Titelaufnahme

Titel
The new silicon strip detectors for the CMS tracker upgrade / Marko Dragicevic
VerfasserDragicevic, Marko
Begutachter / BegutachterinKrammer, Manfred ; Chochula, Peter
Erschienen2010
UmfangIX, 183 S. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2010
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Teilchenphysik / Hochenergiephysik / Detektor / Sensor / Halbleiter / Spurdetektor / Strahlenhärte
Schlagwörter (EN)Particle-physics / High-energy-physics / Detector / Sensor / Semiconductor / Tracker / Radiation-hardness
Schlagwörter (GND)LHC / Spurdetektor / Streifendetektor / Sensor / Silicium
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-32198 Persistent Identifier (URN)
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The new silicon strip detectors for the CMS tracker upgrade [24 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Im einleitenden Teil der Arbeit werden zuerst die wichtigsten Grundkonzepte des CMS Experiments beschrieben.Die Aufgaben der einzelnen Detektorsysteme werden erklärt sowie deren technische Realisierung in CMS.

Um die Funktionsweise von Silizium Streifensensoren zu verstehen, werden die dafür wichtigsten Grundlagen der Halbleitertechnologie, insbesondere von Silizium, besprochen. Die notwendigen Prozessschritte zur Herstellung von Streifensensoren im sogenannten Planarprozess werden ausführlich beschrieben. Anschließend werden die möglichen Auswirkungen von Strahlenschäden auf die Funktion der Sensoren diskutiert.

Als Abschluss des allgemeinen Teils, wird das Design der Silizium Streifensensoren des CMS Trackers genauer beschrieben. Die Wahl des Grundmaterials sowie die komplexe Geometrie der Sensoren werden eingehend besprochen. Weiters werden die Massnahmen zur Qualitätssicherung wärend der Herstellung der Sensoren diskutiert, sowie das Design und die Konstruktion der Detektormodule.

Im Kernteil der Arbeit werden zunächst die Anforderungen an den Spurdetektor diskutiert, die durch eine Erhöhung der Designluminosität des LHC Beschleunigers (sLHC) bedingt sind. Dieses Kapitel motiviert die von mir durchgeführten Arbeiten und erklärt warum die von mir vorgeschlagenen Lösungen einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung des CMS Tracker Upgrades darstellen.

In den folgenden Kapitel werden jene Konzepte präsentiert, die den Betrieb von Silizium Streifensensoren bei sLHC Luminositäten ermöglichen, sowie einige weitere Verbesserungen beim Bau und der Qualitätssicherung der Sensoren und Detektormodule. Die wichtigsten Konzepte und Arbeiten sind:

- Entwicklung eines Software-Frameworks zum schnellen und flexiblen Design von Teststrukturen und Sensoren.

- Auswahl geeigneter Sensormaterialien, welche ausreichend Strahlenresistent sind.

- Design, Implementation und Herstellung eines Sets von Teststrukturen zur Qualitätssicherung von strahlenharten Sensoren und möglichen zukünftigen Entwicklungen.

- Elektrische Charakterisierung der Teststrukturen und Analyse der gewonnen Daten.

- Design, Implementation und Herstellung von Sensoren mit integriertem Routing der Sensorstreifen zur Ausleseelektronik.

- Elektrische Charakterisierung der Sensoren und Analyse der gewonnen Daten.

- Funktionstests der integrierten Sensoren in einem Teststrahl Experiment.

- Analyse der gewonnen Daten des Teststrahl Experiments.

Alle verwendeten Sensoren und ein Teil der Teststrukturen wurden von mir entworfen und mittels von mir entwickelter Werkzeugen implementiert. Der Herstellungsprozess der Sensoren und Teststrukturen wurde in enger Zusammenarbeit mit dem Hersteller von mir konzipiert und begleitet.

Weiters wurde die notwendige Analyse der Daten unter meiner Leitung durchgeführt und die Ergeb- nisse in dieser Arbeit erstmals präsentiert.

Zusammenfassung (Englisch)

The first introductory part of the thesis describes the concept of the CMS experiment. The tasks of the various detector systems and their technical implementations in CMS are explained.

To facilitate the understanding of the basic principles of silicon strip sensors, the subsequent chapter discusses the fundamentals in semiconductor technology, with particular emphasis on silicon. The necessary process steps to manufacture strip sensors in a so-called planar process are described in detail. Furthermore, the effects of irradiation on silicon strip sensors are discussed.

To conclude the introductory part of the thesis, the design of the silicon strip sensors of the CMS Tracker are described in detail. The choice of the substrate material and the complex geometry of the sensors are reviewed and the quality assurance procedures for the production of the sensors are presented. Furthermore the design of the detector modules are described.

The main part of this thesis starts with a discussion on the demands on the tracker caused by the increase in luminosity which is proposed as an upgrade to the LHC accelerator (sLHC). This chapter motivates the work I have conducted and clarifies why the solutions proposed by myself are important contributions to the upgrade of the CMS tracker.

The following chapters present the concepts that are necessary to operate the silicon strip sensors at sLHC luminosities and additional improvements to the construction and quality assurance of the sensors and the detector modules. The most important concepts and works presented in chapters 7 to 9 are:

- Development of a software framework to enable the flexible and quick design of test structures and sensors.

- Selecting a suitable sensor material which is sufficiently radiation hard.

- Design, implementation and production of a standard set of test structures to enable the quality assurance of such sensors and any future developments.

- Electrical characterisation of the test structures and analysis of the measurements.

- Design, implementation and production of sensors with integrated routing of signals from the sensor strip to the readout electronics.

- Electrical characterisation of the sensors and analysis of the measurements.

- Operational tests of the integrated sensors in a test beam experiment.

- Analysis of the data recorded during the test beam experiment.

All the sensors and a part of the test structures were solely designed by me and implemented using tools which were created by myself as well.

The manufacturing process for the sensors and test structures was implemented in close collaboration with the manufacturer. Furthermore, the necessary analysis of the data was supervised by me and the results are presented in this thesis for the first time.