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UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI UDINE

N. UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI UDINE. Facoltà di Ingegneria Dipartimento di Ingegneria Elettrica, Gestionale e Meccanica. Caratterizzazione di sensori al silicio per il progetto IBL (Insertable B-Layer) per l’esperimento ATLAS a LHC. Relatori prof. Luca Selmi prof.ssa Marina Cobal.

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Presentation Transcript

  1. N UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI UDINE Facoltà di Ingegneria Dipartimento di Ingegneria Elettrica, Gestionale e Meccanica Caratterizzazione di sensori al silicio per il progetto IBL (Insertable B-Layer) per l’esperimento ATLAS a LHC Relatori prof. Luca Selmi prof.ssa Marina Cobal Primo anno 2009 Dottorando Andrea Micelli University of Udine ATLAS Pixel Upgrade

  2. Dottorando Andrea Micelli University of Udine ATLAS Pixel Upgrade ATLAS • 3 Layers: • B-Layer, 286 modules • Layer-1, 494 modules • Layer-2 676 modules • 6 disks: • 144 modules 25 m ATLAS detector Pixel detector 7000 t 46 m 35 cm Pixel detector module 1,3 m 3

  3. Dottorando Andrea Micelli University of Udine ATLAS Pixel Upgrade Rivelatori al silicio: principi base • Giunzione p-n: • applicando una tensione inversa alla giunzione si crea una zona priva di cariche • libere • al passaggio di una particella si producono coppie e-, h+ • il segnale viene raccolto agli elettrodi sotto forma di impulso di corrente Pixel detector module Generazione di coppie elettrone-lacuna 3

  4. Dottorando Andrea Micelli University of Udine ATLAS Pixel Upgrade Introduzione • – L’ upgrade dell’LHC (Fase 1 in 2014-2016) ed il progetto sLHC (Fase 2) richiederanno un nuovo rilevatore a pixel di Silicio. • – Layer addizionale, resistente alla aumentata radiazione (Insertable B-Layer o IBL) posizionato nelle vicinanze del fascio di particelle. • – Tale layer dovrà avere: • - una ridotta tensione di svuotamento • - un ridotto tempo di cattura delle cariche • - un aumento della velocità • - una minore regione a charge sharing • – Sensori considerati: • - Full-3D active edge (colonne passanti - 3D Stanford) • - Double Sided 3D sensors – (FBK, Fondazione Bruno Kessler, Trento) • - Sensori planari IBL 4

  5. Dottorando Andrea Micelli University of Udine ATLAS Pixel Upgrade R&D: I sensori 3D, caratteristiche • Vantaggi: • superficie elettrodi maggiore rispetto al caso dei planari • campo elettrico più elevato • distanze brevi (~50 μm) • basse tensioni di svuotamento • tempi di raccolta ridotti • resistenza alla radiazione (radiation hardness) • bordo attivo (active edge): • uniformità del campo elettrico nel bordo del sensore • pochi micron dell’area morta del sensore • Svantaggi: • maggiore capacità • non uniformità del sensore • difficoltà di produzione 5

  6. Dottorando Andrea Micelli University of Udine ATLAS Pixel Upgrade 3D vs planari • maggiore resistenza alla radiazione • maggiore velocità di raccolta delle cariche Principali candidati per il prossimo rivelatore a pixel per sLHC. 6

  7. Dottorando Andrea Micelli University of Udine ATLAS Pixel Upgrade R&D: 3D FBK • 3D-STC (Single type Column): • colonne di un solo drogante • colonne su singola faccia penetranti parzialmente • 3D-DDTC (Double Side Double type Column): • colonne di entrambi i drogaggi • colonne su entrambe le faccie penetranti parzialmente nel substrato • Caratteristiche comuni: • substrato di tipo p, • diametro delle colonne 10 μm. • Colonne n+ (c. di giunzione) isolate (p-spray) • Colonne p+(c. ohmiche) collegate tramite unica metalizzazione

