IEKP-KA/2013-4 - Institut für Experimentelle Kernphysik - KIT
IEKP-KA/2013-4 - Institut für Experimentelle Kernphysik - KIT
IEKP-KA/2013-4 - Institut für Experimentelle Kernphysik - KIT
Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.
YUMPU macht aus Druck-PDFs automatisch weboptimierte ePaper, die Google liebt.
<strong>IEKP</strong>-<strong>KA</strong>/<strong>2013</strong>-4<br />
Modellierung der Rekonstruktion<br />
von Teilchendurchgängen im neuen<br />
CMS-Spurdetektor am HL-LHC<br />
Diplomarbeit<br />
von Reinhard Randoll<br />
An der Fakultät <strong>für</strong> Physik<br />
<strong>Institut</strong> <strong>für</strong> <strong>Experimentelle</strong> <strong>Kernphysik</strong> (<strong>IEKP</strong>)<br />
Karlsruher <strong>Institut</strong> <strong>für</strong> Technologie (<strong>KIT</strong>)<br />
Erstgutachter:<br />
Zweitgutachter:<br />
Betreuender Mitarbeiter:<br />
Prof. Dr. Thomas Müller<br />
Prof. Dr. Wim de Boer<br />
Dr. Alexander Dierlamm<br />
Datum der Abgabe: 11. 04. <strong>2013</strong><br />
<strong>KIT</strong> – Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum der Helmholtz-Gesellschaft<br />
www.kit.edu
Inhaltsverzeichnis<br />
1. Einleitung 1<br />
2. Der LHC und das CMS-Experiment 3<br />
2.1. Der LHC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3<br />
2.1.1. Vorbeschleuniger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3<br />
2.1.2. Experimente am LHC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4<br />
2.2. Das CMS-Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6<br />
2.2.1. Der Spurdetektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7<br />
2.3. CMS Spurdetektor Upgrade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8<br />
2.3.1. 2S Modul und der CBC-Chip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9<br />
3. Grundlagen 11<br />
3.1. Teilchendurchgang in Materie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11<br />
3.2. Halbleiter und Bändermodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12<br />
3.3. Dotierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14<br />
3.4. Direkter und indirekter Bandübergang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16<br />
3.5. Der pn-Übergang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17<br />
3.6. Silizium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17<br />
3.7. Streifensensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18<br />
3.8. Kosmische Höhenstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20<br />
3.8.1. Zusammensetzung und Wechselwirkungen . . . . . . . . . . . . . 20<br />
3.8.2. Einfallswinkel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22<br />
4. Testsensoren 23<br />
4.1. Nomenklatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23<br />
4.2. HPK-Kampagne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23<br />
4.3. Mini-Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24<br />
4.4. Multigeometriestreifensensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24<br />
4.5. MSSD Modul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25<br />
4.5.1. Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26<br />
4.5.2. Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26<br />
5. Elektrische Charakterisierung 29<br />
5.1. Probestation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29<br />
5.2. Wichtige Größen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30<br />
5.2.1. Verarmungsspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30<br />
5.2.2. Leckstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30<br />
5.2.3. Kapazitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30<br />
5.2.4. Widerstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31<br />
5.2.5. Pinhole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32<br />
i
ii<br />
Inhaltsverzeichnis<br />
6. Signalmessungen 33<br />
6.1. Wichtige Bezeichnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33<br />
6.1.1. Pedestal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33<br />
6.1.2. Rauschen und Common Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33<br />
6.1.3. Signal und Cluster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34<br />
6.1.4. Signal-zu-Rausch-Verhältnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34<br />
6.1.5. Ursachen <strong>für</strong> Rauschen und das ENC-Konzept . . . . . . . . . . . . 34<br />
6.1.5.1. Schrotrauschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35<br />
6.1.5.2. Paralleles thermisches Rauschen . . . . . . . . . . . . . . . 35<br />
6.1.5.3. Serielles thermisches Rauschen . . . . . . . . . . . . . . . 35<br />
6.1.5.4. Elektronik-Rauschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35<br />
6.2. ALiBaVa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36<br />
6.2.1. Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36<br />
6.2.2. Beetle Chip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36<br />
6.3. Höhenstrahlungsteleskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37<br />
6.3.1. Aufbau und Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37<br />
6.3.2. Datenauslesesystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37<br />
6.3.3. APV-Chip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38<br />
6.4. ARC-System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39<br />
6.4.1. Aufbau und Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40<br />
6.5. Datenanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40<br />
6.5.1. ROOT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40<br />
6.5.1.1. Script zur binären Interpretation . . . . . . . . . . . . . . . 40<br />
6.5.2. EUTelescope Framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41<br />
6.5.2.1. Funktionsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42<br />
6.5.2.2. Anpassungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44<br />
7. Auswertung 47<br />
7.1. Vorqualifizierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47<br />
7.1.1. Verarmungsspannungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47<br />
7.1.2. Leckströme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49<br />
7.1.3. Kapazitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50<br />
7.2. ARC-System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53<br />
7.3. ALiBaVa - Binäre Interpretation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55<br />
7.3.1. Unbestrahlte Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55<br />
7.3.2. Hochbestrahlte Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56<br />
7.3.3. Diskussion der Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57<br />
7.4. Höhenstrahlungsteleskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58<br />
7.4.1. Ausleuchtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59<br />
7.4.2. Winkelakzeptanz und Ausrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60<br />
7.4.3. Winkelverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61<br />
7.4.4. Clusterbreiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63<br />
7.4.5. Cluster-Ladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67<br />
7.4.6. Cluster-Hauptstreifen-Ladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68<br />
8. Zusammenfassung und Ausblick 71<br />
Literaturverzeichnis 73<br />
Tabellenverzeichnis 77<br />
Abbildungsverzeichnis 79<br />
ii
Inhaltsverzeichnis<br />
iii<br />
Anhang 81<br />
A. Näherungsgeraden der Clusterbreiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82<br />
B. Näherungsgeraden der Cluster-Ladungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83<br />
C. Näherungsgeraden der Cluster-Hauptstreifenladungen . . . . . . . . . . . 84<br />
D. Konstruktionspläne des MSSD-Moduls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85<br />
E. GEAR-Datei des Teleskops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89<br />
F. ROOT Script zur binären Interpretation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90<br />
F.1. Algorithmus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90<br />
F.2. Ausgabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90<br />
iii
1. Einleitung<br />
Physik ist per Definition die Wissenschaft vom Wesen und den Prinzipien der Natur. Ein<br />
Teilgebiet davon ist die Teilchenphysik, die sich mit den Grundbausteinen der Materie<br />
sowie den fundamentalen Kräften der Natur beschäftigt. Das derzeit im wahrsten Sinne<br />
des Wortes umfangreichste Projekt in diesem Bereich ist der Betrieb des großen Speicherrings<br />
Large-Hadron-Collider (LHC 1 ) am Europäischen Kernforschungszentrum CERN 2 .<br />
Das Jahr 2012 war ein herausragendes Jahr <strong>für</strong> die Teilchenphysik. Der LHC erzeugte<br />
Proton-Proton-Kollisionen bei Schwerpunktenergien von bis zu √ s = 8 TeV und konnte<br />
den beiden großen universellen Teilchendetektoren ATLAS und CMS mit einer integrierten<br />
Luminosität von 23,3 fb −1 so viele hochenergetische Proton-Proton-Teilchenkollisionen<br />
wie niemals zuvor bereitstellen. Am 4. Juli 2012 verkündeten die beiden Kollaborationen<br />
von ATLAS und CMS die Entdeckung eines Teilchens, dessen Eigenschaften denen des<br />
Standardmodell-Higgs-Bosons entsprechen.<br />
Der Erfolg des LHC und seiner Experimente ist eine große Motivation <strong>für</strong> die Planungen<br />
zum Ausbau des Speicherrings zum HL-LHC 3 . Ab dem Jahr 2020 soll damit die Luminosität<br />
noch einmal um den Faktor 10 gesteigert werden. Dies ermöglicht neben der dadurch<br />
erhöhten Nachweisgenauigkeit von seltenen Prozessen auch die Suche nach neuer<br />
Physik.<br />
Die zu erwartenden hohen Ereignisraten verbunden mit dem Umstand, dass der Spurdetektor<br />
von CMS bis dahin das Ende seiner technischen Lebensdauer erreicht haben wird,<br />
machen einen Austausch dieses Subdetektors <strong>für</strong> den HL-LHC notwendig.<br />
Die Anforderungen an den neuen Spurdetektor beinhalten die Robustheit gegen die zu<br />
erwartende Strahlenbelastung bei einer integrierten Gesamtluminosität von 3000 fb −1<br />
über seiner Lebensdauer. Darüber hinaus sollen die verwendeten Siliziumsensoren deutlich<br />
dünner als bisher werden, was die Verarmungsspannungen und Leckströme verringert<br />
und gleichzeitig weniger Materialeinsatz erfordert. Außerdem soll der neue Spurdetektor<br />
einen Beitrag zum Trigger leisten.<br />
Daher führt die CMS-Spurdetektor-Kollaboration eine Forschungs- und Entwicklungskampagne<br />
durch, um ein geeignetes Material und Layout <strong>für</strong> den zukünftigen Spurdetektor<br />
zu finden. Die Datennahme soll in Zukunft binär erfolgen, um die erzeugte Da-<br />
1 Large Hadron Collider (engl.): Großer Hadronen Speicherring<br />
2 Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (franz.)<br />
3 Abkürzung (engl.): High Luminosity Large Hadron Collider<br />
1
2 1. Einleitung<br />
tenmenge zu reduzieren. Der Einfluss der binären Datennahme auf die Auflösung und<br />
Effizienz des Spurdetektors muss ebenfalls untersucht werden.<br />
Diese Diplomarbeit wurde erstellt, um Modelle und Parametrisierungen <strong>für</strong> die Eigenschaften<br />
von dünnen Siliziumstreifensensoren und von Teilchendurchgängen bei solchen<br />
Sensoren zu finden. Multigeometriestreifensensoren sind Sensoren, auf denen Regionen<br />
mit unterschiedlichen Streifenabständen und Implantatbreiten realisiert sind. Zur Untersuchung<br />
des Einflusses der Sensorgeometrie auf seine elektrischen Eigenschaften und<br />
auf die Signale und Clusterbreiten von Teilchendurchgängen sind sie damit besonders<br />
geeignet. Sie wurden an einer Probestation elektrisch charakterisiert und es wurden Signalmessungen<br />
mit einem Auslesesystem daran durchgeführt.<br />
Für die Durchführung von Signalmessungen an Multigeometriestreifensensoren wurde<br />
ein multifunktionales Modul entworfen. Über einen Zeitraum von neun Monaten wurden<br />
Sensoren in einem Höhenstrahlungsteleskop betrieben. Besonders wurde dabei der<br />
Einfluss des Einfallswinkels auf die Clusterbreiten und die Clustersignale und die Signale<br />
der Hauptstreifen untersucht. Die Erkenntnisse können <strong>für</strong> die Konfiguration der<br />
Transversalimpuls-Diskriminierung <strong>für</strong> den zukünftigen Beitrag des Spurdetektors zum<br />
Trigger genutzt werden.<br />
Darüber hinaus wurde untersucht, wie sich die Clusterbreiten und die Effizienz eines<br />
binären Auslesesystems in Abhängigkeit des verwendeten Signalschwellwerts und der<br />
Bestrahlung des Sensors verhalten. Da<strong>für</strong> sind Daten, die mit analogen Auslesesystemen<br />
gewonnen worden sind, binär interpretiert worden.<br />
Kapitel 2 stellt den LHC und die daran durchgeführten Experimente mit besonderem<br />
Augenmerk auf den CMS-Detektor vor. Der Spurdetektor von CMS und die Pläne <strong>für</strong><br />
dessen Erneuerung <strong>für</strong> HL-LHC werden ebenfalls beschrieben.<br />
Die Grundlagen zum pn-Übergang und zum Verständnis des Aufbaus und der Funktion<br />
von Siliziumstreifensensoren sowie zur kosmischen Höhenstrahlung werden in Kapitel 3<br />
eingeführt.<br />
Kapitel 4 stellt die verwendeten Testsensoren sowie ein im Rahmen dieser Diplomarbeit<br />
konstruiertes multifunktionales Modul <strong>für</strong> Signalmessungen an Multigeometriestreifensensoren<br />
vor.<br />
In Kapitel 5 wird die verwendete Messstation <strong>für</strong> die elektrische Charakterisierung von<br />
Sensoren vorgestellt. Außerdem werden die wichtigsten Messgrößen eingeführt.<br />
Die verwendeten Experimente <strong>für</strong> Signalmessungen mit radioaktiven Quellen und der<br />
kosmischen Höhenstrahlung werden im Kapitel 6 beschrieben. Außerdem werden Softwareumgebungen<br />
zur Datenanalyse vorgestellt und die Änderungen und Erweiterungen,<br />
die im Rahmen dieser Arbeit daran vorgenommen worden sind, beschrieben.<br />
Die Auswertung der Messungen zur elektrischen Charakterisierung sowie der Signalmessungen<br />
und der binären Interpretation der Daten ist in Kapitel 7 zu finden. Dort werden<br />
auch die Messungen am Höhenstrahlungsteleskop ausgewertet.
