Silicon sensor prototypes and module concepts for the CMS tracker for the high luminosity large hadron collider

Abstract

Der Large Hadron Collider wird im Zuge des HL-LHC Projekts die Lumi- nosität des Beschleunigers stark erhöhen. Das CMS Experiment, als eines der vier großen Experimente am LHC, muss deshalb Upgrades vornehmen, um in der High-Luminosity Ära in der Lage zu sein Daten zu nehmen. Fast alle Subsysteme des Detektors müssen an die anspruchsvollen Konditionen in dieser Phase angepasst werden. Diese Arbeit steht im Kontext der vorgesehenen Upgrades für den CMS- Spurdetektor. Insbesondere muss ein komplett neuer Detektor entwickelt wer- den, da der jetzige Detektor auf Grund von Strahlenschädigung nicht mehr effizient funktionieren würde, und da die Anforderungen an den Detektor durch die höhere Luminosität nicht mit der aktuellen Technologie zu erfüllen sind. Mit einer aktiven Fläche von 200 m2 Silizium Sensoren wird der Detek- tor in der Lage sein alle 25 ns im Mittel 6000 Spuren von geladenen Teilchen mit Energien über 300 MeV bei 200 harten Teilchenkollisionen zu detektieren. Außerdem muss der Spurdetektor in Echtzeit Information über den transversalen Impuls der Teilchen an das L1-Trigger System liefern und gleichzeitig bei erhöhter Triggerrate von 750 kHz funktionieren. Um diese Fähigkeiten zu gewährleisten, wurden deshalb zwei spezielle Module entwickelt, welche Datenreduktion und pT - Diskriminierung vereinen. Eines dieser pT Module ist das PS-Modul. Diese Arbeit beinhaltet die Charakterisiserung und Qualifizierung der Protypen der Makro-Pixel Sensoren für das PS-Modul, so wie der ersten Prototypenmodule. Im Zuge dessen wird die Funktion des intelligen- ten Auslesechips überprüft. Außerdem wird ein neues invertiertes Modulkon- zept untersucht, welches bestimmte Nachteile von aktuellen hybriden Pixel Detektoren kompensiert und eine Alternative zum Standarddesign darstellt. Die Arbeit beinhaltet elektrische Messungen an den Sensoren, Messungen der Detektorantwort mit einem gepulstem Infrarot-Laser sowie mit einem 5.6GeV Elektronenstrahl. Auf Grund der Analyse der gewonnenen Resul- tate wird eine Empfehlung für ein zukünftiges Sensordesign gegeben und die Perspektiven des invertierten Konzepts abgeschätzt.

The Large Hadron Collider will highly increase the luminosity of the accelerator in the course of the HL-LHC project. The CMS experiment, as one of the four major experiments at the LHC, must consequently receive an upgrade, to be able to record data in the high-luminosity era. Almost all subsystems of the detector must be adapted to the demanding conditions in this phase. This work is related to the planned upgrades for the CMS tracker detector. In particular, a completely new detector must be developed, since the current detector would no longer work efficiently, due to radiation damage, and since the requirements for the detector cannot be met with the current technology, due to the higher luminosity. With an active area of 200 m2 silicon sensors, the detector will be able to detect every 25 ns on average 6000 tracks of charged particles with energies above 300 MeV at 200 hard particle collisions. In addition, the tracker detector must provide real-time information about the transverse momentum of the particles to the L1-trigger system and simultaneously function at an increased trigger rate of 750 kHz. Therefore two dedicated types of modules were developed, which combine data reduction and pT -discrimination. One of these pT -modules is the PS module. This work includes the characterization and qualification of the protypes of macro-pixel sensors for the PS module, as well as the first prototype modules. In the course of this thesis, the function of the intelli- gent readout chip is validated. In addition, a new inverted module concept is investigated, which compensates for certain disadvantages of current hybrid- pixel detectors and represents an alternative to the standard module design. The work includes electrical measurements on the sensors, measurements of the detector response with a pulsed infrared laser, as well as with a 5.6 GeV electron beam. Based on the analysis of the results obtained, a recommenda- tion for a future sensor design is given and the perspectives of the inverted concept are explored.