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Les détecteurs de vertex du futur

Les détecteurs de vertex du futur. Illustration avec les capteurs MAPS-CMOS pour l’ILC P.Lutz Spp. PLAN. Un peu d’histoire (le paysage) Les besoins de la physique (la tendance) dictent les contraintes sur le détecteur. Les limites des détecteurs actuels

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Les détecteurs de vertex du futur

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Presentation Transcript

  1. Les détecteurs de vertex du futur Illustration avec les capteurs MAPS-CMOS pour l’ILC P.Lutz Spp Prospective DAPNIA

  2. PLAN • Un peu d’histoire (le paysage) • Les besoins de la physique (la tendance) dictent les contraintes sur le détecteur. • Les limites des détecteurs actuels • Les principales lignes de R&D • La solution des MAPS * les performances obtenues * les challenges de la R&D * les applications actuelles/futures • Conclusions Prospective DAPNIA

  3. Since late’70s, successful vertex detectors (for heavy flavour tagging) were mainly based on silicon microstrips • Interesting technology shift is under way. Within 5 years, will mostly be based on silicon pixels • Why is this? • highest performance b and charm reconstruction in dense track environments has come from two pixel-based detectors, NA32 in ’80s, SLD in ’90s • extreme radiation environments in the inferno close to IP at future hadron colliders • high backgrounds, and high track density in core of jets at future e+e- colliders • These disparate requirements at hadron and e+e- colliders have very different solutions (both of them pixel-based), and are supported by contrasting R&D programmes • This transition to pixels implies synergies with other areas of science, where images taken with IR, visible, UV, X-rays benefit from the technologies being developed for HEP vertex detectors, and vice versa Prospective DAPNIA

  4. Les besoins de physique qui sous-tendent le cahier des charges • Comprendre les lois de la Nature en HEP repose de plus en plus sur l’étiquetage des saveurs lourdes, rendu possible par la reconstruction précise des vertex déplacés. ct ~ 90 – 500 mm • On veut pouvoir signer la saveur (b et c) et la charge associée à un vertex. • La plupart des états finals contiennent des b, des c et/ou des t, souvent par l’intermédiaire des bosons (W, Z, H) ou du quark t. • * mesures des Br. du Higgs, des asymétries AFB, ALR, etc. • * reconstruction de chaînes de désintégration en assignant chaque trace à son vertex d’origine (primaire, secondaire, tertiaire), dans un environnement multi-jet: _ _ • e+e- tt  bbWW 6 jets • e+e-  HHZ  WWWWZ 10 jets La physique de précision possible à l’ILC implique un détecteur très précis. Prospective DAPNIA

  5. Le but : identifier la saveur et la charge de chaque jet avec à la fois une très grande efficacité et pureté (charme) Implique : un vertex-détecteur très granulaire, ultra-léger, avec plusieurs couches, installé très près du point d’interaction. Mais : la recherche de processus rares, à haute énergie, entraîne des sections efficaces petites, que l’on cherche à compenser par de hautes luminosités. D’où un haut taux d’occupation et des radiations ionisantes. Le détecteur doit être rapide et tolérer les radiations. Les technologies prouvées sont inadéquates ! * CCD : OK pour granularité et minceur, mais trop lents et pas assez de tenue aux radiations * HAPS (LHC) : qualités et défauts inverses ! Prospective DAPNIA

  6. Performances souhaitées pour l’ILC 5 couches concentriques (R=15-60mm,cosu<0.95) sIP = a + b/p.sin3/2u avec a ~5mm, b<10mm Read-out : 20-25ms (L0), 50ms (L1), ~200ms(autres) Epaisseur : ~50mm (capteur), ~0.1%X0/couche Dissipation moyenne << 100W (éviter le cooling) Tol. radiations : 250 kRads et 6.1011 n/cm2 (5ans) Prospective DAPNIA

  7. Some tagging performance plots in ee  qq events Standard vertex detector, 91 GeV Large Rbp vertex detector, 91 GeV • Performance is greatly enhanced wrt to SLD thanks to improved vertex detector e.g. Highly pure b tag can be also highly efficient, and high purity (85%) for c tag extends from 18% (SLD) to 35%(ILC) • Charm tagging suffers mostly by change in design, and affects strongly physics measurements. E.g. 15% error increase on Br(Hcc) (LC-PHSM-2004-xxx, T.Kuhl et al) Prospective DAPNIA