2. Der LHC und das CMS-Experiment<br />
Dieses Kapitel beschreibt den Large Hadron Collider (LHC) und die wichtigsten damit verbundenen<br />
Experimente. Besonders das Experiment Compact Myon Solenoid (CMS) und<br />
dessen Spurdetektor werden vorgestellt. Das Kapitel schließt mit einer Übersicht zu den<br />
Ausbauplänen des Spurdetektors <strong>für</strong> die Hochluminositätsphase des LHC.<br />
2.1. Der LHC<br />
Der LHC ist ein Hadronen-Speicherring, der in einem Tunnel mit 26,7 km Umfang am<br />
europäischen Kernforschungszentrum CERN errichtet worden ist. Der LHC wurde da<strong>für</strong><br />
ausgelegt, Proton-Proton-Kollisionen mit einer Schwerpunktenergie von bis zu 14 TeV erzeugen<br />
zu können. Dies wird erreicht, indem die Protonen in einer Beschleunigerkaskade<br />
und zuletzt im großen Hadronen-Speicherring auf gegenläufigen Bahnen jeweils auf bis<br />
zu 7 TeV beschleunigt werden, bevor sie in den Zentren der Experimente miteinander zur<br />
Kollision gebracht werden [EB08].<br />
Eine Übersicht über den Aufbau und die Anordnung der Experimente gibt Abbildung 2.1.<br />
2.1.1. Vorbeschleuniger<br />
Bevor Teilchen in den großen Speicherring des LHC gelangen, durchlaufen sie eine Kette<br />
aus verschiedenen Vorbeschleunigern. Quelle, soweit nicht anders angegeben: [Sch99].<br />
Am Anfang der Kette steht eine Gasflasche, aus welcher der Linearbeschleuniger Linac 2<br />
mit Wasserstoff befüllt wird. Nachdem dort die Elektronen der Atome durch Ionisation<br />
entfernt worden sind, werden die verbleibenden Protonen von einer Reihe hohlzylindrischer<br />
Elektroden beschleunigt. An dieser Wideröe-Struktur liegt hochfrequente Wechselspannung<br />
an, wodurch die Driftröhren elektrische Felder zur Beschleunigung der Protonen<br />
erzeugen können. Linac 2 beschleunigt die Protonen auf eine Energie von 50 MeV.<br />
Danach gelangen die Protonen in den Proton-Synchrotron-Booster. Die Protonen werden<br />
darin auf vier ringförmige Beschleunigungsstrecken mit einem Durchmesser von<br />
50 m aufgeteilt und von Hohlraumresonatoren auf eine Energie von 1,4 GeV beschleunigt.<br />
Dipolmagnete halten die Teilchen auf einer Kreisbahn.<br />
Die nächste Stufe in der Beschleunigerkette stellt das Proton-Synchrotron (PS) dar. Es<br />
gruppiert die Protonen aus dem Booster zu 72 Paketen. Die Teilchen werden von Hohlraumresonatoren<br />
auf 25 GeV (99,93 % der Lichtgeschwindigkeit) beschleunigt.<br />
3
4 2. Der LHC und das CMS-Experiment<br />
Abbildung 2.1.: Überblick über die verschiedenen Experimente am LHC. Im unteren<br />
Bereich befinden sich die Vorbeschleuniger Linac 2 (Protonen), Linac 3<br />
(Schwerionen), der Booster, das Proton-Synchrotron (PS), sowie das Super-<br />
Proton-Synchroton (SPS). Im oberen Bildbereich befindet sich der große<br />
Speicherring sowie, in Gelb markiert, die vier großen Experimente am<br />
LHC [Lef08].<br />
Nach der Injektion in das Super-Proton-Synchrotron (SPS) werden die Protonen auf<br />
450 GeV beschleunigt. SPS verfügt da<strong>für</strong> über Hohlraumresonatoren, Dipol- sowie Quadrupolmagnete.<br />
Es werden 3 Füllungen des PS zu einer Füllung von insgesamt 216 Paketen<br />
kombiniert.<br />
Der letzte Schritt ist die gegenläufige Injektion der Protonenpakete in den LHC. Dabei<br />
wird die Hälfte der Teilchen im Uhrzeigersinn, die andere Hälfte dazu gegenläufig in<br />
den großen Speicherring eingefüllt. Im LHC werden die Teilchenpakete auf bis zu 7 TeV<br />
beschleunigt und gespeichert, bevor sie in den Detektoren zur Kollision gebracht werden.<br />
2.1.2. Experimente am LHC<br />
Die Kollisionen finden in den vier großen Experimenten statt, die im Folgenden vorgestellt<br />
werden:<br />
ALICE (A Large Ion Collider Experiment) ist ein multifunktionaler Detektor, der speziell<br />
<strong>für</strong> die Analyse von hochenergetischen Schwerionenkollisionen konstruiert wurde. Das<br />
Experiment studiert die starke Wechselwirkung und das Quark-Gluon-Plasma, welches<br />
bei extremen Energiedichten vorkommt. Um das zu erreichen, können mit dem LHC<br />
auch Bleiionen zur Kollision gebracht werden [ALI93].<br />
ATLAS (A Torodial LHC ApparatuS) ist ein universeller Teilchendetektor. Seine verschiedenen<br />
Subsysteme decken den Raumwinkel vollständig ab und erlauben den Spurnachweis,<br />
sowie Energie- und Impulsmessungen von verschiedensten Elementarteilchen.<br />
Die Spuren geladener Teilchen werden von einem bis zu 2 T starken Magnetfeld beein-
2.1. Der LHC 5<br />
Abbildung 2.2.: 3D-Explosionsdarstellung des CMS-Detektors. Der Detektor ist um den<br />
Kollisionspunkt herum zylinderförmig aufgebaut: Der Spurdetektor<br />
wird vom elektromagnetischen Kalorimeter umschlossen, das wiederum<br />
vom hadronischen Kalorimeter umschlossen wird. Diese Komponenten<br />
befinden sich innerhalb des supraleitenden Solenoids. Außerhalb davon<br />
befinden sich zwischen den Elementen des Eisen-Rückführjochs die<br />
Myonkammern. [BC11]<br />
flusst, wodurch die Ladung bestimmt werden kann. ATLAS ist mit einem Durchmesser<br />
von 22 m und einer Länge von 46 m derzeit der größte Teilchendetektor der Welt [ATL99].<br />
CMS (Compact Myon Solenoid) ist ebenfalls ein universeller Teilchendetektor. Seinen<br />
Namen erhält das Experiment von seiner kompakten Bauform und seinem starken Solenoiden,<br />
der ein Magnetfeld von 3,8 T im Inneren des Detektors erzeugt, welches geladene<br />
Teilchen auf eine S-förmige Bahn zwingt. Mit einem Durchmesser von 14,6 m und einer<br />
Länge von 21,6 m ist CMS deutlich kleiner, aber mit einem Gewicht von 12 500 Tonnen<br />
deutlich schwerer als ATLAS [CMS06]. In Abschnitt 2.2 wird das CMS-Experiment und<br />
sein Spurdetektor vorgestellt, Abbildung 2.2 zeigt den Aufbau des Detektors.<br />
LHCb (Large Hadron Collider beauty) ist ein Experiment zur präzisen Messung der CP-<br />
Verletzung und von seltenen Zerfällen von Hadronen, die ein bottom-Quark enthalten.<br />
Das Experiment ist als Vorwärtsspekrometer aufgebaut, um die bei b-Zerfällen häufig in<br />
gleiche Richtungen fliegenden Teilchen optimal nachweisen zu können. [LHC98].<br />
Neben den beschriebenen vier großen Experimenten werden am LHC noch eine Reihe<br />
weiterer Experimente durchgeführt. Zu erwähnen ist das TOTEM-Experiment 1 , welches<br />
Teilchen in Vorwärtsrichtung detektiert. Dabei untersucht TOTEM Streuexperimente an<br />
Protonen und überwacht die Luminosität am LHC [TOT04].<br />
Ein weiteres Experiment am LHC ist das LHCf-Experiment, welches Daten von Kollisionen<br />
in Vorwärtsrichtung <strong>für</strong> die Kalibrierung anderer Detektoren sammelt [LHC05]. Das<br />
1 TOTEM: Total elastic and diffractive cross-section measurement
6 2. Der LHC und das CMS-Experiment<br />
MoEDAL-Experiment ist ein Detektor <strong>für</strong> Physik jenseits des Standardmodells und der<br />
Suche nach magnetischen Monopolen [MoE10].<br />
2.2. Das CMS-Experiment<br />
Das CMS Experiment ist ein universeller Teilchendetektor. Durch den zylinderförmigen<br />
Aufbau einzelner Subdetektoren nach dem Zwiebelschalenprinzip um den Kollisionspunkt<br />
herum ist CMS in der Lage, unterschiedliche Teilchen nachzuweisen und deren<br />
Energie, Impuls sowie Ladung präzise zu bestimmen.<br />
Der Aufbau und die Funktion des Detektors (Abbildungen 2.2 und 2.3) werden im Folgenden<br />
beschrieben (von innen nach außen):<br />
Das räumliche wie auch funktionelle Kernelement des Systems ist der Spurdetektor, der<br />
in Abschnitt 2.2.1 beschrieben wird. Im Elektromagnetischen Kalorimeter wird die Energie<br />
von Elektronen, Positronen und Gammaquanten bestimmt. Das Hadronische Kalorimeter<br />
bestimmt die Energie von Hadronen, wie zum Beispiel Protonen, Pionen und<br />
Kaonen. Der Spurdetektor und die beiden Kalorimeter befinden sich innerhalb des supraleitenden<br />
Solenoiden. Er erzeugt ein 3,8 T starkes Magnetfeld in seinem Inneren.<br />
Außerhalb des Solenoiden befindet sich das Eisen-Rückführjoch, in dem das Magnetfeld<br />
eine umgekehrte Polarität als im Inneren hat, wodurch Myonen auf eine S-förmige Bahn<br />
gezwungen werden. In das Rückführjoch sind die Myonkammern eingebettet. Myonen<br />
4T<br />
2T<br />
Silizium<br />
Tracker<br />
Elektromagnetisches<br />
Kalorimeter<br />
Hadron<br />
Kalorimeter Supraleitender<br />
Solenoid Eisen-Rückführjoch mit<br />
Myon-Kammern<br />
0 m 1 m 2 m 3 m 4 m 5 m 6 m 7 m<br />
Kodierung:<br />
Myon<br />
Elektron<br />
Neutrales Hadron (z.B. Neutron)<br />
Geladenes Hadron (z.B. Pion)<br />
Photon<br />
Abbildung 2.3.: Querschnitt eines Segments des CMS-Detektors. Links im Bild befindet<br />
sich der Wechselwirkungspunkt, nach rechts folgen die einzelnen Subdetektoren<br />
hintereinander. Darüber hinaus sind Spuren verschiedener Teilchen<br />
im CMS Detektor dargestellt.<br />
Nach [Bar11], Beschriftung von [Fre12]
2.2. Das CMS-Experiment 7<br />
und Neutrinos sind die einzigen Teilchen, die die verschiedenen Subdetektoren bis hier<br />
hin alle durchdringen. Myonen können mit diesem Aufbau besonders gut nachgewiesen<br />
werden. Ereignisse werden durch die Kombination der Daten der verschiedenen Subdetektoren<br />
rekonstruiert (Abbildung 2.4).<br />
2.2.1. Der Spurdetektor<br />
Der Spurdetektor von CMS ist der größte vollständig auf Siliziumsensoren basierende<br />
Detektor der Welt [Har07]. In seinem Inneren, sehr nah am Wechselwirkungspunkt befindet<br />
sich der hochauflösende Siliziumpixeldetektor, der vom Siliziumstreifendetektor<br />
umschlossen wird. Der Streifendetektor verfügt über eine aktive Sensorfläche von 206 m 2 ,<br />
aufgebaut in mehreren Lagen parallel zum Teilchenstrahl im Speicherring und in Vorwärtsrichtung<br />
senkrecht dazu. Dieser Aufbau stellt sicher, dass geladene Teilchen bei<br />
der Propagation durch den Spurdetektor mehrfach in verschiedenen Lagen sowohl vom<br />
Pixeldetektor als auch vom Streifendetektor nachgewiesen werden. Damit ist eine Spurrekonstruktion<br />
möglich [CMS98].<br />
Die präzise Spurrektonstruktion des Detektors ermöglicht die Berechnung der Teilchenspuren<br />
zurück zum primären Wechselwirkungspunkt. Dadurch können mehrere Proton-<br />
Proton-Kollisionen gleichzeitig stattfinden und sind dennoch anhand ihres Interaktionspunktes<br />
unterscheidbar. Darüber hinaus können auch sekundäre Wechselwirkungspunkte<br />
von kurzlebigen Teilchen, wie zum Beisepiel dem Higgs-Boson, identifiziert werden.<br />
Abbildung 2.4 zeigt die Rekonstruktion eines Ereignisses aus dem Jahr 2012. Darauf sind<br />
zwei Photonen dargestellt, die möglicherweise durch den Zerfall eines Higgs-Bosons entstanden<br />
sind.<br />
Abbildung 2.4.: Proton-Proton-Kollision bei 8 TeV: Rekonstruktion eines Ereignisses aus<br />
dem Jahr 2012, welches zwei Photonen zeigt (nach oben und rechts unten),<br />
die möglicherweise durch den Zerfall eines Higgs-Teilchens erzeugt<br />
worden sind. [Tay12]
8 2. Der LHC und das CMS-Experiment<br />
2.3. CMS Spurdetektor Upgrade<br />
Die Luminosität eines Teilchenbeschleunigers charakterisiert den Zusammenhang zwischen<br />
seiner Ereignisrate und dem Wirkungsquerschnitt der untersuchten Ereignisse. Für<br />
Ringbeschleuniger ist sie definiert als<br />
L = N B<br />
N 1 N 2<br />
A int<br />
f [Hin08] (2.1)<br />
Dabei ist N B die Zahl der umlaufenden Teilchenpakete, N 1 und N 2 sind die mittleren<br />
Teilchenzahlen pro Paket in den beiden Richtungen, A int ist die effektive Wechselwirkungsfläche<br />
und f ist die Umlauffrequenz des Beschleunigers. Mit der Luminosität kann<br />
somit die Ereignisrate im Detektor abgeschätzt werden. Derzeit ist der LHC <strong>für</strong> eine Luminosität<br />
von 1 × 10 34 cm −2 s −1 ausgelegt.<br />
Die Steigerung der Präzision der Experimente und Suche nach neuer Physik motivieren<br />
ein Upgrade des LHC zum HL-LHC. Danach soll die Luminosität des LHC um den Faktor<br />
zehn erhöht werden. Um dies zu erreichen, müssen einige Vorbeschleuniger [Sha08]<br />
und Detektorsysteme erneuert werden. Der Siliziumstreifen-Spurdetektor von CMS wird<br />
nach den derzeitigen Plänen vollständig ersetzt.<br />
Der zukünftige Spurdetektor muss eine präzise Spurrekonstruktion garantieren, da bis<br />
zu 250 Kollisionsereignisse pro Paketdurchgang zu erwarten sind. Dazu soll die Auflösung<br />
verbessert werden. Mit der Erhöhung der Kollisionsrate steigt auch die Strahlenbelastung<br />
des Materials im Detektor. Alle Komponenten des zukünftigen Spurdetektors<br />
müssen strahlungsfest sein, um der zu erwartenden Belastung bei der geplanten integrierten<br />
Gesamtluminosität von 3000 fb −1 standhalten zu können. Die Materialmenge im<br />
Detektor soll insgesamt reduziert werden, um die Leistung des Systems zu verbessern.<br />
[Abb11]<br />
Eine wichtige neue Aufgabe soll der Spurdetektor zusätzlich erfüllen: Er soll helfen, interessante<br />
Ereignisse <strong>für</strong> die Datenauslese zu identifizieren (Level-1 Trigger). Für diesen<br />
Zweck werden Sensormodule entwickelt, die auf Modulebene Spuren hochenergetischer<br />
Teilchen erkennen und an den Gesamttrigger des Detektors melden können. Dies wird<br />
durch eine Diskriminierung von Teilchen mit niedrigem Transversalimpuls erreicht (P T -<br />
Diskriminierung, siehe Abbildung 2.5). Ein derzeit untersuchtes Konzept da<strong>für</strong> ist das<br />
2S-Modul, das im Abschnitt 2.3.1 vorgestellt wird.<br />
Abbildung 2.5.: Funktionsprinzip einer P T -Diskriminierung: Nur Teilchen mit hohem<br />
Transversalimpuls treffen zwei übereinander angeordnete Sensoren in<br />
geringem Abstand zueinander und lösen dadurch den Trigger aus.<br />
[Hal11]
2.3. CMS Spurdetektor Upgrade 9<br />
Damit der zukünftige Spurdetektor diese Anforderungen erfüllen kann, werden derzeit<br />
umfangreiche Forschungs- und Entwicklungsarbeiten durchgeführt. Neben der erwähnten<br />
Modulentwicklung ist das <strong>Institut</strong> <strong>für</strong> <strong>Experimentelle</strong> <strong>Kernphysik</strong> (<strong>IEKP</strong>) am Karlsruher<br />
<strong>Institut</strong> <strong>für</strong> Technologie (<strong>KIT</strong>) an Studien zur Suche nach strahlenharten Siliziumsensoren<br />
<strong>für</strong> Pixel- und Streifendetektor und an der Datenanalyse sowie weiteren Projekten<br />
im Zusammenhang mit dem Upgrade des Spurdetektors beteiligt.<br />
2.3.1. 2S Modul und der CBC-Chip<br />
Das 2S-Modul kombiniert zwei übereinander angeordnete Siliziumstreifensensoren mit<br />
den da<strong>für</strong> benötigten Auslesechips in einem Modul. Die Abmessungen der Siliziumstreifensensoren<br />
sind jeweils 10 cm × 10 cm. Die Streifen der Sensoren sind jeweils 5 cm lang<br />
und haben einen Streifenabstand von 90 µm zueinander. Je nach Position im Spurdetektor<br />
kann der Abstand zwischen den beiden Sensoren zwischen 1 mm und 2 mm betragen.<br />
Der Schwellwert der P T -Diskriminierung soll zwischen 1 GeV bis 2 GeV liegen [Abb11].<br />
Abbildung 2.6 zeigt eine 3D-Darstellung des 2S-Moduls.<br />
Abbildung 2.6.: Das 2S-Modul: in der Mitte befinden sich die beiden Siliziumsensoren<br />
übereinander, auf beiden Seiten der Sensoren sind je 8 CBC-Chips angeordnet.<br />
Eine Spannungsversorgung und ein gemeinsamer Glasfaseranschluss<br />
finden ebenfalls Platz auf dem Modul. Grafik von D. Abbaneo.<br />
Jeder Sensor verfügt über 2 × 1024 Kanäle, die zu beiden Seiten mit den Auslesechips<br />
verbunden werden [Abb11]. Da<strong>für</strong> werden neue Chips entwickelt, welche die Streifen<br />
binär auslesen, um die Datenrate zu reduzieren. Der CMS Binary Chip (CBC) wird derzeit<br />
auf seine Eignung da<strong>für</strong> untersucht. [R + 12]<br />
Ein wichtiges Kriterium bei der Entwicklung zukünftiger Sensormodule ist die Ortsauflösung.<br />
Der wahrscheinlichste Durchgangspunkt eines Teilchens bei binärer Datennahme<br />
ist die Mitte aller signalgebenden Streifen (Cluster, siehe Abschnitt 6.1.3). Das Residuum<br />
kann als Abstand zwischen diesem Punkt und der rekonstruierten Teilchenspur<br />
errechnet werden.
