Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik Moderne Teilchendetektoren an Hochenergieexperimenten

Daniel Britzger, LMU München

Moderne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik

Moderne Teilchendetektoren an Moderne Teilchendetektoren an Hochenergieexperimenten und Ihre Hochenergieexperimenten und Ihre

PhysikPhysik22. November 200522. November 2005

Daniel BritzgerDaniel Britzger



GliederungGliederung

• GeschichteGeschichte• Übersicht der ElementarteilchenÜbersicht der Elementarteilchen• Wechselwirkung von geladenen Teilchen mit Wechselwirkung von geladenen Teilchen mit

MaterieMaterie• Wechselwirkung von Photonen mit MaterieWechselwirkung von Photonen mit Materie• Hadronische WechselwirkungHadronische Wechselwirkung• Was möchte man messen?Was möchte man messen?• Moderne DetektortypenModerne Detektortypen• HalbleiterdetektorenHalbleiterdetektoren• Aufbau eines GroßdetektorsAufbau eines Großdetektors



Historischer RückblickHistorischer Rückblick

BlasenkammerPlötzliche Druckabsenkung -> siedenDonald A. Glaser (Nobelpreis 1960)

Wilson’sche Nebelkammer (1912)Wasserdamfgesättigte Luft (Nobelpreis 1927)



Historischer RückblickHistorischer Rückblick

KernspurplattenPhotoaktive Emulsion AgBr

FunkenkammernHochspannung an parallelen Platten, edelgasgefüllter Zwischenraum

Entdeckungen mit Kernspurplatten und Funkenkammern:- Pion & schwere subatomare Teilchen (Nobelpreis 1950 - Powell )- kosmische Höhenstrahlung (Nobelpreis 1936 - Hess)



ElementarteilchenElementarteilchen



ElementarteilchenElementarteilchen

Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen

Austauschteilchen

γγ

WW±± ZZ00

gg

Quarks nur gebunden (Hadronen)

W±,Z0 und Gluon zu kurzlebig

Top-Quark nicht stabil gebunden

Tauon nicht ausreichend stabil

Higgs nicht stabilNur stabile oder “langlebige” Teilchen sind für Detektoren erfassbar



Direkt Messbare TeilchenDirekt Messbare Teilchen

StarkStark el.-el.-magnetischmagnetisch SchwachSchwach

Relative Stärke | Reichweite: Relative Stärke | Reichweite: 1 | 101 | 10-15-15mm 1/137 | 1/137 | ∞∞ 1010-5-5 | 10 | 10-18-18mm

Stabile Hadronen (z.B. p,n,Stabile Hadronen (z.B. p,n,ππ,…),…) xx (x)(x) xxGeladene Leptonen (e,Geladene Leptonen (e,μμ)) xx xxNeutrale Leptonen (Neutrale Leptonen (ννee,,ννμμ,,ννττ)) xxPhotonPhoton oo

Messung der Teilchen durch Messung der Teilchen durch ihre Wechselwirkung mit ihre Wechselwirkung mit MaterieMaterie

•Teilchen werden nachgewiesen, indem sie Energie im Teilchen werden nachgewiesen, indem sie Energie im Detektormaterial deponierenDetektormaterial deponieren•Je nach Teilchenart und –energie sind Je nach Teilchenart und –energie sind unterschiedliche Prozesse dominantunterschiedliche Prozesse dominant•Nachweis instabiler Teilchen über ihre Nachweis instabiler Teilchen über ihre ZerfallsprodukteZerfallsprodukte



KlassifizierungKlassifizierungSchwere geladene Teilchen (p,Schwere geladene Teilchen (p,ππ±±,,μμ,…),…)-> elm.WW. = Austausch virtueller -> elm.WW. = Austausch virtueller PhotonenPhotonen-> geringer Anteil starke WW (nicht -> geringer Anteil starke WW (nicht μμ))• IonisationIonisation• Atom-AnregungAtom-Anregung• Polarisation/Čerenkov-EffektPolarisation/Čerenkov-Effekt• ÜbergangsstrahlungÜbergangsstrahlung• ……

Elektronen/PositronenElektronen/Positronen-> elm. WW = -> elm. WW =

Energieverlust durch Energieverlust durch StrahlungStrahlung

• Bremsstahlung Bremsstahlung (Coulombstreuung)(Coulombstreuung)

