Titelaufnahme

Titel
Studies for the silicon tracking system of the International Large Detector at the International Linear Collider / von Stephan Hänsel
VerfasserHänsel, Stephan
Begutachter / BegutachterinKrammer, Manfred ; Behnke, Ties
Erschienen2011
Umfang180 S. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2011
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Silizium Streifensensor / Silizium Detektor / ILC / ILD / Large TPC Prototype / Tracker / Silizium Tracking System
Schlagwörter (EN)Silicon Strip Sensor / Silicon Detector / ILC / ILD / Large TPC Prototype / Tracker / Silicon Tracking System
Schlagwörter (GND)Teilchenbeschleuniger / Teilchendetektor / Siliciumdetektor / Streifendetektor
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-40903 Persistent Identifier (URN)
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Studies for the silicon tracking system of the International Large Detector at the International Linear Collider [26.13 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Der International Large Detector (ILD) ist eines der vorgeschlagenen Vielzweck-Experimente am geplanten International Linear Collider (ILC), der es ermöglicht unser physikalisches Wissen über die Grenzen des Large Hadron Collider (LHC) zu erweitern. Eine der wichtigsten Anforderungen an die Detektorsysteme am ILC ist die sehr präzise Vermessung der Flugbahn geladener Teilchen, wobei der sogenannte Tracker (von engl. Track, Spur) eine Genauigkeit von sigma(1/p_t) =2*10^-5 (GeV/c)^-1 für die Messung des transversalen Impulses dieser Teilchen erreichen muss. Der ILD Tracker, bestehend aus einer großen Zeitprojektionskammer (Time Projection Chamber, TPC) die von Silizium Detektoren umgeben ist, kann diese Anforderung erfüllen. Im zentralen, zylinderförmigen Bereich des Detektors ist das Silizium Tracking System aus drei Doppellagen mit Silizium Streifensensoren aufgebaut. Zwei dieser Lagen, der Silicon Internal Tracker (SIT), befinden sich zwischen Vertex Detektor und TPC und die dritte Doppellage, der Silicon External Tracker (SET), ummantelt die TPC.

Einleitend werden die wichtigsten Merkmale des ILC und dessen physikalisches Programm, der Aufbau des ILD und die Grundlagen der Halbleitertechnologie vorgestellt, notwendig um die Anforderungen an den Detektor und die Funktionsweise des ILD und von Silizium Streifensensoren verstehen zu können. Anschließend wird anhand von Simulationen gezeigt, dass die hohen Ansprüche an die Messung des transversalen Impulses geladener Teilchen nur mit der Aufnahme des SET in den ILD erfüllbar sind. Weiterführende Simulationen zeigen, dass die Sensoren des Silizium Trackers eine Auflösung von zirka 50m in Richtung der TPC Achse und von unter 10m in r-phi benötigen.

Um ein tieferes Verständnis für die Definition des ILD Tracking Systems zu erlangen zwei unterschiedliche Silizium Streifensensoren entwickelt.

Diese Sensoren, ein kleiner Multigeometriesensor und ein großflächiger Streifensensor wurden von Hamamatsu Photonics, Japan produziert.

Die Auslesestreifen der Multigeometriesensoren haben einen Abstand von 50m und sind in 16 Zonen mit unterschiedlicher Streifengeometrie unterteilt. Das spezielle Design der Sensoren ermöglicht es die optimale Streifengeometrie hinsichtlich örtlicher Auflösung zu ermitteln. Nach der Qualitätskontrolle wurden acht der Sensoren zu Detektormodulen verbaut um sie mit einem am HEPHY entwickelten Datenerfassungssystems auslesen zu können. Nach abschließenden Tests wurden sie in einem Teststrahl Experiment am Super Proton Synchrotron am CERN verwendet. Mit dem Teststrahl, bestehend aus 120GeV/c Pionen, wurden etwa eine halbe Million Events aufgenommen und das örtliche Auflösungsvermögen der 16 Zonen ermittelt. Diese Studie zeigt, dass es möglich ist im ILD Tracker Silizium Streifensensoren mit einer Auflösung von unter 6m zu verwenden. Dieses Ergebnis wurde in den Simulationen dieser Arbeit berücksichtigt.