10 2. Der LHC und das CMS-Experiment<br />
Die Durchgangspunkte der Teilchenspuren sind bei binär aufgenommenen Clustern um<br />
den Mittelpunkt des Clusters herum verteilt [Har08]:<br />
< x 2 >= 1 p<br />
∫ p/2<br />
−p/2<br />
x 2 dx = p2<br />
12<br />
(2.2)<br />
Mit der Streifenbreite p 1 und dem Durchgangsort 2 x.<br />
Damit ergibt sich <strong>für</strong> solche Cluster eine Ortsauflösung von [Har08]:<br />
σ x ≈<br />
p √<br />
12<br />
(2.3)<br />
Abbildung 2.7 zeigt im Diagramm links die Verteilung des Residuums <strong>für</strong> ein- und zwei-<br />
Streifen-Cluster, sowie im Diagramm rechts den relativen Anteil von ein- und zwei-<br />
Streifen-Clustern über der Zwischenstreifenposition. Zwei-Streifen-Cluster kommen bei<br />
Teilchendurchgängen in einem schmalen Bereich zwischen den beiden Streifen vor [F + 12].<br />
Für solche Durchgangspositionen ist die Auflösung des CBC-Chips somit besser als <strong>für</strong><br />
Positionen im Bereich der Mitte eines Streifens.<br />
Daher kann bei einem binären System zur Datennahme die Clusterbreite zusätzlich zur<br />
mittleren Position der Cluster als Information <strong>für</strong> die Ortsauflösung genutzt werden<br />
[F + 12].<br />
Abbildung 2.7.: Das linke Diagramm zeigt die Verteilung des Residuums <strong>für</strong> ein- und<br />
zwei-Streifen-Cluster. Das Residuum ist <strong>für</strong> zwei-Streifen-Cluster stets<br />
kleiner als <strong>für</strong> ein-Streifen-Cluster. Der Grund ist, dass zwei-Streifen-<br />
Cluster hauptsächlich beim Teilchendurchgang in einem schmalen Bereich<br />
zwischen den beiden getroffenen Streifen vorkommen. Das Diagramm<br />
rechts zeigt den relativen Anteil von ein- und zwei-Streifen-<br />
Clustern über der Zwischenstreifenposition. [F + 12]<br />
1 engl. pitch, daher wird p als Variablenbezeichnung verwendet.<br />
2 Die Koordinate entlang des Streifens wird hier nicht berücksichtigt
3. Grundlagen<br />
In diesem Kapitel werden die Grundlagen, die zum Verständnis dieser Diplomarbeit benötigt<br />
werden, vermittelt. Das Kapitel beginnt mit Abschnitten über Die Wechselwirkung<br />
geladener Teilchen mit Materie, über Halbleiter und den pn-Übergang. Es folgen Abschnitte<br />
über Aufbau und Funktion eines Siliziumstreifensensors. Das Kapitel schließt<br />
mit einem Abschnitt über die kosmische Höhenstrahlung.<br />
3.1. Teilchendurchgang in Materie 1<br />
Beim Durchqueren von Materie geben geladene Teilchen Energie ab. Dies ist meist auf<br />
Wechselwirkungen mit den Hüllenelektronen der Materie wie zum Beispiel Ionisationen<br />
und Stoßprozesse zurückzuführen. Den Energieverlust eines geladenen Teilchens in Materie<br />
beschreibt die Bethe-Bloch-Formel [Bet30] [Blo33]:<br />
− dE<br />
dx =<br />
4π nz 2 ( ) e<br />
2 2 [<br />
m e c 2 β 2 ln 2m ec 2 β 2 ]<br />
4πɛ 0 I · (1 − β 2 ) − β2<br />
mitβ = v c<br />
(3.1)<br />
Dabei ist m e die Masse des Elektrons, c die Lichtgeschwindigkeit, der Ladung des Elektrons<br />
ze und der Geschwindigkeit des Teilchens v. I ist das mittlere Anregungspotential<br />
der Atome.<br />
Damit hängt die deponierte Energie in der Materie von der Geschwindigkeit und der<br />
Ladung eines Teilchens ab, nicht aber von seiner Masse. Bei kleinen Teilchengeschwindigkeiten<br />
fällt die deponierte Energie mit 1/v 2 ab, bis sie bei p/m 0 c ≈ 4 ein Minimum erreicht.<br />
Anschließend steigt die deponierte Energie logarithmisch an. Somit existiert <strong>für</strong> jedes<br />
Material eine Teilchengeschwindigkeit, bei der die deponierte Energie minimal wird.<br />
Ein solches Teilchen wird Minimal-Ionisierendes-Teilchen (MIP 2 ) genannt.<br />
Elektronen und Positronen unterliegen zusätzlich dem Effekt der Bremsstrahlung: Im<br />
Feld eines Kerns werden Elektronen gebremst und strahlen dabei Photonen ab. Der Effekt<br />
ist material- und energieabhängig und kommt hauptsächlich bei hochenergetischen<br />
Teilchen zum tragen.<br />
1 Quelle: [PRSZ09]<br />
2 Minimum Ionizing Particle<br />
11
12 3. Grundlagen<br />
Photonen unterliegen den Wechselwirkungen Photoeffekt, Compton-Effekt und Paarbildung.<br />
Sie werden lokal absorbiert, deshalb nimmt die Intensität eines Photonenstrahls in Materie<br />
expotentiell ab:<br />
I = I 0 · e −µl (3.2)<br />
mit dem Absorbtionskoeffizient µ und der Dicke l des Mediums. Der Absorbtionskoeffizient<br />
ist abhängig von der Photonenenergie und der Art des Mediums.<br />
Die Wechselwirkungen beim Durchgang durch Materie stellen die Grundlage <strong>für</strong> den<br />
Bau von Siliziumstreifensensoren dar. Sie müssen so optimiert werden, dass auch MIP-<br />
Teilchen detektiert werden können.<br />
3.2. Halbleiter und Bändermodell 1<br />
Die elektrische Leitfähigkeit von Festkörpern hängt von der Mobilität ihrer Elektronen<br />
ab. Sie können an einen Atomkern gebunden sein, wie es bei freien Atomen der Fall ist,<br />
oder sich delokalisiert im Festkörper bewegen. Mit dem Bändermodell kann die Ursache<br />
da<strong>für</strong> und die Auswirkung auf die elektrische Leitfähigkeit erklärt werden.<br />
Das Potential eines Atomkerns lässt <strong>für</strong> die Elektronen seiner Hülle diskrete Energiezustände<br />
zu. Eine geeignete Näherung <strong>für</strong> das Kernpotential ist ein eindimensionaler<br />
Kasten, der mit der Schrödingergleichung beschrieben werden kann:<br />
− ¯h2 d 2 ψ<br />
2m dx 2 + E pot(x) · ψ = Eψ (3.3)<br />
Mit E pot = 0 innerhalb der Kastenlänge L, E pot = ∞ außerhalb. Die Gleichung wird durch<br />
Eigenfunktionen gelöst:<br />
Dies führt zu Einergieeigenwerten:<br />
ψ n = A n sin k n x;<br />
k n = n · π<br />
L<br />
(3.4)<br />
E n = h2 ( n<br />
) 2<br />
2m · ; n = 1, 2, 3, ... (3.5)<br />
2L<br />
Nach dem Pauli-Prinzip kann jeder Energiezustand von maximal zwei Elektronen (mit<br />
antiparallelem Spin) besetzt werden. Im Zustand minimaler Gesamtenergie werden jeweils<br />
die niedrigsten, freien Energiezustände von den Elektronen besetzt. Der höchste,<br />
dabei noch besetzte Energiezustand definiert die Fermi-Energie:<br />
( )<br />
E F = h2 N 2<br />
(3.6)<br />
2m 4L<br />
Die Coulombpotentiale der Atomkerne und Elektronen in der dreidimensionalen Kernstruktur<br />
eines Festkörpers überlagern sich gegenseitig. Dies führt bei höheren Energiezuständen<br />
zur Ausweitung der diskreten Energiezustände zu erlaubten Bereichen, den<br />
Bändern. Zwischen den Bändern können sich verbotene Bereiche befinden, die einzelnen<br />
1 Quelle, soweit nicht anders angegeben: [Dem05].
Energie<br />
3.2. Halbleiter und Bändermodell 13<br />
freie Zustände<br />
Leitungsband<br />
E5<br />
Valenzband<br />
E4<br />
E3<br />
E2<br />
gebundene<br />
Zustände<br />
E1<br />
Atomabstand<br />
Ort im Kristall<br />
Abbildung 3.1.: Bändermodell: Die Wechselwirkungen der Atomkerne führen zu einer<br />
Ausweitung der erlaubten Zustände zu Bändern. Die Valenzelektronen<br />
sind nur schwach an den Atomkern gebunden. Bei einer großen Anzahl<br />
an Valenzelektronen können diese nicht mehr einem einzelnen Atom zugeordnet<br />
werden. Grafik nach [Lau13]<br />
Bänder können sich jedoch auch überlagern. Das oberste Energieband, welches im Zustand<br />
niedrigster Gesamtenergie noch vollständig mit Elektronen gefüllt ist, wird Valenzband<br />
genannt. Das nächsthöhere Energieband ist das Leitungsband, der Energieabstand<br />
dazwischen stellt die Bandlücke dar. Abbildung 3.1 zeigt schematisch die Coulombpotentiale<br />
der Atomkerne in einem Siliziumkristall, die Energiezustände werden zu Bändern<br />
erweitert. Die Anordnung der Energiebänder hängt von der Zusammensetzung und inneren<br />
Struktur des Materials ab.<br />
Materialien lassen sich damit in drei unterschiedliche Kategorien einordnen:<br />
1. Nichtleiter: Der Abstand von Valenzband und Leitungsband ist so groß, dass die<br />
typische Anregung von Elektronen (zum Beispiel thermisch) nicht <strong>für</strong> eine Überwindung<br />
der Bandlücke zwischen den Bändern ausreicht. Im vollen Valenzband<br />
ist keine Elektronenbewegung möglich. Materialien mit Bandlücken ab etwa 3 eV<br />
werden als Nichtleiter bezeichnet.<br />
2. Halbleiter: Es existiert eine Bandlücke, die von angeregten Elektronen überwunden<br />
werden kann. Dabei verteilen sich die Ladungsträger auf Valenz- und Leitungsband.<br />
Unbesetzte Energiezustände in beiden Bändern ermöglichen dann die Bewegung<br />
von Ladungsträgern. Die Leitfähigkeit eines Halbleiters hängt somit von der<br />
Anregung seiner Elektronen ab. Der klassische Fall ist die thermische Anregung:<br />
Bei T = 0K ist keine Leitfähigkeit vorhanden, sie steigt mit der Temperatur an.<br />
Typischerweise sind die Bandlücken von Halbleitern kleiner als 3 eV.<br />
3. Leiter: Es existiert ein Energieband über dem Valenzband, dass bei minimaler Gesamtenergie<br />
nicht vollständig gefüllt ist. Die Ladungsträger können sich innerhalb<br />
dieses Energiebandes bewegen.<br />
Abbildung 3.2 zeigt das Bändermodell von Leitungs- und Valenzband <strong>für</strong> Nichtleiter,<br />
Halbleiter und Leiter.
Energie<br />
Energie<br />
Energie<br />
14 3. Grundlagen<br />
Leitungsband<br />
Bandlücke<br />
Leitungsband<br />
Bandlücke<br />
Leitungsband<br />
Valenzband<br />
Nichtleiter<br />
Valenzband<br />
Halbleiter<br />
Valenzband<br />
Leiter<br />
Abbildung 3.2.: Bändermodell: Leitungs- und Valenzband bei Nichtleitern, Halbleitern<br />
und Leitern. Bei Halbleitern können Elektronen durch Anregung die<br />
Bandlücke überspringen und so das Material leitfähig machen. Grafik<br />
nach [Lau13]<br />
Typische Halbleitermaterialien sind die Elemente der vierten Hauptgruppe des Periodensystems<br />
der Elemente. Diese Stoffe bilden Kristalle mit kovalenten Bindungen, wodurch<br />
Elektronen mit relativ geringem Energieaufwand ins Leitungsband angeregt werden können.<br />
Typische Vertreter dieser Stoffe sind Silizium, Germanium und Diamant (Kohlenstoff).<br />
Es gibt jedoch auch weitere Halbleitermaterialien, teilweise bestehen sie auch mehreren<br />
Stoffen der dritten und fünften Hauptgruppe (Verbindungshalbleiter) [Thu05].<br />
Fremdatome in Halbleitermaterialien können durch Störstellen in der Bandstruktur erheblich<br />
zur Konzentration der Ladungsträger beitragen [AM07]:<br />
Intrinsiche Halbleiter sind Materialien, deren Kristallstruktur so rein ist, dass Störstellen<br />
in vernachlässigbarem Maße zur Leitfähigkeit beitragen. Die Leitfähigkeit kommt dabei<br />
durch Elektronen zustande, die in das Leitungsband angeregt werden. Sie hinterlassen<br />
eine freie Position im Valenzband (Loch), wodurch die Ladungsträger im Valenzband<br />
ebenfalls die Möglichkeit zur Bewegung erhalten. Die Zahl der Löcher ist gleich der Anzahl<br />
Elektronen im Leitungsband.<br />
Extrinsische Halbleiter verfügen über Fremdatome (Störstellen) im Kristall, die durch<br />
zusätzliche Ladungsträger (Elektronen oder Löcher) die Leitfähigkeit des Halbleiters maßgeblich<br />
hervorrufen. Erzeugen die zusätzlichen Elektronen der Störstellen die Leitfähigkeit,<br />
so werden die Fremdatome Donatoren genannt und der Halbleiter als n-leitend bezeichnet.<br />
Wird die Leitfähigkeit von Löchern der Fremdatome hervorgerufen, so nennt<br />
man die Störstellenatome Akzeptoren und der Typ des Halbleiters ist p-leitend.<br />
3.3. Dotierung<br />
Extrinsische Halbleiter lassen sich herstellen, indem gezielt Fremdatome in vergleichsweise<br />
geringen Konzentrationen in die Kristallstruktur eines Stoffes eingebracht werden.<br />
Dieser Vorgang wird Dotierung genannt. Dabei werden die globalen, besonders die chemischen<br />
und kristallographischen Eingenschaften eines Materials nicht wesentlich beeinflusst<br />
[Thu05].<br />
Das Einbringen von Fremdatomen in einen reinen Halbleiter kann technisch realisiert<br />
werden, indem man die Fremdatome bei hohen Temperaturen in den Kristall eindampft.<br />
Eine weitere Möglichkeit ist die Ionen-Implantation. Dabei werden ionisierte Fremdatome<br />
mit Energien zwischen 100 eV und 1 keV in den Kristall eingeschossen [Dem05].<br />
Die Fremdatome können Gitteratome ersetzen, oder zusätzlich zwischen Gitteratomen
Energie<br />
Energie<br />
3.3. Dotierung 15<br />
Platz finden. Die Konzentrationen von durch Dotierung eingebrachten Fremdatomen<br />
sind 10 −8 bis 10 −4 mal kleiner als die Konzentration der Atome des Grundmaterials<br />
[Dem05]. Trotzdem beeinflussen sie die elektrischen Eigenschaften des Halbleiters stark.<br />
Man unterscheidet die Art der Dotierung, indem man betrachtet, ob die Fremdatome<br />
entweder mehr oder weniger Valenzelektronen als das Grundmaterial haben:<br />
Donatoren sind Stoffe, die mehr Valenzelektronen besitzen als das Grundmaterial des<br />
Halbleiters. Die Bindungsenergie zusätzlicher Elektronen ist im Kristallgitter sehr klein.<br />
Somit stehen sie als Ladungsträger <strong>für</strong> den Stromfluss zur Verfügung. Die Energiezustände<br />
des Donators liegen in der Bandlücke knapp unterhalb des Leitungsbandes.<br />
Akzeptoren haben weniger Valenzelektronen als das Grundmaterial. In einem Kristall,<br />
der aus Atomen mit kovalenten Bindungen aufgebaut ist, fehlt dem Akzeptor ein Elektron<br />
<strong>für</strong> die Bindung mit einem Nachbaratom. Dadurch entsteht ein Loch, dass den Fluss<br />
von Ladungsträgern im Valenzband ermöglicht. Die Bindungsenergie des Valenzelektrons<br />
am Akzeptor ist geringer als an den Atomen des Grundmaterials, daher liegen die<br />
Energiezustände des Akzeptors in der Bandlücke oberhalb des Valenzbandes.<br />
Leitungsband<br />
Leitungsband<br />
Donatorzustände<br />
Valenzband<br />
Donatorniveaus<br />
E F<br />
Akzeptorzustände<br />
Valenzband<br />
Akzeptorniveaus<br />
E F<br />
Abbildung 3.3.: Bandschema eines Halbleiters bei Dotierung mit Donatoren (links) und<br />
Akzeptoren (rechts). Die Fermi-Energie E F liegt bei n-Halbleitern (<strong>für</strong><br />
T = 0 K) zwischen der Oberkante des Valenzbandes und den Akzeptorniveaus.<br />
Bei p-Halbleitern liegt E F zwischen den Donatorzuständen<br />
und der Unterkante des Leitungsbandes. Grafik nach [Dem05]<br />
Abbildung 3.3 zeigt das Bandschema und die Lage der Fermi-Energie (<strong>für</strong> T = 0 K) im<br />
Halbleiter bei Donatoren und Akzeptoren.<br />
Halbleitermaterialien lassen sich nur mit endlicher Reinheit herstellen. Daher existieren<br />
in jedem Halbleitermaterial auch nach Dotierung mit nur einer Sorte von Fremdatomen<br />
verschiedenartige Störstellen, die <strong>für</strong> zusätzliche Elektronen oder Löcher sorgen. Ob ein<br />
Material n-leitend oder p-leitend ist, gibt daher an, welche Ladungsträger <strong>für</strong> die elektrische<br />
Leitfähigkeit maßgeblich sind.<br />
Die Ladungsträger (Elektronen oder Löcher), die hauptsächlich <strong>für</strong> die Leitfähigkeit des<br />
Halbleiters verantwortlich sind, werden Majoritätsträger genannt. Die jeweils anderen Ladungsträger<br />
tragen nur geringfügig zur Leitfähigkeit bei, sie werden als Minoritätsträger<br />
bezeichnet.<br />
Nicht mit dotierten Halbleitern zu verwechseln sind Mischkristalle. Sie werden aus drei<br />
oder mehr Stoffen mit hohen Konzentrationen hergestellt. Dabei werden Elemente von<br />
Verbindungshalbleitern teilweise durch Stoffe derselben Hauptgruppe ersetzt. Die Eigenschaften<br />
dieser Materialien liegen zwischen denen der Ausgangsmaterialien [Thu05].
Energie<br />
Valenzband Leitungsband<br />
Energie<br />
16 3. Grundlagen<br />
3.4. Direkter und indirekter Bandübergang 1<br />
Die Ladungsträger der Halbleiter sind Elektronen. Betrachtet man sie als Teilchen unter<br />
dem Einfluss der Umgebung auf Parameter wie ihre Masse, so ist es zweckmäßig, das<br />
Elektron als Quasiteilchen zu betrachten. Die kinetische Energie von Quasielektronen in<br />
Halbleitern ist:<br />
ε e =<br />
p2<br />
= ¯h2 k 2<br />
(3.7)<br />
2m e 2m e<br />
Mit der effektiven Masse m e des Elektrons im Kristall, und dem Wellenvektor k. Damit<br />
erfüllt p nicht die <strong>für</strong> einen Impuls notwendige Translationsinvarianz, es handelt sich<br />
somit um einen Quasiimpuls.<br />
Auch die bereits erwähnten freien Zustände im Valenzband (Löcher 2 ) lassen sich als Quasiteilchen<br />
interpretieren. Dies ist zweckmäßig, da die Betrachtung der hohen Zahl an<br />
Elektronen im Valenzband deutlich aufwändiger ist, als die Untersuchung des Verhaltens<br />
von Löchern. Analog zum Vorgehen bei Quasielektronen kann den Löchern eine<br />
materialabhängige effektive Masse m h zugeordnet werden und damit ein Zusammenhang<br />
zwischen der kinetischen Energie und dem Quasiimpuls von Löchern hergestellt<br />
werden:<br />
ε e =<br />
p2<br />
= ¯h2 k 2<br />
(3.8)<br />
2m h 2m h<br />
ћk<br />
ћk<br />
Direkter Halbleiter<br />
Indirekter Halbleiter<br />
Abbildung 3.4.: Übergang zwischen Valenz- und Leitungsband im Impulsraum: Dargestellt<br />
wird der direkte Banübergang (links) und der indirekte Bandübergang<br />
(rechts). Grafik nach [Thu05]<br />
Abbildung 3.4 zeigt den Übergang zwischen Valenz- und Leitungsband im Impulsraum.<br />
Wenn die Quasiteilchen ohne Änderung des Wellenvektors k zwischen den Bändern<br />
wechseln, liegt ein direkter Bandübergang vor. Liegt dagegen das Maximum des Valenzbandes<br />
im Impulsraum nicht direkt unter dem Minimum des Leitungsbandes, so finden<br />
meist indirekte Bandübergänge statt. Der zusätzliche Impulsanteil wird durch Gitterschwingungen<br />
im Kristall (Phononen) ausgeglichen. Bei solchen Materialien sind direkte<br />
Übergänge jedoch bei höheren energetischen Anregungen möglich.<br />
1 Quelle: [Thu05]<br />
2 engl. hole, daher Index h
3.5. Der pn-Übergang 17<br />
3.5. Der pn-Übergang<br />
Durch Zusammenbringen von p- und n-dotierten Halbleitermaterialen kann ein pn-Übergang<br />
hergestellt werden. An der Grenzschicht zwischen beiden Dotierungsarten bildet sich ein<br />
starker Gradient der Konzentrationen der Ladungsträger. Die Folge davon ist eine Rekombination<br />
der Elektronen des n-Bereichs mit den Löchern des p-Bereichs durch Diffusion.<br />
Als Folge bildet sich im Grenzbereich eine Verarmungszone aus, in der keine freien<br />
Ladungsträger vorhanden sind. Durch den Abfluss von Elektronen aus dem n-dotierten<br />
Material bildet sich eine positive Raumladung aus, da insgesamt mehr Protonen als Elektronen<br />
im Kristall vorhanden sind. Im p-dotierten Material ergibt sich dagegen ein Überschuss<br />
an Elektronen. Dadurch bildet sich ein Potential zwischen p- und n-Bereich aus,<br />
welches der weiteren Rekombination von Ladungsträgern entgegensteht. Abbildung 3.5<br />
zeigt das Bandschema eines pn-Übergangs im so erreichten Gleichgewichtsfall.<br />
E L<br />
E<br />
E F<br />
p-Teil<br />
n-Teil<br />
E V<br />
Abbildung 3.5.: Bandschema des pn-Übergangs. Zwischen dem p-Teil und dem n-Teil<br />
des Übergangs rekombinieren Ladungsträger, wodurch sich eine Verarmungszone<br />
bildet. Grafik nach [Dem05]<br />
Der pn-Übergang wirkt elektrisch wie eine Diode. Die Leitfähigkeit und die Verarmungszone<br />
werden von der äußeren Spannung beeinflusst:<br />
Beim Betrieb des pn-Übergangs in Durchlassrichtung werden zusätzliche Löcher in den<br />
p-Bereich und zusätzliche Elektronen in den n-Bereich getrieben. die Verarmungszone<br />
wird dadurch kleiner. Wird die Spannung weiter über die Schleusenspannung erhöht, so<br />
verschwindet die Verarmungszone und der Stromfluss kann mit der Spannung deutlich<br />
zunehmen.<br />
Legt man an die Spannung in Sperrichtung an den pn-Übergang an, werden die Elektronen<br />
im n-Teil und die Löcher im p-Teil abgesaugt. Dadurch vergrößert sich die Verarmungszone,<br />
das System wirkt wie ein Isolator auf den Stromfluss. Bei großen Spannungen<br />
in Sperrichtung kann das elektrische Feld im pn-Übergang zu einem plötzlichen,<br />
starken Anstieg des Stomflusses führen. Ein solcher Durchbruch ist unerwünscht und<br />
kann das System durch die große Verlustleistung im Silizium thermisch zerstören.<br />
3.6. Silizium<br />
Silizium ist ein Element der vierten Hauptgruppe im Periodensystem der Elemente. Es<br />
verfügt über vier Valenzelektronen, die mit den Nachbaratomen kovalente Bindungen<br />
eingehen. Daher bildet reines Silizium eine Kristallstruktur und ist ein elementares Halbleitermaterial.<br />
Sein weltweites Vorkommen und seine hohe Verfügbarkeit machen Silizium<br />
zum meistverwendeten Halbleitermaterial.
