Silicon strip detectors for the atlas end-cap tracker at the hl-lhc
- Autores: Urmila Soldevila Serrano
- Directores de la Tesis: Carlos Lacasta Llacer (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat de València ( España ) en 2017
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Miguel Ullan Comes (presid.), Mercedes Miñano Moya (secret.), Sergio Díez Cornell (voc.)
- Programa de doctorado: Programa Oficial de Doctorado en Física
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TESEO
- Resumen
El LHC se ha convertido en el acelerador más potente de todos los tiempos. Su principal objetivo es dar respuesta a las limitaciones del Modelo Estándar y revelar la física más allá de él. El descubrimiento del bosón de Higgs en 2012 supuso el comienzo de una era en el campo de la física de partículas donde conseguir la mayor precisión posible en las medidas es vital. En el LHC se aceleran y colisionan protones con una energía nominal de centro de masas de 14 TeV y una luminosidad instant ánea nominal de 10^34 cm−2 s−1. Para la máxima luminosidad, los protones son acelerados en paquetes de 1.15 ×10^11 protones cada uno, con una frecuencia de 40 MHz (esto supone una colisión cada 25 ns). Estas colisiones producen gran cantidad de partículas que son registradas por los experimentos del LHC. Dentro del programa físico desarrollado del LHC la luminosidad irá incrementando y los detectores pasarán por varias fases de mejora para adaptar todo su potencial a cada situación. En el caso del experimento ATLAS, la segunda será la última fase de mejora, durante la cuál se preparará a los detectores para alcanzar la máxima luminosidad de 5x10^34 cm−2 s−1. Su comienzo está programado entre 2022 y 2023 y el detector interno se reemplazará por uno hecho completamente de silicio.
En experimentos de aceleradores de partículas de alta energía, los detectores de silicio son muy utilizados debido entre otras cosas a la estructura de bandas energéticas de los materiales semiconductores. Un detector de silicio es básicamente una unión pn (que se consigue dopando el material con impurezas en pequeñas cantidades). La zona de desertización que existe en el sensor es la base para la detección de partículas en este tipo de detectores. Cuando una partícula atraviesa el diodo, ioniza el material y genera pares electrón-hueco, que se dirigen hacia los electrodos del detector.
En detectores de reconstrucción de trazas que requieren medidas de la posición con alta precisión se utilizan detectores de silicio de micro-bandas (o microstrips). En estos detectores las bandas (strips) actúan como uniones pn independientes. Los detectores estudiados en este trabajo para la segunda fase de mejoras del detector interno de ATLAS son detectores de microstrip tipo p.
La radiación induce defectos en la estructura cristalina del silicio los cuales suponen da˜nos a nivel microscópico. Las consecuencias de estos da˜nos microscópicos se reflejan posteriormente en efectos macroscópicos. Estos efectos pueden tener gran influencia en el comportamiento eléctrico del detector. Afectan principalmente a la corriente de fugas, la eficiencia de recolección de carga y la concentración efectiva de dopantes.
El trabajo presentado en esta tesis está enfocado en la caracterización eléctrica de detectores de silicio de tipo microstrip que se utilizarán en la segunda mejora del detector ATLAS y en concreto en los End-Caps del detector interno.
En la primera parte de este trabajo, se presenta la estructura del Pétalo que contendrá los sensores de silicio. Las pruebas termo-mecánicas realizadas muestran alta compatibilidad con las simulaciones previas realizadas. Las deformaciones máximas debidas a estrés mecánico fueron de unas 200 μm y 30 μe para deflexiones y elongaciones, respectivamente. Con estos valores se obtuvo el módulo de Young de la fibra de carbono, siendo de 215 GPa. En el caso de deformaciones por estrés térmico se obtuvieron deflexiones de 0.24 μm/ºC y de 4.8 μe/ºC para las elongaciones. La temperaturas medidas en la superficie están entre -14 y -30ºC. Los resultados presentan algunas diferencias respecto a lo previsto por las simulaciones las cuales pueden estar debidas a la gran influencia de las condiciones externas en el sistema experimental y a la necesidad de implementar mejor las propiedades de los distintos materiales en el modelo simulado. La superficie del Pétalo además se encuentra dentro de las especificaciones de planaridad (por debajo de las 100 μm) y el grosor medido (5.4 mm) es cercano al establecido (~5 mm). A su vez se caracterizaron eléctricamente sensores miniatura que sirven de base a los futuros sensores del Pétalo. La caracterización se realizó en términos de corriente de fugas, capacidad y recolección de carga pre y post-irradiación. A partir de los resultados se puso de manifiesto el efecto negativo que produce la radiación sobre las propiedades eléctricas de los sensores. La corriente de fugas aumentó un factor cinco después de irradiar y la capacidad cambió, no siendo posible ver la región de capacidad constante e imposibilitando el cálculo del voltaje de desertización completa mediante este método. En cuanto a la carga recolectada, se observó una disminución con la dosis de radiación. Cuanto mayor es la dosis menor es la carga total recolectada por los sensores. A pesar de ello, los sensores son capaces de mantener las especificaciones requeridas por el experimento en el voltaje de operación esperado (unos 600 V) aún para las mayores dosis de irradiación. Por tanto, estos estudios muestran resultados muy positivos. Como