Developments toward a Silicon Strip Tracker for the PANDA Experiment

Abstract

The PANDA detector at the future FAIR facility in Darmstadt will be a key experiment in the understanding of the strong interaction at medium energies where perturbative models fail to describe the quark-quark interaction. An important feature of the detector system is the ability to reconstruct secondary decay vertices of short-lived intermediate states by means of a powerful particle tracking system with the the Micro-Vertex Detector (MVD) as central element to perform high-resolution charmonium and open-charm spectroscopy. The MVD is conceived with pixel detectors in the inner parts and double-sided silicon strip detectors at the outer half in a very lightweight design. The PANDA detector system shall be operated in a self-triggering broadband acquisition mode. Implications on the read-out electronics and the construction of the front-end assemblies are analyzed and evaluation of prototype DSSD-detectors wrt. signal-to-noise ratio, noise figures, charge sharing behavior, spacial resolution and radiation degradation discussed. Methods of electrical sensor characterization with different measurement setups are investigated which may be useful for future large-scale QA procedures. A novel algorithm for recovering multiple degenerate cluster hit patterns of double-sided strip sensors is introduced and a possible architecture of a Module Data Concentrator ASIC (MDC) aggregating multiple front-end data streams conceived. A first integrative concept for the construction and assembly of DSSD modules for the barrel part of the MVD is introduced as a conclusion of the thesis. Furthermore, a detailed description of a simplified procedure for the calculation of displacement damage in compound materials is given as reference which was found useful for the retrieval of non-ionizing energy loss for materials other than silicon.

Der PANDA Detektor im zukünftigen FAIR-Beschleunigerkomplex in Darmstadt wird ein Schlüsselexperiment im Verständnis der starken Wechselwirkung bei mittleren Energien, bei denen kein Zugang über perturbative Methoden zur Quark-Quark Interaktion existiert, sein. Eine wichtige Eigenschaft des Detektorsystems, die Ortsrekonstruktion sekundärer Zerfallsvertizes kurzlebiger Zwischenzustände, wird dabei durch ein Spurverfolgungssystem mit dem Mikro-Vertex Detektor (MVD) als wichtigstem Element zur hochauflösenden Charmoniumund Open-Charm Spektroskopie garantiert. Der MVD ist konzipiert als leichtgewichtiges, geteiltes Silizium-Detektorsystem mit Pixeldetektoren im inneren Bereich und doppelseitigen Streifendetektoren (DSSD) in den äußeren Regionen. Das PANDA Detektorsystem soll in einem selbstgetriggertem Regime Daten breitbandig und ohne Totzeitverluste verarbeiten können. Die sich daraus ergebenden Implikationen auf den Aufbau der Ausleseelektronik und der Front-end-Baugruppen werden analysiert und es werden Ergebnisse von Messungen an DSSD-Prototypen im Hinblick auf Signal-zu-Rausch-Verhältnis, Rauscheigenschaften, Ladungsteilungsverhalten, Ortsauflösung und Bestrahlungstoleranz diskutiert. Methoden zur elektrischen Charakterisierung von Sensoren werden untersucht, die bei zukünftigen großangelegten QA-Untersuchungen nützlich eingesetzt werden können. Ein neuartiger Cluster- Korrelationsalgorithmus, welcher mehrfach entartete Clusterhit-Muster zu erkennen vermag wird ebenso vorgestellt wie eine mögliche Architektur des noch zu entwickelnden Module-Data- Concentrator ASIC (MDC), welcher die Datenströme der Front-end Chips auf Modulebene zusammenfassen soll. Ein erstes integratives Konzept für Konstruktion und Zusammenbau von DSSD-Modulen des Barrel-Bereichs des MVD wird im Abschluss der Dissertation vorgestellt. Darüber hinaus wird eine detaillierte Beschreibung einer vereinfachten Vorschrift zur Berechnung des Versetzungsschadens durch Neutronen in zusammengesetzten Stoffen angegeben, welche sich als nützlich für die Ableitung des nicht-ionisierenden Energieverlustes in Materialien neben Silizium erwiesen hat.