18 3. Grundlagen<br />
Die Konzentration der Atome im Siliziumkristall beträgt 5 × 10 22 cm −3 , die Gitterkonstante<br />
ist ungefähr 5 × 10 −10 m [Thu05]. Der Kristall hat Diamantstruktur, seine erste<br />
Brillouin-Zone ist ein stumpfes Oktaeder, entsprechend einem kubisch-flächenzentrierten<br />
Bravaisgitter [AM07]. Tabelle 3.1 gibt weitere wichtige Eigenschaften von Silizium wieder.<br />
Ordnungszahl 14 [Thu05]<br />
Dichte 2330 kg m −3 [Win12]<br />
Atommasse 28,085 u [WC10]<br />
Massenanteil an der Erdhülle 25,7 % [Win12]<br />
Bandlücke (bei 300 K) 1,12 eV [PR02]<br />
Art der Bandlücke indirekt [Thu05]<br />
Relative Dielektrizitätskonstante ε 11,4 [Thu05]<br />
Effektive Masse der Elektronen m e /m 0 0,32 [Thu05]<br />
Effektive Masse der Löcher m h /m 0 0,57 [Thu05]<br />
Tabelle 3.1.: Wichtige Eingenschaften von Silizium<br />
Halbleiterdetektoren werden meist aus Siliziumkristallen hergestellt. Als Donatoren werden<br />
Phosphor oder Antimon eingesetzt, <strong>für</strong> Akzeptoren werden Bor oder Aluminium<br />
verwendet [Dem04].<br />
3.7. Streifensensoren<br />
Streifensensoren werden im CMS-Experiment aufgrund ihrer guten Ortsauflösung zur<br />
Spurrekonstruktion von geladenen Teilchen im Detektor eingesetzt.<br />
Jeder Streifen eines Sensors funktioniert wie ein pn-Übergang, der mit Hilfe einer äußeren<br />
Sperrspannung vollständig von freien Ladungsträgern verarmt wird. Beim Durchgang<br />
von geladenen Teilchen werden Ladungsträger entlang der Trajektorie des Teilchens erzeugt.<br />
Die Ladungsträger werden vom elektrischen Feld der äußeren Spannung zum Sensorrand<br />
hin abgesaugt. Das entstandene Signal wird kapazitiv von der Ausleseelektronik<br />
erfasst. Abbildung 3.6 zeigt das Funktionsprinzip des Streifensensors.<br />
-<br />
Ionisierendes<br />
Teilchen<br />
SiO 2 Schicht<br />
V FD<br />
+<br />
E-Feld<br />
p+ p+ p+ p+ p+ p+<br />
n-Bulk<br />
n++<br />
Aluminium-Rückseite<br />
e - h +<br />
Abbildung 3.6.: Funktionsprinzip eines Streifensensors. Der Sensor wird mittels einer äußeren<br />
Spannung vollständig von freien Ladungsträgern verarmt. Beim<br />
Durchgang geladener Teilchen wird nach der Bethe-Bloch-Formel Energie<br />
im Material deponiert. Dadurch werden in der Verarmungszone Ladungsträgerpaare<br />
gebildet. Die Ladungsträger werden von dem elektrischen<br />
Feld im Sensor abgesaugt. Dabei entsteht ein Signal, welches kapazitiv<br />
ausgelesen wird. Nach [Har08], Layout von [Fre12]
3.7. Streifensensoren 19<br />
Siliziumstreifensensoren werden realisiert, indem in ein dotiertes Grundmaterial (p- oder<br />
n-Typ) auf einem Wafer dotierte Streifen des jeweils anderen Typs implantiert werden.<br />
Jeder Streifen funktioniert somit wie eine Halbleiterdiode. Eine äußere Spannung wird<br />
über die kontaktierbare Rückseite des Sensors und über einen Bias-Ring auf seiner Vorderseite<br />
angelegt. Eine Isolationsschicht trennt das Silizium von den Aluminiumstreifen<br />
<strong>für</strong> das kapazitive Auslesen (an den AC-Pads) der Signale auf ihrer Oberseite. Der Streifen<br />
kann im Labor zusätzlich direkt über die DC-Pads kontaktiert werden. Abbildung 3.7<br />
zeigt den Aufbau eines Streifensensors anhand einer schematischen 3D-Grafik.<br />
Guardring<br />
SiO 2 Passivierungsschicht<br />
Biaswiderstand<br />
SiO 2 <strong>für</strong> kapazitive Kopplung<br />
Biasring<br />
n-Bulk<br />
n++ Schicht<br />
AC-Pad<br />
Aluminiumstreifen<br />
Aluminium-Rückseite<br />
p+ Implantat<br />
DC-Pad<br />
Abbildung 3.7.: Schematische 3D-Darstellung des Aufbaus eines Streifensensors. Grafik<br />
von Tobias Barvich, <strong>IEKP</strong>, <strong>KIT</strong><br />
Quelle: [Har08]
20 3. Grundlagen<br />
3.8. Kosmische Höhenstrahlung 1<br />
Die kosmische Höhenstrahlung wurde erstmals vor über hundert Jahren von Victor Hess<br />
bei Messungen der ionisierenden Strahlung von Ballonen aus entdeckt. Hess stellte fest,<br />
dass es einen Anteil der natürlichen Strahlung gibt, die mit der Höhe des Ballons zunimmt.<br />
Was wir auf der Erde nachweisen können ist das Produkt einer langen Kette<br />
von teilchenphysikalischen Wechselwirkungen. An deren Anfang stehen kosmische Beschleunigungsmechanismen,<br />
wie zum Beispiel Supernova-Explosionen, Pulsare und die<br />
Zentren aktiver Galaxien.<br />
Gewöhnliche Sterne können Teilchen bis in den GeV-Bereich beschleunigen. Auf der<br />
Oberfläche der Sonne entstehen zum Beispiel zeitweise ausgedehnte, zeitveränderliche<br />
Magnetfelder, in denen Teilchen beschleunigt werden können. Optisch sind solche Phänomene<br />
als Sonnenflecken beobachtbar. Von der Sonne können einzelne Teilchen mit<br />
Energien von bis zu 100 GeV nachgewiesen werden. Teilchen aus extrasolaren und extragalaktischen<br />
Quellen wurden mit Energien bis in den Bereich von einigen hundert<br />
EeV nachgewiesen [GST13]. Abbildung 3.8 zeigt das Energiespektrum der primären kosmischen<br />
Strahlung, gemessen von verschiedenen Experimenten.<br />
Abbildung 3.8.: Messungen des Energispektrums der Teilchen der primären kosmischen<br />
Höhenstrahlung von verschiedenen Experimenten [GST13]. Das Energiespektrum<br />
deckt einen Energiebereich von wenigen GeV bis zu einigen<br />
hundert EeV ab.<br />
3.8.1. Zusammensetzung und Wechselwirkungen<br />
Die primäre kosmische Strahlung besteht zu etwa 85 % aus Protonen, gefolgt von etwa<br />
12 % α-Teilchen. Elektronen und Teilchen mit Kernladungszahlen von Z = 3 oder mehr<br />
machen lediglich 3 % der primären kosmischen Strahlung aus. Die Teilchen treffen mit<br />
einer Rate von etwa 1000 Ereignissen cm −2 s −1 auf die Erdatmosphäre [KKZ97].<br />
Bei der Propagation der Teilchen durch die Atmosphäre verändert sich die Zusammensetzung<br />
der Höhenstrahlung. Die primären Teilchen treffen in der gegenüber dem Weltraum<br />
vergleichsweise dichten Atmosphäre auf andere Teilchen und lösen Wechselwirkungen<br />
mit ihnen aus. Dabei entstehen Sekundärteilchen. Den größten Anteil davon stellen<br />
Pionen dar, die Erzeugung von Kaonen ist etwa zehn mal weniger wahrscheinlich.<br />
1 Quelle, soweit nicht anders angegeben: [Gru01]
3.8. Kosmische Höhenstrahlung 21<br />
Die geladenen Pionen (Lebensdauer 26 ns) und Kaonen (Lebensdauer 12,4 ns) zerfallen<br />
leptonisch:<br />
π + → µ + + ν µ (3.9)<br />
π − → µ − + ¯ν µ (3.10)<br />
K + → µ + + ν µ (3.11)<br />
K − → µ − + ¯ν µ (3.12)<br />
Die relativistische Zeitdilatation ermöglicht es hochenergetischen Myonen, trotz ihrer<br />
kurzen mittleren Lebensdauer von 2,2 µs, die Erdoberfläche zu erreichen. Unterhalb von<br />
10 GeV spielt der Myonenzerfall eine Rolle [KKZ97]:<br />
µ − → e − ¯ν e ν µ (3.13)<br />
µ + → e + ν e ¯ν µ (3.14)<br />
Auf Meereshöhe stellen die verbliebenen Myonen mit einem Anteil von 80 % den größten<br />
Anteil an Teilchen der sekundären kosmischen Höhenstrahlung dar. Pro Minute wird<br />
auf Meereshöhe jeder Quadratzentimeter der Erdoberfläche durchschnittlich von einem<br />
Myon pro Minute getroffen. Ihr Impulsspektrum beginnt bei weniger als 1 GeV/c, durchschnittlich<br />
haben die Teilchen einen Impuls von 4 GeV/c [Blo07]. Es kommen zwar auch<br />
Teilchen mit sehr viel größeren Impulsen vor, die Rate nimmt jedoch mit der Teilchenenergie<br />
stark ab. Abbildung 3.9 zeigt den Fluss kosmischer Myonen auf Meereshöhe.<br />
1 8<br />
1 6<br />
µ +<br />
µ -<br />
s -1 s r -1 G e V -1 )<br />
-2<br />
d Φ/d p (m<br />
1 4<br />
1 2<br />
1 0<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2<br />
0<br />
1 1 0<br />
Im p u ls (G e V /c )<br />
Abbildung 3.9.: Differentieller Fluss kosmischer Myonen auf Meereshöhe. Das Spektrum<br />
beginnt bei weniger als 1 GeV/c und fällt zu hohen Energien stark ab.<br />
Negativ geladene Myonen können von Atomen in der Atmosphäre eingefangen<br />
werden, daher ist ihre Rate geringer als die der positiv geladenen<br />
Myonen. Daten des Caprice94-Experiments [K + 99].
