Titelaufnahme

Titel
Upgrade studies for the Belle silicon vertex detector / von Christian Irmler
VerfasserIrmler, Christian
Begutachter / BegutachterinRiedling, Karl
Erschienen2008
UmfangIV, 103 Bl. : Ill., zahlr. graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Dipl.-Arb., 2008
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
Quelle der Aufnahme
http://www.hephy.at/fileadmin/user_upload/Publikationen/diploma_thesis_irmler.pdf
SpracheEnglisch
DokumenttypDiplomarbeit
Schlagwörter (DE)Siliziumdetektor / Streifendetektor / Vertexdetektor / Ausleseelektronik / Verstärker / APV25 / Belle / SVD / KEK / Occupancy
Schlagwörter (EN)silicon detector / strip detector / silicon vertex detector / readout electronics / amplifier / APV / Belle / SVD / KEK / occupancy
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-27472 Persistent Identifier (URN)
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Upgrade studies for the Belle silicon vertex detector [3.74 mb]
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Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

Teilchenstrahlen in Beschleunigeranlagen entstehen, verwendet werden. Ein Beispiel ist der Belle-Detektor, der sich um den Kollissionspunkt des Elektron-Positron-Beschleunigers der High Energy Accelerator Research Organization (KEK) in Tsukuba, Japan, befindet.

Der derzeit im Belle-Experiment installierte Silicon Vertex Detector (SVD) leidet unter der immer großer werdenden Occupancy (darunter versteht man den Anteil der Streifen, die zu einem beliebigen Zeitpunkt ein Signal ungleich Null liefern) der innersten Lage. Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit Methoden zur Reduktion der Occupancy von Silizium-Detektor-Systemen. Um dies zu erreichen, besteht eine Möglichkeit darin, die Streifenlänge und somit die sensitive Fläche der Silizium-Sensoren zu reduzieren, was aber zwingend zu einer Erhöhung der auszulesenden Kanäle führt. Ein anderer Ansatz ist es, die derzeitige Ausleseelektronik durch ein System mit kürzerer Integrationszeit zu ersetzen, wodurch das sensitive Zeitfenster verringert wird.

In dieser Arbeit wird gezeigt, wie der schnelle und moderne Auslesechip APV25, welcher ursprünglich für den Silicon Strip Tracker des Compact-Muon-Solenid-Projekts (CMS) am CERN (Genf, CH) entwickelt wurde, unter den Bedingungen des Belle-Experiments eingesetzt werden kann. Im Gegensatz zu CMS, wo einseitige Sensoren verwendet werden, arbeitet der Belle-SVD mit doppelseitigen Silizium-Streifen-Detektoren (DSSD), was umfassende Änderungen des Auslesesystems erfordert.

Die Hauptaufgabe des Projekts bestand darin, einen Prototypen einer solchen Ausleseelektronik zu entwerfen und die Software zur Datennahme und -analyse an die neuen Erfordernisse anzupassen. Weiters wurde eine verbesserte Methode der Datenauswertung unter Verwendung des APV25 in die Software implementiert, welche es ermöglicht, den wahren Durchtrittszeitpunkt eines Teilchens mit bisher nicht erreichter Genauigkeit zu rekonstruieren.

Abschließend wurde die Funktion des Protoypen, der Software und der modifizierten Datenanalyse durch mehrere Messreihen in Teilchenstrahlen (Beam Tests) am KEK und am Paul Scherer Institut (PSI, Villigen, CH) evaluiert. Die dabei gewonnen, hervorragenden Ergebnisse waren ausschlaggebend dafür, dass bereits an einer Implementierung des Nachfolgers des derzeitigen Belle-SVDs gearbeitet wird, wobei der APV25 und andere Teile des neu entworfenen Auslesesystems zum Einsatz kommen werden.

Diese Diplomarbeit umfasst nur die Anfänge meiner im Jahr 2004 begonnenen Tätigkeit für das Institut für Hochenergiephysik der österreichischen Akademie der Wissenschaften (HEPHY). Weiterführende Themen werden im Kapitel ``Summary and Outlook'' kurz vorgestellt. Da die Entwicklungsarbeit zu diesem Projekt weiterläuft, kann zum jetzigen Zeitpunkt noch kein abschließender Bericht verfasst werden.

Zusammenfassung (Englisch)

Today silicon microstrip detectors are very important for the research of high energy physics, because in virtually every experiment they are used to measure the tracks of charged particles which are produced by colliding particle beams. Such an experiment is the Belle detector, which is located around the collision point of the electron positron accelerator of the High Energy Accelerator Research Organization (KEK) in Tsukuba, Japan.

The currently installed Silicon Vertex Detector (SVD) of the Belle experiment suffers from the increasing occupancy (fraction of hit channels with non-zero signal at any random moment) of its innermost layer. This diploma thesis describes methods to reduce the occupancy of such a detector system. One possible improvement is to shorten the strips of the silicon sensors and thus reduce their active area, but this implies an increase of the total number of readout channels.

Another method is to replace the currently installed readout electronics by one with a shorter integration period, which reduces the sensitive time window.

It will be shown how the fast and modern readout chip APV25, which was originally developed for the Silicon Strip Tracker of the Compact Muon Solenoid (CMS) project at CERN (Geneva, CH), can be used in the environment of the Belle experiment.

In contrast to CMS, which uses single-sided sensors, the Belle SVD employs double-sided silicon strip detectors (DSSDs) which require significant modifications to the readout system.

The main task of this thesis was the development of a prototype of such a readout system and the revision of the data acquisition and analysis software to meet the new requirements.

Furthermore, an advanced data processing method which can be applied using the APV25 was implemented into the software. With this method it is possible to reconstruct the time when the particle traversed the sensor with unprecedented precision.

Finally the readout system, the software and the improved data acquisition method were evaluated in several particle beam tests at the KEK and the Paul Scherer Institut (PSI, Villigen, CH) with excellent results. Since the requirements are easily met, it was decided to initiate the re\-placement of whole the Belle SVD, using the APV25 and other components of the new readout system.

This thesis covers only the earlier part of my work for the Institute of High Energy Physics of the Austrian Academy of Sciences (HEPHY), which i started in 2004. Additional topics are briefly introduced in the chapter ``Summary and Outlook''. As work is ongoing, it is too early to give a final report.