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SILICON STRIP TRACKER

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 Ansprüche

kamran
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Presentation Transcript

  1. SILICON STRIP TRACKER des CMS - Experiments Florian Köchl

  2. Gliederung • Einführung • Design der Silizium-Streifendetektoren • CMS – Siliziumdetektortechnologie • Herstellung der Detektorteile • Zusammenfassung

  3. Einführung CMS ist ein „Mehrzweckdetektor“ hohe Ansprüche an Tracking-System (robust, flexibel) Starkes Magnetfeld zur Spurbestimmung erforderlich

  4. 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“ undTop Quark - Untersuchungen • Trigger für uninteressante Ereignisse

  5. Geforderte 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 Einführung Impulsauflösung für Myonen bis 4 TeV, eta < 2, besser als 10% in Verknüpfung mit Myonkammern

  6. Für ein Teilchen, das im Winkel theta zur Teilchenstrahlachse streut, berechnet sich die Pseudogeschwindigkeit eta zu Definition der Pseudogeschwindigkeit  Gute Näherung für wahre relativistische Geschwindigkeit des Teilchens:

  7. 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 Einleitung

  8. 4 Schichten TIB 6 Scheiben TID 6 Schichten TOB 18 Scheiben TEC Layout 24 Kubikmeter, auf –10° gekühlt

  9. Pixel-Detektorelement (Pixelgröße: 150x150 Mykrometer) Ladungsverteilung aufgrund Lorentz-Kraft Pixel-Detektoren

  10. Layout

  11. Wichtige 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 Layout

  12. Große Anstrengungen wurden unternommen bei der Suche nach geeigneten Materialien, wie z.B. für Trägerstruktur, Kabel, Kühlrohre, ... Materialauswahl

  13. Effizienz der Algorithmen zur Spurrekonstruktion detektierter Teilchen nach einer Simulation: Tracking-Genauigkeit

  14. 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 Strahlungsschäden verursachen

  15. Geringerer Widerstand im besonders strahlen-exponierten Innenbereich Günstigerer Verlauf der Sperrspannung im vorgesehenen Betriebs-Zeitraum Geringer Widerstand

  16. Die Wahl eines <100> - Kristalls bietet in Bezug zur herkömmlichen <111> - Anordnung Vorteile im Bereich der Oberflächeneffekte durch Strahlungseinwirkung <100> Kristallausrichtung

  17. Vergleich <111> und <100> - Kapazitätsänderung nach der Bestrahlung (blau) mit unbestrahltem Material (gelb) <100> Kristallausrichtung

  18. Metallüberhang über p+-Dotierung liefert bessere Spannungsdurchbruchwerte Metallüberhang Überhang reduziert das elektrische Feld an den kritischen Eck-Übergängen der p+-Schicht sehr effektiv:

  19. 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 CMS-Siliziumdetektoreigenschaften

  20. 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) Konstruktion des Detektors

  21. Organigramm für Detektorbau

  22. Vollautomatische Teststation Robotergesteuerter Zusammenbau Siliziumdetektorfertigung

  23. Halbmond-Teststruktur

  24. Visuelle autom. Kontrolle Anlage mit 3 Mykrometer Präzision Labor in Florenz

  25. TOB - Modul TEC - Modul Siliziumstreifendetektoren, Bsp.

  26. 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 Zusammenfassung

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