22 3. Grundlagen<br />
3.8.2. Einfallswinkel<br />
Die Teilchen der Höhenstrahlung treffen aus unterschiedlichen Einfallswinkeln auf die<br />
Erdoberfläche. Der Grund da<strong>für</strong> ist, dass die primäre kosmische Strahlung aus beliebigen<br />
Richtungen auf die Atmosphäre trifft. Darüber hinaus führen Streuprozesse in der Wechselwirkungskette<br />
zu Richtungsänderungen. Teilchen auf geneigten Bahnen unterliegen<br />
aufgrund der größeren Wegstrecke bis zur Erdoberfläche einer erhöhten Zerfallswahrscheinlichkeit<br />
und einer größeren Absorbtionswahrscheinlichkeit. Für nicht zu große Zenitwinkel<br />
Θ kann die Myonenintensität mit<br />
angegeben werden. [Gru01]<br />
I µ (Θ) = I µ (Θ = 0) · cos 2 Θ (3.15)
4. Testsensoren<br />
Dieses Kapitel stellt die in dieser Arbeit untersuchten Testsensoren vor. Dabei werden die<br />
gängigen Bezeichnungen erläutert und die Geometrie der Sensoren vorgestellt. Zusätzlich<br />
wird das im Rahmen dieser Diplomarbeit entstandene Modul <strong>für</strong> Signalmessungen<br />
an Multigeometriestreifensensoren vorgestellt.<br />
4.1. Nomenklatur<br />
Für die Bezeichnung von Testsensoren werden typischerweise Geometrie- und Materialeigenschaften<br />
zusammengefasst. Die Sensorbezeichnung beginnt mit einer Buchstabenkombination,<br />
die das verwendete Herstellungsverfahren des Siliziums beschreiben. Es<br />
folgt die Angabe der aktiven Sensordicke in Mikrometern. Ein weiterer Buchstabe gibt<br />
Auskunft über die Art der Dotierung sowie gegebenenfalls über die verwendete Isolationstechnik.<br />
Zusätzlich können Informationen über die Wafernummer bei der Produktion,<br />
des Sensortyps und eine Identifikationsziffer des Sensors auf dem Wafer angegeben<br />
werden.<br />
Das Vorgehen wird anhand eines <strong>für</strong> diese Arbeit verwendeten Sensors beschrieben:<br />
FTH200P_05_MSSD_1<br />
Die ersten drei Buchstaben stehen <strong>für</strong> das Floatzone-Herstellungsverfahren, wobei der<br />
Sensor nachträglich gedünnt (engl. thinned) wurde. Die Zahl 200 steht <strong>für</strong> die aktive Dicke<br />
des Sensors (200 µm). Der folgende Buchstabe P sagt aus, dass dies ein p-Typ-Sensor<br />
ist, dessen Streifenisolierung als p-stop realisiert ist. Die Zahl 05 ist die Nummer des<br />
Wafers, auf dem der Sensor hergestellt wurde. Der Sensortyp ist ein Multigeometriestreifensensor,<br />
kurz MSSD (Details dazu in Abschnitt 4.4). Da auf dem Wafer bei der Herstellung<br />
insgesamt zwei Sensoren vom gleichen Typ untergebracht worden sind, werden die<br />
beiden durch eine zusätzliche Ziffer am Ende der Sensorbezeichnung unterschieden.<br />
4.2. HPK-Kampagne<br />
Quelle, soweit nicht anders angegeben: [Die12]<br />
Für die Erforschung und Entwicklung von strahlenharten Siliziumsensoren wird innerhalb<br />
der CMS-Collaboration eine Forschungskampagne durchgeführt. Da<strong>für</strong> wurden verschiedene<br />
Testsensoren bei dem Hersteller Hamamatsu Photoniks K.K. produziert. Drei<br />
23
24 4. Testsensoren<br />
Arten solcher Sensoren sind im Rahmen dieser Diplomarbeit verwendet worden und<br />
werden im Folgenden vorgestellt: Baby-Standard-, Baby-Additional- und Multigeometriestreifensensoren.<br />
Beim verwendeten Material beschränkt sich diese Diplomarbeit auf Silizium aus dem<br />
Floatzone-Verfahren. Dieses Material kommt gegenwärtig im CMS-Spurdetektor zum<br />
Einsatz und gilt als aussichtsreicher Kandidat <strong>für</strong> den neuen Spurdetektor des CMS-<br />
Experiments bei HL-LHC.<br />
Die Dotierungsarten n-Typ und p-Typ werden untersucht, wobei die bei p-Typ-Sensoren<br />
notwendige Streifenisolation auf zwei verschiedene Arten realisiert ist:<br />
Die Technik, Sensoren gleichmäßig mit einer p-Isolationsschicht zu überziehen, wird p-<br />
spray genannt.<br />
Wird zwischen den Streifen ein begrenzter Bereich zusätzlich p-dotiert, so nennt man<br />
diese Isolationstechnik p-stop.<br />
4.3. Mini-Sensoren<br />
Baby-Standard-Sensoren (Bstd) sind Testsensoren mit einer Abmessung von 35,12 mm ×<br />
22,62 mm. Sie verfügen über 256 Streifen mit einem Streifanabstand (pitch) von 80 µm. Die<br />
Breite des Implantats (width) beträgt 18 µm. Daraus ergibt sich ein width-to-pitch-Verhältnis<br />
von 0,225 [Fre12].<br />
Baby-Additional-Sensoren (Badd) sind deutlich kleinere Sensoren: Ihre Abmessungen<br />
betragen 7,10 mm × 27,96 mm. Darauf wurden 64 Streifen mit einem Abstand von ebenfalls<br />
80 µm untergebracht. Das Implantat ist wiederum 18 µm breit, das width-to-pitch-<br />
Verhältnis von 0,225 ändert sich nicht.<br />
Abbildung 4.1 zeigt eine Fotografie der beiden vorgestellten Sensoren im Größenvergleich<br />
zu einer 1-Cent Münze.<br />
Abbildung 4.1.: Foto eines Baby-Additional-Sensors (klein) und eines Baby-Standard-<br />
Sensors (groß) im Größenvergleich zu einer 1-Cent Münze.<br />
4.4. Multigeometriestreifensensoren<br />
Zur Untersuchung des Einflusses der Geometrie auf die verschiedenen Eigenschaften<br />
eines Streifensensors wurden Multigeometriestreifensensoren (MSSD 1 ) verwendet. Ein<br />
MSSD ist dabei ein aus 12 Regionen mit unterschiedlicher Geometrie aufgebauter Sensor.<br />
1 Multi-geometry Silicon Strip Detector
4.5. MSSD Modul 25<br />
Es werden der Streifenabstand und die Breite des Implantats variiert. Tabelle 4.1 fasst die<br />
Regionen und ihre Geometrie zusammen. Die Streifenlänge des Sensors beträgt jeweils<br />
3 cm.<br />
Abbildung 4.2 zeigt eine Fotografie eines <strong>für</strong> diese Arbeit verwendeten MSSD. Dieser<br />
Aufbau ist vorteilhaft, da durch die Anordnung der verschiedenen Geometrien auf einem<br />
Sensor sichergestellt ist, dass diverse Herstellungsparameter wie zum Beispiel die Materialzusammensetzung<br />
zwischen den einzelnen Regionen unverändert sind. Darüber hinaus<br />
ist die Handhabung eines großen Sensors weniger aufwändig als die Handhabung<br />
von zwölf kleinen Sensoren.<br />
Abbildung 4.2.: Foto eines Multigeometriestreifensensors gebondet auf einen Pitchadapter.<br />
Die abgebildete Platine wurde im Rahmen dieser Arbeit entworfen.<br />
Tabelle 4.1.: Geometrie des MSSD<br />
Region Streifenabstand (µm) Breite des Implantats<br />
(µm)<br />
Breite des Aluminiumstreifens<br />
(µm)<br />
w/p<br />
1 120 17 24 0,14<br />
2 240 35 42 0,15<br />
3 80 11 18 0,14<br />
4 70 9,5 16,5 0,14<br />
5 120 29 36 0,24<br />
6 240 59 66 0,25<br />
7 80 19 26 0,24<br />
8 70 16,5 23,5 0,24<br />
9 120 41 47 0,34<br />
10 240 83 90 0,35<br />
11 80 27 34 0,34<br />
12 70 23,5 30,5 0,34<br />
4.5. MSSD Modul<br />
Um die in dieser Arbeit verwendeten MSSD <strong>für</strong> Signalmessungen im Höhenstrahlungsteleskop<br />
(Abschnitt 6.3) und am ARC-System (Abschnitt 7.2) betreiben zu können, wurde<br />
ein Modul entworfen. Das Modul dient der mechanischen Fixierung des Sensors und des
26 4. Testsensoren<br />
Auslesechips auf der Kühlplatte des Teleskops. Insgesamt wurden zwei Module hergestellt.<br />
4.5.1. Anforderungen<br />
Folgende Anforderungen wurden bei der Konstruktion an das Modul gestellt:<br />
• Aufnahme von MSSD, Pitchadapter, APV-Hybrid;<br />
• Fixierung durch Verschraubung an der Kühlplatte in vorhandenen Gewinden;<br />
• Wärmeleitende Bodenfläche <strong>für</strong> optimale Kühlung bestrahlter Sensoren;<br />
• Reduzierung der Masse im Bereich der Teilchenspuren auf ein Minimum zur Vermeidung<br />
von Streuung;<br />
• Kompakte Bauform <strong>für</strong> den flexiblen Einbau in verschiedene Experimente und die<br />
Möglichkeit, das Kühlsystem und den Trigger der ALiBaVa Stationen zu nutzen;<br />
• Flexible Positionierung auf der Kühlbrücke der ALiBaVa Station je nach untersuchter<br />
Region<br />
4.5.2. Aufbau<br />
Kernelement des Moduls ist eine 3 mm dicke Kupferplatte, auf der eine Platine zur Aufnahme<br />
von MSSD, Pitchadapter und Temperatursensor sowie einer Platine <strong>für</strong> den APV-<br />
Hybriden und seinem Pitchadapter angebracht wurde. Zusätzlich enthält die Kupferplatte<br />
eine Fuge, die die flexible Montage des Moduls mithilfe von zwei M3 Schrauben auf<br />
der Kühlbrücke der ALiBaVa-Station ermöglicht. Die Aufteilung der Bauteile auf zwei<br />
Platinen ermöglicht es, die Platinen unabhängig voneinander auszuwechseln. Kupfer<br />
wurde wegen seiner hohen Wärmeleitfähigkeit von 420 Wm −1 K −1 (bei 50 ◦ C) [GM03] als<br />
Trägermaterial gewählt.<br />
Die Kupferplatte wird von einem Rahmen aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK)<br />
eingefasst. GFK wurde gewählt, da es einen niedrigen Wärmeleitkoeffizient besitzt und<br />
vergleichsweise einfach zu verarbeiten ist. Dieser Rahmen ermöglicht durch angebrachte<br />
Bohrungen die Fixierung auf der Kühlplatte des Teleskops. Ein geringer Überstand der<br />
Kupferplatte nach unten garantiert ihren Kontakt mit der Kühlplatte. Für den Betrieb mit<br />
einer radioaktiven Quelle in der Umhausung der ALiBaVa-Station kann eine Quellenbrücke<br />
auf den Rahmen aufgeschraubt werden (Siehe Bild 6.1 auf Seite 36). Die Quellenbrücke<br />
ermöglicht die Positionierung einer radioaktiven Quelle mit einem Kollimator<br />
direkt über der zu untersuchenden Region des MSSD.<br />
An der Unterseite des Moduls kann ein Element aus GFK angebracht werden, um beim<br />
Betrieb des Moduls auf der Kühlbrücke der ALiBaVa-Station den nicht aufliegenden Teil<br />
der Kupferplatte gegen die deutlich wärmere Trockenluft in der Umgebung zu isolieren.<br />
Die Abbildung 4.3 zeigt ein MSSD-Modul, die Abbildung 4.4 zeigt eine schematische<br />
Darstellung der Einzelteile eines Moduls. Im Anhang finden sich auf den Seiten 85 bis 88<br />
die Konstruktionspläne <strong>für</strong> das Modul sowie der Schaltplan und das Platinenlayout <strong>für</strong><br />
die MSSD-Platine.
4.5. MSSD Modul 27<br />
Abbildung 4.3.: MSSD Modul in Originalgröße: Im oberen Bereich befindet sich der APV-<br />
Hybrid, im unteren Bereich befindet sich die Platine mit dem MSSD. Auf<br />
der rechten Seite sind die Anschlüsse <strong>für</strong> die Spannungsversorgung und<br />
den Temperatursensor zu erkennen.
28 4. Testsensoren<br />
MSSD-Platine<br />
APV-Hybrid<br />
GFK-Rahmen<br />
Kupferplatte<br />
Kühlplatte des Teleskops<br />
Abbildung 4.4.: Schematische Darstellung eines MSSD-Moduls über der Kühlplatte des<br />
Teleskops. Oben befinden sich die Platinen <strong>für</strong> APV-Hybrid und MSSD,<br />
die auf die Kupferplatte aufgeschraubt werden. Die Kupferplatte ist in<br />
den Rahmen aus GFK eingelassen und mit ihm verschraubt. Der Rahmen<br />
kann auf der Kühlplatte des Teleskops mit vier Schrauben fixiert werden.
5. Elektrische Charakterisierung<br />
Die Kenntnis der elektrischen Eigenschaften eines Siliziumstreifensensors ist Vorraussetzung<br />
<strong>für</strong> die Durchführung von Signalmessungen. Daher werden zur Vorbereitung<br />
solcher Messungen Siliziumsensoren vorab elektrisch qualifiziert. Die dazu verwendete<br />
Messstation Probestation wird in diesem Kapitel vorgestellt. Darüber hinaus werden die<br />
untersuchten Größen zur elektrischen Qualifizierung eines Siliziumstreifensensors eingeführt.<br />
5.1. Probestation<br />
Am <strong>Institut</strong> <strong>für</strong> <strong>Experimentelle</strong> <strong>Kernphysik</strong> werden zwei Probestations betrieben. Dabei<br />
handelt es sich um Messstationen <strong>für</strong> Siliziumsensoren. Die Stationen ermöglichen<br />
es, Sensoreigenschaften wie zum Beispiel Gesamtkapazitäten, Streifenwiderstände und<br />
-leckstöme sowie weitere Parameter automatisiert bei verschiedenen Spannungen und<br />
Temperaturen zu bestimmen.<br />
Dazu verfügen die Stationen über ein regelbares Temperatursystem, welches neben Peltierementen<br />
unter einem Vakuumtisch und einer Flüssigkeitsvorkühlung <strong>für</strong> die Peltierelemente<br />
auch Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren umfasst.<br />
Die zu untersuchenden Siliziumsensoren werden zur Messung auf einem Vakuumtisch<br />
fixiert und auf ihrer Oberseite mit Experimentiernadeln elektrisch kontaktiert. Der Vakuumtisch<br />
ist elektrisch leitfähig und mit der Hochspannungsversorgung verbunden. Dadurch<br />
werden die Sensoren auf ihrer Unterseite ebenfalls kontaktiert. Der Vakuumtisch<br />
ist mit feinmechanischen Motoren versehen und kann automatisiert verschiedene Positionen<br />
anfahren. Somit können bei einem Sensor Messungen an verschiedenen Streifen<br />
erfolgen, wobei die Messnadeln nur einmal positioniert werden müssen.<br />
Zur präzisen Positionierung der Nadeln kann der Sensor durch ein Mikroskop betrachtet<br />
werden. Der beschriebene Aufbau wird von einer lichtdichten Umhausung eingefasst.<br />
Die fortlaufend zugeführte Trockenluft sorgt <strong>für</strong> einen geringfügigen Überdruck innerhalb<br />
der Umhausung, was Kondensation verhindert und zusätzlich dem Schutz vor unerwünschtem<br />
Staub dient.<br />
Die Abbildung 5.1 zeigt eine Fotografie einer Probestation. Rechts daneben zeigt Abbildung<br />
5.2 einen MSSD, der in der Probestation im Bereich der Region 5 von Experimentiernadeln<br />
kontaktiert wird.<br />
29
30 5. Elektrische Charakterisierung<br />
Abbildung 5.1.: Die Probestation: links befindet<br />
sich die Messelektronik, in der Mitte<br />
die Umhausung mit dem Vakuumtisch<br />
und den Experimentiernadeln, rechts befindet<br />
sich der Computer <strong>für</strong> die Datennahme.<br />
Zur Messung wird die vordere Tür<br />
der Station geschlossen.<br />
Abbildung 5.2.: Ein Multigeometrie-<br />
Streifensensor wird auf dem Vakuumtisch<br />
der Probestation von Experimentiernadeln<br />
kontaktiert. Peltierelemente und<br />
Temperatursensoren sind im Vakuumtisch<br />
integriert. Oben rechts befindet sich das<br />
Objektiv des Mikroskops.<br />
5.2. Wichtige Größen<br />
5.2.1. Verarmungsspannung<br />
Die Verarmungsspannung bezeichnet die Höhe der Betriebsspannung des Sensors, bei<br />
der seine aktive Zone ihre maximale Ausdehnung erreicht. Der Sensor ist dann vollständig<br />
von Ladungsträgern verarmt. Erhöht man die Betriebsspannung des Sensors darüber<br />
hinaus, so führt dies nicht zu einer weiteren Verstärkung des typischen Signals. Üblicherweise<br />
werden Siliziumsensoren daher knapp oberhalb ihrer Verarmungsspannung<br />
betrieben. Typischerweise liegt die Verarmungsspannung im Bereich von wenigen Hundert<br />
Volt. Sie wird indirekt über die Kapazitäts-Spannungs-Kurve bestimmt. Das Verfahren<br />
wird in Abschnitt 7.1.1 vorgestellt. Mit der Belastung durch Strahlung steigt die<br />
Verarmungsspannung.<br />
5.2.2. Leckstrom<br />
Wie bei jedem pn-Übergang, diffundieren und rekombinieren auch im Sensor einige Ladungsträger<br />
im Halbleiter, obwohl die Spannung in Sperrichtung angelegt wird. Dies<br />
führt zu einem Leckstrom. Der Leckstrom liegt bei unbestrahlten Sensoren typischerweise<br />
im Bereich von einigen nA und erhöht sich nach Bestrahlung je nach Fluenz um<br />
mehrere Größenordnungen. Ein Diagramm dazu befindet sich in Abschnitt 7.1.2. Zur<br />
Bestimmung des Leckstroms wird der Strom gemessen, der bei angelegter Versorgungsspannung<br />
über den Bias-Ring abfließt. Der Leckstrom ist darüber hinaus temperaturabhängig,<br />
weshalb bestrahlte Sensoren bei Temperaturen um −20 ◦ C betrieben werden.<br />
5.2.3. Kapazitäten 1<br />
Einem Siliziumstreifensensor lassen sich verschiedene Kapazitäten zuordnen. Eine Übersicht<br />
der direkt zu bestimmenden Kapazitäten gibt Abbildung 5.3 wieder.<br />
Zwischen dem Implantat und der Rückseite baut sich über dem pn-Übergang des Streifens<br />
die Rückseitenkapazität (C bck ) auf. Sie kann an verschiedenen Positionen gegen die<br />
Sensorrückseite gemessen werden, was in Abschnitt 7.1.3 untersucht wird.<br />
1 Quellen, soweit nicht anders angegeben: [Cat10] und [B + 94].
5.2. Wichtige Größen 31<br />
Abbildung 5.3.: Kapazitäten eines Siliziumstreifensensors. Die Koppelkapazität eines<br />
Streifens ist C C , C back bezeichnet die Rückseitenkapazität, C int die Zwischenstreifenkapazität<br />
zum direkten Nachbarstreifen, C 2 die Zwischenstreifenkapazität<br />
zum übernächsten Nachbarstreifen. Nach [Cat10]<br />
Zwischen den AC-Pads von benachbarten Streifen kann eine Zwischenstreifenkapazität<br />
(C int ) gemessen werden. Mit der Ausnahme von Randstreifen hat jeder Streifen zwei direkte<br />
Nachbarn. Darüber hinaus tragen weiter entfernte Streifen mit deutlich kleineren<br />
Kapazitäten (C 2 , C 3 usw.) zur gesamten Zwischenstreifenkapazität (C int,tot ) bei. Wird die<br />
Zwischenstreifenkapazität nur zwischen den AC-Pads von zwei Streifen gemessen, so<br />
fließen bereits Effekte anderer Streifen in das Messergebnis ein. Vergleichsmessungen haben<br />
ergeben, dass man die Zwischenstreifenkapazität zu beiden Nachbarstreifen erhält,<br />
wenn man C int zu einem Nachbarstreifen bestimmt und mit dem Faktor 1,85 multipliziert.<br />
Die Kapazität eines Siliziumstreifens ergibt sich damit zu:<br />
C strip = C back + 1, 85 ∗ C int (5.1)<br />
Da die Streifen kapazitiv ausgelesen werden, existiert per Konstruktion noch eine Koppelkapazität<br />
(C C ) zwischen dem AC-Pad und dem Streifen. Sie kann zwischen dem AC-<br />
Pad und dem DC-Pad gemessen werden.<br />
Daher muss die Gesamtkapazität (C tot ) eines Siliziumstreifens aus Sicht der Ausleseelektronik<br />
noch um die Koppelkapazität korrigiert werden:<br />
5.2.4. Widerstände<br />
C tot = C strip · C c<br />
C strip + C c<br />
(5.2)<br />
Der Zwischenstreifenwiderstand sorgt da<strong>für</strong>, dass das Signal eines Streifens nicht auf<br />
seinen Nachbarstreifen überspringen kann. Er liegt typischerweise im Bereich von mehreren<br />
GΩ und kann durch Strahenschädigung sinken. Gemessen wird der Zwischenstreifenwiderstand<br />
zwischen den DC-Pads benachbarter Streifen.
32 5. Elektrische Charakterisierung<br />
Der Bias-Widerstand ist eine eigens auf dem Sensor angelegte Struktur, die den Streifen<br />
mit dem Bias-Ring verbindet. Daher wird er zwischen dem Biasring und dem DC-Pad<br />
eines Streifens gemessen. Seine Größe kann beim Design des Sensors eingestellt werden,<br />
üblich sind Widerstände im Bereich von wenigen MΩ. Die Biaswiderstände an allen<br />
Streifen eines Sensors sorgen <strong>für</strong> ein einheitliches Potential über dem Sensor. Sie tragen<br />
zum thermischen Signalrauschen bei (siehe Abschnitt 6.1.5.2).<br />
5.2.5. Pinhole<br />
Pinhole bezeichnet einen unerwünschten elektrischen Kontakt zwischen DC-Pad und<br />
AC-Pad eines Streifens, daher wird an diesen beiden Stellen eines Streifens gemessen.<br />
Er kann entstehen, wenn eine Experimentiernadel das AC-Pad durchstößt.
