Performance studies of silicon strip sensors for the phase-II upgrade of the CMS tracker

Abstract

Um 2025 wird der LHC (Large Hadron Collider) zum High-Luminosity LHC ausgebaut. Die Luminosität wird um den Faktor 5 bis 10 erhöht, bis auf 10 35^cm^-2 s^-1. Daraus ergeben sich neue Anforderungen für die Experimente wie dem Compact Muon Solenoid (CMS), wo auch aufgrund von Alterungserscheinungen (Strahlenschäden) die derzeit eingebauten Si-Sensoren des Spurdetektors („Tracker“) in Zukunft nicht weiter eingesetzt werden können. Darum, und um die neuen Herausforderungen wie stärkere Strahlungsdosen (durch die Erhöhung der Kollisionsrate) und höhere Datenraten zu bewerkstelligen, muss der CMS Tracker neu gebaut werden. Prototypen von dazu notwendigen Siliziumstreifendetektoren werden von den Firmen Infineon und Hamamatsu hergestellt. Diese müssen von Instituten wie dem Institut für Hochenergiephysik (HEPHY) für den Einsatz qualifiziert werden. Im Zuge dieser Diplomarbeit führte ich Messungen an diesen Sensor-Prototypen mit Protonen (64 bis 252 MeV) am MedAustron und mit Elektronen (5.6 GeV) am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Form von Testbeams durch, analysierte die Daten und führte Performance- und Qualitätstests durch. Diese umfassten IV-Charakteristika, Rauschanteil, Cluster-Analysen, Beamprofil-Messungen, Effizienz- und Energiemessungen. In Vorbereitung auf die Testbeams testete ich neue Trigger-Szintillatoren bezüglich Dunkelrate und Effizienz, des Weiteren das Streifensensor-System mittels einer radioaktiven Quelle und einem Laser-Testaufbau am HEPHY. Beim ersten Testbeam am MedAustron überstiegen hohe Teilchenraten (bis 10^10 /s) die maximal mögliche Prozessierungsrate des Sensorsystems. Des Weiteren dominierten Occupancy und Pile-Up-Effekte das Signal und verfälschten die gemessene Energiedeposition. Während des Testbeams wurde beobachtet, dass die Spannungsversorgung des Streifensensors in Compliance ging, was zu Spannungseinbrüchen führte. Nach Änderungen im Beschleunigersystem durch das MedAustron-Personal waren niedrigere Teilchenraten (10^5 /s) für den zweiten Testbeam verfügbar. Diese Maßnahmen, ergänzt durch Optimierungen im Aufbau, führten zu einer stabilen Spannungsversorgung und die Auswertung der Daten zu einer exzellenten Übereinstimmung des ermittelten Bremsvermögens mit Referenzdaten. Zukünftige Testbeams erfordern umfangreiche Vorbereitungen in Bezug auf Funktionstests, Standardisierung und Simulation um frühzeitig Designschwächen zu identifizieren. Um in Zukunft bessere Energieauflösungen zu erzielen, ist seitens MedAustron eine scharf definierte Teilchenratenkontrolle essentiell, ebenso wie Monitoring des Sensorstromverbrauches in hoher Zeitauflösung. Falls ein Bedarf an Niedrigenergie-Testbeams besteht, ist es essentiell das nichtlineare Verhalten des ALiBaVa-Systems zu analysieren, und eventuell darauf aufbauend den Algorithmus der Analysesoftware zu erweitern. Weitere Maßnahmen sollten den erweiterten Schutz gegen elektromagnetische Störungen umfassen. Möglicherweise kann auch ein passendes Modell gefunden werden um das elektronische Rauschen zu beschreiben und um letztendlich das SNR zu erhöhen.

In 2025, the LHC (Large Hadron Collider) will be upgraded to the High-Luminosity LHC. The luminosity will be enhanced by a factor of 5 to 10, up to 10^35 cm^-2 s^-1 . This leads to new challenges for experiments such as the Compact Muon Solenoid (CMS), which is already afflicted by aging effects (radiation damages). Therefore the currently installed silicon sensors of the track detector ("Tracker") have to be replaced, furthermore to carry out higher radiation doses (through raised collision rates) and increased data rates. The prototypes of the new sensors are provided by the vendors Infineon and Hamamatsu. These have to be qualified for application by institutes like the Institute of High Energy Physics (HEPHY). For this diploma thesis, I did testbeam measurements on these sensors sing protons (64 to 252 MeV) at MedAustron and electrons (5.6 GeV) at Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), analyzed the data and utilized performance and quality evaluation. These methods include IV characteristics, noise contribution, cluster analysis, beam profile measurement, efficiency and energy measurements. In preparation for the testbeams, I tested new trigger scintillators to determine dark rates and efficiency and the strip sensor system using a radioactive source and a laser test stand at HEPHY. At the MedAustron’s first testbeam, high particle rates (up to 10^10 /s) exceeded the sensor system’s processing rate. Occupancy and pile-up effects dominated the signal and distorted measured energy depositions. During the testbeam, the bias voltage supply of the strip sensor showed compliance, leading to voltage drops. After changes made to the accelerator by MedAustron staff, lower particle rates (10^5 /s) were available at the second testbeam. These actions, complemented by optimizations in the setup, lead to stable power supply and analysis showed excellent conformity of measured stopping power to reference data. Prospective testbeams require extensive preparations in terms of functionality tests, standardization and simulation in advance to identify design flaws. For achieving better energy resolution in future, well-defined particle rate control by MedAustron is essential, as well as high time-resolved monitoring the current consumption of the sensor. If there is a demand for low-energy testbeams, it is essential to analyze the non-linear gain behavior in the upper energy deposition range of the ALiBaVa system. Based on that, one may eventually extend the analysis software algorithm. Further procedures should cover protection against electromagnetic interference. Perhaps it will be possible to find an appropriate model to characterize electronic noise contribution to improve SNR.