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 an Tracking-System (robust, flexibel) Starkes Magnetfeld zur Spurbestimmung erforderlich

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“ und Top Quark - Untersuchungen Trigger für uninteressante Ereignisse

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

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

Einleitung 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

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

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

Layout

Layout 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

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

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

Strahlungsschäden 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 verursachen

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

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

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

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

CMS-Siliziumdetektoreigenschaften 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 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

Konstruktion des Detektors 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)

Organigramm für Detektorbau

Siliziumdetektorfertigung Vollautomatische Teststation Robotergesteuerter Zusammenbau

Halbmond-Teststruktur

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

Siliziumstreifendetektoren, Bsp. TOB - Modul TEC - Modul

Zusammenfassung 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