Optimization and deployment of data acquisition and processing systems for monolithic active pixel sensors

Abstract

Auf der Suche nach dem Verständnis der verborgenen Mechanik unseres Universums sind Teilchenbeschleuniger zu einem der wichtigsten Bausteine für die Erforschung neuartiger Physik geworden. Siliziumbasierte Detektionssysteme dienen in diesem Bereich als Standardmethode für präzises Tracking und Vertex-Identifizierung. Fortschritte in der Halbleiterfertigung ermöglichen die direkte Integration von CMOS-Elektronik in hochohmige Materialien und den Betrieb im Hochspannungsbereich. Diese Entwicklungen führten zur Entwicklung strahlungstoleranter monolithischer CMOS-Aktivpixelsensoren (HV-CMOS). Im Gegensatz zu herkömmlichen Silizium-Pixeldetektoren vereint die HV-CMOS-Technologie Ladungssammelmechanismen und Signalverarbeitungselektronik auf einem einzigen Wafer. Dies verbessert die Leistung, erhöht die Empfindlichkeit und reduziert den Materialeinsatz. Darüber hinaus ermöglichen die nun standardisierten CMOS-Herstellungsprozesse eine kostengünstige Massenproduktion für groß angelegte Anwendungen. Ein Beispiel für einen solchen Sensor ist der TJ-Monopix2, der derzeit im Rahmen der Belle-II-Kollaboration für das VTX-Sensor-Upgrade untersucht wird. In dieser Arbeit wurde das für den TJ-Monopix2 und ähnliche Sensoren entwickelte Datenerfassungssystem, einschließlich Hard- und Softwarekomponenten, untersucht, optimiert und weiterentwickelt. Im Folgenden wurde das DAQ-System während einer Testkampagne am DESY-Teilchenbeschleuniger eingesetzt. Die erfassten Daten wurden analysiert und interpretiert, um tiefere Einblicke in die Auswirkungen von Bestrahlung, Betriebstemperatur und anderen Faktoren auf die Sensorleistung zu gewinnen. Diese Erkenntnisse tragen zur Weiterentwicklung monolithischer Aktivpixelsensoren für zukünftige Anwendungen in der Hochenergiephysik bei.

In the pursuit of understanding the hidden mechanics of our universe, particle colliders have become one of the most vital components in the exploration of novel physics. In this field, silicon-based detection systems serve as a standard method for accurate tracking and vertex identification. Advances in semiconductor fabrication have made it possible to integrate CMOS electronics directlyonto high-resistivity materials and allow high-voltage operation. These developments have led to the creation of radiation tolerant CMOS monolithic active pixel sensors (HV-CMOS). Unlike traditional silicon pixel detectors, HV-CMOS technology combines charge collection mechanisms and signal-processing electronics on a single wafer, thereby improving performance, increasing sensitivity, and reducing material budget. Additionally, the now standardized CMOS manufacturing processes enable cost-effective mass production for large-scale applications. One example of such a sensor is the TJ-Monopix2, currently studied by the Belle II collaboration for the VTX sensor upgrade. In this thesis, the data acquisition system developed for TJ-Monopix2 and similar sensors, including both hardware and software components, was studied, optimized, and further enhanced.In the following the DAQ system was used during a test campaign at the DESY particle accelerator facility. The acquired data were analyzed and interpreted to gain deeper insights into the effects of irradiation, operating temperature, and other factors on sensor performance. These findings contribute to the ongoing development of monolithic active pixel sensors for future high-energy physics applications.