Die großflächigen Silizium Streifensensoren besitzen eine Fläche von 91,5mm und einen Ausleseabstand von 50m. Nach intensiven elektrischen Tests wurden zwei Detektormodule mit jeweils drei Sensoren gebaut. Diese Module wurden speziell entworfen um in das Large TPC Prototype (LP) Experiment integriert werden zu können. Dieses Experiment befindet sich am DESY, Hamburg wo der LP in einem supraleitenden Magneten eingebaut ist. In einem voraussichtlichen Zeitraum von 4 Jahren können mithilfe dieses Aufbaus unterschiedliche TPC Auslesetechnologien getestet und so die ideale Technologie ermittelt werden. Dabei spielen die Silizium Streifendetektoren eine wichtige Rolle die den genauen Vergleich erst ermöglichen. Nach einem abschließenden Test mit kosmischen Muonen am IEKP, Karlsruhe wurde das Silizium System, bestehend aus den Silizium Sensor Modulen, des Datenerfassungssystems und der notwendigen Halterung, in das LP Experiment integriert. In einem ersten gemeinsamen Test ohne Magnetfeld konnten über 80.000 Events mit 5,6GeV/c Elektronen aufgezeichnet werden. Die ersten Resultate in Kombination mit einer Simulationsstudie für den Betrieb mit Magnetfeld zeigen, dass alle Systeme einwandfrei funktionieren und wertvolle Erkenntnisse mit dem Testaufbau gewonnen werden können. Die Ergebnisse der beschriebenen Experimente werden verwendet, um mit Hilfe von Simulationen, das Layout des Silizium Tracking Systems zu optimieren. Es werden einseitige Streifensensoren, die für die notwendige hohe Auflösung optimiert sind, in Doppellagen mit orthogonal angeordneten Auslesestreifen vorgeschlagen. Abgesehen von der örtlichen Auflösung ist die Minimierung des Materials am wichtigsten, um die Mehrfachstreuung und die Produktion von Sekundärteilchen zu reduzieren.

Mehrere Lösungsansätze werden diskutiert.

Zusammenfassung (Englisch)

The International Large Detector (ILD) is one of the proposed detector concepts for the future International Linear Collider (ILC), which will extend and complement the physics program of the Large Hadron Collider (LHC). One of the perceived priorities of an ILC detector is the reconstruction of charged particle momenta with a precision of sigma(1/p_t) =2*10^-5 (GeV/c)^-1. The ILD meets this requirement with a central tracking system consisting of a TPC combined with silicon strip detectors. In the barrel region, the silicon tracking system is composed of three double layers of silicon strip detectors. Two of these layers, located between vertex detector and TPC, form the Silicon Internal Tracker (SIT) and the third layer surrounds the TPC, the Silicon External Tracker (SET).

After a short description of the ILC and its possible physics program, the ILD, its tracking system and especially silicon strip sensors are examined in more detail. Based on simulations, presented in this thesis, it could be verified that the high demands on the resolution of charged particle momenta can only be satisfied with the inclusion of precise measured space points just outside the TPC volume. These simulations led to the inclusion of the SET into the ILD baseline design. It was understood, that the resolution of the SET along the TPC must be in the order of 50m and that its resolution in r-phi must be below 10m.

Two different silicon strip sensors, a multi-geometry and a big area sensor, were designed with the purpose to provide a deeper insight into the definition of the ILD tracking system. These two sensors could be implemented on one silicon wafer which was produced by Hamamatsu Photonics, Japan.

Each of the multi-geometry sensors contains 256 readout strips arranged in 16 zones with different strip geometries and a readout pitch of 50m, which is the lower limit for reliable mass production of silicon strip detectors, as needed for large scale detector systems. These sensors were designed to determine the optimal geometry in terms of spatial resolution, taking the different charge collection efficiencies and signal to noise ratios into account. After the quality of these sensors was verified, they were connected to front end electronics, designed by the electronic group of the HEPHY Vienna, and integrated into detector modules. After the functionality of the modules was tested in Vienna, they were used in a test beam at the Super Proton Synchrotron (SPS) at CERN. About 500k events were recorded with a 120GeV/c pion beam, providing enough statistics to reliably determine the spatial resolution of all different geometries. The achieved results are presented and were included into the simulations of the ILD tracking system.

The big area micro-strip sensors have a size of 91.5mm and a readout pitch of 50m. After their quality was verified at the HEPHY, those sensors were used to build detector modules which could be integrated into a test beam experiment at DESY, Hamburg, where the Large TPC Prototype (LP), a first large scale prototype for the ILD TPC, is installed in a superconducting magnet. This test beam campaign, dedicated to deliver data with different TPC readout systems in a time period of four years, is an important step towards the optimization of the ILD tracking system. At first, the complete silicon system, including the data acquisition system used for the test beam, was verified during a stand-alone test with cosmic muons in IEKP, Karlsruhe.

Afterwards, in November 2009, the system was installed into the setup at DESY. In a first combined test beam of the LP and the silicon detectors without magnetic field more than 80k events were recorded with a 5.6GeV/c electron beam. The results of this first experiment and a simulation study for the operation with magnetic field show, that all systems work as expected and that useful insights can be gained with the LP setup.

Based on the knowledge gained in the test beams and the simulations an optimal design for the SET is developed. For cost reasons single sided silicon strip sensors, optimized for the needed resolutions, will be arranged in a double layer with orthogonal readout strips to provide the optimal spatial resolution for both measured coordinates. Next to the spatial resolution the minimization of the material budget of the silicon tracker is most important, because of multiple scattering and the production of unwanted secondary particles. Different possibilities to achieve this goal are discussed, like the thinning of the sensors and the readout chips and the inclusion of on-sensor pitch adapters. It should also be possible to redundantise the need for cooling pipes, a major contributor to the material budget in former silicon tracking systems, with the development of low power front end electronics making forced air-cooling sufficient.