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

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1 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik Moderne Teilchendetektoren an Hochenergieexperimenten und Ihre Physik 22. November 2005 Daniel Britzger

2 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik Gliederung GeschichteGeschichte Übersicht der ElementarteilchenÜbersicht der Elementarteilchen Wechselwirkung von geladenen Teilchen mit MaterieWechselwirkung von geladenen Teilchen mit Materie 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

3 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik Historischer Rückblick Blasenkammer Plötzliche Druckabsenkung -> sieden Donald A. Glaser (Nobelpreis 1960) Wilson’sche Nebelkammer (1912) Wasserdamfgesättigte Luft (Nobelpreis 1927)

4 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik Historischer Rückblick Kernspurplatten Photoaktive Emulsion AgBr Funkenkammern Hochspannung an parallelen Platten, edelgasgefüllter Zwischenraum Entdeckungen mit Kernspurplatten und Funkenkammern: - - Pion & schwere subatomare Teilchen (Nobelpreis Powell ) - - kosmische Höhenstrahlung (Nobelpreis Hess)

5 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik Elementarteilchen

6 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik Elementarteilchen Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen Austauschteilchenγ W±W±W±W± Z0Z0Z0Z0 g Quarks nur gebunden (Hadronen) W ±,Z 0 und Gluon zu kurzlebig Top-Quark nicht stabil gebunden Tauon nicht ausreichend stabil Higgs nicht stabil Nur stabile oder “langlebige” Teilchen sind für Detektoren erfassbar

7 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik Direkt Messbare Teilchen Stark el.- magnetisch Schwach Relative Stärke | Reichweite: 1 | m 1/137 | ∞ | m Stabile Hadronen (z.B. p,n,π,…) x(x)x Geladene Leptonen (e,μ) xx Neutrale Leptonen (ν e,ν μ,ν τ ) x Photono Messung der Teilchen durch ihre Wechselwirkung mit Materie Teilchen werden nachgewiesen, indem sie Energie im Detektormaterial deponierenTeilchen werden nachgewiesen, indem sie Energie im Detektormaterial deponieren Je nach Teilchenart und –energie sind unterschiedliche Prozesse dominantJe nach Teilchenart und –energie sind unterschiedliche Prozesse dominant Nachweis instabiler Teilchen über ihre ZerfallsprodukteNachweis instabiler Teilchen über ihre Zerfallsprodukte

8 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik Klassifizierung Schwere geladene Teilchen (p,π ±,μ,…) -> elm.WW. = Austausch virtueller Photonen -> geringer Anteil starke WW (nicht μ) IonisationIonisation Atom-AnregungAtom-Anregung Polarisation/Čerenkov-EffektPolarisation/Čerenkov-Effekt ÜbergangsstrahlungÜbergangsstrahlung … Elektronen/Positronen -> elm. WW = Energieverlust durch Strahlung Bremsstahlung (Coulombstreuung)Bremsstahlung (Coulombstreuung) Photonen -> Austauschteilchen der elmag WW PhotoeffektPhotoeffekt Compton-Streuung (Thomson-, Rayleighstreuung)Compton-Streuung (Thomson-, Rayleighstreuung) Paarerzeugung e + /e -Paarerzeugung e + /e - Massive ungeladene Teilchen (n, π 0,…) -> starke WW Elastsiche StreuungElastsiche Streuung Inelastische StreuungInelastische Streuung KernspaltungKernspaltung (Neutronen-)Einfang(Neutronen-)Einfang MasseQM Neutinos -> schw. WW „inverse Zerfälle“„inverse Zerfälle“ El.mag. WW Materie StarkeWW

9 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik Čerenkov-Strahlung und Übergansstrahlung Čerenkov-Strahlung wird emittiert, wenn die Geschwindigkeit eines Teilchens größer ist als die Lichtgeschwindigkeit in dem durchquerten Material -> dabei entsteht eine elektromagnetische Schockwelle -> Strahlung in KegelformČerenkov-Strahlung wird emittiert, wenn die Geschwindigkeit eines Teilchens größer ist als die Lichtgeschwindigkeit in dem durchquerten Material -> dabei entsteht eine elektromagnetische Schockwelle -> Strahlung in Kegelform Übergangsstrahlung tritt auf, wenn ein geladenes Teilchen die Grenzfläche zwischen zwei Materialenien mit unterschiedlicher Dielektrizitätskonstante durchquertÜbergangsstrahlung tritt auf, wenn ein geladenes Teilchen die Grenzfläche zwischen zwei Materialenien mit unterschiedlicher Dielektrizitätskonstante durchquert