  8. Column Parallel CCD Readout time = N/Fout M N N “Classic CCD” Readout time  NM/Fout Les CCD Pour pallier la lenteur, le RAL essaye une lecture // des colonnes Mais la tenue aux radiations risque d’être insuffisante. Prospective DAPNIA

  9. Les pixels hybrides : Le détecteur à pixels d’ATLAS • 3 couches et 4*2 disques de pixels • 50 mm * 300 mm • Épaisseur : 300 mm • ssp = 12 mm (Rf) ~ 70 mm (z) • 1,4 %X0par couche • doit tenir 5 à 50*1013 neutrons/cm2/an Prospective DAPNIA

  10. Les lignes des R&D actuelles • Les MAPS (IReS, DAPNIA, RAL, …) • Les DEPFET (Bonn, Munich) • SOI detector (Insubria, Cracovie) Prospective DAPNIA

  11. Caractéristiques et avantages des MAPS Silicium type p basse resistivité Signal produit dans la couche epi (low doping) Q ~80 e-h/mm Collection par la jonction p-epi n-well Avantages : System-on-chip : monolithique vrai Volume sensible = couche epi. -> amincissement à 25 mm possible Techno standard -> cout « faible » Tolérance aux radiations > CCD Prospective DAPNIA

  12. Silicium de haute resistivité, fully depleted DEPFET Bonn/Munich group MOS transistor instead of JFET A pixel size of ca. 20 x 20 µm² is achievable using 3µm minimum feature size. Une matrice de 520*4000 pixels a déjà été réalisée, amincie à 50mm. Impressionnant ! Reste hybride ! Prospective DAPNIA

  13. SOI detector Insubria/Krakow group Detector handlable wafer • High resistivity • 300 m thick Electronics active layer • Low resistivity • 1.5 m thick • Readout pixels (min charge sharing): 10 m Detector:conventional p+-n, DC-coupled Electronics:preliminary solution – conventional bulk MOS technology on the thick SOI substrate Prospective DAPNIA

  14. MAPS en détail • Les groupes impliqués dans la R&D • Les performances prouvées • La tolérance aux radiations • L’amincissement industriel • La vitesse de read-out • Applications en HEP, ailleurs • Les études à faire (shopping list) Prospective DAPNIA

  15. MAPS: les groupes qui travaillent • Upgrade BELLE : Hawaï, Tokyo, KEK, Tsukuba, Cracovie. • Upgrade STAR : Irvine, LBNL, IReS. • CBM (GSI) : GSI et IReS. • ILC : IReS, DAPNIA, LBNL, Oregon, Yale, RAL+Liverpool+Glasgow, Hambourg, Desy, Bergame, Come, Pavie, Rome. Prospective DAPNIA

  16. MAPS: ce qui a été fait • Au moins 9 process explorés : AMS0.6(14mm),AMS0.35(0),AMS0.35opto(10mm) AMI(MIETEC)0.35(4mm), IBM0.25(2mm), STM0.13(?) TSMC0.35(11mm), TSMC0.25(~6mm) • Tests en faisceaux : performances STAR, ILC, CBM : MIMOSA (15 protos) BELLE : CAP (Continuous Acquisition Pixel) (3 protos) • Résultats encourageants après 6 ans excellence efficacité (M.I.P. detection) et resolution analogique OK, amincissement bien avancé, rad. tol. à suivre. Prospective DAPNIA

  17. MAPS : exploration des processus de fabrication • Nécessaire pour mesurer l’épaisseur de la couche epitaxiale, le courant de fuite f(T,dose), le bruit, les rad. tol. • Architecture simple, analogique pure. • AMS 0.35 opto semble pour l’instant le meilleur (MIMOSA9) S/N ~25 (MPV) edet > 99% ssp = 1.5mm (20mm) 5.0mm (40mm) Prospective DAPNIA

  18. MAPS : la résolution spatiale • Versus la taille du pixel : Mesurée sur télescope au CERN (faisceau de p de 120 GeV/c) ssp ~1.5mm (20mm pitch) 5.0mm (40mm pitch) • Versus S/N et ADC n-bits Résultats excellents sur pixels sans traitement intégré du signal. Simulation probt pessimiste. Prospective DAPNIA

