Characterization of the CMS pixel detectors

Gu, Weihua; Lübelsmeyer, Klaus

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-2848

Characterization of the CMS pixel detectors

Gu, Weihua (Author)

2002

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Weihua Gu

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2002

UmfangII, 107 S. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2002

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Lübelsmeyer, Klaus (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2002-01-30

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-2848
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/56814/files/Gu_Weihua.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften (100000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; CMS-Detektor (frei) ; LHC (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Mit einer Luminosität von 10^34 cm^-2/s und einer Schwerpunktsenergie von 14 TeV wird der Proton-Proton Beschleuniger (LHC) im Jahr 2005 in Betrieb gehen. Wichtige Ziele sind dabei die Suche nach dem Higgs- Boson und nach Prozesse die über das Standard-Modell hinausgehen. Das Pixel-System bildet den innersten Teil des CMS-Experimentes. Es dient vor allem der Vertex-Rekonstruktion und dem Flavor-Tagging. Die hohe Luminosität, der extrem kurze Zeitabstand zweier Kollisionen und die hohe Anzahl von Teilchenspuren stellen hohe Anforderungen an die Strahlenhärte und die Schnelligkeit der verwendeteten Sensoren und deren Ausleseelektronik und bedingen eine hohe Granularität des Systems. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Untersuchung von zwei Testaufbauten, die für die Charakterisierung der Pixel-Detektoren verwendet werden: einer befasst sich mit Test-Pulsen und der andere arbeitet mit Laser-Pulsen. Es wird gezeigt, dass das Laser- System viele Vorteile bietet. Es ist kompakt und flexibel. Es ermöglicht eine hohe Statistik und ein einfaches Trigger-System. Ausserdem bietet das System die Möglichkeit einer kontrollierten Ladungsinjektion. Eine kurze Beschreibung des LHC und ein Überblick über das CMS-Experiment werden in Kapitel 2 gegeben. Das 3. Kapitel beschäftigt sich mit dem Layout des CMS Pixel-Systems und der Entwicklung von Pixel- Detektoren. Kapitel 4 stellt den AC30-Chip (Auslesechip von den Pixel-Detektoren) in RICMOS IV-Technologie vor. Dabei werden die Auslese-Architektur, der Auslese-Prozess und die Methoden zur Datenauswertung diskutiert. Kapitel 5 handelt von der Lichtabsorption in Si und GaAs. In diesem Kapitel werden die verschiedenen Absorptions- prozesse in den beiden Materialien vorgestellt und anhand von Messungen der Absorption untersucht. Die Messungen an einer GaAs Diode mit einer Laserdiode (1084 nm) sowie die Messungen an einem GaAs Strip-Detektor mit einem Nd:YAG Laser (1064 nm) werden auch in diesem Kapitel präsentiert. Im Hinblick auf die Leistungsfähigkeit der Pixel-Detektoren werden die Performance-Parameter im Kapitel 6 definiert und eingeführt. Diese werden mit Hilfe von Test-Pulsen und Laser-Pulsen aus einer Laserdiode (670 nm) bzw. aus dem Nd:YAG Laser gemessen und die Resultate werden diskutiert. Die Anwendbarkeit des Laser-Systems wird am Ende dieser Arbeit dargestellt.

In 2005 the Large Hadron Collider (LHC) will start the pp collisions at a high luminosity and at a center of mass energy of 14 TeV. The primary goal of the experimental programme is the search of the Higgs boson(s) and the supersymmetric particles. The programme is also proposed to detect a range of diverse signatures in order to provide guidance for future physics. The pixel detector system makes up the innermost part of the CMS experiment, which is one of the two general purpose detectors at the LHC. The main tasks of the system are vertex detection and flavor tagging. The high luminosity and the high particle multiplicity as well as the small bunch spacing at the LHC impose great challenges on the pixel detectors: radiation hardness of sensors and electronics, fast signal processing and a high granularity are the essential requirements. This thesis concentrates on the study of the suitability of two test stands, which are implemented to characterize the CMS pixel detectors: one is con-cerned with test pulses, while the other with laser pulses. The benefits of a laser system are the provision of a flexible test stand, an easy trigger system, high statistic and completely controllable source for the laboratory use. A brief description of the LHC physics and an overview of the CMS experiment are given in Chapter two. The following chapter is primarily concerned with the layout of the CMS pixel system and the design of the pixel detectors, together with a brief introduction of the bump bonding process. Chapter four describes the pixel readout chip - the AC30 chip fabricated in the RICMOS IV-Technology. In this chapter the readout architecture, the operation procedures and the method of data processing of the chip are discussed. In order to understand the charge injection with laser pulses light absorption in semi-conductor detectors is treated in Chapter five. Since Si is chosen as the baseline material of the CMS pixel detectors, whereas GaAs was the candidate material, absorption mechanisms of both materials are outlined and the results of the absorption measurements in Si and GaAs wafers are presented. The results of the measurements of a GaAs Schottky diode with a 1084 nm pulsed laser diode and a GaAs strip detector with a 1064 nm pulsed Nd:YAG laser are also given in this chapter. Chapter six defines and discusses the performance parameters, which are applied to characterize the CMS pixel detectors: I-V characteristics, full depletion voltage, use of the trim bits, threshold distribution, noise, pulse form, peaking time, time walk, linearity, gain factors and spatial resolution. In this chapter two test stands are studied in detail: one employs testpulses, while the other is a laser test stand equipped with a 670 nm laser diode and a 1064 nm Nd:YAG laser.The results of the measurements of the performance parameters are presented and discussed. The suitability of the test stands is then evaluated at the end of the thesis.

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