10 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik Nachweis von Teilchen

11 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik Nachweis schwerer geladener Teilchen Für die gesamte Energieverlustrate (=Energie pro Wegeinheit) müssen Beiträge von allen Prozessen berücksichtigt werdenFür die gesamte Energieverlustrate (=Energie pro Wegeinheit) müssen Beiträge von allen Prozessen berücksichtigt werden Energieverlust ist statistischer ProzessEnergieverlust ist statistischer Prozess Dominante WW ist elektromagnetische WWDominante WW ist elektromagnetische WW Dominante Prozesse: Ionisation, Anregung, Čerenkov-Effekt und ÜbergangsstrahlungDominante Prozesse: Ionisation, Anregung, Čerenkov-Effekt und Übergangsstrahlung Klassische Ableitung nach Bohr beschreibt den Energieverlust für schwere Teilchen (p,α-Teilchen,…) durch Anregung und IonisationKlassische Ableitung nach Bohr beschreibt den Energieverlust für schwere Teilchen (p,α-Teilchen,…) durch Anregung und Ionisation Quantenmechanisch korrekte Berechnung (QED) des Energieverlustes durch Anregung und Ionisation erfolgt durch Bethe-Bloch-FormelQuantenmechanisch korrekte Berechnung (QED) des Energieverlustes durch Anregung und Ionisation erfolgt durch Bethe-Bloch-Formel Weitere Korrekturterme liefern sehr gute ErgebnisseWeitere Korrekturterme liefern sehr gute Ergebnisse

12 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik Bethe-Bloch-Formel – dE/dx Mittlerer 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 K2πN A r e 2 m e c 2 zLadung des einfallenden Teilchens Z,AOrdnungszahlen des Targets ρTargetdichte Imittl. Ionisationspotential (Materialkonst.) T max max. Energieübertrag einer Einzelkollision T max ≈2m e c 2 β 2 γ 2 Die Physik des Energieverlusts (β): ~ 1/β 2 ~ lnβ 2 γ 2 Korrekturen: δ: Dichtekorrektur (Polarisationseffekt) C: Schalenkorrektur Für praktische Anwendung: dE/dx ist Funktion von β

13 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik (Fermi-)Plateau Anstieg: T max ~β 2 γ 2 Bethe-Bloch- Formel Minimum bei M/pc=βγ≈ > 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 z 2 L(β) Electronic stopping power ~β Nicht-ionisierende Stöße Hadronische Struktur weiterhin vernachlässigbar Dichtekorrektur δ~logβγ ~1/β 2 ~lnβγ const

14 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik Bethe-Bloch- Formel Abhängigkeit von: - - Teilchen (ρ,Z,A,I) - - Absorbermedium (z 2,βγ) dE/dx-Kurven für verschiedene Teilchen sind horizontal verschoben um ln(M 1 /M 2 ) -> Teilchenidentifikation (festes p -> versch. dE/dx) Statistischer Prozess: Reichweitenstreuung Energiestreuung δ-Elektronen Landau-Verteilung Weitere Stichpunkte zur BB-Formel

15 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik Bragg-Kurve und Reichweite Mittlere Freie WeglängeMittlere Freie Weglänge

16 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik Energieverlust von Elektronen und Positronen Zusätzlich zum Energieverlust durch Ionisation/Anregung hat auch noch die Bremsstahlung maßgebliche BedeutungZusätzlich zum Energieverlust durch Ionisation/Anregung hat auch noch die Bremsstahlung maßgebliche Bedeutung Wegen Massengleicheit müssen andere Stoßparameter berücksichtigt werden -> signifikante AblenkungWegen Massengleicheit müssen andere Stoßparameter berücksichtigt werden -> signifikante Ablenkung Für e - findet Kollision zw. quantenmechanisch ununterscheidbaren Teilchen stattFür e - findet Kollision zw. quantenmechanisch ununterscheidbaren Teilchen statt Bremsstrahlung: Ablenkung (hochenergetischer) Teilchen in einem äußerem Feld (z.B. Coulombfeld eines Kerns, Hüllenelektronen) Ionisationsverluste ~lnE, ~Z Bremsstrahlung ~E, ~Z 2 -> Bremsstrahlung vorherrschend bei hohen Energien

