SILICON STRIP TRACKER des CMS - Experiments Florian Köchl

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