PhotonenPhotonen-> Austauschteilchen der -> Austauschteilchen der

elmag WWelmag WW• PhotoeffektPhotoeffekt• Compton-Streuung Compton-Streuung

(Thomson-, (Thomson-, Rayleighstreuung)Rayleighstreuung)

• Paarerzeugung ePaarerzeugung e++/e/e--

Massive ungeladene Massive ungeladene Teilchen (n, Teilchen (n, ππ00,…),…)

-> starke WW-> starke WW• Elastsiche StreuungElastsiche Streuung• Inelastische StreuungInelastische Streuung• KernspaltungKernspaltung• (Neutronen-)Einfang(Neutronen-)Einfang

MasseMasseQMQM

NeutinosNeutinos-> schw. WW-> schw. WW• „„inverse inverse

Zerfälle“Zerfälle“

El.mag. WWEl.mag. WW

MaterieMaterie

StarkeStarkeWWWW



Čerenkov-Strahlung und Čerenkov-Strahlung und ÜbergansstrahlungÜbergansstrahlung

• Čerenkov-StrahlungČerenkov-Strahlung wird wird emittiert, wenn die emittiert, wenn die Geschwindigkeit eines Geschwindigkeit eines Teilchens größer ist als die Teilchens größer ist als die Lichtgeschwindigkeit in dem Lichtgeschwindigkeit in dem durchquerten Material -> dabei durchquerten Material -> dabei entsteht eine entsteht eine elektromagnetische elektromagnetische Schockwelle Schockwelle -> Strahlung in Kegelform-> Strahlung in Kegelform

• ÜbergangsstrahlungÜbergangsstrahlung tritt auf, tritt auf, wenn ein geladenes Teilchen wenn ein geladenes Teilchen die Grenzfläche zwischen zwei die Grenzfläche zwischen zwei Materialenien mit Materialenien mit unterschiedlicher unterschiedlicher Dielektrizitätskonstante Dielektrizitätskonstante durchquertdurchquert



Nachweis von TeilchenNachweis von Teilchen



Nachweis schwerer geladener TeilchenNachweis schwerer geladener Teilchen

• Für die gesamte Für die gesamte EnergieverlustrateEnergieverlustrate (=Energie pro (=Energie pro Wegeinheit) müssen Beiträge von allen Prozessen Wegeinheit) müssen Beiträge von allen Prozessen berücksichtigt werdenberücksichtigt werden

• Energieverlust ist Energieverlust ist statistischer Prozessstatistischer Prozess• Dominante WW ist Dominante WW ist elektromagnetische WWelektromagnetische WW• Dominante Prozesse: Dominante Prozesse: IonisationIonisation, , AnregungAnregung, , Čerenkov-EffektČerenkov-Effekt

und und ÜbergangsstrahlungÜbergangsstrahlung• Klassische Ableitung nach Klassische Ableitung nach BohrBohr beschreibt den beschreibt den

Energieverlust für schwere Teilchen (p,Energieverlust für schwere Teilchen (p,αα-Teilchen,…) durch -Teilchen,…) durch Anregung und IonisationAnregung und Ionisation

• Quantenmechanisch korrekte Berechnung (QED) des Quantenmechanisch korrekte Berechnung (QED) des Energieverlustes durch Anregung und Ionisation erfolgt Energieverlustes durch Anregung und Ionisation erfolgt durch durch Bethe-Bloch-FormelBethe-Bloch-Formel

• Weitere Korrekturterme liefern sehr gute ErgebnisseWeitere Korrekturterme liefern sehr gute Ergebnisse



Bethe-Bloch-Formel – dE/dxBethe-Bloch-Formel – dE/dx

Mittlerer Energieverlust soll proportional seinMittlerer Energieverlust soll proportional sein• zum Quadrat der Teilchenladungzum Quadrat der Teilchenladung• zur Dichte des Detektormaterialszur Dichte des Detektormaterials• zur Ordnungs- und Massezahl des Targetszur Ordnungs- und Massezahl des Targets

2zdxdE

dxdE

AZ

dxdE

KK 22ππNNAArree22mmeecc22

zz Ladung des einfallenden TeilchensLadung des einfallenden TeilchensZ,AZ,A Ordnungszahlen des TargetsOrdnungszahlen des Targetsρρ TargetdichteTargetdichteII mittl. Ionisationspotential mittl. Ionisationspotential (Materialkonst.)(Materialkonst.)TTmaxmax max. Energieübertrag einer max. Energieübertrag einer EinzelkollisionEinzelkollision

