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Performance of radiation hard pixel sensors for the CMS experiment


Dorokhov, Andrei. Performance of radiation hard pixel sensors for the CMS experiment. 2005, University of Zurich.

Abstract

In modernen Teilchenphysikexperimenten werden düunne, hochsegmentierte positionsempfindliche Detektoren benötigt, um die Teilchenspuren zu vermessen, die bei den Kollisionen von hochenergetischen Teilchen entstehen. Zur Untersuchung der physikalischen Erscheinungen bei höchsten Energien ist eine hohe Teilchenrate unumgänglich, da die Anzahl der interessierenden Ereignisse mit ansteigender Energie abfällt und die Gesamtzahl der Ereignisse von Stössen mit relativ kleinem Impulübertrag dominiert wird. Die Positionsauflösung der, dem Wechselwirkungspunkt nächstliegenden, sogenannten Vertex-Detektoren, muss im Bereich von einigen Micrometern liegen, um Teilchenspuren zu erkennen, die aus den Zerfällen von schweren Quarks oder tau-Leptonen stammen. Eine hohe räumliche Positionsauflösung und die Fähigkeit eine grosse Anzahl von Spuren zu trennen sind daher, mit die wichtigsten, grundlegenden Eigenschaften solcher Detektoren. Moderne Silizium Micro- Streifen- oder Pixel-Detektoren werden diesen Anforderungen gerecht, wodurch sie eine fundamentale Stellung in den meisten Experimenten der Teilchenphysik eingenommen haben. In dieser Arbeit wurden die Eigenschaften der Prototyp-Silizium- Sensoren untersucht, die im Pixel-Detektor des CMS Experiments am Large-Hadron Collider (LHC) des Europäischen Zentrums für Teilchenphysik (CERN) zur Verwendung kommen werden. Am Ende der Arbeit wird eine Abschätzung der zu erwarteten Positionsauflösung des entgültigen Sensors gegeben. Das erste Kapitel gibt zunächst eine Übersicht über den neuen Ringbeschleuniger LHC und das CMS Experiment. Weiterhin liefert es eine Beschreibung des CMS Pixel Detektors, sowohl der darin verwendeten Sensoren. Im zweiten Kapitel werden die physikalischen Prozesse besprochen, die in einem positionsempfindlichen Halbleiterdetektors stattfinden, sowie die Effekte, die durch Strahlenschäden eintreten. Im dritten Kapitel wird der Aufbau für die Studien der Sensoren in Teststrahlen und die Datenrekonstruktion beschrieben. Das vierte Kapitel enthält eine Beschreibung der Datenanalyse und der Resultate, insbesondere von Ladungssammeleffizienzen und Lorentzwinkeln. Für Sensoren, die vor den Messungen mit bis zu 1x1015neq/cm² bestrahlt wurden, konnten noch 60% der Ladungen nachgewiesen werden, die ein unbestrahlter Sensor produziert. Dieser Wert sank auf 25%, wenn der Bestrahlungsfluss 2.6x1015neq/cm² betrug. Sensoren, die mit zweifach-geöffneten p-stop-Ringen oder nach dem p spray -Verfahren hergestellt wurden, konnten nach einer Strahlendosis von 6x1014neq/cm² und einer Ladungsschwelle von 2000 Elektronen noch 99% aller Spuren nachweisen. Der entsprechende Wert für das Sensordesign mit einfach-geöffneten p-stop-Ringen beträgt 95%. Der Lorentzwinkel ist nur schwach abhängig von der Bestrahlung des Sensors, verkleinert sich jedoch mit steigendem elektrischen Feld. Für unbestrahlte Sensoren (285 Mikrometer dick) wurde ein Wert von 26° bei einem magnetischen Feld von 4T und 100V Detektorspannung bestimmt, für Sensoren einer Bestrahlung von 1x1015neq/cm² und 600,V Detektorspannung sinkt der Lorentzwinkel auf 8.3°. Weiterhin wurde im Rahmen dieser Arbeit eine neue Methode entwickelt, den elektrischen Feldverlauf in einem Sensor zu messen. Dies wurde auf die Daten aus den Teststrahlmessungen angewandt und ist im fünften Kapitel beschrieben. Das gemessene elektrische Feld wurde in einer elektronischen Simulation der Sensoren verwendet, die den Grundstein für eine Bestimmung der Leistungsfähigkeit des CMS Pixel-Detektors darstellt, vor allem der Positionsauflösung. Teststrahldaten wurden benutzt um die Simulation zu verifizieren. In azimutaler Richtung des Pixel-Detektors wurde dafür ein Wert zwischen 10 und 20 Mikrometer ermittelt, der stark von der Bestrahlungsstärke und schwach vom polaren Winkel der Teilchenspur abhängt. Die Ortsauflösung entlang der Strahlrichtung, gemittelt über den azimutalen Winkel, liegt im Bereich von 15 bis 40 Mikrometer. In diesem Fall hängt die Ortsauflösung nur schwach von der Bestrahlungsstärke, aber stark vom polaren Winkel ab.