17 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik Wechselwirkung von Photonen mit Materie Energiebereich „in Worten“ Feynman-Graphen Photoeffekt E γ < 0.3 MeV Photon wird absorbiert und ein e - aus der Schale geworfen Comptoneffekt E γ ≈ 1 MeV Photon-“Streuung“ an einem (quasifreien) Elektron Paarbildung E γ > 2 MeV γ -> e + +e - (inverse Bremsstrahlung) Wegen Energie- und Impulserhaltung nicht im freien Raum möglich

18 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik Wechselwirkung von Photonen mit Materie

19 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik Wechselwirkungen von ungeladenen massiven Teilchen Starke WW hat nur geringe Reichweite -> geringe Wahrscheinlichkeit für hadronische ReaktionStarke WW hat nur geringe Reichweite -> geringe Wahrscheinlichkeit für hadronische Reaktion Vielzahl nuklearer Prozesse: -Elastische Streuung -Inelastische Streuung (-> nachfolgend Emission von γ) -Neutroneneinfang: n+(Z,A) -> γ+(Z,A+1) -Reaktionen mit Abstrahlung geladener Teilchen -Kernspaltung

20 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik Detektion von Neutrinos (schwache WW) in Hochenergieexperimenten

21 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik Gesamte Energieverlustrate dE/dx für “schwere” Teilchen wird in diesem Impulsbereich gut durch die Bethe-Bloch- Formel beschrieben, dE/dx für e– folgt nicht der Bethe-Bloch-Formel! Gesamte Energieverlustrate, -dE/dxfür verschiedene Teilchen

22 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik Detektorbau

23 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik Was möchte man messen? Ein idealer Detektor lokalisiert alle Teilchen und bestimmt ihren vollständigen Energie-Impuls-Vektor Daraus leitet man ab: – Identität des Teilchens, – Masse m, – Ladung Q, – Lebensdauer τ, – Spin, – Zerfallskanäle,... => Information über die Eigenschaften der einem Prozeß zugrundeliegenden Wechselwirkungen Es müssen immer mehrere Detektortypen kombiniert werden um die maximale Information zu erhalten

24 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik Die Strahlungslänge X 0 Die Strahlungslänge X 0 gibt ein Maß für die Absorption von Teilchenenergie in MaterieDie Strahlungslänge X 0 gibt ein Maß für die Absorption von Teilchenenergie in Materie Praktisch für Dimensionierung von Detektoren: -vollständige Energieabsorption (X 0 maximal) - Minimierung von Material (X 0 minimal)Praktisch für Dimensionierung von Detektoren: -vollständige Energieabsorption (X 0 maximal) - Minimierung von Material (X 0 minimal) Nach Strecke X 0 ist Strahlungsenergie auf 1/e≈37% abgefallen Charakteristische Strahlenlängen: Luft30050cm H20H20H20H2036.1cm NaJ2.59cm Pb0.56cm

25 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik Detektortypen

26 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik Szintillatoren 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 Szintillationsdetektor besteht aus dem szintillierenden Medium, einem Lichtleiter (optional) und einem Photodetektor.

27 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik Szintillatoren Vorteile: – schnelle Ansprechzeit (besonders organische Szintillatoren, ns-Bereich) – sensitiv auf die deponierte Energie – Herstellung und Betrieb unkompliziert, billig, zuverlässig Nachteile: – empfindlich gegenüber Magnetfeldern (Photomultiplier sowie manche organische Szintillatormaterialien) – Alterungserscheinungen (besonders bei Plastikszintillatoren) – Strahlenschäden (besonders bei Plastikszintillatoren) – Plastikszintillatoren: Anfälligkeit gegenüber Mikrorissen (“Crazing”), welche die Lichtausbeute stark verringern. Werden oft ausgelöst durch Verschmutzung (Lösungsmittel, Öle,Fingerabdrücke). – Anorganische Kristalle: Teilweise hygroskopisches Verhalten mit Verschlechterung der Lichtausbeute. – Gasszintillatoren: Geringe Lichtausbeute.

