Ein Mehrkanal-TCT Aufbau mit positions- und winkelabhängiger Ladungsinjektion hoher Intensität Julian Becker, Doris Eckstein, Robert Klanner, Georg Steinbrück Universität Hamburg, Institut für Experimentalphysik, Detektorlabor DPG-Frühjahrstagung 3.3.08

Mehrkanal-TCT, Julian Becker Überblick Motivation Grundlagen des TCT Mehrkanal TCT (MTCT) Layout bisheriger Aufbau Elektronik Laserfokus Status und Ausblick 3.3.2008 Mehrkanal-TCT, Julian Becker

Mehrkanal-TCT, Julian Becker Motivation Ziel: Zeitaufgelöste mehrkanalige Ladungssammlungsmessungen an strukturierten Si-Sensoren im Labor Ladungssammlung: ist der fundamentale Prozess in Si-Sensoren Zeitaufgelöst: zum Verständnis der Ladungssammlung ist es notwendig die Pulsform (Transiente) und das Integral (Ladung) eines Signals zu kennen Strukturierte Si-Sensoren: werden in aktuellen Detektoren z.B. am LHC und XFEL eingesetzt; Strukturgrößen ~100µm Mehrkanalig: ermöglicht Messungen von Ladungsteilung zwischen Strukturen Beispiele: Vertex-Detektor am LHC extreme Strahlenschäden reduzieren gesammelte Ladung (trapping)  Signal/Rausch Verhältnis sinkt  Dunkelstrom steigt XFEL Hybrid Pixel Array Detector (HPAD) extreme Intensitätsdynamik vom Einzelphoton bis zu 104 Photonen (1000 MIPs) /Puls/Pixel  Expansion (Ladung in mehreren Pixels)  Plasma-Verzögerung (Ladungssammelzeit erhöht sich) 3.3.2008 Mehrkanal-TCT, Julian Becker

Mehrkanal-TCT, Julian Becker Messmethode Folgende wichtige Sensoreigenschaften sollen bestimmt werden: Ladungssammlungseffizienz (CCE) -> Signal/Rausch-Verhältnis Ladungseinfangzeit (trapping time) Ladungssammlungszeit Ladungsteilung Transient Current Technique TCT + Mehrere Kanäle MTCT 3.3.2008 Mehrkanal-TCT, Julian Becker

Mehrkanal-TCT, Julian Becker Grundlagen des TCT MIP oder 1052nm Laser (Eindringtiefe  900µm) Loch Elektron 660nm Laser (Eindringtiefe  3 µm) oder -Teilchen (Eindringtiefe  20 µm) CG1233, FZ-Si 280µm Dicke, Ubias=100V 3.3.2008 Mehrkanal-TCT, Julian Becker

Spezifikationen Mehrkanal-TCT Set-up Messung an Streifen- und Pixelstrukturen Mehrere Kanäle gleichzeitig auslesbar Hohe (XFEL) und niedrige (MIP) Intensitäten Fokuspunkt ~ 10 µm Temperaturen -10°C bis 20 °C zu untersuchende Struktur beweglich montiert um Scans zu ermöglichen (x-y) Injektion unter Winkel (bis ca. 70° entspricht  10° in Silizium) Injektion von Vorderseite und Rückseite möglich Maximale Größe 13x26 mm² 3.3.2008 Mehrkanal-TCT, Julian Becker

Mehrkanal-TCT, Julian Becker Schematischer Aufbau Spannungsquelle Peltier Controller y Tisch Glasfaserkabel und Optik Kühlung Halterng Automatisierte Steuerung und Datennahme Kühlschläuche z Tisch x Tisch 500 MHz Oszilloskop Laser Laser Controller trigger line 4 Abschwächer (Stufen 1/1 bis 1/316.000) 4 Verstärker (x500) 3.3.2008 Mehrkanal-TCT, Julian Becker

Impulsantwort der Elektronik 3.3.2008 Mehrkanal-TCT, Julian Becker

Foto vom bisherigen Aufbau X-Y Tische Abschwächer und Verstärker provisorische Halterung Optik Laser Z Tisch 3.3.2008 Mehrkanal-TCT, Julian Becker

Laseroptik (gauss‘scher Strahl) Linse Blende Strahlaufweiter x15 Graufilter Kollimator für Glasfaser Detektor DKollimator = 1,5 mm Arbeitsabstand Brennweite f Qualitätsfaktor M2 = 2;  = 660 nm; f = 75 mm; DLinse = DKollimator x Aufweitung  DSpot  2,8 µm < 10µm, wie gefordert 3.3.2008 Mehrkanal-TCT, Julian Becker

Mehrkanal-TCT, Julian Becker Fokusgröße Photostrom Ableitung Gauss-Fit =5,7 µm x 3.3.2008 Mehrkanal-TCT, Julian Becker

Mehrkanal-TCT, Julian Becker [µA/µm] 3.3.2008 Mehrkanal-TCT, Julian Becker

Laser system (PicoQuant) 660 nm (rot) Eindringtiefe: 3µm Minimalenergie:  3,8 fJ/Puls  70 ps Pulsbreite Maximalenergie:  13 pJ/Puls  1x1020 e-h/cm3  800 ps Pulsbreite 1052nm (infrarot) Eindringtiefe: 900 µm Minimalenergie:  12,5 fJ/Puls  1 MIP  10 x XFEL-  70 ps Pulsbreite Maximalenergie:  95 pJ/Puls  6x104 XFEL-  140 Millionen e-h Paare  6000 MIPs  700 ps Pulsbreite 3.3.2008 Mehrkanal-TCT, Julian Becker

Mehrkanal-TCT, Julian Becker Status und Ausblick Ziel: Zeitaufgelöste mehrkanalige Ladungssammlungsmessungen an strukturierten Si-Sensoren im Labor Gegenwärtiger Status: Standard-TCT Untersuchungen mit provisorischer Halterung möglich kleine Fokusgröße (<10 µm) hohe Laserintensität (XFEL) hoher dynamischer Bereich (Elektronik und Laser) X-Y-Z Stelltische Laserinjektion unter Winkel möglich Ausblick: Temperaturkontrolle Ausmerzen von Kinderkrankheiten in Labview-Software Untersuchungen an Teststrukturen (CMS-Pixel vorhanden) 3.3.2008 Mehrkanal-TCT, Julian Becker

Mehrkanal-TCT, Julian Becker Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 3.3.2008 Mehrkanal-TCT, Julian Becker

Mehrkanal-TCT, Julian Becker Laser system (red) maximum energy:  140 pJ/pulse  800 ps pulse width minimum energy:  22 pJ/pulse  70 ps pulse width 3.3.2008 Mehrkanal-TCT, Julian Becker

Mehrkanal-TCT, Julian Becker Laser system (IR) minimum energy:  44 pJ/pulse  70 ps pulse width maximum energy:  275 pJ/pulse  700 ps pulse width 3.3.2008 Mehrkanal-TCT, Julian Becker

Mehrkanal-TCT, Julian Becker Mechanik Mechanische Präzision in der Größenordnung ½ Spotsize  1 µm z z  Flip-over Detektorhalterung ermöglicht Beleuchtung der Rückseite y x Rotationsachse liegt auf optischer Achse 3.3.2008 Mehrkanal-TCT, Julian Becker

Mehrkanal-TCT, Julian Becker Brechungsproblem 1060nm Licht ist kein MIP deswegen unterliegt es der Lichtbrechung nach dem snelliusschen Gesetz nLuft=1 1 nSilizium=3,6 3.3.2008 Mehrkanal-TCT, Julian Becker