CVD Diamanten für den International Linear Collider

Präsentation zum Thema: "CVD Diamanten für den International Linear Collider"—  Präsentation transkript:

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

2 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 Freiburg Ch.Grah – CVD Diamanten für ILC

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

4 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 Freiburg Ch.Grah – CVD Diamanten für ILC

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

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

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

8 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 m. 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 Freiburg Ch.Grah – CVD Diamanten für ILC

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

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

11 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 Freiburg Ch.Grah – CVD Diamanten für ILC

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

13 Ch.Grah – CVD Diamanten für ILC
Diamant - Signale Qtheo = 36 e-/μm etwa 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. Freiburg Ch.Grah – CVD Diamanten für ILC

14 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. Freiburg Ch.Grah – CVD Diamanten für ILC

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

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

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

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

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

20 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. Freiburg Ch.Grah – CVD Diamanten für ILC