3D pixel sensors for the high luminosity LHC ATLAS detector upgrade

El Gran Acelerador de Hadrones (LHC) localizado en Ginebra es el acelerador m ́as grande del mundo. Produce colisiones protón -protón en el centro del detector ATLAS, el cual recopila la información de las colisiones. El LHC empezó a funcionar en 2008 con una energía en el centro de masas de 7 TeV y...

Descripción completa

Detalles Bibliográficos
Autor: Vazquez Furelos, David|||0000-0002-5551-3546
Tipo de recurso: tesis doctoral
Fecha de publicación:2019
País:España
Institución:Universitat Autònoma de Barcelona
Repositorio:Dipòsit Digital de Documents de la UAB
Idioma:inglés
OAI Identifier:oai:ddd.uab.cat:240276
Acceso en línea:https://ddd.uab.cat/record/240276
Access Level:acceso abierto
Palabra clave:Detectors de silici
Física d'altes energies
Detectores de silicio
3d silicon detectors
Física de altas energías
High energy physics
Atlas fase 2
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Ciències Experimentals
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description El Gran Acelerador de Hadrones (LHC) localizado en Ginebra es el acelerador m ́as grande del mundo. Produce colisiones protón -protón en el centro del detector ATLAS, el cual recopila la información de las colisiones. El LHC empezó a funcionar en 2008 con una energía en el centro de masas de 7 TeV y una luminosidad instantánea de 10 cm s . En 2011, la energía fue incrementada hasta 8 TeV. La luminosidad inicial fue incrementada n 2015 hasta 2×1034 cm-2s-1 y la energía ́ en el centro de masas hasta 13 TeV. El extenso programa del LHC incluye mejoras en el acelerador en 2026 hasta una energía de 14 TeV y una luminosidad de 7×10 del LHC (HL-LHC). Esta es conocida como la fase de Alta Luminosidad Siguiendo las mejoras en el LHC, el detector de ATLAS también tiene un programa de mejoras. El detector ATLAS original fue mejorado por primera vez en 2015, una nueva capa de detectores de píxeles (IBL) se montó directamente en la tubería del acelerador para mejorar sus capacidades de detección. Para hacer frente a las condiciones del HL-LHC, el subsistema más interno del detector ATLAS (ID) será completamente reemplazado por el nuevo medidor de trazas interno (ITk). Este nuevo subsistema basado completamente en silicio está formado por capas de detectores de píxeles y capas de detectores de tiras. La capa más interna del nuevo detector de píxeles de ITk es especialmente importante: juega un papel crítico en la determinación del para ́metro de impacto de la traza y, por lo tanto, es fundamental para determinar el b-tagging. Al mismo tiempo, es la capa expuesta a la tasa m ́as alta de partículas y dan ̃o por radiación. Los sensores de píxeles 3D, los cuales son el tema de esta tesis, son los candidato más fuertes para usar en la capa m ́as interna de ITk gracias a las ventajas que ofrecen sobre los detectores de píxeles planares. Dado que en los sensores 3D los electrodos son columnas insertadas en el silicio, en lugar de implantes en la superficie (como en los detectores planares), la distancia entre electrodos esta ́n separadas del espesor del sensor. Esto permite reducir la distancia entre electrodos (por tanto incrementando la resistencia a la radiación ) manteniendo la amplitud de la señal (que es proporcional al espesor). Adema ́s, gracias también a una reducida distancia entre electrodos se reduce el voltage de vaciamiento, por tanto reduce el consumo de potencia. Los sensores de píxeles 3D estudiados en esta tesis fueron acoplados al chip usado en iii IBL, el FE-I4, dado que el primer prototipo de chip que ser ́a usado en ITk (RD53A) solo estuvo disponible en 2018. Fueron estudiados con haces de partículas antes y después de ser irradiados hasta una fluencia de 2.8×1016 neq/cm2 excediendo confortablemente 16 2 los requisitos de ITk de 1.4×10 neq/cm . Una eficiencia del 97% fue alcanzada para la mÁ alta fluencia a 150 V. También, para la fluencia de referencia de 5×1015 neq/cm2 se necesita un voltaje de 40 V para alcanzar la eficiencia del 97% con un consumo de potencia de 1.5 mW/cm2 y para una fluencia de 1×1016 neq/cm2 se necesita un voltaje 2 de 100 V para alcanzar el 97% de eficiencia con un consumo de potencia de 8 mW/cm . Estos resultados muestran que los sensores 3D superan en gran medida la tecnología de sensores planares en t términos de resistencia a la radiación y consumo de potencia. El trabajo original presentado en esta tesis ha resultado en la elección de los sensores de píxeles 3D como la tecnología base para la capa más interna de ITk.
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Esta es conocida como la fase de Alta Luminosidad Siguiendo las mejoras en el LHC, el detector de ATLAS también tiene un programa de mejoras. El detector ATLAS original fue mejorado por primera vez en 2015, una nueva capa de detectores de píxeles (IBL) se montó directamente en la tubería del acelerador para mejorar sus capacidades de detección. Para hacer frente a las condiciones del HL-LHC, el subsistema más interno del detector ATLAS (ID) será completamente reemplazado por el nuevo medidor de trazas interno (ITk). Este nuevo subsistema basado completamente en silicio está formado por capas de detectores de píxeles y capas de detectores de tiras. La capa más interna del nuevo detector de píxeles de ITk es especialmente importante: juega un papel crítico en la determinación del para ́metro de impacto de la traza y, por lo tanto, es fundamental para determinar el b-tagging. Al mismo tiempo, es la capa expuesta a la tasa m ́as alta de partículas y dan ̃o por radiación. Los sensores de píxeles 3D, los cuales son el tema de esta tesis, son los candidato más fuertes para usar en la capa m ́as interna de ITk