SILICON STRIP TRACKER des CMS - Experiments Florian Köchl.
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SILICON STRIP TRACKER
des CMS - Experiments
Florian Köchl
Gliederung
• Einführung
• Design der Silizium-Streifendetektoren
• CMS – Siliziumdetektortechnologie
• Herstellung der Detektorteile
• Zusammenfassung
Einführung
CMS ist ein„Mehrzweckdetektor“ hohe Ansprüchean Tracking-System(robust, flexibel)
Starkes Magnetfeld zur Spurbestimmung erforderlich
Einführung
Wesentliche Aufgaben des Inner Tracking Systems:• Präzisionsmessung von Myonen, insbesondere bei niedrigen Energien
• Bestimmung des Ladungstyps von Teilchen mit ~ 2 TeV
• Teilchenstrahl-, „B-Physik“ und Top Quark - Untersuchungen
• Trigger für uninteressante Ereignisse
EinführungGeforderte
Leistungsmerkmale:
• Genauigkeit bei der Spurberechnung für Teilchen mit hohem Impuls: 95 % für Einzelbahnen, 90 % für Strahlenbündel (vertices)
• Impulsauflösung für hochenergetische Teilchen: dp/p = (15p + 0.5) % (p in TeV) im Zentrum
Impulsauflösung für Myonen bis 4 TeV, eta < 2, besser als 10% in Verknüpfung mit Myonkammern
Definition der Pseudogeschwindigkeit
Für ein Teilchen, das im Winkel theta zur Teilchenstrahlachse streut, berechnet sich die Pseudogeschwindigkeit eta zu
Gute Näherung für wahre relativistische Geschwindigkeit des Teilchens:
Einleitung
Weitere Anforderungen an das Tracking-System:• Funktionalität bei hoher
Strahlungsintensität
• Möglichst geringer Materialaufwand innerhalb der Kalorimeter
• Dimension des Detektors erfordert Automatisierung beim Test und Zusammenbau, industrielle Herstellung, genaue Kostenrechnung
Layout
• 4 Schichten TIB
• 6 Scheiben TID
• 6 Schichten TOB
• 18 Scheiben TEC
24 Kubikmeter, auf –10° gekühlt
Pixel-Detektoren
Pixel-Detektorelement (Pixelgröße: 150x150 Mykrometer)
Ladungsverteilung aufgrund Lorentz-Kraft
Layout
LayoutWichtige Zahlengrößen:
• 6,136 dünne Sensoren• 18,192 dicke Sensoren
(–> 9,086 2-fach-Detektoren)• 3,122 + 1,512 dünne Module
(single sided + double sided)• 5,496 + 1,800 dicke Module
• 9,648,128 Streifen bzw. elektr. Kanäle
• 75,376 AVP-Chips• 25,000,000 Verbindungen• 440 m^2 Siliziumschicht• 210 m^2 Siliziumsensoren
• 14 Sensorgeometrien• Streifenlänge v. 9 – 21 cm
Materialauswahl
Große Anstrengungen wurden unternommen bei der Suchenach geeigneten Materialien, wie z.B. für Trägerstruktur,
Kabel, Kühlrohre, ...
Tracking-Genauigkeit
Effizienz der Algorithmen zur Spurrekonstruktion detektierter Teilchen nach einer Simulation:
Strahlungsschäden
Das Hauptproblem beim Betrieb der Silizium-detektoren sind die zu erwartenden Strahlungs-schäden
Fluss nach 10 Jahren Betrieb am LHC beträgt voraussichtlich 1,6 x 10^14 1 MeV eq. n / cm^2
Strahlungsschäden verursachen
Geringer Widerstand
• Geringerer Widerstand im besonders strahlen-exponierten Innenbereich
• Günstigerer Verlauf der Sperrspannung im vorgesehenen Betriebs-Zeitraum
<100> Kristallausrichtung
Die Wahl eines <100> - Kristalls bietet in Bezug zur herkömmlichen <111> - Anordnung Vorteile im
Bereich der Oberflächeneffekte durch Strahlungseinwirkung
<100> Kristallausrichtung
Vergleich <111> und <100> - Kapazitätsänderung nach der Bestrahlung (blau) mit unbestrahltem Material (gelb)
Metallüberhang
Metallüberhang über p+-Dotierung liefert bessere Spannungsdurchbruchwerte
Überhang reduziert das elektrische Feld an den
kritischen Eck-Übergängen der p+-Schicht sehr effektiv:
CMS-Siliziumdetektoreigenschaften
• Design und Wahl des Materials konnten so gewählt werden, dass Anforderungen durch Strahlungsbeanspruchung erfüllt sind
• Kompatibel mit industrieller Produktion auf 6 inch-wafer
• Ausnutzen bereits etablierter und kostengünstiger Produktionstechniken
• Einseitig p-Streifen auf n-Substrat• Integrierte AC-Kopplung bei Auslesestreifen• Substrat mit geringem Widerstand im strahlungsintensiven Bereich
(1.5-3.0 kOhm cm), Standardwiderstand (4 – 8 kOhm cm) im dickeren (500 Mykrometer) äußeren Bereich
• <100>-Silizium-Orientierung und Metallüberhang
Konstruktion des Detektors
• 1. Detektor mit derartigen Dimensionen (~220 m^2), keine Vergleichswerte• Bau und Testbetrieb der 16,000 Siliziummodule erfolgt aufgeteilt in
mehreren Instituten• Genaue Qualitätskontrollen erforderlich• Sorgfältige Konzeption automatischer Systeme zum Zusammenbau und zur
Überprüfung der Siliziummodule (ermöglicht annähernd gleiche Qualitätsstandards für die einzelnen Laboratorien)
Organigramm für Detektorbau
Siliziumdetektorfertigung
Vollautomatische Teststation Robotergesteuerter Zusammenbau
Halbmond-Teststruktur
Visuelle autom. Kontrolle
Labor in Florenz Anlage mit 3 MykrometerPräzision
Siliziumstreifendetektoren, Bsp.
TOB - Modul TEC - Modul
Zusammenfassung
• Design und Wahl der Materialien sind optimal für 10-jährigen Betrieb des Silizium-Detektorsystems am LHC
• „CMS Silicon Tracker collaboration“ hat Planungen abgeschlossen, seit ~2 Jahren in Produktionsphase
• HEPHY an Konstruktion des Inner Tracking – Systems beteiligt; auch Beteiligung an Erstellung von Software zur Berechnung von Teilchen(jet)spuren