Design of a cooling device for the qualification of irradiated silicon sensors

Abstract

Der Large Hadron Collider (LHC) am europäischen Kernforschungszentrum in Genf ist ein grosser 2 x 7 TEV Proton - Proton Collider und hat im November 2009 den Betrieb aufgenommen. Der CMS Detektor (Compact Myon Solenoid) ist eines der vier großen Experimente am LHC. Es handelt sich um einen Mehrzweckdetektor, der voraussichtlich in der Lage sein wird, neue Physik jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik zu entdecken. Der innerste Teil des Detektors, der so genannten Tracker dient der Verfolgung und Rekonstruktion der Bahnen der Teilchen, die in den Kollisionen entstehen. Er besteht aus über 15,000 Silizium-Detektor Modulen, welche in konzentrischen Kreisen um den Interaktionspunkt angeordnet sind. Beide Maschinen haben eine erwartete Lebensdauer von circa 10 Jahren, nach denen sie einem Upgradeprogramm unterzogen werden sollen. Dabei soll die Luminosität des Beschleunigers und somit die Teilchenrate drastisch erhöht werden, was zu einer erheblichen Vergrößerung der Strahlenbelastung im Detektor führt. Dies stellt ganz neue Anforderungen an die Strahlenhärte der verwendeten Materialien im Tracker. Diese Diplomarbeit, die am Institut für Hochenergiephysik (HEPHY) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften durchgeführt wurde, beschäftigt sich mit dem Bau eines so genannten Cold Chuck - eines gekühlten Aluminiumtisches. Mit dessen Hilfe sollte es möglich sein die Auswirkungen ionisierender Strahlung auf Siliziumsensoren zu untersuchen und zu quantifizieren. Im Rahmen einer internationalen Kampagne des Central European Consortium (CEC) sollen verschiedene Silizium-Rohmaterialien hinsichtlich ihrer Strahlenhärte untersucht und das geeignetste Material für den neuen Tracker des CMS Experiments gefunden werden. In den ersten Kapiteln werden einige Fakten über den LHC Beschleuniger sowie das CMS Experiment präsentiert und anschließend wird etwas näher auf mikroskopische Strahlenschäden in Siliziumsensoren und deren makroskopische Auswirkungen eingegangen. Schlussendlich werden Entwicklung und Erprobung des Cold Chuck Setups vorgestellt und einige erste Messungen präsentiert.<br />

The Large Hadron Collider (LHC) is a large 2 x 7 TeV proton - proton collider located at CERN in Geneva and started operation in November 2009. The Compact Myon Solenoid (CMS) is one of the four large-scale experiments at LHC. It is a multi-purpose detector that will hopefully be able to discover new physics beyond the Standard Model of elementary Particle Physics. The innermost part of the detector, the so-called Tracker is used to track and reconstruct the trajectories of the particles that are created in the collisions.<br />Therefore over 15,000 modules of silicon strip sensors are used in a barrel-like geometry around the interaction point.<br /> After their lifetime of approximately 10 years, both machines are going to be upgraded, which will remarkably increase the luminosity of the LHC collider. This requires new materials for the Tracker of CMS as particle rates and radiation environment will grow dramatically. This master thesis, done at the Institute of High Energy Physics (HEPHY) of the Austrian Academy of Sciences, focusses on the design and construction of a so-called Cold Chuck measurement unit done by the author. With the help of this unit it will be possible to examine and quantify the impact of ionizing radiation on silicon sensors and distinguish different bulk materials and their properties. Within an international campaign of the Central European Consortium (CEC), the ideal material for the new Silicon Tracker for the CMS Upgrade should be found. At the beginning some facts about LHC and CMS, especially the Tracker, will be presented in short, followed by a closer look at microscopic radiation damage in silicon bulk material and its macroscopic effects.<br />Then the focus will move to the R\&D of the Cold Chuck Probe Station, its abilities and the testing carried out by the author. Finally some first measurements will be presented.