gracias a las ventajas que ofrecen sobre los detectores de píxeles planares. Dado que en los sensores 3D los electrodos son columnas insertadas en el silicio, en lugar de implantes en la superficie (como en los detectores planares), la distancia entre electrodos esta ́n separadas del espesor del sensor. Esto permite reducir la distancia entre electrodos (por tanto incrementando la resistencia a la radiación ) manteniendo la amplitud de la señal (que es proporcional al espesor). Adema ́s, gracias también a una reducida distancia entre electrodos se reduce el voltage de vaciamiento, por tanto reduce el consumo de potencia. Los sensores de píxeles 3D estudiados en esta tesis fueron acoplados al chip usado en iii IBL, el FE-I4, dado que el primer prototipo de chip que ser ́a usado en ITk (RD53A) solo estuvo disponible en 2018. Fueron estudiados con haces de partículas antes y después de ser irradiados hasta una fluencia de 2.8×1016 neq/cm2 excediendo confortablemente 16 2 los requisitos de ITk de 1.4×10 neq/cm . Una eficiencia del 97% fue alcanzada para la mÁ alta fluencia a 150 V. También, para la fluencia de referencia de 5×1015 neq/cm2 se necesita un voltaje de 40 V para alcanzar la eficiencia del 97% con un consumo de potencia de 1.5 mW/cm2 y para una fluencia de 1×1016 neq/cm2 se necesita un voltaje 2 de 100 V para alcanzar el 97% de eficiencia con un consumo de potencia de 8 mW/cm . Estos resultados muestran que los sensores 3D superan en gran medida la tecnología de sensores planares en t términos de resistencia a la radiación y consumo de potencia. El trabajo original presentado en esta tesis ha resultado en la elección de los sensores de píxeles 3D como la tecnología base para la capa más interna de ITk.The Large Hadron Collider (LHC) located in Geneva is the largest accelerator ever constructed. It produces proton-proton collisions in the center of the ATLAS detector, which collects the information of the collisions. The LHC started operations in 2008 at a center of mass energy of 7 TeV and an instantaneous luminosity of 10 cm s . In 2011 the energy was increased to 8 TeV. The starting luminosity was upgraded in 2015 to 2×1034 cm-2s-1 and the center of mass energy to 13 TeV. The extensive program of the LHC includes an accelerator upgrade in 2026 to an energy of 14 TeV and a luminosity of 7×10 cm s . This is known as the High Luminosity LHC (HL-LHC) phase. Following the LHC upgrades, the ATLAS detector also has an upgrade program. The original ATLAS detector was first upgraded in 2015, when a new layer of pixel detectors (IBL) was mounted directly on the beam pipe to improve its detection capabilities. To cope with the conditions of the HL-LHC, the innermost subsystem of the ATLAS detector (Inner Detector - ID) will be completely replaced by the the new Inner Tracker (ITk). This new fully silicon-based subsystem is formed by layers of pixel detectors and layers of strip detectors. The innermost layer of the new ITk pixel detector is specially important: it plays a critical role in the determination of the track impact parameter and thus it is fundamental for b-tagging. At the same time, it is the layer exposed to the highest particle rates and radiation damage. The 3D pixel sensors, which are the topic of this thesis, are the strongest candidates to be used in the innermost layer of ITk thanks to the advantage that they offer over the planar pixel sensors. Since in 3D sensors the electrodes are columns that penetrate the silicon bulk, instead of implants on the surface (like in planar sensors), the distance between electrodes is disentangled from the thickness of the device. This allows to reduce the electrode distance (hence increase radiation hardness) while keeping the signal amplitude (which is proportional to the thickness). Furthermore, with the reduced electrode distance, the depletion voltage is lower hence reducing the power dissipation. The 3D pixel sensors studied in this thesis were coupled to the chip used in IBL, the FE-I4, since the first prototype of chip to be used in ITk (RD53A) was only available in 2018. They were tested in beam tests before and after irradiation up to a fluence of 2.8×10 neq/cm comfortably exceeding the ITk requirements of 1.4×10 neq/cm . An efficiency of 97% was achieved for the highest fluence at 150 V. Also, for the benchmark fluences of 5×1015 neq/cm2 a voltage of 40 V is needed for 97% efficiency with a power dissipation of 1.5 mW/cm2 and for 1×1016 neq/cm2 a voltage of 100 V is needed for 97% 2 efficiency with a power dissipation of 8 mW/cm . These results show that 3D sensors largely outperformed the planar technology in terms of radiation hardness and power dissipation. The original work presented in this thesis resulted in the choice of 3D pixel sensors as the baseline technology for the innermost layer of ITk.Institut de Física d'Altes EnergiesGrinstein, Sebastian 22019-01-0120192019-01-01Tesi doctoralhttp://purl.org/coar/resource_type/c_db06VoRhttp://purl.org/coar/version/c_970fb48d4fbd8a85info:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfhttps://ddd.uab.cat/record/240276reponame:Dipòsit Digital de Documents de la UABinstname:Universitat Autònoma de BarcelonaInglésengopen accesshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Aquest document està subjecte a una llicència d'ús Creative Commons. Es permet la reproducció total o parcial, la distribució, i la comunicació pública de l'obra, sempre que no sigui amb finalitats comercials, i sempre que es reconegui l'autoria de l'obra original. No es permet la creació d'obres derivades.https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessoai:ddd.uab.cat:2402762026-06-06T12:50:31Z
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