28 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik Kalorimeter 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

29 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik Kalorimeter Sehr schnelle Auslese ( heutzutage noch sehr wichtigSehr schnelle Auslese ( heutzutage noch sehr wichtig Unterscheidung in elektromagnetische (EMC) und hadronische Kalorimeter (HAC)Unterscheidung in elektromagnetische (EMC) und hadronische Kalorimeter (HAC) Es entstehen N Sekundärteilchen, wobei N~EEs entstehen N Sekundärteilchen, wobei N~E Energieauflösung ist durch statistische Prozesse dominiert -> Höhere Teilchenenergie -> höhere EnergieauflösungEnergieauflösung ist durch statistische Prozesse dominiert -> Höhere Teilchenenergie -> höhere Energieauflösung Die benötigte Dicke eines Kalorimeters um ein Teilchen zu stoppen steigt nur mit lnEDie benötigte Dicke eines Kalorimeters um ein Teilchen zu stoppen steigt nur mit lnE Unterschiede in Teilchenschauern können für Teilchenidentifikation genutzt werdenUnterschiede in Teilchenschauern können für Teilchenidentifikation genutzt werden Konstruktionelle Unterschiede in homogene und heterogene/sampling KalorimeterKonstruktionelle Unterschiede in homogene und heterogene/sampling Kalorimeter

30 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik Kalorimeter Elektromagnetischer Shower 1. Bremsstrahlung (γ) 2. Pair-production Bremsstrahlung Bremsstrahlung 3. … Teilchenmultiplikation bis zur kritischen Energie, dann Ionisation und Anregung Hadronischer Shower inelastische hadronische Wechselwirkung des Primärteilchens mit dem Kalorimeterinelastische hadronische Wechselwirkung des Primärteilchens mit dem Kalorimeter Wesentlich komplizierter als elm. KaskadeWesentlich komplizierter als elm. Kaskade Elm. TeilkaskadenElm. Teilkaskaden Internukleare Kaskade (Spallation)Internukleare Kaskade (Spallation) -> Sampling Kalorimeter (bis 2m)

31 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik Gasdetektoren In Gasen haben freie Elektronen eine hohe BeweglichkeitIn Gasen haben freie Elektronen eine hohe Beweglichkeit Geladene Teilchen erzeugen Ion- Elektron-Paare im GasGeladene Teilchen erzeugen Ion- Elektron-Paare im Gas Eine angelegte Spannung beschleunigt die Elektronen zur KathodeEine angelegte Spannung beschleunigt die Elektronen zur Kathode Meist Edelgase, da keine Vibrationen und hohe Bewegungsfreiheit für ElektronenMeist Edelgase, da keine Vibrationen und hohe Bewegungsfreiheit für Elektronen Beschleunigte Elektronen können weitere Atome ionisieren -> LadungsträgerlawineBeschleunigte Elektronen können weitere Atome ionisieren -> Ladungsträgerlawine

32 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik Proportionalzähler Anodendurchmesser µm Ladungsträgerlawine nahe an Kathode (E krit )

33 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik Gasdetektoren IonisationskammernIonisationskammern ProportionalzählerProportionalzähler Geiger-Müller-ZählrohrGeiger-Müller-Zählrohr StreamerrohreStreamerrohre Multi Wire Proportional Counters viele Proportionalzähler zusammen ohne Trennwände (Nobelpreis Charpak 1992)Multi Wire Proportional Counters viele Proportionalzähler zusammen ohne Trennwände (Nobelpreis Charpak 1992) Driftkammern Driftzeit der Elektronen wird gemessenDriftkammern Driftzeit der Elektronen wird gemessen Time Projection Chambers (TPC) Driftkammer mit MWPC als Auslese -> 3-dim SpurrekonstruktionTime Projection Chambers (TPC) Driftkammer mit MWPC als Auslese -> 3-dim Spurrekonstruktion Micropattern Gas DetectorsMicropattern Gas Detectors