TTmaxmax≈2m≈2meecc22ββ22γγ22

Die Physik des Energieverlusts Die Physik des Energieverlusts ((ββ):):~ 1/~ 1/ββ22

~ ln~ lnββ22γγ22

ZCc

ITcm

AZKz

dxdE e

2

2max

222

22 22ln1

Korrekturen:Korrekturen:δδ: Dichtekorrektur : Dichtekorrektur (Polarisationseffekt)(Polarisationseffekt)C: SchalenkorrekturC: Schalenkorrektur

Für praktische Für praktische AnwendungAnwendung::dE/dx ist Funktion von dE/dx ist Funktion von ββ



(Fermi-)PlateauAnstieg: Tmax~β2γ2

Bethe-Bethe-Bloch-Bloch-FormelFormel

Minimum bei M/pc=βγ≈3.0-3.5-> Minimum Ionizing Particle (MIP)Größenordung am Minimum (f.a. Teilchen):-dE/d(ρx)≈2MeV/gcm-2

Bremsstrahlung (v.a. μ bei Hoch-Z)

Schalenkorrektur (C/Z) und weiter Korrekturen der Art zL(β) und z2L(β)

Electronic stopping power ~βNicht-ionisierende Stöße

Hadronische Struktur weiterhin vernachlässigbar

Dichtekorrektur δ~logβγ

ZCc

ITcm

AZKz

dxdE e

2

2max

222

22 22ln1

~1/β2

~lnβγ

const



Energieverlust von Elektronen und Energieverlust von Elektronen und PositronenPositronen

• Zusätzlich zum Energieverlust durch Zusätzlich zum Energieverlust durch Ionisation/Anregung hat auch noch die Ionisation/Anregung hat auch noch die BremsstahlungBremsstahlung maßgebliche maßgebliche BedeutungBedeutung

• Wegen Wegen MassengleicheitMassengleicheit müssen müssen andere Stoßparameter berücksichtigt andere Stoßparameter berücksichtigt werden -> werden -> signifikante Ablenkungsignifikante Ablenkung

• Für eFür e-- findet Kollision zw. findet Kollision zw. quantenmechanischquantenmechanisch ununterscheidbaren Teilchenununterscheidbaren Teilchen statt statt

Bremsstrahlung:Ablenkung (hochenergetischer) Teilchen in einem äußerem Feld (z.B. Coulombfeld eines Kerns, Hüllenelektronen)

Ionisationsverluste ~lnE, ~ZBremsstrahlung ~E, ~Z2

-> Bremsstrahlung vorherrschend bei hohen Energien



Wechselwirkung von Photonen mit Wechselwirkung von Photonen mit MaterieMaterie

EnergiebereicEnergiebereichh

„„in Worten“in Worten“ Feynman-Feynman-GraphenGraphen

PhotoeffektPhotoeffekt EEγγ < 0.3 MeV < 0.3 MeV Photon wird absorbiert Photon wird absorbiert und ein eund ein e-- aus der aus der Schale geworfenSchale geworfen

ComptoneffekComptoneffektt

EEγγ ≈ 1 MeV ≈ 1 MeV Photon-“Streuung“ an Photon-“Streuung“ an einem (quasifreien) einem (quasifreien) ElektronElektron

PaarbildungPaarbildung EEγγ > 2 MeV > 2 MeV γγ -> e -> e+++e+e- - (inverse (inverse Bremsstrahlung)Bremsstrahlung)Wegen Energie- und Wegen Energie- und Impulserhaltung nicht Impulserhaltung nicht im freien Raum im freien Raum möglichmöglich



Wechselwirkung von Photonen mit Wechselwirkung von Photonen mit MaterieMaterie



Wechselwirkungen von ungeladenen massiven Wechselwirkungen von ungeladenen massiven TeilchenTeilchen

• Starke WW hat nur geringe ReichweiteStarke WW hat nur geringe Reichweite-> geringe Wahrscheinlichkeit für hadronische Reaktion-> geringe Wahrscheinlichkeit für hadronische Reaktion

