L'upgrade di LHC, denominato High Luminosity-LHC (HL-LHC), prevede di aumentarne la luminosit` a fino a raggiungere 1035 cm−2 s−1 , ponendo nuove sfide, in particolare a causa dell'alto livello di radiazioni. Nelle condizioni previste, i rivelatori al silicio a pixel degli strati interni del sistema di trac- ciamento di CMS dovranno sopportare un livello di irraggiamento pari a ∼ 1016 neq /cm2 . Poich ́ e gli attuali sensori sono qualificati per una tolleranza alle radiazioni inferiore, si ` e reso necessario iniziare un programma di ricerca e sviluppo per lo studio di nuovi rivelatori pi` u resistenti alle radiazioni. Tra i possibili candidati, i rivelatori al silicio a pixel 3D sembrano essere tra le soluzioni pi` u promettenti per questo tipo di applicazioni. Questi rivelatori sono caratterizzati da elettrodi a colonna scavati attraverso il bulk di silicio e grazie a questa tecnologia si riescono ad ottenere interessanti propriet` a in termini di resistenza alle radiazioni. Per introdurre l'argomento, il primo capitolo presenta una panoramica sulle propriet` a del silicio e sull'interazione delle particelle con la materia. Il secondo capitolo ` e dedicato ai rivelatori a pixel ibridi ed in particolare alle caratteristiche dei rivelatori 3D prodotti dalla Fondazione Bruno Kessler (FBK) di Trento, Italia, dal Centro Nacional de Microelectr ́ onica di Bar- cellona, Spagna e dalla SINTEF di Trondheim, Norvegia. Verranno inoltre presentati i principali risultati ottenuti su questi rivelatori dalla ATLAS 3D Collaboration. Questa tesi ` e focalizzata sul lavoro di sviluppo e realizzazione di una pro- cedura di laboratorio per la caratterizzazione di rivelatori a pixel 3D per CMS. Il terzo capitolo ` e dedicato alle misure di corrente di buio, rumore e raccolta di carica, queste ultime realizzate con l'uso di una sorgente ra- dioattiva. Viene inoltre illustrata la procedura di calibrazione del chip di lettura. Il quarto capitolo descrive il lavoro svolto per approntare un setup per misure di efficienza con il laser su rivelatori al silicio a pixel, basato sull'idea di simulare con un laser da 1060 nm il passaggio di una particella. Verranno presentate le mappe di efficienza ottenute con la scansione laser sull'area di un singolo pixel.
The proposed LHC luminosity upgrade, referred to as High Luminosity- LHC (HL-LHC), will increase the luminosity up to 1035 cm−2 s−1 posing sev- eral challenges mainly because of the expected high radiation levels. In this conditions, the CMS silicon pixel detectors of the inner layers of the tracking system will need to withstand particle fluences up to ∼ 1016 neq /cm2 , and the low radiation tolerance of the presently available silicon sensor technology becomes an issue, requiring to design and test new radiation-hard sensors. Among the proposed candidates, 3D silicon sensors seem to be one of the more promising for applications in these scenarios. These types of detec- tor use columnar electrodes etched through the silicon bulk. Thanks to this technology, interesting properties of radiation hardness are obtained. For introducing the argument, an overview on silicon properties and parti- cle detection is presented in the first chapter. The second chapter is dedicated to hybrid pixel detectors and in particular the characteristics of 3D silicon sensors produced by Fondazione Bruno Kessler (FBK) in Trento, Italy, Cen- tro Nacional de Microelectr ́ onica in Barcelona, Spain and SINTEF in Trond- heim, Norway are described. The main results obtained with these devices by the ATLAS 3D Collaboration are also presented. This thesis focuses on the work done to develop and set up the laboratory characterization procedure for the CMS 3D silicon pixel detectors. The third chapter is dedicated to the measurements of the leakage currant, the noise and the charge collection, the latter done with a radioactive source test. The readout chip calibration procedure is also explained. The fourth chapter presents the realization of a laser setup for silicon pixel detector measurements, based on the idea of simulating a crossing particle with a 1060 nm laser in order to study detector efficiency. Measurements of the efficiency map obtained by scanning single pixel area are shown.
Caratterizzazione e prestazioni di rivelatori al silicio a pixel 3D per CMS
RAVERA, FABIO
2012/2013
Abstract
The proposed LHC luminosity upgrade, referred to as High Luminosity- LHC (HL-LHC), will increase the luminosity up to 1035 cm−2 s−1 posing sev- eral challenges mainly because of the expected high radiation levels. In this conditions, the CMS silicon pixel detectors of the inner layers of the tracking system will need to withstand particle fluences up to ∼ 1016 neq /cm2 , and the low radiation tolerance of the presently available silicon sensor technology becomes an issue, requiring to design and test new radiation-hard sensors. Among the proposed candidates, 3D silicon sensors seem to be one of the more promising for applications in these scenarios. These types of detec- tor use columnar electrodes etched through the silicon bulk. Thanks to this technology, interesting properties of radiation hardness are obtained. For introducing the argument, an overview on silicon properties and parti- cle detection is presented in the first chapter. The second chapter is dedicated to hybrid pixel detectors and in particular the characteristics of 3D silicon sensors produced by Fondazione Bruno Kessler (FBK) in Trento, Italy, Cen- tro Nacional de Microelectr ́ onica in Barcelona, Spain and SINTEF in Trond- heim, Norway are described. The main results obtained with these devices by the ATLAS 3D Collaboration are also presented. This thesis focuses on the work done to develop and set up the laboratory characterization procedure for the CMS 3D silicon pixel detectors. The third chapter is dedicated to the measurements of the leakage currant, the noise and the charge collection, the latter done with a radioactive source test. The readout chip calibration procedure is also explained. The fourth chapter presents the realization of a laser setup for silicon pixel detector measurements, based on the idea of simulating a crossing particle with a 1060 nm laser in order to study detector efficiency. Measurements of the efficiency map obtained by scanning single pixel area are shown.| File | Dimensione | Formato | |
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