  8. Dottorando Andrea Micelli University of Udine ATLAS Pixel Upgrade Tecniche di caratterizzazione rilevanti per i sensori a pixel • Tecniche: • Misure elettriche (Cern - Trento): • tensione di break down (I-V) • capacità • correnti di perdita • rumore: legato al FE • irraggiamento con sorgenti: luce rossa (laser), γ, β • Test beam: grazie al telescopio si ottengono misure di efficenza e risoluzione spaziale • Analisi: ToT,charge sharing,residui, efficienza (hit efficiency)

  9. Dottorando Andrea Micelli University of Udine ATLAS Pixel Upgrade Attività di laboratorio: test beam • Caratterizzazione dei sensori utilizzando pioni a 180GeV π+ dell’ SPS del Cern, in presenza di campo magnetico • Apparato sperimentale: • attrezzatura e DUT inseriti all’interno del dipolo magnetico (1.6T) • 3 DUT disponibili: 1 planare, 1 a colonna passante, 1 FBK • telescopio (Bonn Atlas Telescope - BAT) per la misura delle tracce costituito da tre piani di rivelatori a micro-strip • sistema di trigger: 2 scintillatori in fronte al sistema di tracciatura e uno alla fine (Veto) • Presa dati: • TurboDAQ del Cern acquisiti circa 700 run con circa 30000 eventi per avere una buona statistica 6

  10. Dottorando Andrea Micelli University of Udine ATLAS Pixel Upgrade Analisi • L’analisi sta riguardato: • Time over Threshold (ToT) : studio della carica raccolta nel pixel • charge sharing: suddivisione di carica tra i pixel • residui: differenza fra i punti in cui è passata la traccia ricostruita e il centro del • pixel in cui si è misurato il max ToT • efficienza: rapporto fra il n° di particelle • registrate e il n° di particelle • entrate nel volume • del rivelatore efficienza

  11. Dottorando Andrea Micelli University of Udine ATLAS Pixel Upgrade Misure effettuate a Trento • tensione di breeak down (misure I-V) • capacità (misure C-V): legata al rumore • correnti di perdita • laser: informazione sulla tensione di completo svuotamento. • quando la quantità di carica raccolta satura  completo svuotamento

  12. Dottorando Andrea Micelli University of Udine ATLAS Pixel Upgrade Attività future • Attività di laboratorio: • caratterizzazioni di dispositivi: test beam e attività di laboratorio a Udine – Cern • sensori planari – STA – FBK (3D DTC 90 e 150 μm) anche col nuovo FE (Front End disponibile a Luglio) • Attività software • collaborazione iniziata con Cern - Oslo e SLAC • analisi dei dati collezionati durante i test beam

  13. Dottorando Andrea Micelli University of Udine ATLAS Pixel Upgrade • Backup

  14. Dottorando Andrea Micelli University of Udine ATLAS Pixel Upgrade R&D: effetti della radiazione • Effetti superficiali: • ionizzazione nello strato di passivazione • effetti sulle superfici di interfaccia silicio-ossido • Effetti sul substrato: • disallineamento degli atomi del cristallo. Effetti: • incremento della corrente di leakeage • diminuzione segnale • charge Trapping* • modifiche nelle regione di svuotamento e nella tensione di break-down • introduzione di difetti con conseguente variazione della concentrazione effettiva del drogaggio • *Formazione di livelli energetici all’interno della banda proibita: • fenomeno dell’ intrappolamento • gen. & ricomb e- h+

  15. Dottorando Andrea Micelli University of Udine ATLAS Pixel Upgrade Charge sharing

  16. Dottorando Andrea Micelli University of Udine ATLAS Pixel Upgrade Prima collisione registrata nel rivelatore a Pixel di ATLAS - Dal 20 Nov LHC è in funzione - il 23 Nov prime collisioni - E = 900 GeV

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