Position sensitive detectors in particle physics experiments are used for the detection of the particles trajectory produced in high energy collisions. To study physics phenomena at high energies the high particle interaction rate is unavoidable, as the number of interesting events falls with the energy and the total number of events is dominated by the soft processes. The position resolution of vertex detectors has to be of few microns in order to distinguish between particle tracks produced in b-quark or tau-decays, because of the short flight path before the decay. The high spatial position resolution and the ability to detect a large number of superimposed tracks are the key features for tracking detectors. Modern silicon microstrip and pixel detectors with high resolution are currently most suitable devices for the tracking systems of high energy physics experiments. In this work the performance of the sensors designed for the CMS pixel detector are studied and the position resolution is estimated. In the first chapter an introduction to the LHC and the CMS experiment is given. In addition, the CMS pixel detector and its sensors designs are described. In the second chapter the physical processes in semiconductor position sensitive detectors are discussed and the effects due to irradiation are described. In the third chapter the beam test setup used for the sensors study is presented and the data reconstruction is described. The fourth chapter presents the data analysis and the results. The charge collection efficiency and the Lorentz angle are measured. The charge collection efficiency is about 60% of the unirradiated sensors after a fluence up of 1x1015neq/cm². This value drops to 25% after a fluence of 2.6x1015neq/cm². The p-spray design and p-stop design with two openings exposed to a fluence of 6x1014neq/cm² have a particle detection efficiency of 99% with a threshold of 2000 electrons. The respective value for the p-stop design with one opening is 95%. The Lorentz angle does not depend on irradiation or sensor design but strongly depends on the bias voltage. The Lorentz angle with a magnetic field of 4 T is about 26O for the unirradiated devices and a bias voltage of 100V. It drops to 8.3O for the sensors irradiated at 1x1015neq/cm² and a bias voltage of 600V. A new method for the extraction of the electric field in the silicon sensor bulk is developed and applied to the data. The method is based on the measurement of the Lorentz deflection of the charge carriers in the sensor bulk. The measured electric field is implemented in the sensors simulation and the performances of the CMS pixel detector are estimated in the fifth chapter. The simulation is validated with the test beam data and is used to estimate the position resolution of the CMS pixel detector. The resolution of the pixel barrel sensors along the azimuthal angle is in the range between 10 and 20 micrometers. It strongly depends on irradiation and weakly depends on the polar angle of the particle track. The position resolution along the beam direction averaged over the azimuthal angle is in the range between 15 and 40 micrometers. In this case the resolution along the beam direction weakly depends on irradiation and strongly depends on the polar angle of the particle track.

Abstract

In modernen Teilchenphysikexperimenten werden düunne, hochsegmentierte positionsempfindliche Detektoren benötigt, um die Teilchenspuren zu vermessen, die bei den Kollisionen von hochenergetischen Teilchen entstehen. Zur Untersuchung der physikalischen Erscheinungen bei höchsten Energien ist eine hohe Teilchenrate unumgänglich, da die Anzahl der interessierenden Ereignisse mit ansteigender Energie abfällt und die Gesamtzahl der Ereignisse von Stössen mit relativ kleinem Impulübertrag dominiert wird. Die Positionsauflösung der, dem Wechselwirkungspunkt nächstliegenden, sogenannten Vertex-Detektoren, muss im Bereich von einigen Micrometern liegen, um Teilchenspuren zu erkennen, die aus den Zerfällen von schweren Quarks oder tau-Leptonen stammen. Eine hohe räumliche Positionsauflösung und die Fähigkeit eine grosse Anzahl von Spuren zu trennen sind daher, mit die wichtigsten, grundlegenden Eigenschaften solcher Detektoren. Moderne Silizium Micro- Streifen- oder Pixel-Detektoren werden diesen Anforderungen gerecht, wodurch sie eine fundamentale Stellung in den meisten Experimenten der Teilchenphysik eingenommen haben. In dieser Arbeit wurden die Eigenschaften der Prototyp-Silizium- Sensoren untersucht, die im Pixel-Detektor des CMS Experiments am Large-Hadron Collider (LHC) des Europäischen Zentrums für Teilchenphysik (CERN) zur Verwendung kommen werden. Am Ende der Arbeit wird eine Abschätzung der zu erwarteten Positionsauflösung des entgültigen Sensors gegeben. Das erste Kapitel gibt zunächst eine Übersicht über den neuen Ringbeschleuniger LHC und das CMS Experiment. Weiterhin liefert es eine Beschreibung des CMS Pixel Detektors, sowohl der darin verwendeten Sensoren. Im zweiten Kapitel werden die physikalischen Prozesse besprochen, die in einem positionsempfindlichen Halbleiterdetektors stattfinden, sowie die Effekte, die durch Strahlenschäden eintreten. Im dritten Kapitel wird der Aufbau für die Studien der Sensoren in Teststrahlen und die Datenrekonstruktion beschrieben. Das vierte Kapitel enthält eine Beschreibung der Datenanalyse und der Resultate, insbesondere von Ladungssammeleffizienzen und Lorentzwinkeln. Für Sensoren, die vor den Messungen mit bis zu 1x1015neq/cm² bestrahlt wurden, konnten noch 60% der Ladungen nachgewiesen werden, die ein unbestrahlter Sensor produziert. Dieser Wert sank auf 25%, wenn der Bestrahlungsfluss 2.6x1015neq/cm² betrug. Sensoren, die mit zweifach-geöffneten p-stop-Ringen oder nach dem p spray -Verfahren hergestellt wurden, konnten nach einer Strahlendosis von 6x1014neq/cm² und einer Ladungsschwelle von 2000 Elektronen noch 99% aller Spuren nachweisen. Der entsprechende Wert für das Sensordesign mit einfach-geöffneten p-stop-Ringen beträgt 95%. Der Lorentzwinkel ist nur schwach abhängig von der Bestrahlung des Sensors, verkleinert sich jedoch mit steigendem elektrischen Feld. Für unbestrahlte Sensoren (285 Mikrometer dick) wurde ein Wert von 26° bei einem magnetischen Feld von 4T und 100V Detektorspannung bestimmt, für Sensoren einer Bestrahlung von 1x1015neq/cm² und 600,V Detektorspannung sinkt der Lorentzwinkel auf 8.3°. Weiterhin wurde im Rahmen dieser Arbeit eine neue Methode entwickelt, den elektrischen Feldverlauf in einem Sensor zu messen. Dies wurde auf die Daten aus den Teststrahlmessungen angewandt und ist im fünften Kapitel beschrieben. Das gemessene elektrische Feld wurde in einer elektronischen Simulation der Sensoren verwendet, die den Grundstein für eine Bestimmung der Leistungsfähigkeit des CMS Pixel-Detektors darstellt, vor allem der Positionsauflösung. Teststrahldaten wurden benutzt um die Simulation zu verifizieren. In azimutaler Richtung des Pixel-Detektors wurde dafür ein Wert zwischen 10 und 20 Mikrometer ermittelt, der stark von der Bestrahlungsstärke und schwach vom polaren Winkel der Teilchenspur abhängt. Die Ortsauflösung entlang der Strahlrichtung, gemittelt über den azimutalen Winkel, liegt im Bereich von 15 bis 40 Mikrometer. In diesem Fall hängt die Ortsauflösung nur schwach von der Bestrahlungsstärke, aber stark vom polaren Winkel ab.