6. Signalmessungen<br />
Im Rahmen dieser Diplomarbeit sind Signalmessungen an verschiedenen Messstationen<br />
durchgeführt worden. Nach der Einführung wichtiger Begriffe wird deren Funktionsweise<br />
und Aufbau im folgenden Kapitel beschrieben. Daten aus der ALiBaVa-Station wurden<br />
im Hinblick auf ein zukünftiges Auslesesystem binär interpretiert. Das Höhenstrahlenteleskop<br />
liefert Signale und Rekonstruktionen der Teilchenspur von kosmischen Myonen.<br />
Das ARC-System wurde verwendet, um Quellenmessungen an den MSSD durchzuführen.<br />
Ebenfalls in diesem Kapitel werden die verwendeten Softwareumgebungen zur Datenanalyse,<br />
das Programm ROOT und das EUTelescope-Framework vorgestellt.<br />
6.1. Wichtige Bezeichnungen<br />
6.1.1. Pedestal<br />
Pedestal bezeichnet einen Sockelsignalwert, der unabhängig von Teilchendurchgängen<br />
an jedem Kanal anliegt. Er wird ermittelt, indem mehrfach Daten vom Auslesechip genommen<br />
werden, ohne das dabei ein Teilchendurchgang stattfindet. Die so erhaltenen<br />
Signalwerte werden <strong>für</strong> jeden Kanal gemittelt und bestimmen so den Pedestalwert P s :<br />
P s = 1 N<br />
N<br />
∑ ADC s,i (6.1)<br />
i=1<br />
Mit der Anzahl der genommenen Datensätze N, sowie dem jeweiligen Signalwert des<br />
Kanals ADC s,i 1 . Bei der Analyse von Daten aus Signalmessungen wird der Pedestalwert<br />
vorab von jedem Kanal subtrahiert.<br />
6.1.2. Rauschen und Common Mode<br />
Als Rauschen N s wird die mittlere Schwankung des Signalwerts eines Kanals ADC s,i über<br />
dem Pedestal definiert:<br />
1 Abkürzung <strong>für</strong> (engl.) Analog Digital Converter<br />
N s = √ 1 N<br />
N<br />
∑ (ADC s,i − P s ) 2 (6.2)<br />
i=1<br />
33
34 6. Signalmessungen<br />
Äußere Einflüsse rufen auch ein gemeinsames Springen der Signalwerte aller Streifen (s)<br />
in einem Ereignis (i) hervor:<br />
CM i = 1 N<br />
N<br />
∑ (ADC s,i − P s ) (6.3)<br />
s=1<br />
Dieser Effekt wird Common-Mode (CM i ) genannt und muss ebenfalls herausgerechnet<br />
werden, um das Common-Mode korrigierte Rauschen zu erhalten:<br />
N s = √ 1 N<br />
N<br />
∑ (ADC s,i − P s − CM i ) 2 (6.4)<br />
i=1<br />
6.1.3. Signal und Cluster<br />
Die nach Abzug von Pedestal und Common Mode verbleibende ADC-Werte werden als<br />
Signale von Teilchendurchgängen interpretiert, wenn sie deutlich größer als der mittlere<br />
Rauschwert sind. Als Schwellwert wird üblicherweise ein Signal, welches fünfmal größer<br />
als der Rauschwert ist, <strong>für</strong> den Streifen mit dem größten Signal festgelegt. Benachbarte<br />
Steifen, deren Signal mindestens zweimal größer als das Rauschen ist, werden dem Teilchendurchgang<br />
ebenfalls zugeordnet. Bei einem Teilchendurchgang können somit ein<br />
einzelner Streifen oder mehrere nebeneinander liegende Streifen ein Signal auffangen.<br />
Zusammen genommen stellen die getroffenen Streifen den Cluster dar. Das summierte<br />
Signal aller Streifen eines Clusters wird mit ADC cl bezeichnet.<br />
6.1.4. Signal-zu-Rausch-Verhältnis<br />
Neben der Auflösung ist die Effizienz eines Spurdetektors eines seiner wichtigsten Eigenschaften.<br />
Für einen zuverlässigen Nachweis von durchgegangenen Teilchen ist daher ein<br />
möglichst hohes Signal verbunden mit einem möglichst niedrigen Rauschen notwendig.<br />
Ein Maß <strong>für</strong> die Nachweisfähigkeit ist demnach das Signal-zu-Rausch-Verhältnis.<br />
Das Signal-zu-Rausch-Verhältnis <strong>für</strong> jedes Ereignis (SNR i ) kann berechnet werden, indem<br />
das Signal aller dem Cluster zugeordneter Streifen summiert wird, und durch das<br />
summierte Rauschen dieser Streifen dividiert wird:<br />
SNR i = ADC cl<br />
N cl<br />
(6.5)<br />
6.1.5. Ursachen <strong>für</strong> Rauschen und das ENC-Konzept<br />
Quelle, soweit nicht anders angegeben: [Har08].<br />
Verschiedene Faktoren nehmen Einfluss auf das Signalrauschen. Zur Beschreibung dieser<br />
Effekte existiert das ENC 1 -Konzept. Zum Vergleich des Rauschens mit dem Signal,<br />
welches durch Teilchendurchgänge erzeugt wird, ist der Wert des ENC in Elektronen<br />
angeben. Der ENC ist als Quadratsumme definiert:<br />
√<br />
ENC = ENCC 2 + ENC2 I L<br />
+ ENCR 2 P<br />
+ ENCR 2 S<br />
(6.6)<br />
Die vier einzelnen Faktoren werden im Folgenden eingeführt.<br />
1 Abkürzung (engl.): Equivalent Noise Charge
6.1. Wichtige Bezeichnungen 35<br />
6.1.5.1. Schrotrauschen<br />
Das Schrotrauschen wird vom Leckstrom hervorgerufen. Dessen Ladungsträger müssen<br />
im Sensormaterial Potentialbarrieren überwinden, was ein stochastischer Prozess ist und<br />
damit ungleichmäßig verläuft [Sch18]. Das Schrotrauschen spielt eine umso größere Rolle,<br />
je größer der Leckstrom eines Sensors ist. Dies kommt insbesondere bei bestrahlten<br />
Sensoren zum Tragen. Das Schrotrauschen berechnet sich nach:<br />
ENC IL = e 2 ·<br />
√<br />
I L · t p<br />
q e<br />
(6.7)<br />
Mit der Eulerschen Zahl e, der Peaking-Zeit t p und der Elementarladung q e .<br />
6.1.5.2. Paralleles thermisches Rauschen<br />
Das Wärmerauschen wird durch die thermische Bewegung des Kristallgitters und der<br />
Leitungselektronen erzeugt. [Joh28] und [Nyq28] An den Bias-Widerständen entsteht so<br />
der parallele Anteil des Wärmerauschens, er errechnet sich nach:<br />
ENC RP = e q e<br />
·<br />
√<br />
k B T · t p<br />
2 · R Bias<br />
(6.8)<br />
Mit der Boltzmannkonstanten k B , der Temperatur T und dem Bias-Widerstand R Bias .<br />
6.1.5.3. Serielles thermisches Rauschen<br />
Der serielle Anteil des thermischen Rauschens wird durch den Widerstand des Siliziumstreifens<br />
hervorgerufen. Außerdem kommt die Gesamtkapazität des Streifens nach<br />
Gleichung 5.2 zum Tragen:<br />
Dabei ist R S der Widerstand des Siliziumstreifens.<br />
√<br />
ENC RS = C tot · e k<br />
· B T · R S<br />
(6.9)<br />
q e 6 · t p<br />
6.1.5.4. Elektronik-Rauschen<br />
Den größten Beitrag zum Rauschen leistet das Signalrauschen des Vorverstärkers in der<br />
Ausleseelektronik:<br />
ENC C = a + b · C tot (6.10)<br />
Die Parameter a und b sind abhängig vom Vorverstärker des Auslesechips und dessen<br />
Betriebstemperatur.<br />
Beispiel: Beim APV25-Chip (Siehe Abschnitt 6.3.3 auf Seite 38) zeigen Simulationen, dass<br />
der Vorverstärker ein Rauschen von 246 Elektronen zuzüglich 36 Elektronen pro Picofarrad<br />
des Sensors erzeugt. Ist am Chip ein Sensor mit einer Kapazität von 18 pF pro<br />
Streifen angebunden, so trägt das Elektronik-Rauschen mit knapp 900 Elektronen zum<br />
Gesamtrauschen bei. [J + 99]
36 6. Signalmessungen<br />
6.2. ALiBaVa<br />
Zur Durchführung von Signalmessungen an Streifensensoren kann die ALiBaVa Station<br />
verwendet werden.<br />
Die Abkürzung ALiBaVa steht <strong>für</strong> „A Liverpool Barcelona Valencia Readout System 1 “.<br />
Dieses System wurde maßgeblich von den Hochschulen der namensgebenden Städte<br />
entwickelt. Zur Erzeugung von Signalen wird eine radioaktive Quelle oder ein Laser verwendet.<br />
Für die Datennahme wird ein Beetle-Chip verwendet [MH10].<br />
6.2.1. Aufbau<br />
Die Station befindet sich in einer lichtdichten Umhausung aus Aluminium. Die Umhausung<br />
schirmt das Experiment von Licht und Konvektion sowie elektromagnetischen Wellen<br />
ab. Diese Umhausung kann mit Trockenluft gespült werden, um den Drucktaupunkt<br />
unter der jeweiligen Betriebstemperatur zu halten. Innerhalb der Umhausung befindet<br />
sich eine Kühlbrücke, auf der das Sensormodul fixiert wird. Darunter befindet sich ein<br />
Szintillator, der die Funktion eines externen Triggers 2 übernimmt. Die radioaktive Quelle<br />
oder der Laser werden auf einem Präzisions-Verfahrtisch angebracht, wodurch das<br />
Ausleuchten der Siliziumstreifen an verschiedenen Positionen ohne manuelles Einwirken<br />
ermöglicht wird.<br />
Die Abbildung 6.1 zeigt ein Foto der Umhausung. Zusätzlich zeigt es einen Teil des in<br />
Abschnitt 7.2 vorgestellten ARC-Systems.<br />
Abbildung 6.1.: Das MSSD Modul in der Umhausung der ALiBaVa Station. Links im Bild<br />
befindet sich die Elektronik des ARC-Systems <strong>für</strong> das Auslesen der APV-<br />
Chips.<br />
6.2.2. Beetle Chip 3<br />
Der Beetle ist ein Chip zum Auslesen von Siliziumstreifensensoren. Er verfügt über 128<br />
Kanäle zum Auslesen einzelner Streifen und integriert die notwendigen Vorverstärker<br />
1 Readout System (engl.): Auslesesystem<br />
2 Trigger (engl.): Auslöseimpulsgeber<br />
3 Quelle, soweit nicht anders angegeben: [LS06]
6.3. Höhenstrahlungsteleskop 37<br />
und Impulsformer. Die primäre Aufgabe der Impulsformer ist die Verbesserung des Signalzu-Rausch-Verhältnisses<br />
[Spi05]. Der Chip ist ursprünglich <strong>für</strong> den Vertex Detektor des<br />
LHCb-Experiments entwickelt worden.<br />
Der Chip ermöglicht das Auslesen der Sensorsignale sowohl in einem analogen als auch<br />
in einem binären Modus. Bei der Aufnahme der <strong>für</strong> diese Arbeit verwendeten Daten<br />
wurde der Chip ausschließlich im analogen Modus betrieben. Die Daten wurden bei einer<br />
Frequenz von 40 MHz abgetastet.<br />
Zusätzlich verfügt der Beetle über ein Slow Control Interface. Dabei handelt es sich um<br />
eine I 2 C Schnittstelle 1 zur Konfiguration des Chips.<br />
6.3. Höhenstrahlungsteleskop 2<br />
Das Teleskop ermöglicht es, Teilchen der Höhenstrahlung nachzuweisen und ihre Spur<br />
zu rekonstruieren. Die Funktion und die wichtigsten Bestandteile des Teleskops werden<br />
im Folgenden vorgestellt.<br />
6.3.1. Aufbau und Funktion<br />
Kernelement des Teleskops sind die sechs übereinander angeordneten Referenzebenen.<br />
Sie bestehen aus n-Typ-Streifensensoren, wie sie auch im CMS-Spurdetektor verbaut sind.<br />
Ihr Streifenabstand beträgt 122 µm, ihre Dicke 500 µm. Zwei der Referenzebenen sind orthogonal<br />
zu den anderen ausgerichtet. In der Mitte zwischen den Referenzebenen befindet<br />
sich eine Kühlvorrichtung, auf der ein zu untersuchendes Modul (DUT 3 ) aufgeschraubt<br />
werden kann. Die Signale werden auf allen Modulen von je einem APV-Hybrid<br />
(Siehe Abschnitt 6.3.3) aufgenommen.<br />
Die kosmischen Teilchen werden von zwei Szintillatoren, die mit einer Koinzidenzeinheit<br />
verbunden sind, detektiert. Je ein Szintillator befindet sich oberhalb und unterhalb der<br />
Referenzmodule. Die Koinzidenzeinheit löst die Datennahme des Auslesesystems aus.<br />
Eine Kühlplatte mit Peltierelementen ermöglicht die Temperaturregelung des untersuchten<br />
Sensors. Das gesamte System wurde zusätzlich in einem Kühlschrank aufgebaut. Zur<br />
Verringerung des Drucktaupunktes kann dem System Trockenluft zugeführt werden.<br />
Die Abbildung 6.2 zeigt eine CAD 4 -Zeichnung des Teleskops. Das Foto auf Abbildung<br />
6.3 zeigt das Teleskop innerhalb des Kühlschranks. Eine schematische Darstellung eines<br />
Teilchendurchgangs durch die Module zeigt Abbildung 6.6.<br />
6.3.2. Datenauslesesystem<br />
Das Auslesen der Signale auf den Streifen des MSSD übernimmt im Myonen-Teleskop<br />
ein APV-Hybrid. Ein APV-Hybrid besteht aus 4 oder 6 APV25 5 Chips (Siehe Abschnitt<br />
6.3.3) sowie drei weitere Chips <strong>für</strong> die Steuerung der Module. Dies sind zum einen ein<br />
Multiplexer (APVMUX), ein PLL-Chip 6 <strong>für</strong> die Synchronisation des Datenstroms zum<br />
Taktsignal sowie die „Detector Control Unit“ (DCU). Über deren acht analoge Eingangskanäle<br />
erfasst die DCU Daten der Temperatursensoren, des Sensorleckstroms und der<br />
Versorgungsspannung.<br />
Jeder APV-Hybrid ist an einen Analog-Opto-Hybrid angeschlossen, der die Daten über<br />
Glasfasern aus dem Kühlschrank herausführt. Von einem weiteren Wandler werden die<br />
1 I 2 C ist die Abkürzung <strong>für</strong> Inter-Integrated Circuit (engl.): Ein serieller Datenbus<br />
2 Quelle: [Nür09]<br />
3 Abkürzung <strong>für</strong> (engl.) Device Under Test<br />
4 Abkürzung <strong>für</strong> (engl.) Computer Aided Design: Rechnergestützte Konstruktion<br />
5 Abkürzung <strong>für</strong> (engl.) Analog Pipeline Voltage, realisiert in 0,25 µm Bauweise<br />
6 Abkürzung <strong>für</strong> (engl.) Phase-Looked Loop: Phasenregelschleife
38 6. Signalmessungen<br />
Abbildung 6.2.: CAD-Zeichnung des Teleskops<br />
[Nür09]. Gut zu erkennen sind die<br />
sechs Referenzmodule, von denen zwei orthogonal<br />
zu den Übrigen montiert sind.<br />
Ein APV-Hybrid ist in orange hervorgehoben.<br />
Abbildung 6.3.: Fotografie des Teleskops.<br />
Oben sieht man einen der beiden Szintillatoren.<br />
Die Kühlplatte mit dem MSSD-<br />
Modul befindet sich in der Mitte zwischen<br />
den Referenzmodulen. Rechts im Bild ist<br />
ein Teil der Ausleseelektronik zu sehen.<br />
Daten zurück in elektrische Signale umgewandelt und an die „Front-End-Driver“ (FED)<br />
weiterleitet. Das Teleskop verfügt über drei FEDs, die als PCI-Steckkarten in einem PC <strong>für</strong><br />
die Datennahme verbaut sind. Die Speicherung der Daten erfolgt lokal auf der Festplatte<br />
des PCs.<br />
6.3.3. APV-Chip<br />
Beim APV handelt es sich um einen Auslesechip in 0,25 µm CMOS 1 Bauweise <strong>für</strong> Experimente<br />
der Hochenergiephysik. Dieser Chip wird derzeit auch im CMS-Spurdetektor <strong>für</strong><br />
das Auslesen der Streifensensoren verwendet. [R + 00]<br />
Der APV verfügt über 128 Kanäle zum Auslesen von Siliziumstreifen. Jeder Kanal wird<br />
über einen sogenannten Wire-Bond mit dem sogenannten Pitchadapter verbunden. Der<br />
Pitchadapter ist erforderlich, da der Kontaktabstand zwischen den Kanälen geringer ist<br />
als der typische Abstand der Siliziumstreifen auf dem Sensor. Wird ein MSSD mit dem<br />
APV verbunden, ist ein spezieller Pitchadapter erforderlich, der die besondere Geometrie<br />
des MSSD mit dem APV verbindet.<br />
Der APV liest die Signale des Sensors mit einer Taktrate von 40 MHz aus (alle 25 ns).<br />
Diese Datenpakete können dann vom zentralen System <strong>für</strong> die Datennahme (DAQ 2 ) angefordert<br />
werden. Bei jedem Auslesevorgang wird vom Chip ein Datenpaket abgerufen,<br />
welches 12 Bits 3 Kopfdaten und analoge Signalwerte der 128 Eingangskanäle enthält.<br />
Der APV deckt dabei einen dynamischen Wertebereich von etwa 8 MIP 4 ab. Die Signalhöhe<br />
eines MIP entspricht 24 000 e− im pn-Übergang eines 300 µm dicken Sensors. Damit<br />
deckt der APV Signale bis zu 192 000 Elektronen ab.<br />
1 Abkürzung <strong>für</strong> (engl.) Complementary Metal Oxide Semiconductor: Komplementärer Metall-Oxid-<br />
Halbleiter<br />
2 Abkürzung <strong>für</strong> (engl.) Data Acquisition<br />
3 Bit (engl.): Binärzeichen<br />
4 Abkürzung <strong>für</strong> (engl.) Minimum Iinozing Particle: Minimal ionisierendes Teilchen
6.4. ARC-System 39<br />
2 5 0<br />
K o p fd a te n m it W e rt 1<br />
2 0 0<br />
S y n c h ro n is a tio n s p u ls<br />
A D C<br />
1 5 0<br />
1 0 0<br />
S ig n a l e in e s T e ilc h e n s<br />
5 0<br />
0<br />
K o p fd a te n m it W e rt 0<br />
P e d e s ta l u n d R a u s c h e n<br />
0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0<br />
K o p fd a te n u n d E in g a n g s k a n ä le<br />
Abbildung 6.4.: Datenpaket eines APV: Am Anfang des Signals sind deutlich die binären<br />
Kopfdaten zu erkennen, gefolgt von den analogen Signalwerten<br />
der Auslesekanäle. Einer der Kanäle liefert ein Signal von etwa 32 ADC<br />
/ 27 000 e−. Das Datenpaket wird von einem Synchronisationspuls abgeschlossen.<br />
Aufgenommen mit dem ARC-System an einem MSSD.<br />
Die Kopfdaten von jedem Datenpaket liegen in binärer Form vor, werden aber zusammen<br />
mit den Hauptdaten als analoges Signal übertragen. Dieser Umstand macht eine<br />
Kalibrierung auf den Verstärkungsfaktor des Auslesesystems möglich:<br />
Die Analysesoftware identifiziert in den Kopfdaten die analogen Signalwerte, die den binären<br />
Werten 0 und 1 entsprechen. Die Differenz zwischen den Signalwerten entspricht<br />
dann den oben erwähnten 192 000 Elektronen. Somit kann jedem Signalwert (ADC) ein<br />
entsprechender Wert in Elektronen zugeordnet werden.<br />
Quellen soweit nicht anders angegeben: [J + 99], [R + 00] und [F + 01]<br />
Beispiel: Abbildung 6.4 zeigt ein Datenpaket eines APV aufgenommen mit dem ARC-<br />
System (Siehe Abschnitt 7.2). Der Datensatz enthält ein Signal von 32 ADC, der Verstärkungsfaktor<br />
beträgt 861 e − /ADC, womit das Signal zu etwa 27 000 Elektronen errechnet<br />
werden kann.<br />
6.4. ARC-System<br />
Für das Auslesen von Modulen mit APV-Hybriden steht der „APV-Readout-Controller“<br />
(ARC) zur Verfügung. Er ist entwickelt worden, um während der Fertigung von Modulen<br />
<strong>für</strong> den CMS-Spurdetektor eine Qualitätskontrolle zu ermöglichen [Axe03]. Das<br />
ARC-System besteht aus einer Ausleseelektronik und einer da<strong>für</strong> entwickelten Analysesoftware<br />
(ARCS).<br />
Das ARC-System wurde im Rahmen dieser Diplomarbeit eingesetzt, um Quellenmessungen<br />
an MSSD innerhalb der Umhausung einer ALiBaVa-Station durchzuführen. Eine<br />
Fotografie dieses Experiments zeigt Abbildung 6.1 auf Seite 36.
