Silicon sensor development for the CMS tracker upgrade

Abstract

Der Large Hadron Collider am Europäischen Zentrum für Kernforschung in Genf soll nach seiner geplanten Lebensdauer von zehn Jahren um das Jahr 2020 aufgerüstet werden. Die integrierte Luminosität soll dabei um den Faktor zehn vergrössert werden.<br />Das CMS Experiment ist eines der grossen Experimente am LHC, das zur Entdeckung des Higgs Bosons beigetragen hat. Der innerste Teil des Detektors, der sogenannte Tracker, ist ein hochpräzises Instrument, das Teilchenbahnen misst. Er besteht aus Silizium-Pixel- und -Streifensensoren mit einer Gesamtfläche von über 200 Quadratmetern.<br />Die erhöhte Luminosität im zukünftigen Höchstraten-LHC führt zu einer signifikant größeren Spur- und Teilchendichte in der nächsten Umgebung des Kollisionspunktes und zu einem dramatisch erhöhten Strahlungsfeld.<br />Deshalb muss der CMS Spurdetektor ebenfalls überarbeitet werden, da die derzeit verwendeten Komponenten den Ansprüchen an Segmentierung und Strahlenhärte nicht gerecht werden. Die CMS Kollaboration hat aus diesem Grund eine großangelegte Kampagne gestartet, um strahlenharte Siliziummaterialien zu untersuchen, die im zukünftigen Experiment Verwendung finden könnten. Diese Dissertation befasst sich mit der Untersuchung und Qualifizierung eines Prototyp-Sensors mit dem Namen 'Multi-Geometry Silicon-Strip Detector' (MSSD) in Labor- und Testbeam Messungen. Dieser wurde entworfen, um verschiedenste Streifen-Geometrien und Materialien zu testen, die den Ansprüchen an Sensoren im zukünftigen CMS Spurdetektor gerecht werden können.

The Large Hadron Collider in Geneva is scheduled to undergo a major luminosity upgrade after its lifetime of ten years of operation around the year 2020. The total integrated luminosity will be increased by a factor of ten, which will dramatically change the operating conditions for the four large detectors. The Compact Muon Solenoid, which has contributed to the discovery of the Higgs boson, is one of them. Its innermost part, the so-called tracker, measures the created particles' trajectories by means of silicon detectors. It has a total surface of more than 200 square meters. The increase in luminosity in the upgraded LHC will lead to a dramatically increased track density at the interaction points and thus also to a more hostile radiation environment. The tracker of CMS will therefore require an upgrade of the sensors and read-out electronics, as the present components do not have sufficient granularity and radiation tolerance.<br />An extensive research- and development campaign has therefore been started by the CMS collaboration to identify and assess suitable radiation-hard silicon substrates and sensor technologies that could be implemented in the future tracker. This thesis will present aspects of this campaign, especially the investigation of a prototype structure called Multi-Geometry Silicon-Strip Detector or MSSD in laboratory measurements and tests with accelerator beams. It has been designed to identify materials and strip geometries that will meet the stringent requirements for sensors in the outer part of the upgraded CMS tracker.