Vielzahl nuklearer Prozesse:Vielzahl nuklearer Prozesse:- Elastische StreuungElastische Streuung- Inelastische StreuungInelastische Streuung

(-> nachfolgend Emission von (-> nachfolgend Emission von γγ))- Neutroneneinfang:Neutroneneinfang:

n+(Z,A) -> n+(Z,A) -> γγ+(Z,A+1)+(Z,A+1)- Reaktionen mit Abstrahlung Reaktionen mit Abstrahlung

geladener Teilchengeladener Teilchen- KernspaltungKernspaltung



Detektion von Neutrinos (schwache WW) in Detektion von Neutrinos (schwache WW) in HochenergieexperimentenHochenergieexperimenten



Gesamte EnergieverlustrateGesamte Energieverlustrate

dE/dx für “schwere” Teilchenwird in diesem Impulsbereichgut durch die Bethe-Bloch-Formel beschrieben,dE/dx für e– folgt nicht derBethe-Bloch-Formel!

Gesamte Energieverlustrate,-dE/dxfür verschiedene Teilchen



DetektorbauDetektorbau



Was möchte man messen?Was möchte man messen?

Ein Ein idealeridealer Detektor lokalisiert alle Teilchen und Detektor lokalisiert alle Teilchen und bestimmt ihren vollständigen Energie-Impuls-bestimmt ihren vollständigen Energie-Impuls-VektorVektor

Daraus leitet man ab:Daraus leitet man ab:– – Identität des Teilchens,Identität des Teilchens,– – Masse m,Masse m,– – Ladung Q,Ladung Q,– – Lebensdauer τ,Lebensdauer τ,– – Spin,Spin,– – Zerfallskanäle, ...Zerfallskanäle, ...

=> Information über die => Information über die Eigenschaften der einem Eigenschaften der einem Prozeß Prozeß zugrundeliegenden zugrundeliegenden WechselwirkungenWechselwirkungen

Es müssen immer mehrere Es müssen immer mehrere Detektortypen kombiniert werden Detektortypen kombiniert werden um die maximale Information zu um die maximale Information zu erhaltenerhalten



Die Strahlungslänge XDie Strahlungslänge X00

• Die Die StrahlungslängeStrahlungslänge X X00 gibt gibt ein ein Maß für die AbsorptionMaß für die Absorption von Teilchenenergie in von Teilchenenergie in MaterieMaterie

• Praktisch für Dimensionierung Praktisch für Dimensionierung von Detektoren:von Detektoren:--vollständige vollständige EnergieabsorptionEnergieabsorption (X (X00 maximal)maximal)- - Minimierung von MaterialMinimierung von Material (X (X00 minimal)minimal)

)exp()(0

0 XxExE

dxEdEE

dxdE

Nach Strecke X0 ist Strahlungsenergie auf 1/e≈37% abgefallen

)183ln(401 3/1

22 ZZ

ANr

Xa

e Charakteristische Strahlenlängen:Charakteristische Strahlenlängen:LuftLuft 30050cm30050cmHH2200 36.1cm36.1cmNaJNaJ 2.59cm2.59cmPbPb 0.56cm0.56cm



DetektortypenDetektortypen



SzintillatorenSzintillatoren

Im szintillierenden Medium wird γ- oder Teilchenstrahlung in Licht (sichtbar, UV, manchmal auch Röntgenstrahlung) umgewandelt. Manchmal ist ein Wellenlängenschieber dem primären Szintillator beigemischt.

Der Lichtleiter bringt das Licht zum Photodetektor. Ein eventuell integrierter Wellenlängenschieber kann die Wellenlänge an das Ansprechverhalten der Photokathode anpassen und so die Ausbeute erhöhen.

Der Photodetektor wandelt das Licht in elektrische Ladung um und vervielfacht letztere. Üblicherweise werden Photomultiplier verwendet, möglich sind aber auch z.B. Lawinenphotodioden und CCDs.

Szintillierende Materialien:– Anorganische Kristalle– Organische Kristalle– Organische Flüssigkeiten– Plastikszintillatoren– Edelgase (gasförmig und flüssig)– szintillierende Gläser

Ein Ein SzintillationsdetektorSzintillationsdetektor besteht aus dem besteht aus dem szintillierenden szintillierenden MediumMedium, einem , einem LichtleiterLichtleiter (optional) und einem (optional) und einem PhotodetektorPhotodetektor..



