thermal-Run-Away Nachbestrahlungsverhalten von Sensoren mit hoher Resistivität hoher Flachbandspannung etc. 33

34 purendetektor tiefgekühlt 1,2x10-3 ATLAS Strip detector Leckstrom [A] 1,0x10-3 8,0x10-4 6,0x10-4 4,0x10-4 2,0x10-4 0, C C -9.9 C -6.2 C -3.1 C -0.7 C 1,8 C 7.1 C 9 C M. Moll - Vertex 2002 Strom wächst linear mit Fluenz φ ne I vol =αφ ne (α=4-6 x A/cm) Spannung[V] P. Riedler Phd-thesis Strom/Leistung im Halbleiter fällt mit sinkender Temperatur I T² exp(-b/kt) (Verdopplung alle 7 K) CMS Sensoren bei bis zu -15 C; ATLAS bei -7 C, bei VELO -5 C Gleichzeitig wird das reverse annealing verhindert 34

35 nd hier für alle Sensorliebhaber Eine kleine Diashow 35

36 TLAS Endkappe 36

37 ATLAS Endkappe 37

38 TLAS Barrel 3 38

39 CMS Endkappe Zur Montage der Front- und Back-Petal muss die Struktur gedreht werden 39

40 MS Barrel CMS Barrel 40

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