Position sensitive detectors in particle physics experiments are used for the detection of the particles trajectory produced in high energy collisions. To study physics phenomena at high energies the high particle interaction rate is unavoidable, as the number of interesting events falls with the energy and the total number of events is dominated by the soft processes. The position resolution of vertex detectors has to be of few microns in order to distinguish between particle tracks produced in b-quark or tau-decays, because of the short flight path before the decay. The high spatial position resolution and the ability to detect a large number of superimposed tracks are the key features for tracking detectors. Modern silicon microstrip and pixel detectors with high resolution are currently most suitable devices for the tracking systems of high energy physics experiments. In this work the performance of the sensors designed for the CMS pixel detector are studied and the position resolution is estimated. In the first chapter an introduction to the LHC and the CMS experiment is given. In addition, the CMS pixel detector and its sensors designs are described. In the second chapter the physical processes in semiconductor position sensitive detectors are discussed and the effects due to irradiation are described. In the third chapter the beam test setup used for the sensors study is presented and the data reconstruction is described. The fourth chapter presents the data analysis and the results. The charge collection efficiency and the Lorentz angle are measured. The charge collection efficiency is about 60% of the unirradiated sensors after a fluence up of 1x1015neq/cm². This value drops to 25% after a fluence of 2.6x1015neq/cm². The p-spray design and p-stop design with two openings exposed to a fluence of 6x1014neq/cm² have a particle detection efficiency of 99% with a threshold of 2000 electrons. The respective value for the p-stop design with one opening is 95%. The Lorentz angle does not depend on irradiation or sensor design but strongly depends on the bias voltage. The Lorentz angle with a magnetic field of 4 T is about 26O for the unirradiated devices and a bias voltage of 100V. It drops to 8.3O for the sensors irradiated at 1x1015neq/cm² and a bias voltage of 600V. A new method for the extraction of the electric field in the silicon sensor bulk is developed and applied to the data. The method is based on the measurement of the Lorentz deflection of the charge carriers in the sensor bulk. The measured electric field is implemented in the sensors simulation and the performances of the CMS pixel detector are estimated in the fifth chapter. The simulation is validated with the test beam data and is used to estimate the position resolution of the CMS pixel detector. The resolution of the pixel barrel sensors along the azimuthal angle is in the range between 10 and 20 micrometers. It strongly depends on irradiation and weakly depends on the polar angle of the particle track. The position resolution along the beam direction averaged over the azimuthal angle is in the range between 15 and 40 micrometers. In this case the resolution along the beam direction weakly depends on irradiation and strongly depends on the polar angle of the particle track.

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Item Type:Dissertation (monographical)
Communities & Collections:UZH Dissertations
Dewey Decimal Classification:Unspecified
Language:English
Place of Publication:Zürich
Date:2005
Deposited On:12 Jun 2019 11:59
Last Modified:12 Jun 2019 12:01
Number of Pages:89
OA Status:Green
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