34 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik ALICE TPC

35 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik Halbleiterdetektoren

36 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik Halbleiterdetektoren Vorteile eines Halbleiterdetektors: - hohe Dichte - Geringe Ionisationsenergie (3.6eV, im Vergleich ~30eV) - Herstellungsprozesse aus de Microchipindustrie - Integration von Ausleseelektronik in den DetektorVorteile eines Halbleiterdetektors: - hohe Dichte - Geringe Ionisationsenergie (3.6eV, im Vergleich ~30eV) - Herstellungsprozesse aus de Microchipindustrie - Integration von Ausleseelektronik in den Detektor Prinzip eines Halbleiterdetektors: - ähnlich wie Gasdetektor - ionisierendes Teilchen regt beim Durchgang e - aus dem Valenzband an und erzeugt somit ein e - -h + -Paar - e - und h + driften zu den Elektroden und induzieren ein elektrisches SignalPrinzip eines Halbleiterdetektors: - ähnlich wie Gasdetektor - ionisierendes Teilchen regt beim Durchgang e - aus dem Valenzband an und erzeugt somit ein e - -h + -Paar - e - und h + driften zu den Elektroden und induzieren ein elektrisches Signal Aber: Anzahl der e - -h + -Paare durch Ionisation ist um 4 Größenordnungen geringer als Anzahl der thermisch generierten Paare! Lösung: Dotierung

37 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik Dotierung von Halbleitern Dotierung: Einbringen von Fremdatomen der benachbarten Gruppen des Periodensystems in KristallgitterDotierung: Einbringen von Fremdatomen der benachbarten Gruppen des Periodensystems in Kristallgitter p- oder n-Dotierungp- oder n-Dotierung Es gibt ein zusätzliches freies Elektron (Loch) aber kein zugehöriges Loch (Elektron)Es gibt ein zusätzliches freies Elektron (Loch) aber kein zugehöriges Loch (Elektron) Energiezustände knapp unterhalb der Leitungsbandkante (n-Dot.)Energiezustände knapp unterhalb der Leitungsbandkante (n-Dot.) Beim Raumtemperatur fast alle Donatoren ionisiertBeim Raumtemperatur fast alle Donatoren ionisiert Energieniveaus eines n-Halbleiters bei Raumtemperatur

38 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik Der pn-Übergang „Zusammenbringen“ von p- und n-Halbleitern„Zusammenbringen“ von p- und n-Halbleitern Anpassung der zuvor verschiedenen Fermi-Niveaus durch Diffusion der MajoritätsladungsträgerAnpassung der zuvor verschiedenen Fermi-Niveaus durch Diffusion der Majoritätsladungsträger Aufbau einer Raumladung, welche das weiter Eindringen von e- und Löchern in die Übergangszone verhindertAufbau einer Raumladung, welche das weiter Eindringen von e- und Löchern in die Übergangszone verhindert Vergleiche: „Diode“Vergleiche: „Diode“

39 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik Verhalten in Sperrichtung Typische DiodenkennlinieTypische Diodenkennlinie Anode an n- und Kathode an p- dotierten Teil (Sperrichtung)Anode an n- und Kathode an p- dotierten Teil (Sperrichtung) „absaugen“ der Majoritätsladungsträger„absaugen“ der Majoritätsladungsträger Verbreiterung der VerarmungszoneVerbreiterung der Verarmungszone Interne Potentialbarriere am Übergang wird vergrößert -> Diffusion über Grenzschicht hinweg wird unterdrücktInterne Potentialbarriere am Übergang wird vergrößert -> Diffusion über Grenzschicht hinweg wird unterdrückt Kleiner Leckstrom durch thermisch generierte Ladungsträgerpaare (nA)Kleiner Leckstrom durch thermisch generierte Ladungsträgerpaare (nA) Für p+n-Übergang reicht die Verarmungszone sehr wenig in p+ aber weit in den n-Bereich hineinFür p+n-Übergang reicht die Verarmungszone sehr wenig in p+ aber weit in den n-Bereich hinein