40 6. Signalmessungen<br />
6.4.1. Aufbau und Funktion 1<br />
Kernelement des Systems ist das „ARC Board“. Die Platine in Doppel-Europakartengröße<br />
(160 mm × 233 mm) enthält den zentralen ARC-Controller zur Steuerung der APV-<br />
Chips. Darüber hinaus sind auf der Platine mehrere Analog-Digital-Umsetzer (ADCs),<br />
die Modulsteuerung „Slow Control“, die Niederspannungsregelung und Spannungsversorgung<br />
sowie die Anschlüsse <strong>für</strong> die PC-Adapterkarte und den „ARC Front End Adapter“<br />
zu finden.<br />
Der „ARC Front End Adapter“ verbindet das ARC-Board mit dem APV-Hybriden. Er<br />
enthält auf einer Platine die Signalverstärker, Leitungstreiber und einen Pegelregler <strong>für</strong><br />
den I 2 C-Bus. Auf der zweiten Platine befindet sich die Spannungsregelung <strong>für</strong> den APV-<br />
Hybriden.<br />
Eine Adapterkarte im ISA 2 -Format ermöglicht die Datennahme an einem Computer.<br />
Dort können die aufgenommenen Daten mit der Analysesoftware (ARCS) ausgewertet<br />
werden.<br />
6.5. Datenanalyse<br />
Zur Analyse der mit den verschiedenen Experimenten gewonnenen Rohdaten im Hinblick<br />
auf die Beurteilung der zu untersuchenden Sensoren ist eine umfangreiche Auswertung<br />
notwendig. Aufgrund der Datenmenge und Komplexität der Fragestellungen<br />
ist dies nur mit automatisierten Analysesystemen möglich. Die <strong>für</strong> diese Arbeit verwendeten<br />
Softwareumgebungen werden im Folgenden vorgestellt. Ferner werden die notwendig<br />
gewordenen Anpassungen an der Software beschrieben.<br />
6.5.1. ROOT<br />
ROOT ist eine Softwareumgebung zur Datenanalyse. Das in der Programmiersprache<br />
C++ geschriebene Programm verfügt über eine hierarchische, objektorientierte Datenbank,<br />
einen C++ Interpreter und Werkzeuge <strong>für</strong> die Datenanalyse und deren Visualisierung.<br />
Es kann über eine grafische Benutzeroberfläche, aber auch über die Eingabekonsole<br />
oder von anderen Programmen aus aufgerufen und genutzt werden. ROOT wurde speziell<br />
<strong>für</strong> die Analyse von großen Datenmengen, wie sie bei modernen Experimenten der<br />
Teilchenphysik entstehen, entwickelt. [BR97]<br />
6.5.1.1. Script zur binären Interpretation<br />
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Root-Script erstellt, welches eine Analyse der an<br />
der ALiBaVa-Station aufgenommenen Daten im Hinblick auf eine mögliche zukünftige<br />
binäre Erfassung der Daten ermöglicht.<br />
Bei einem solchen System liefert der Auslesechip keine analogen Signalwerte sondern<br />
nur die Werte 0 oder 1, wobei letzterer einem detektierten Teilchen entspricht. Damit<br />
ergibt sich eine Reduzierung der Datenrate von derzeit 9 Bit pro Kanal und Ereignis auf<br />
1 Bit pro Kanal und Ereignis.<br />
Das Script wird mit dem Befehl „ThresholdScan(Run-Nummer)“ innerhalb von ROOT<br />
aufgerufen. Der einzige Parameter gibt die eindeutige Nummer des zu analysierenden<br />
Runs in der Datenbank des <strong>Institut</strong>s an.<br />
Jedes Ereignis wird nun wie folgt analysiert: Für jeden Signalschwellwert von 0 ADC<br />
bis 200 ADC wird überprüft, ob das Signal eines jeden Streifens über oder unter dem<br />
Schwellwert liegt. Die obere Grenze von 200 ADC wurde gewählt, da die wenigsten Teilchendurchgänge<br />
ein so hohes Signal induzieren. Es ergeben sich folgende Fälle:<br />
1 Quelle: [Axe03]<br />
2 Abkürzung <strong>für</strong> (engl.) Industry Standard Arcitecture: Ein Bus-Standard <strong>für</strong> PCs
6.5. Datenanalyse 41<br />
1. Das Signal des Streifens ist kleiner als der Schwellwert. Dies entspricht dem Signal<br />
0 bei einer binären Datenerfassung.<br />
2. Das Signal ist höher oder gleich dem Schwellwert. Dies entspricht dem Signal 1.<br />
Hier werden zwei Fälle unterschieden, je nachdem ob das Signal beim vorherigen<br />
Streifen:<br />
• unter dem Schwellwert lag: Der aktuelle Streifen stellt den Beginn eines Clusters<br />
dar.<br />
• über dem Schwellwert lag: Der aktuelle Streifen gehört zu einem Mehrstreifencluster<br />
und vergrößert diesen um einen Streifen.<br />
Damit die gewonnenen Daten vergleichbar mit anderen Messungen werden, kalibriert<br />
das Script die Schwellwerte von ADC zu Elektronen.<br />
Die Ausgabe des Scripts gibt <strong>für</strong> jeden Schwellwert in ADC und Elektronen die Anzahl<br />
an gefundenen Clustern, die mittlere Größe der Cluster sowie die Anzahl der Cluster in<br />
jeder Größenklasse von 1 bis 10 Streifen an.<br />
Darüber hinaus enthält die Ausgabe eine Zeile mit Kopfdaten wie zum Beispiel die Run-<br />
Nummer, die Nummer des zugehörigen Pedestal-Runs, die Art der Dotierung des Sensors,<br />
den Kalibrierungsfaktor Elektronen pro ADC und weitere Daten.<br />
Der verwendete Algorithmus zur Clusteridentifikation als wichtigster Teil des beschriebenen<br />
Scripts sowie ein Auszug aus dessen Ausgabe ist im Anhang auf Seite 90 wiedergegeben.<br />
6.5.2. EUTelescope Framework<br />
Zur Analyse der Messungen am Teleskop wurde die Softwareumgebung „EUTelescope<br />
Framework“ verwendet. Diese umfangreiche Analysesoftware stammt aus dem von der<br />
Europäischen Union geförderten Projekt EUDET. Das Ziel von EUDET war es, Infrastrukturen<br />
zur Forschnungs- und Entwicklungsarbeit an Detektoren <strong>für</strong> den Internationalen<br />
Linearbeschleuniger ILC 1 bereit zu stellen. [MW07]<br />
Für die Entwicklung dieser Software waren die folgenden drei Vorgaben maßgeblich<br />
[BKRZ07]:<br />
1. Reduzierung der Datenmenge, die vom Auslesesystem bereit gestellt wird auf hochgradig<br />
aggregierte Datenobjekte, zum Beispiel Teilchenspuren oder Raumkoordinaten<br />
von Teilchendurchgängen.<br />
2. Beschreibung der Eigenschaften des Teleskops auf Sensorebene (Signal-zu-Rausch-<br />
Verhältnis, Pedestal, Rauschen etc.) und auf Systemebene (Auflösung, Effizienz etc.).<br />
3. Zusammenarbeit bei der Entwicklung einer Softwareumgebung <strong>für</strong> den ILC.<br />
Aufgrund des letztgenannten Punktes wurde EUTelescope als Modul <strong>für</strong> MARLIN entwickelt<br />
[BKRZ07]. MARLIN ist Teil der Softwareumgebung ILCSoft [BG07]. Es ist modular<br />
in benutzerbasierten Software-Prozessoren aufgebaut und steuert die einzelnen Prozessoren<br />
und die Datenübertragung dazwischen. Das verwendete Datenformat ist LCIO 2 .<br />
1 Abkürzung (engl.) <strong>für</strong> International Linear Collider<br />
2 Details zur Softwareumgebung sind unter http://ilcsoft.desy.de/portal abrufbar
42 6. Signalmessungen<br />
6.5.2.1. Funktionsweise 1<br />
Um hoch aggregierte Daten wie zum Beispiel Teilchenspuren aus den Rohdaten des Auslesesystems<br />
zu generieren, sind eine Vielzahl von Analyseschritten notwendig. Die Strategie<br />
der EUTelescope Software ist es, diese Schritte jeweils in einem eigenen Prozess<br />
abzubilden. Diese Prozesse werden nacheinander in einer Analysekette durchlaufen. Die<br />
wichtigsten Prozesse werden hier kurz beschrieben. Ein Ablaufdiagramm der Analysekette<br />
ist auf Seite 43 zu finden.<br />
Zunächst werden die Rohdaten der Auslese-Elektronik in das LCIO-Datenformat gebracht.<br />
Dabei werden die Signalwerte von ADC mit ihrem jeweiligen Verstärkungsfaktor<br />
wie in Abschnitt 6.3.3 beschrieben in Elektronen umgerechnet. Der dazu gehörige Prozessor<br />
wird als „CMSStripConversion“ bezeichnet. Dieser Prozessor beachtet auch die<br />
Polarität des Sensors und invertiert die Signale von p-Typ-Sensoren. Er ist nicht Teil der<br />
Software sondern wurde lokal entwickelt. Da die Datenanalyse jedoch damit beginnt,<br />
wird er hier dennoch aufgeführt.<br />
Im nächsten Schritt werden die Cluster vom Prozessor „ClusteringProcessor“ gesucht.<br />
Signale, die mindestens fünf mal höhere Werte als das Rauschen zeigen, werden als Cluster<br />
identifiziert. Die Nachbarstreifen werden zu einem solchen Cluster hinzu gerechnet,<br />
sofern sie mindestens zwei mal höhere Werte als das Rauschen zeigen. Vorab wird das<br />
Pedestal von den Signal- und Rauschwerten abgezogen.<br />
In einem Zwischenschritt werden nun solche Cluster entfernt, die nicht innerhalb eines<br />
bestimmten Bereichs an Streifennummern liegen. Dies ist notwendig, da zum Beispiel<br />
nicht verbundene Kanäle am APV undefinierte und damit schwankende Signale liefern,<br />
die als Cluster fehlinterpretiert werden könnten. Dazu wird, bevor der Prozessor „Filtering“<br />
aufgerufen wird, im Vorfeld eine Filtermaske definiert.<br />
Der Prozessor „HitMaker“ ordnet jedem Cluster zwei Raumkoordinaten zu. Dies ist<br />
möglich, da er über eine GEAR 2 -Datei die Geometrie der Sensoranordnung einliest. Die<br />
zuletzt verwendete GEAR-Datei ist im Anhang auf Seite 89 wiedergegeben. Diese Datei<br />
kann die besondere Geometrie der hier verwendeten MSSD nicht vollständig beschreiben,<br />
daher wurden, wie in Abschnitt 6.5.2.2 beschrieben, einige Anpassungen direkt im<br />
Quellcode vorgenommen.<br />
Da das Teleskop mit Streifensensoren als Referenzebenen und DUT arbeitet, EUTelescope<br />
aber <strong>für</strong> Pixel-Sensoren optimiert ist, muss die Treffer-Position entlang eines Streifens<br />
anderweitig bestimmt werden. Da im Teleskop Module in zwei verschiedenen Ausrichtungen<br />
verbaut sind, kann der Prozessor „CosmicHitFaker“ die dritte Koordinate durch<br />
Interpolation bestimmen.<br />
Der „Alignment“-Prozessor korrigiert anhand der Anordnung der Signale im Teleskop<br />
kleine Fehler in der Geometriebeschreibung. Da die Software ursprünglich nicht <strong>für</strong> die<br />
Analyse von Daten aus Streifensensoren entwickelt wurde, sind die Möglichkeiten dieses<br />
Prozessors eingeschränkt. Für diese Arbeit wurden daher zusätzlich manuell mehrere<br />
Schritte zur Optimierung der Geometriebeschreibung in der GEAR-Datei vorgenommen.<br />
Der letzte Analyseschritt ist das Rekonstruieren von Teilchenspuren. Der Prozessor „EU-<br />
TelTestFitter“ analysiert dazu jedes Ereignis und kann Teilchenspuren rekonstruieren,<br />
wenn sich in mindestens vier Ebenen Cluster finden lassen, die es ermöglichen eine Gerade<br />
durch die Clusterpositionen zu interpolieren.<br />
1 Quelle: [BKRZ07]<br />
2 Abkürzung <strong>für</strong> (engl.) GEometry Api for Reconstruction
6.5. Datenanalyse 43<br />
Abbildung 6.5.: Grafische Darstellung der Analysekette des EUTelescope-Frameworks.<br />
Die Schritte mit gestrichelten Rahmen sind nicht Teil der EUTelescope-<br />
Software. Grafik nach [BKRZ07], Layoutvorlage von [Spa12].
44 6. Signalmessungen<br />
Für jedes Ereignis liegen nach dieser Analysekette umfangreiche Daten vor. So lassen sich<br />
Signalwerte, Clustergrößen und viele weitere Eigenschaften in Abhängigkeit von anderen<br />
Eigenschaften wie zum Beispiel der Position oder des Einfallswinkels ermitteln. Die<br />
Ergebnisse werden in umfangreichen Histogrammen <strong>für</strong> jede Ebene des Teleskops sowie<br />
<strong>für</strong> jede Region des MSSD ausgegeben. Eine rekonstruierte Teilchenspur ist in Abbildung<br />
6.6 wiedergegeben.<br />
Abbildung 6.6.: Teleskop: Schematische 3-D Darstellung eines Teilchendurchgangs<br />
(grün) durch die Module (rot)<br />
(Nach einer Grafik von Andreas Nürnberg)<br />
6.5.2.2. Anpassungen<br />
Für die Analyse von Daten, die mit einem MSSD aufgenommen wurden, sind Änderungen<br />
und Erweiterungen an der Softwareumgebung notwendig geworden. Die wichtigsten<br />
Anpassungen, die im Rahmen dieser Arbeit vorgenommen worden sind, werden im<br />
Folgenden kurz beschrieben.<br />
Die Commonmode-Korrektur kann nicht mehr über dem gesamten Sensor ausgeführt<br />
werden, sondern muss individuell pro Region durchgeführt werden. Dabei muss das Signal<br />
des durchgegangenen Teilchens berücksichtigt, und bei der Commonmode-Trennung<br />
explizit herausgerechnet werden, da die Korrektur über nur 32 Streifen hinweg erfolgt.<br />
Die bisherige Analyse bezieht das Signal in die Korrektur mit ein, was bei typischen Sensoren<br />
mit 512 Streifen einen vernachlässigbaren Fehler hervorruft, der bei nur 32 Streifen<br />
nicht außer Acht gelassen werden darf.<br />
Eine weitere Erweiterung wurde beim sogenannten Hitmaker vorgenommen: Die Aufgabe<br />
des Hitmakers ist es, Koordinaten der Signale von den Streifennummern auf die<br />
Geometrie des Sensors und damit auf Raumkoordinaten umzurechnen. Dabei wird in<br />
der Regel die Geometriebeschreibung aus der GEAR-Datei verwendet. In dieser Datei<br />
lässt sich die spezielle Geometrie des MSSD jedoch nur schwer abbilden. Daher wurde<br />
ein alternativer Hitmaker ausschließlich <strong>für</strong> MSSD erstellt, bei dem die spezielle Sensorgeometrie<br />
fest im Quellcode hinterlegt ist.<br />
Die Winkelberechnung bei Teilchendurchgängen erfolgt bisher mithilfe der Entwicklung<br />
der Taylorreihe des Arcustangens auf dem Quotienten von Position auf der betrachteten<br />
Modulebene und der Position auf der darüber liegenden Modulebene. Dabei wird bisher
6.5. Datenanalyse 45<br />
nur das erste Reihenelement berechnet. Für den ursprünglichen Einsatzzweck, der Analyse<br />
von meist senkrechten Teststrahlen, ist diese Näherung sinnvoll. Für Winkel, wie sie<br />
typischerweise im Teleskop beim Einfall kosmischer Teilchen auftreten, ergeben sich dadurch<br />
Fehler, die nicht mehr vernachlässigt werden können:<br />
Beispiel: Ein Teilchen mit einem Einfallswinkel von 0,64 rad (30 ◦ ) wird bei dem bisher<br />
verwendeten Algorithmus mit 0,75 rad berechnet, was einem Fehler von 17 % entspricht.<br />
Nach Erweiterung der Taylorreihenentwicklung auf drei Elemente ergibt sich ein Winkel<br />
von 0,66 rad was einem Fehler von 2 % entspricht.<br />
Zur Analyse der gewonnenen Daten werden von der Softwareumgebung automatisch<br />
vordefinierte Diagramme erzeugt. Für diese Arbeit wurde die Software um zusätzliche<br />
Diagramme erweitert. Insbesondere wurden Analysen von Signalhöhen und Clusterbreiten<br />
in Abhängigkeit des Einfallswinkels des Teilchens hinzugefügt.<br />
Darüber hinaus wurde ein zusätzlicher Prozessor in die Softwareumgebung eingebaut,<br />
der die bereits definierten Diagramme individuell pro Region des MSSD erzeugt. Dies<br />
macht es möglich, den Einfluss der verschiedenen Geometrien auf einem MSSD zu analysieren.