KalorimeterKalorimeter

• In der Hochenergiephysik versteht man unter einem Kalorimeter einen Detektor, welcher die zu analysierenden Teilchen vollständig absorbiert. Dadurch kann die Teilchenenergie (und Koordinaten) des betreffenden Teilchens gemessen werden.

• Ein einfallendes Teilchen initiiert innerhalb des Kalorimeters einen Teilchenschauer (eine Teilchenkaskade) aus Sekundärteilchen und gibt so sukzessive seine ganze Energie and diesen Schauer ab -> abhängig von der Art des einfallenden Teilchens ab (e±, Photon oder Hadron).

Grobes Schema eines Teilchenschauers in einem (homogenen) Kalorimeter



KalorimeterKalorimeter• Sehr schnelle Auslese (< 10ns) -> heutzutage noch sehr Sehr schnelle Auslese (< 10ns) -> heutzutage noch sehr

wichtigwichtig• Unterscheidung in Unterscheidung in elektromagnetischeelektromagnetische (EMC) und (EMC) und hadronische hadronische

Kalorimeter (HAC)Kalorimeter (HAC)• Es entstehen N Sekundärteilchen, wobei NEs entstehen N Sekundärteilchen, wobei N~E~E• Energieauflösung ist durch statistische Prozesse dominiertEnergieauflösung ist durch statistische Prozesse dominiert

-> Höhere Teilchenenergie -> höhere Energieauflösung-> Höhere Teilchenenergie -> höhere Energieauflösung• Die benötigte Dicke eines Kalorimeters um ein Teilchen zu Die benötigte Dicke eines Kalorimeters um ein Teilchen zu

stoppen steigt nur mit lnEstoppen steigt nur mit lnE• Unterschiede in Teilchenschauern können für Unterschiede in Teilchenschauern können für

Teilchenidentifikation genutzt werdenTeilchenidentifikation genutzt werden• Konstruktionelle Unterschiede in Konstruktionelle Unterschiede in

homogenehomogene und und heterogene/samplingheterogene/samplingKalorimeterKalorimeter



KalorimeterKalorimeterElektromagnetischer ShowerElektromagnetischer Shower1. Bremsstrahlung (1. Bremsstrahlung (γγ))2. Pair-production2. Pair-production BremsstrahlungBremsstrahlung3. …3. …Teilchenmultiplikation bis zur Teilchenmultiplikation bis zur

kritischen Energie, dann kritischen Energie, dann Ionisation und AnregungIonisation und Anregung

Hadronischer ShowerHadronischer Shower• inelastischeinelastische hadronische hadronische

Wechselwirkung des Wechselwirkung des Primärteilchens mit dem Primärteilchens mit dem KalorimeterKalorimeter

• Wesentlich komplizierter als elm. Wesentlich komplizierter als elm. KaskadeKaskade

• Elm. TeilkaskadenElm. Teilkaskaden• Internukleare Kaskade Internukleare Kaskade

(Spallation)(Spallation)-> Sampling Kalorimeter (bis 2m)-> Sampling Kalorimeter (bis 2m)



GasdetektorenGasdetektoren

• In Gasen haben In Gasen haben freie Elektronenfreie Elektronen eine hohe Beweglichkeiteine hohe Beweglichkeit

• Geladene Teilchen erzeugen Geladene Teilchen erzeugen Ion-Elektron-PaareIon-Elektron-Paare im Gas im Gas

• Eine Eine angelegte Spannungangelegte Spannung beschleunigt die Elektronen zur beschleunigt die Elektronen zur KathodeKathode

• Meist Meist EdelgaseEdelgase, da keine , da keine Vibrationen und hohe Vibrationen und hohe Bewegungsfreiheit für Bewegungsfreiheit für ElektronenElektronen

• Beschleunigte Elektronen Beschleunigte Elektronen können weitere Atome können weitere Atome ionisieren -> ionisieren -> LadungsträgerlawineLadungsträgerlawine



GasdetektorenGasdetektoren• IonisationskammernIonisationskammern• ProportionalzählerProportionalzähler• Geiger-Müller-ZählrohrGeiger-Müller-Zählrohr• StreamerrohreStreamerrohre