40 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik Detektorcharakteristika Üblicherweise ist der gesamt Detektor verarmtÜblicherweise ist der gesamt Detektor verarmt Dunkelstrom in Abhängigkeit von der Sperrspannung (thermische e - -h + -Paare)Dunkelstrom in Abhängigkeit von der Sperrspannung (thermische e - -h + -Paare) Detektorkapazität in Abhängigkeit von der Sperrspannung (Bestimmung der Betriebsspannung)Detektorkapazität in Abhängigkeit von der Sperrspannung (Bestimmung der Betriebsspannung) Sperrspannung in Abhängigkeit von der Dotierung (full-depleteted)Sperrspannung in Abhängigkeit von der Dotierung (full-depleteted)

41 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik Siliziumstreifedetektoren Segmentierte Elektroden in StreifenformSegmentierte Elektroden in Streifenform Unterscheidung zw. Streifen- und PixeldetektorenUnterscheidung zw. Streifen- und Pixeldetektoren Herstellungsprozesse größtenteils industiell: - Photolithographie - Ionenimplantation - MetallisierungHerstellungsprozesse größtenteils industiell: - Photolithographie - Ionenimplantation - Metallisierung Rückseite n+ dotiert: - besserer Kontakt - StrahlenschädenRückseite n+ dotiert: - besserer Kontakt - Strahlenschäden Al-Kontakte zur Verbindung mit ElektronikAl-Kontakte zur Verbindung mit Elektronik Hochreines SiliziumHochreines Silizium Dicke ~300µmDicke ~300µm

42 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik

43 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik Weitere Siliziumdetektoren (2-dim) Silicon Drift Detector: - Streifen formen homogenes Driftfeld - Messung der Driftzeit - Auslese über segmentierte AnodenSilicon Drift Detector: - Streifen formen homogenes Driftfeld - Messung der Driftzeit - Auslese über segmentierte Anoden Doppelseitige Streifendetektoren: - Segmentierung der Rückseite durch n+ Streifen orthogonal zu p+ Vorderseite - 2-dim Auslese - Ghosts - Herstellung, Handhabung und testen wesentlich komplizierter und teurer - Kurzschlüsse durch AkkumulationslagenDoppelseitige Streifendetektoren: - Segmentierung der Rückseite durch n+ Streifen orthogonal zu p+ Vorderseite - 2-dim Auslese - Ghosts - Herstellung, Handhabung und testen wesentlich komplizierter und teurer - Kurzschlüsse durch Akkumulationslagen

44 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik Silizium Pixel Detektoren Silicon Pixel Detector: - 2-dim Matrix - meist seperate Herstellung des Chips und des Sensors - Flip-Chip Bump Bonding - keine Ghosts - 50µm×50µmSilicon Pixel Detector: - 2-dim Matrix - meist seperate Herstellung des Chips und des Sensors - Flip-Chip Bump Bonding - keine Ghosts - 50µm×50µm DEPFET-Technology - integrierter verstärkender Transistor - sehr dünn - “alles aus einem Guss” - sleep-modeDEPFET-Technology - integrierter verstärkender Transistor - sehr dünn - “alles aus einem Guss” - sleep-mode

45 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik Strahlenschäden an Siliziumdetektoren Hohe hadronische Strahlenbelastung verursacht Strahlenschäden an SiliziumdetektorenHohe hadronische Strahlenbelastung verursacht Strahlenschäden an Siliziumdetektoren Hauptsächlich Schäden am Kristallgitter die zu Störstellen führen, aber auch Oberflächenschäden (-> Ladungstransport)Hauptsächlich Schäden am Kristallgitter die zu Störstellen führen, aber auch Oberflächenschäden (-> Ladungstransport) Störstellen wirken wie Dotierungen -> Änderung der effektiven Dotierung -> type inversionStörstellen wirken wie Dotierungen -> Änderung der effektiven Dotierung -> type inversion

46 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik Aufbau eines Großdetektors

47 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik Aufbau 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

48 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik ATLAS

49 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik Thank you for listening

50 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik HERA-B

51 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik

52 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik Wire-Bonds

53 Daniel Britzger, LMU MünchenModerne Teilchendetektoren an Hochenergieexperiementen und Ihre Physik


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