Large area silicon tracking detectors with fast signal readout for the large hadron collider (LHC) at CERN

Abstract

Diese Arbeit behandelt die Eigenschaften großflächiger Silizium Spurendetektoren unter den Anforderungen des Large Hadron Colliders (LHC). Die Arbeit wurde durchgeführt im Rahmen zweier Experimente: CMS, Compact Muon Solenoid, und LHCb, Large Hadron Collider beauty experiment. Beide Experimente verwenden Silizium Streifendetektoren zur Spurrekonstruktion geladener Teilchen. Die inelastische Wechselwirkung der Protonen und die hohe Luminosität des LHC haben einen hohen Strahlungshintergrund zur Folge. Die Auswirkungen der erwarteten Strahlenschäden auf das Verhalten des LHCb Inner Trackers nach einer Zehnjahresdosis wurden abgeschätzt. Besonderer Wert wurde auf das thermische Verhalten durch das Auftreten erhöhter Leckströme gelegt.<br />Die hohe Kollisionsrate bei LHC erfordert eine Signalauslese innerhalb von 25 ns. Das Signalverhalten des für LHCb verwendeten BEETLE Auslesechips wurde untersucht. Unterstützt wurden diese Untersuchungen mit numerischen Simulationen. Mittels Laplace Transformation konnten analytische Modelle der Transferfunktion hergeleitet werden.<br />Um das endgültige Design eines Spurendetektors festzulegen ist es unumgänglich Prototypen einzelner Detektormodule zu bauen, um diese sorgfältig in einem Teststrahl zu untersuchen. Zwei Teststrahlexperimente wurden durchgeführt mit Detektormodulen unterschiedlicher Länge, Dicke und Streifengeometrie. Die umfangreiche Analyse der Daten führte zu einem tieferen Verständnis der Signalgebung in Silizium Streifendetektoren und letztendlich zur Festlegung der endgültigen Detektorgeometrien.<br />Um großflächige Spurendetektoren zu bauen, die zuverlässig funktionieren, bedarf es einer umfangreichen Qualitätskontrolle der einzelnen Detektorkomponenten. Die durch Defekte hervorgerufene Änderung der Streifenkapazität, führt zu Änderungen im Transferverhalten des Auslesechips. Ein Testverfahren mittels interner Testpulse wurde entwickelt. Die Signifikanz in der Defekterkennung lag höher als drei Standardabweichungen.

Large area silicon tracking detectors, which measure the tracks of charged decay products, are a crucial part for the experiments used at the Large Hadron Collider. LHC imposes a harsh environment and heavy constraints on these detectors due to the fast readout requirements of 25 ns as well as the harsh radiation environment. Silicon microstrip detectors are the favourable choice for these tracking devices. A study on the degraded performance of the LHCb Silicon Tracker due to radiation damage is given. It was demonstrated that stable operation conditions in the presence of the increased leakage current can be expected.<br />The BEETLE preamplifier chip is introduced. Signal formation and potential noise sources are discussed. An in-depth study of the resulting pulse shape is given, supported by numeric simulations. By means of Laplace transformation models for the pulse shape could be derived. Performance studies on prototype ladders of different length, thickness and geometry were carried out under testbeam conditions. The analysis of this data contributed to a better understanding of the signal formation in silicon microstrip detectors as well as to the decision on the final geometries.<br />Before the detectors are placd into the final experiment they have to be tested carefully. An efficient defect detection procedure based on internal calibration pulses is suggested here. All defects could be detected at a significance better than three standard deviations.