• Multi Wire Proportional CountersMulti Wire Proportional Countersviele Proportionalzähler zusammen viele Proportionalzähler zusammen ohne Trennwände (Nobelpreis ohne Trennwände (Nobelpreis Charpak 1992)Charpak 1992)

• DriftkammernDriftkammernDriftzeit der Elektronen wird Driftzeit der Elektronen wird gemessengemessen

• Time Projection Chambers (TPC)Time Projection Chambers (TPC)Driftkammer mit MWPC als AusleseDriftkammer mit MWPC als Auslese-> 3-dim Spurrekonstruktion-> 3-dim Spurrekonstruktion

• Micropattern Gas DetectorsMicropattern Gas Detectors



HalbleiterdetektoreHalbleiterdetektorenn



HalbleiterdetektorenHalbleiterdetektoren

• Vorteile eines HalbleiterdetektorsVorteile eines Halbleiterdetektors: : - - hohe Dichtehohe Dichte- - Geringe IonisationsenergieGeringe Ionisationsenergie (3.6eV, im Vergleich ~30eV)(3.6eV, im Vergleich ~30eV)- Herstellungsprozesse aus de - Herstellungsprozesse aus de MicrochipindustrieMicrochipindustrie- Integration von Ausleseelektronik - Integration von Ausleseelektronik in den Detektorin den Detektor

• Prinzip eines HalbleiterdetektorsPrinzip eines Halbleiterdetektors::- ähnlich wie Gasdetektor- ähnlich wie Gasdetektor- ionisierendes Teilchen regt beim - ionisierendes Teilchen regt beim Durchgang eDurchgang e-- aus dem Valenzband aus dem Valenzband an und erzeugt somit ein an und erzeugt somit ein ee---h-h++-Paar-Paar- e- e-- und h und h++ driftendriften zu den zu den Elektroden und induzieren ein Elektroden und induzieren ein elektrisches Signalelektrisches Signal

Aber: Anzahl der e--h+-Paare durch Ionisation ist um 4 Größenordnungen geringer als Anzahl der thermisch generierten Paare!Lösung: Dotierung



Dotierung von HalbleiternDotierung von Halbleitern

• Dotierung:Dotierung:Einbringen von Einbringen von FremdatomenFremdatomen der benachbarten Gruppen des der benachbarten Gruppen des Periodensystems in Periodensystems in Kristallgitter Kristallgitter

• p- oder n-Dotierungp- oder n-Dotierung• Es gibt ein Es gibt ein zusätzliches freies zusätzliches freies

ElektronElektron (Loch) aber (Loch) aber kein kein zugehöriges Lochzugehöriges Loch (Elektron) (Elektron)

• Energiezustände knapp Energiezustände knapp unterhalb der unterhalb der Leitungsbandkante (n-Dot.)Leitungsbandkante (n-Dot.)

• Beim Raumtemperatur fast alle Beim Raumtemperatur fast alle Donatoren ionisiertDonatoren ionisiertEnergieniveaus eines n-Halbleiters

bei Raumtemperatur



Der pn-ÜbergangDer pn-Übergang

• „„Zusammenbringen“ von p- und n-HalbleiternZusammenbringen“ von p- und n-Halbleitern• Anpassung der zuvor verschiedenen Anpassung der zuvor verschiedenen Fermi-NiveausFermi-Niveaus durch durch

DiffusionDiffusion der der MajoritätsladungsträgerMajoritätsladungsträger• Aufbau einer Aufbau einer RaumladungRaumladung, welche das weiter Eindringen von , welche das weiter Eindringen von

e- und Löchern in die Übergangszone verhinderte- und Löchern in die Übergangszone verhindert• Vergleiche: „Diode“Vergleiche: „Diode“



Verhalten in SperrichtungVerhalten in Sperrichtung• Typische DiodenkennlinieTypische Diodenkennlinie• Anode an n- und Kathode an p-Anode an n- und Kathode an p-

dotierten Teil (dotierten Teil (SperrichtungSperrichtung))• „„absaugen“ der absaugen“ der

MajoritätsladungsträgerMajoritätsladungsträger• Verbreiterung der VerarmungszoneVerbreiterung der Verarmungszone• Interne Potentialbarriere am Interne Potentialbarriere am

Übergang wird vergrößert -> Übergang wird vergrößert -> Diffusion über Grenzschicht hinweg Diffusion über Grenzschicht hinweg wird unterdrücktwird unterdrückt

