CVD Diamanten für den International Linear Collider Christian Grah – DESY Zeuthen 26.Okt.2005

Ch.Grah – CVD Diamanten für ILC Übersicht DESY Motivation: Hochenergiephysik Instrumentierung des International Linear Collider Vorwärtskalorimeter BeamCal - Detektoraufbau und Aufgaben pCVD Diamanten für das BeamCal Anforderungen Testmessungen Zusammenfassung und Ausblick 26.10.05 Freiburg Ch.Grah – CVD Diamanten für ILC

Das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY 26.10.05 Freiburg Ch.Grah – CVD Diamanten für ILC

Ch.Grah – CVD Diamanten für ILC DESY 1979 bei PETRA wird das Gluon direkt beobachtet. 1980 HASYLAB wird eröffnet 1984 Bau der 6,3 km langen unterirdischen Hadron-Elektron-Ring-Anlage HERA. Dies eröffnet Untersuchungen der Substruktur von Protonen. FEL – VUV-FEL und XFEL ab 2006. Nationales Forschungszentrum für Hochenergiephysik in HH. etwa 1600 Angestellte (HH und Zeuthen), davon etwa 400 Wissenschaftler ausserdem etwa 3000 Wissenschaftler aus 33 Nationen. Mitglied der Hermann von Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren 1959 gegründet 1960 Beschleuniger DESY gibt dem Institut seinen Namen. 1969 Bau des Elektron-Positron Speicherrings DORIS 1975 schwere Quarks werden nachgewiesen. 1975 Bau des 2,3 km langen Elektron-Positron-Speicherrings PETRA Aufgaben und Ziele: Entwicklung, Bau und Betrieb von Teilchenbeschleunigern Elementarteilchenphysik Forschung mit Synchrotronstrahlung 26.10.05 Freiburg Ch.Grah – CVD Diamanten für ILC

Ch.Grah – CVD Diamanten für ILC DESY - Zeuthen DESY – Zeuthen in Brandenburg: ehemaliges "Institut für Hochenergiephysik" der Akademie der Wissenschaften der DDR, seit 1992 2. Standort von DESY. 26.10.05 Freiburg Ch.Grah – CVD Diamanten für ILC

Was ist Hochenergiephysik Hochenergiephysik beschäftigt sich mit zwei der fundamentalsten Fragen: Woraus besteht die Welt? Was hält die Welt zusammen? NASA/WMAP Science Team 26.10.05 Freiburg Ch.Grah – CVD Diamanten für ILC

Ch.Grah – CVD Diamanten für ILC Hochenergiephysik stabile Materie g γ W Z 26.10.05 Freiburg Ch.Grah – CVD Diamanten für ILC

Beschleuniger: Heute und Morgen HEP Beschleuniger: LHC (Start 2007) => Nachweis des Higgs-Bosons, hohe Energie (< 14 TeV), ABER proton-proton Kollisionen ILC (Start ~2015) => Präzisionsmessungen bis 1TeV (Elektron-Positron Kollision) 1 TeV entspricht etwa die Energie einer fliegenden Mücke, sowie einer Wellenlänge von 10-19m. Länge: 20 – 30 km Energie: 500 GeV (1 TeV) tsep ≈ 300ns Qbunch ≈ 2 x 1010 Elektronen/Positronen σx ≈ 550 nm σy ≈ 5 nm σz ≈ 300 μm 26.10.05 Freiburg Ch.Grah – CVD Diamanten für ILC

Ch.Grah – CVD Diamanten für ILC Detektoren (für ILC) 26.10.05 Freiburg Ch.Grah – CVD Diamanten für ILC

Detektoren im Vorwärtsbereich Entstehung von Beamstrahlung durch die hohen Ladungsdichten bei der Kollision. em Schauer 26.10.05 Freiburg Ch.Grah – CVD Diamanten für ILC

Aufbau des BeamCal Warum Diamant? Typische Sandwich-Struktur. Deponierte Energy von ~20 TeV/Kollision extreme Strahlenbelastung von ~10 MGy/a. Wahrscheinlich sind nur Diamanten in der Lage diese Dosis ohne Leistungsverlust zu absorbieren. Weitere Vorteile von Diamanten gegenüber Silizium: Hoher spez. Widerstand Hohe Wärmeleitfähigkeit Niedrige Dielektrizitätskonstante Hohe Mobilität der Ladungsträger 3.5mm W + .3mm Diamant Sensor/Lage 30 Lagen ~1.5 cm < R < ~10(+2) cm 26.10.05 Freiburg Ch.Grah – CVD Diamanten für ILC

Signalentstehung in Diamant Gnd -HV Trigger ADC ionisierendes Teilchen h e Sensor 26.10.05 Freiburg Ch.Grah – CVD Diamanten für ILC

Ch.Grah – CVD Diamanten für ILC Diamant - Signale Qtheo = 36 e-/μm etwa 11000 e- bei 300 μm dicken Sensoren (23000 bei Silizium) Diamond PMTs Aber: 500 e- ≤ Qgemessen ≤ 2000 e- Definition der CCD: Charge Collection Distance = (μeτe + μhτh) E Distanz die Elektron/Loch zurücklegen, bevor Sie eingefangen werden und nicht mehr zum Signal beitragen. 26.10.05 Freiburg Ch.Grah – CVD Diamanten für ILC

Anforderungen an die Sensoren Linearität Homogenität Stabiler Leckstrom Vorhersagbarkeit des Verhaltens bei Bestrahlung. Keine signifikante Änderung bei Bestrahlung. Die CCD oder Effizienz ist für unsere Anwendung von geringerem Interesse. Aufgrund der Schauerbildung sind die Signale ohnehin sehr gross. 26.10.05 Freiburg Ch.Grah – CVD Diamanten für ILC

Ch.Grah – CVD Diamanten für ILC Leckstromverhalten 26.10.05 Freiburg Ch.Grah – CVD Diamanten für ILC

Mögliche Ursache - Microcracks Wirebonding funktioniert inzwischen zuverlässig. Microscope image 26.10.05 Freiburg Ch.Grah – CVD Diamanten für ILC

Vergleich von Signalhöhen FAP_7_2b FAP6 26.10.05 Freiburg Ch.Grah – CVD Diamanten für ILC

Verhalten unter Bestrahlung FAP6 FAP7: Nach wenigen Gy Dosis keine Analyse mehr möglich. 26.10.05 Freiburg Ch.Grah – CVD Diamanten für ILC

Auswahlkriterien am IAF? Raman Spektrum PL Spektrum 26.10.05 Freiburg Ch.Grah – CVD Diamanten für ILC

Zusammenfassung & Ausblick CVD Diamanten sind (nicht nur, aber vor allem) aufgrund der erwarteten Strahlenhärte ein interessantes Sensormaterial für Experimente der Hochenergiephysik. Vorhersagbare und reproduzierbare Eigenschaften sind von großer Bedeutung. Definition von Auswahlkriterien ist noch nicht abgeschlossen. Aber: Hohe Ramangüte UND Niedriger Si- bzw. N-Anteil Fruchtbare Zusammenarbeit mit Fraunhofer IAF bisher und hoffentlich auch weiterhin. 26.10.05 Freiburg Ch.Grah – CVD Diamanten für ILC