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Studies on irradiated pixel detectors for the ATLAS IBL and HL-LHC upgrade
Gallrapp, Christian
Der steigende Bedarf der Hochenergiephysik nach höherer Luminosität ist die Ursache für die ständigen Bemühungen die eingesetzten Beschleuniger sowie die Experimente an die damit zunehmenden Anforderungen anzupassen. Das Upgrade-Programm der Experimente und der Beschleuniger am CERN umfasst bereits mehrere Ausbaustufen des Large Hadron Colliders (LHCs), die die Luminosität sowie den Energiebereich des Beschleunigers erhöhen werden. Die Experimente am LHC arbeiten gleichzeitig daran, die einzelnen Sub-Detektoren auf die steigenden Anforderungen in den kommenden Jahren vorzubereiten. Speziell Tracking Detektoren müssen in Zukunft für in Hochenergie Physik Experimenten bislang ungesehenen Fluenzen zurechtkommen. Mit dem Anstieg der Fluenz nehmen ebenfalls Strahlenschäden zu, die die Lebensdauer der Detektoren durch abnehmende Leistungsfähigkeit begrenzt. Um diesen Effekt zu kompensieren, werden für die kommenden Upgrade-Schritte neue und strahlenhärtere Detektorkonzepte mit längeren Lebensdauern notwendig.
Diese Arbeit konzentriert sich darauf, die Einflüsse von Strahlenschäden auf verschiedene Pixel Sensor Technologien zu untersuchen. Die untersuchten Technologien sind mögliche Kandidaten für den Einsatz im kommenden Updgrade des ATLAS Pixel Detektors sowie für Anwendungen im ATLAS Experiment unter HL-LHC Bedingungen. Die betrachteten Sensoren umfassen verschiedene Designs basierend auf Silizium und Diamant als Sensormaterial. Die untersuchten Silizium Designs beinhalten ein planar Pixel Design, das breits im ATLAS Experiment eingesetzt wird sowie ein 3D Pixel Design, bei dem der Sensor über die gesamte Dicke von Elektroden durchzogen ist. Das Diamant Design nutzt auf dem Sensor angebrachte Elektroden ähnlich den planar Designs, wobei Diamant Sensoren aus single- und polykristallinem Material zur Verfügung stehen.
Um die Eigenschaften der Sensoren zu untersuchen, werden diese vor und nach Bestrahlung durch Protonen oder Neutronen getestet und charakterisiert. Ein Teil dieser Messungen untersucht das Zusammenspiel der Ausleseelektronik und der Sensoren, um sicherzustellen, dass die Signale auch nach Bestrahlung zuverlässig ausgelesen werden können. Weitere Tests konzentrieren sich auf die Eigenschaften der Sensoren selbst, was zum einen das Strom-Spannungs-Verhalten sowie die Eigenschaften bezüglich der Ladungssammlung umfasst. Hierzu stehen Messungen mit radioaktiven Quellen sowie Teilchenstrahlen aus Pionen und Elektronen zur Verfügung.
Abschließend werden die durchgeführten Entwicklungsschritte des für 2013/2014 geplante IBL Upgrades des ATLAS Pixel Detektors zusammengefasst. Dies beinhaltet unter anderem den Ablauf des Qualitätssicherungsverfahrens sowie die Herstellung eines Prototypen der Strukturelemente für die neue Pixeldetektorlage. Mit diesem Prototypen eines sogenanten Staves wurde daraufhin der komplette Stave Produktionsablauf getestet.
The constant demand for higher luminosity in high energy physics is the reason for the continuous effort to adapt the accelerators and the experiments. The upgrade program for the experiments and the accelerators at CERN already includes several expansion stages of the Large Hadron Collider (LHC) which will increase the luminosity and the energy of the accelerator. Simultaneously the LHC experiments prepare the individual sub-detectors for the increasing demands in the coming years. Especially the tracking detectors have to cope with fluence levels unprecedented for high energy physics experiments. Correspondingly to the fluence increases the impact of the radiation damage which reduces the life time of the detectors by decreasing the detector performance and efficiency. To cope with this effect new and more radiation hard detector concepts become necessary to extend the life time.
This work concentrates on the impact of radiation damage on the pixel sensor technologies to be used in the next upgrade of the ATLAS Pixel Detector as well as for applications in the ATLAS Experiment at HL-LHC conditions. The sensors considered in this work include various designs based on silicon and diamond as sensor material. The investigated designs include a planar silicon pixel design currently used in the ATLAS Experiment as well as a 3D pixel design which uses electrodes penetrating the entire sensor material. The diamond designs implement electrodes similar to the design used by the planar technology with diamond sensors made out of single- and poly-crystalline material.
To investigate the sensor properties characterization tests are performed before and after irradiation with protons or neutrons. The measurements are used to determine the interaction between the read-out electronics and the sensors to ensure the signal transfer after irradiation. Further tests focus on the sensor performance itself which includes the analysis of the leakage current behavior and the charge collection properties. The sensor responds to the passing of a charged particle are measured with radioactive sources and particle beams of electrons and pions.
To conclude the sensor research the accomplished development stages of the IBL upgrade of the ATLAS pixel detector foreseen for 2013/2014 are summarized. This includes among other things, the progress of the quality assurance process as well as the production of a first stave prototype used to test the stave production process.