complemento a la caracterización eléctrica de los sensores, se realizaron estudios de integridad de la señal por strip (pre y post-irradiación) mediante un sistema láser diferenciando además entre sensores que poseían strips huérfanos conectados mediante tecnología AC o DC. En general todos los sensores medidos presentaron uniformidad en la amplitud de la señal por canal. En el caso de detectores irradiados, se comprobó de nuevo cómo la exposición a la radiación afecta a las propiedades de los sensores obteniendo una disminución en la amplitud de la señal. En cuanto a la comparativa entre tecnología AC y DC se comprobó la eficacia de ambas siendo preferibles las conexiones AC ya que en las DC existen pequeños acoplos que pueden inducir a confusión en el sistema de reconstrucción de trazas. Con el tiempo, los efectos de la radiación cambian. Mediante el annealing acelerado de los sensores podemos estudiar este fenómeno. Para ello se emplea una cámara climática. En este tipo de detectores se espera ver un incremento en la eficiencia de recolección de carga con el tiempo de annealing. Dos de los sensores analizados presentaron comportamientos extra˜nos. No se observaron incrementos en la carga recolectada sino un descenso. La corriente de fugas y el ruido resultaron además extremadamente elevados imposibilitando el análisis de las medidas por encima de 65 minutos de annealing controlado. El comportamiento de los otros dos sensores medidos fue normal, detectando el incremento de carga (de unos (3-4) ke−) después de 300 minutos de annealing controlado. Estos estudios muestran una mejora, en cuanto al annealing se refiere, frente a los sensores tipo n que actualmente se encuentran funcionando en ATLAS.
En la segunda parte de este trabajo de tesis se introduce el proyecto Petalet. El Petalet es un prototipo del Pétalo a pequeña escala que utilizamos para verificar los distintos pasos del proceso de fabricación y elegir el mejor sistema de electrónica de lectura asociada. Los sensores del Petalet fueron fabricados por el CNM de Barcelona (miniaturas y de tamaño real). Se utilizaron para estos estudios detectores no irradiados, algunos de los cuales incluyen adaptadores interstrip construídos en el propio sensor (embedded PA’s). Estos adaptadores permiten solventar el problema de gran ´angulo de bondado que aparece en los sensores del Pétalo. Se hizo la caracterización eléctrica de estos sensores siguiendo el mismo procedimiento que en el caso de los sensores ATLAS12A. Todos los detectores, tanto miniatura como de tamaño real, mostraron buen funcionamiento en términos de corriente de fugas, capacidad y recolección de carga. No se observó ruptura por debajo de los 200 V (voltaje marcado por las especificaciones) y se alcanzó la desertización completa alrededor de los (50-60) V de media, obteniendo valores dentro de lo establecido. La recolección de carga con los sensores completamente desertizados rondó los 21.93 ke−, valor que es compatible con el esperado para este tipo de sensores. Debido a la adición de la segunda capa de metal en los embedded PA’s efectos de acoplo (pick-up and cross-talk) pueden aparecer. Estos efectos se estudiaron mediante técnicas láser análogas a las utilizadas con los sensores ATLAS12A. Únicamente se detectaron acoplos entre la segunda capa de metal y el substrato del sensor (pick-up) pero en un peque˜no porcentaje de strips. El área que ocupan los embedded PA’s es además bastante reducida comparada con el tamaño total del sensor por lo que la influencia de estos efectos en el sistema total es prácticamente despreciable. Los sensores analizados mostraron, en general, buen funcionamiento eléctrico. De todos los sensores de tamaño real, se eligieron los que mejor comportamiento tuvieron (en términos de corriente de fugas y capacidad) para construir el Petalet y verificar los distintos sistemas de electrónica de lectura. Las dos propuestas fueron las llamadas Split y Common readout. La diferencia más destacable entre ellas es el número de híbridos que se utilizan en los dos sensores externos. La configuración Split readout utiliza un único híbrido para los dos sensores. Con este sistema se distribuyen las líneas de alimentación y datos cada una a un lado del Petalet. Utlizar un único híbrido hace más complicado el montaje de los módulos. En la configuración Common readout se utilizan dos híbridos independientes para los sensores externos facilitando así el proceso de montaje. Por el contrario las líneas de alimentación y datos van juntas a un lado del Petalet. Los tests eléctricos incluyen la determinación del ruido de entrada y ganancia del sistema. Diferentes institutos evaluaron las distintas propuestas obteniendo resultados similares (ruido en torno a los 600-700 ENC y distribución plana de ganancia) por lo que ambas configuraciones resultaron factibles. La configuración Split readout permite sinergias directas con la parte Barril del detector, aunque el montaje de los módulos es más sencillo con la solución Common readout. Después de varias discusiones, la colaboración decidió utilizar una solución combinada de las dos configuraciones. De modo que la electrónica de lectura de los Pétalos se basará en la configuración Split readout pero utilizando dos híbridos para los sensores externos, como en la configuración Common readout.
Finalmente, los estudios mostrados en esta tesis han formado parte de resultados definitivos presentados por la colaboración ITK de ATLAS que sientan las bases del desarrollo de los detectores que se utilizarán en los futuros Pétalos en el HL-LHC.