• Kleiner Kleiner LeckstromLeckstrom durch thermisch durch thermisch generierte Ladungsträgerpaare (nA)generierte Ladungsträgerpaare (nA)

• Für p+n-Übergang reicht die Für p+n-Übergang reicht die VerarmungszoneVerarmungszone sehr wenig in p+ sehr wenig in p+ aber weit in den n-Bereich hineinaber weit in den n-Bereich hinein



SiliziumstreifedetektorenSiliziumstreifedetektoren

• Segmentierte ElektrodenSegmentierte Elektroden in in StreifenformStreifenform

• Unterscheidung zw. Unterscheidung zw. Streifen-Streifen- und und PixeldetektorenPixeldetektoren

• Herstellungsprozesse Herstellungsprozesse größtenteils industiell:größtenteils industiell:- Photolithographie- Photolithographie- Ionenimplantation- Ionenimplantation- Metallisierung- Metallisierung

• Rückseite n+ dotiert:Rückseite n+ dotiert:- besserer Kontakt- besserer Kontakt- Strahlenschäden- Strahlenschäden

• Al-Kontakte zur Verbindung mit Al-Kontakte zur Verbindung mit ElektronikElektronik

• Hochreines SiliziumHochreines Silizium• Dicke ~300µmDicke ~300µm



Weitere Siliziumdetektoren (2-dim)Weitere Siliziumdetektoren (2-dim)

• Silicon Drift DetectorSilicon Drift Detector::- Streifen formen homogenes Driftfeld- Streifen formen homogenes Driftfeld- Messung der Driftzeit- Messung der Driftzeit- Auslese über segmentierte Anoden- Auslese über segmentierte Anoden

• Doppelseitige StreifendetektorenDoppelseitige Streifendetektoren::- Segmentierung der Rückseite durch - Segmentierung der Rückseite durch n+ Streifen orthogonal zu p+ n+ Streifen orthogonal zu p+ VorderseiteVorderseite- 2-dim Auslese- 2-dim Auslese- Ghosts- Ghosts- Herstellung, Handhabung und testen - Herstellung, Handhabung und testen wesentlich komplizierter und teurerwesentlich komplizierter und teurer- Kurzschlüsse durch - Kurzschlüsse durch AkkumulationslagenAkkumulationslagen



Silizium Pixel DetektorenSilizium Pixel Detektoren• Silicon Pixel DetectorSilicon Pixel Detector::

- 2-dim Matrix- 2-dim Matrix- meist seperate Herstellung - meist seperate Herstellung des Chips und des Sensorsdes Chips und des Sensors- Flip-Chip Bump Bonding- Flip-Chip Bump Bonding- keine Ghosts- keine Ghosts- 50µm- 50µm×50µm×50µm

• DEPFET-TechnologyDEPFET-Technology- integrierter verstärkender - integrierter verstärkender TransistorTransistor- sehr dünn- sehr dünn- “alles aus einem Guss”- “alles aus einem Guss”- sleep-mode- sleep-mode



Strahlenschäden an SiliziumdetektorenStrahlenschäden an Siliziumdetektoren

• Hohe hadronische Strahlenbelastung Hohe hadronische Strahlenbelastung verursacht verursacht StrahlenschädenStrahlenschäden an an SiliziumdetektorenSiliziumdetektoren

• Hauptsächlich Schäden am Hauptsächlich Schäden am KristallgitterKristallgitter die die zu Störstellen führen, aber auch zu Störstellen führen, aber auch OberflächenschädenOberflächenschäden (-> Ladungstransport) (-> Ladungstransport)

• Störstellen wirken wie Störstellen wirken wie DotierungenDotierungen-> Änderung der -> Änderung der effektiven Dotierungeffektiven Dotierung-> type inversion-> type inversion



Aufbau eines Aufbau eines GroßdetektorsGroßdetektors



Aufbau eines GroßdetektorsAufbau eines Großdetektors

Optimales Zusammenspiel ist nur möglich, wenn sich Detektorkomponenten nicht gegenseitig behindern

Zuerst Vertex- und Spurdetektoren, anschließend Kalorimeter und zuletzt Detektoren für wenig Wechselwirkende Teilchen



ATLASATLAS



Thank youThank youfor listeningfor listening



HERA-BHERA-B





Wire-BondsWire-Bonds



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