  19. MAPS : tolérance aux radiations • Radiations non ionisantes : neutrons de O(1MeV) à JINR(Dubna) et CERI (Orléans). Doses jusqu’à 1013neq/cm2 On commence à perdre en charge collectée vers 1012neq/cm2 Ileak et le bruit augmentent un peu (~10%). Très dépendant du processus de fabrication ! Performances meilleures avec T < 0°C S/N (MPV) versus fluence et T pour AMS-0.35 OPTO Prospective DAPNIA

  20. MAPS : tolérance aux radiations • Les radiations ionisantes ont des effets connus : décalage des seuils en tension, augmentation des Ileak Le design doit éviter les oxydes épais autour du N-well et sans doute inclure des anneaux de garde. Un temps d’intégration court et T < 0°C aident. Prospective DAPNIA

  21. MAPS : amincissement Developpé sur Mimosa5 : Amincissement à 120mm « aisé » au niveau du wafer et pas de pertes de performances LBNL a réussi 50mm avec des résultats satisfaisants (fragile!) En France, TRACIT a atteint 70mm et essaye de descendre à 40mm. Attention: enlever totalement le substrat n’est pas la solution : on observe une perte de charge qui fait baisser l’efficacité de detect. Capteurs MIMOSA5 (3.5cm2) Prospective DAPNIA

  22. MAPS : vitesse du read-out • La granularité est attrayante, mais 5-50mm pitch => O(105-106)pixels/cm2 • Une vitesse élevée de lecture nécessite un processing massivement parallèle. data flow énorme : > O(102)Gbits/s/cm2 • Deux solutions : Trigger externe et pixels à multi-mémoires. Data sparsification intégrée sur le chip. Prospective DAPNIA

  23. MAPS : Trigger based proto (CAP) Up to 10 memory cells/pixel, read out only if selected by external trigger Prospective DAPNIA

  24. MAPS : system-on-chip • Mimosa 8 (DAPNIA) * TSMC 0.25mm digital (~6mm epi) * 32*128 pixels (25mm pitch) * on-pixel CDS et discriminateur au bas de chaque colonne. • Tests avec source et en faisceau (e- 5 GeV à DESY) très encourageants Prospective DAPNIA

  25. MAPS : system-on-chip MIMOSA8 • bruit du pixel faible : 13-18 e- ENC • (CDS inclus) • dispersion pixel à pixel faible • (< 10 e- ENC) • discriminateur effectif ! • lecture complète du chip en 20ms • (source), 50ms (faisceau). • S/N pour MIPs : ~10 • efficacité detection : > 98% Prospective DAPNIA

  26. MAPS : applications • Super Belle (~2008 ?) from strips to pixels ! Pb : O(10)MRad/an et temp. ambiante : temps d’intégration bref Trigger externe (10kHz) : 10 « mémoires » par pixel, chacune étant la charge intégrée en 10ms. 3 prototypes produits. • STAR (2008) veut mesurer le charme ouvert à RHIC. 2 couches (~1500cm2) à R=15 & 50mm, avec ssp<10mm, 0.1%X0, read-out < 5ms, Pdiss < 100mW/cm2, opérant à 30-40°C, mais avec irradiation faible: O(10)kRad/an et 1011neq/cm2/an. Mimosa5 était le premier proto. On en est à MIMOSTAR2, qui approche les spécifications. 3. Cold Baryonic Matter (GSI-2015 ?) Nécessite une intense R&D pour des capteurs rapides et rad-hard. Prospective DAPNIA

  27. MAPS : les études à faire • Exploration des process : épaisseur epi, taille pixel, profil du dopage, nb de couches métal, … • La collection de charge : améliorer S/N, réduire la taille du cluster, … • Architecture rapide : ADC, sparsification • Architecture multi-mémoire : nb. max. de capa, architecture de lecture • Tolérance aux radiations • Transfert du signal : électrique ou optique • Amincissement et stitching : effet sur le budget matériel • Temperature et cooling : circulation gaz suffisant ? • Support mécanique et intégration : <0.1%X0 • Puissance dissipée et cycle du collisionneur : fonctionnement « pulsé » ? Prospective DAPNIA

  28. CONCLUSIONS • La physique demande des détecteurs de plus en plus précis => pixels • 3 ou 4 technologies sont étudiées • MAPS : ~20 labos travaillent déjà de très beaux résultats plusieurs applications pour dès 2008 encore beaucoup d’efforts à faire C’est le bon moment pour renforcer cette R&D. Prospective DAPNIA

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