The ALICE silicon pixel detector system

Abstract

Der ALICE Silizium Pixel Detektor (SPD) bildet die beiden innersten Lagen des ALICE Experiments, und liefert aufgrund der hohen Granularität genaueste Informationen über die Teilchenspuren. Bei Schwerionenkollisionen kann es zu mehr als 80 Spuren/cm2 in der ersten Lage des SPD kommen. Die Ortsauflösung des SPD liegt bei rund 12 µm in radialer Richtung.<br />Die Ergebnisse dieser Arbeit erläutern die durchgeführten Messungen, die notwendig waren, um die Qualität der eingebauten Komponenten zu gewährleisten und die Detektorleistung zu charakterisieren und sie beschreibt die verschiedenen Produktionsphasen des SPD.<br />Kriterien zur Qualitätssicherung und Testprotokolle für die verschiedenen Komponeneten des SPD wurden entwickelt und optimiert.<br />Diese Tests beinhalten sowohl visuelle Kontrollen, elektrische Tests als auch Messungen mittels radioaktiver Quellen.<br />Pixelebenen wurde in einem Schwerionenstrahl als auch in einem Proton/Pionenstrahl untersucht. Ein neuartiger Algorithmus zur Spurenanalyse, welches die Neigung und den Azimuthalwinkel der Ebenen zueinander berücksichtigt, wurde speziell für den nicht fokusierten Proton/Pion Strahl entwickelt. Weiters wurde eine Studie zur Clustergröße in Abhängigkeit des Schwellwerts und Teilcheneinfallswinkels, durchgeführt, um einen Vergleich zwischen 2 verschiedenen Sensordicken (200 und 300 µm) herzustellen.<br />Ein auf einem gepulsten Infrarot Laser basierendes Testsystem wurde entwickelt, um SPD Prototypmodule und das FastOr Signal des Pixelchips zu testen. Dieses Testsystem erlaubte zum ersten Mal eine Arbeitseinstellung und eine komplette Charakterisierung des im Auslesehip intern generierten FastOr Signals. Weiters gelang eine detaillierte Charakterisierung des ALICE1LHCb-Chips unter genau definierter zeitlicher Korrelation und Energieabgabe an den Siliziumsensor. Die Lasermessungen der Prototypmodule konnten direkt mit den Ergebnissen der Strahltests von 2002 und 2003 verglichen werden. Ich habe während meiner Doktorarbeit am CERN Testkriterien für die SPD Komponenten entwickelt und angewandt. Weiters habe ich ein Testsystem basierend auf einem Infrarot Laser aufgebaut, das eine detaillierte Charakterisierung des Detektors, eine spezielle Studie der Clustergrößen und die Funktionalität des FastOr Signals erlaubt. Die durch den Laser erhaltenen Ergebnisse der Clustergrößen wurden mit den Resultaten aus den Daten der Strahltests verglichen.<br />

The ALICE Silicon Pixel Detector (SPD) will constitute the two innermost layers of ALICE, and will due to its high granularity provide precise tracking information. In heavy ion collisions, the track density could be as high as 80 tracks/cm2 in the first SPD layer. The SPD will provide a spatial resolution of around 12 µm in the r[phi]-direction.<br />The results presented in this thesis illustrate the measurements performed in order to characterize the detector performance and qualify components for inclusion in the detector and depicts the work carried out needed for the production phase of the SPD.<br />Quality assurance criteria and test procedures have been developed and fine-tuned for the different components of the SPD. The tests involved visual inspection, electrical tests as well as measurements using a radioactive source.<br />Pixel planes were studied in a heavy ion beam as well as in a proton/pion beam. A new tracking algorithm for the unfocused proton/pion beam data taking the tilt and the azimuthal angle into account was developed. Further, a study of the cluster sizes as function of different operating parameters, i.e. threshold, and track incidence angle was performed giving a comparison between two sensor thicknesses (200 µm and 300 µm).<br />A test system based on a pulsed infrared laser was established in order to test SPD assemblies and the FastOr signal generated by the pixel chip. This laser allowed for the first time a complete characterization of the working point and performance of the chip internally generated FastOr signal. Furthermore, the setup allowed a detailed study of the ALICE1LHCB chip characteristics with well defined timing and energy deposition in the silicon sensor. The laser measurements on ALICE assemblies could directly be compared with the results of the beam test 2002 and 2003.<br />During my doctoral thesis at CERN, I have developed and applied test criteria for the SPD components. Furthermore, I developed an infra red laser test system which allowed a detailed study of the detector performance, a special cluster size study and the functionality of the FastOr signal. The cluster size studies obtained with the laser measurements are compared with the results from the beam test data taken in high energy particle beams.