7. Auswertung<br />
Im nachfolgenden Kapitel werden die Ergebnisse der <strong>für</strong> diese Arbeit durchgeführten<br />
Messungen und Experimente vorgestellt. Zunächst wird ein Überblick über die elektrische<br />
Qualifizierung der Sensoren mit Hilfe der Probestation gegeben. Danach werden<br />
die Ergebnisse vorgestellt, die an den Messstationen ALiBaVa, Höhenstrahlungsteleskop<br />
und ARC-System generiert wurden. Ein besonderes Augenmerk liegt auf den jeweils<br />
gemessenen Signalhöhen und deren Entsprechung in generierten Elektronen im Sensor,<br />
wodurch Aussagen zu einem möglichen Einsatz eines binären Auslesesystems und dem<br />
dabei anzulegenden Signalschwellwert im zukünftigen Spurdetektor möglich sind.<br />
7.1. Vorqualifizierung<br />
Die verwendeten Sensoren sind vor der elektrischen Verbindung mit einer Ausleseelektronik<br />
in der Probestation vorqualifiziert worden. Dadurch lassen sich die grundlegenden<br />
elektrischen Eigenschaften der Sensoren bestimmen, was wichtig <strong>für</strong> das Verständnis der<br />
Charakteristik der Sensoren und <strong>für</strong> die Vergleichbarkeit der Ergebnisse ist. Nachfolgend<br />
wird ein Überblick über die durchgeführten Messungen gegeben und die wichtigsten<br />
Ergebnisse werden vorgestellt.<br />
7.1.1. Verarmungsspannungen<br />
Die Verarmungsspannungen der verschiedenen Regionen der untersuchten MSSD wurden<br />
gemessen, damit bei nachfolgenden Experimenten wie zum Beispiel beim Betrieb im<br />
Teleskop oder bei Messungen mit radioaktiven Quellen am ARC-System sichergestellt<br />
werden konnte, dass der jeweilige Sensor bei einer Spannung betrieben wurde, bei der er<br />
vollständig verarmt ist.<br />
Die Verarmungsspannungen sind bestimmt worden, in dem zunächst die Rückseitenkapazität<br />
bei Spannungen von 0 V bis 700 V (bis 1 kV bei hochbestrahlten MSSD) jeder Region<br />
gemessen wurde. Das Auftragen der inversen quadratischen Rückseitenkapazität<br />
1/C 2 gegen die angelegte Spannung liefert einen Verlauf, der <strong>für</strong> eine Region bespielhaft<br />
in Abbildung 7.1 dargestellt ist.<br />
Der Verlauf zeigt <strong>für</strong> Spannungen von mehr als 135 V (Betrag) eine konstante Rückseitenkapazität.<br />
Bei diesen Spannungen ist der Sensor vollständig verarmt. Damit kann die<br />
Verarmungsspannung bestimmt werden, indem man im Bereich des linearen Anstiegs<br />
bei kleinen Spannungen und im Bereich des konstanten Plateaus jeweils eine Gerade<br />
47
48 7. Auswertung<br />
5 x 1 0 2 0<br />
4 x 1 0 2 0<br />
1 /C ² (F -2 )<br />
3 x 1 0 2 0<br />
2 x 1 0 2 0<br />
1 x 1 0 2 0<br />
0<br />
0 -1 0 0 -2 0 0 -3 0 0 -4 0 0 -5 0 0 -6 0 0 -7 0 0<br />
S p a n n u n g (V )<br />
Abbildung 7.1.: Inverse quadratische Rückseitenkapazität der Region 7 eines FTH200P<br />
MSSD über der angelegten Spannung. Zu erkennen ist, dass die Region<br />
bei Spannungen von mehr als 135 V (Betrag) vollständig verarmt ist.<br />
approximiert. Die Spannung, bei der sich beide Geraden schneiden, ist die Verarmungsspannung.<br />
Die gemessenen Verarmungsspannungen <strong>für</strong> alle Regionen <strong>für</strong> die Sensoren FTH200P,<br />
FTH200N und FTH200Y sind in Tabelle 7.1 wiedergegeben. Beim Sensor FTH200Y konnte<br />
<strong>für</strong> Regionen mit einem Streifenabstand von 240 µm keine vollständige Verarmung<br />
festgestellt werden.<br />
Tabelle 7.1.: Verarmungsspannungen der MSSD-Sensoren.<br />
Verarmungsspannung (V)<br />
Region pitch (µm) w/p FTH200P FTH200N FTH200Y<br />
1 120 0,14 163 156 215<br />
2 240 0,15 190 255 -<br />
3 80 0,14 149 134 163<br />
4 70 0,14 145 127 157<br />
5 120 0,24 155 141 177<br />
6 240 0,25 189 220 -<br />
7 80 0,25 135 122 150<br />
8 70 0,25 136 117 139<br />
9 120 0,34 140 128 157<br />
10 240 0,35 185 160 -<br />
11 80 0,34 130 111 140<br />
12 70 0,34 128 111 135
7.1. Vorqualifizierung 49<br />
5 x 1 0 2 0<br />
4 x 1 0 2 0<br />
F T H 2 0 0 P M S S D<br />
2<br />
F = 1 e 1 5 n e q<br />
/c m<br />
p = 1 2 0 µ m , w /p ~ 0 ,2 4<br />
p = 8 0 µ m , w /p ~ 0 ,2 4<br />
1 /C ² (F -2 )<br />
3 x 1 0 2 0<br />
2 x 1 0 2 0<br />
1 x 1 0 2 0<br />
0<br />
0 -1 0 0 -2 0 0 -3 0 0 -4 0 0 -5 0 0 -6 0 0 -7 0 0 -8 0 0 -9 0 0 -1 0 0 0<br />
S p a n n u n g (V )<br />
Abbildung 7.2.: Inverse quadratische Rückseitenkapazität der Region 5 und 7 eines hochbestrahlten<br />
FTH200P MSSD über der angelegten Spannung.<br />
Abbildung 7.2 zeigt exemplarisch den Verlauf der inversen quadratischen Rückseitenkapazität<br />
der Regionen 5 und 7 eines FTH200P-MSSD, der zuvor mit einer Fluenz von<br />
1 × 10 15 n eq /cm 2 bestrahlt worden ist. Zu erkennen ist, dass der Anstieg der inversen<br />
quadratischen Rückseitenkapazität nicht mehr linear verläuft. Auch bei sehr großen (negativen)<br />
Spannungen steigt sie in geringem Maße, wenn man den Betrag der Spannung<br />
erhöht. Somit kann keine vollständige Verarmung festgestellt werden, die Verarmungsspannung<br />
steigt nach Bestrahlung an.<br />
7.1.2. Leckströme<br />
Für jeden Sensor und jede Region wurde der Leckstrom gemessen. Die Messungen wurden<br />
in der Datenbank des <strong>Institut</strong>s hinterlegt. Zu erwarten ist, dass der Leckstrom mit<br />
dem Streifenabstand steigt, da der Sensor ein größeres Volumen besitzt. Werden die Sensoren<br />
bestrahlt so können durch dabei auftretende Strahlenschäden zusätzliche Energieniveaus<br />
in der Bandlücke die Rekombination von Ladungsträgern vereinfachen. Daher<br />
wird ein Anstieg des Leckstroms nach Bestrahlung erwartet.<br />
Abbildung 7.3 zeigt exemplarisch <strong>für</strong> einen unbestrahlten sowie <strong>für</strong> einen hochbestrahlten<br />
FTH200P-MSSD die Leckströme der Regionen 5 und 7. Die Leckströme der hochbestrahlten<br />
MSSD liegen um drei Größenordnungen über denen der unbestrahlten MSSD.<br />
Der Anstieg des Leckstroms ist ein unerwünschter Effekt, da mit der Leistungsaufnahme<br />
des Detektors auch die Anforderungen an das Kühlsystem steigen. Darüber hinaus<br />
sorgt ein höherer Leckstrom <strong>für</strong> ein stärkeres Signalrauschen. Verantwortlich da<strong>für</strong> ist<br />
das Schrotrauschen, was im Abschnitt 6.1.5.1 auf Seite 35 beschrieben wird.
50 7. Auswertung<br />
1 0 -5<br />
L e c k s tro m (A )<br />
1 0 -6<br />
1 0 -7<br />
F T H 2 0 0 P M S S D<br />
w /p ~ 0 ,2 4<br />
p = 1 2 0 µ m , F = 1 e 1 5<br />
p = 8 0 µ m , F = 1 e 1 5<br />
p = 1 2 0 µ m , F = 0<br />
p = 8 0 µ m , F = 0<br />
1 0 -8<br />
1 0 -9<br />
0 -1 0 0 -2 0 0 -3 0 0 -4 0 0 -5 0 0 -6 0 0 -7 0 0<br />
S p a n n u n g (V )<br />
Abbildung 7.3.: Leckströme der Regionen 5 und 7 eines unbestrahlten und eines hochbestrahlten<br />
FTH200P-MSSD.<br />
7.1.3. Kapazitäten<br />
Für jede Region auf den Sensoren FTH200Y, FTH200N und FTH200P ist die Rückseitenkapazität,<br />
die Zwischenstreifenkapazität und die Koppelkapazität mit der Probestation<br />
bestimmt worden. Die Gesamtkapazität ist jeweils nach Gleichung 5.2 errechnet worden.<br />
Erwartet wird, dass die Kapazitäten über der Segmentierung des Sensors skalieren. Daher<br />
sind die Kapazitäten in den Abbildungen 7.4 bis 7.6 über einer numerisch approximierten<br />
Skalierungsfunktion aufgetragen worden [B + 00]:<br />
Skalierungsfaktor =<br />
p<br />
d + p · f ( w p ) (7.1)<br />
Mit dem Streifenabstand p, der Implantationsbreite w und der Sensordicke d sowie einer<br />
numerischen Skalierungsfunktion [B + 00]:<br />
f (x) = −0, 00111x −2 + 0, 0586x −1 + 0, 240 − 0, 651x + 0, 355x 2 (7.2)<br />
Die Abbildungen zeigen, dass die Kapazitäten von der Geometrie des Sensors abhängen.<br />
Kapazitäten sind auch primär geometrische Größen. Eine Materialabhängigkeit kann entstehen,<br />
wenn die untersuchten Materialien verschiedene Dielektrizitätskonstanten ɛ r haben.<br />
Die untersuchten Sensoren sind jedoch aus dem gleichen Grundmaterial aufgebaut,<br />
der Einfluss der Dotierung auf die Dielektrizitätskonstante ist demgegenüber vernachlässigbar.<br />
Zusätzlich wurde der Einfluss der Auslesefrequenz des LCR-Meters und die Position der<br />
Messnadel der Probestation auf die gemessene Rückseitenkapazität untersucht. Abbildung<br />
7.7 zeigt die gemessenen Rückseitenkapazitäten der Region 5 des FTH200P-MSSD<br />
<strong>für</strong> die Auslesefrequenzen 1 kHz, 10 kHz, 100 kHz und 1 MHz und <strong>für</strong> die verschiedenen<br />
möglichen Positionen der Messnadel: Auf dem AC-Kontakt, auf dem DC-Kontakt und<br />
auf dem Bias-Ring (hierbei wird die gesamte Rückseitenkapazität des Sensors gemessen,<br />
daher wird der Messwert durch die Streifenanzahl geteilt).
7.1. Vorqualifizierung 51<br />
2 ,0<br />
1 ,5<br />
M S S D , w /p ~ 0 ,1 4<br />
f C b c k<br />
= 1 k H z , f C in t<br />
= 1 M H z<br />
p = 7 0 µ m<br />
p = 1 2 0 µ m<br />
p = 2 4 0 µ m<br />
F T H 2 0 0 N C to t<br />
F T H 2 0 0 N C b c k<br />
F T H 2 0 0 N C in t<br />
F T H 2 0 0 Y C to t<br />
F T H 2 0 0 Y C b c k<br />
F T H 2 0 0 Y C in t<br />
F T H 2 0 0 P C to t<br />
F T H 2 0 0 P C b c k<br />
F T H 2 0 0 P C in t<br />
p F /c m<br />
1 ,0<br />
p = 8 0 µ m<br />
0 ,5<br />
0 ,0<br />
0 ,2 0 ,3 0 ,4 0 ,5 0 ,6 0 ,7 0 ,8 0 ,9 1 ,0<br />
p /(d + p * f(w /p ))<br />
Abbildung 7.4.: Kapazitäten der Regionen mit w/p ≈ 0, 14 der MSSD-Sensoren von Typ<br />
FTH200P, FTH200Y und FTH200N. Dargestellt werden die Rückseitenkapazität,<br />
die Zwischenstreifenkapazität und die Gesamtkapazität. Die<br />
Verbindungslinien zwischen den Punkten dienen der Orientierung.<br />
2 ,0<br />
M S S D , w /p ~ 0 ,2 4<br />
f C b c k<br />
= 1 k H z , f C in t<br />
= 1 M H z<br />
p = 2 4 0 µ m<br />
1 ,5<br />
p = 7 0 µ m<br />
p = 1 2 0 µ m<br />
p = 8 0 µ m<br />
p F /c m<br />
1 ,0<br />
0 ,5<br />
F T H 2 0 0 N C to t<br />
F T H 2 0 0 N C b c k<br />
F T H 2 0 0 N C in t<br />
F T H 2 0 0 Y C to t<br />
F T H 2 0 0 Y C b c k<br />
F T H 2 0 0 Y C in t<br />
F T H 2 0 0 P C to t<br />
F T H 2 0 0 P C b c k<br />
F T H 2 0 0 P C in t<br />
0 ,0<br />
0 ,2 0 ,3 0 ,4 0 ,5 0 ,6 0 ,7 0 ,8 0 ,9 1 ,0<br />
p /(d + p * f(w /p ))<br />
Abbildung 7.5.: Kapazitäten der Regionen mit w/p ≈ 0, 24 der MSSD-Sensoren von Typ<br />
FTH200P, FTH200Y und FTH200N.<br />
2 ,0<br />
M S S D , w /p ~ 0 ,3 4<br />
f C b c k<br />
= 1 k H z , f C in t<br />
= 1 M H z<br />
1 ,5<br />
p = 7 0 µ m<br />
p = 1 2 0 µ m<br />
p = 2 4 0 µ m<br />
p F /c m<br />
1 ,0<br />
0 ,5<br />
F T H 2 0 0 N C to t<br />
F T H 2 0 0 N C b c k<br />
F T H 2 0 0 N C in t<br />
F T H 2 0 0 Y C to t<br />
F T H 2 0 0 Y C b c k<br />
F T H 2 0 0 Y C in t<br />
F T H 2 0 0 P C to t<br />
F T H 2 0 0 P C b c k<br />
F T H 2 0 0 P C in t<br />
p = 8 0 µ m<br />
0 ,0<br />
0 ,2 0 ,3 0 ,4 0 ,5 0 ,6 0 ,7 0 ,8 0 ,9 1 ,0<br />
p /(d + p * f(w /p ))<br />
Abbildung 7.6.: Kapazitäten der Regionen mit w/p ≈ 0, 34 der MSSD-Sensoren von Typ<br />
FTH200P, FTH200Y und FTH200N.
52 7. Auswertung<br />
1 ,0<br />
F T H 2 0 0 P M S S D , R e g io n 5<br />
R ü c k s e ite n k a p a z itä t (p F /c m )<br />
0 ,8<br />
0 ,6<br />
0 ,4<br />
0 ,2<br />
B ia s rin g<br />
D C -P a d<br />
A C -P a d<br />
0 ,0<br />
1 0 3 1 0 4 1 0 5 1 0 6<br />
F re q u e n z (H z )<br />
Abbildung 7.7.: Rückseitenkapazität der Region 5 des FTH200P-MSSD gemessen bei verschiedenen<br />
Frequenzen und an verschiedenen Positionen. Frequenz und<br />
Messposition beeinflussen das Ergebnis stark.<br />
Es kann festgestellt werden, dass die Frequenz und die Position, an der die Rückseitenkapazität<br />
gemessen wird, einen erheblichen Einfluss auf das Messergebnis hat. Da<br />
die Sensoren im Spurdetektor mit einer Frequenz von 40 MHz ausgelesen werden, sind<br />
die Rückseitenkapazitäten erneut gemessen worden. Dabei wurde die im vorhandenen<br />
Messaufbau maximale Frequenz von 1 MHz verwendet.<br />
2 ,0<br />
p = 7 0 µ m<br />
p = 8 0 µ m<br />
p = 1 2 0 µ m<br />
p = 2 4 0 µ m<br />
1 ,5<br />
p F /c m<br />
1 ,0<br />
0 ,5<br />
F T H 2 0 0 P M S S D<br />
f C b c k<br />
= 1 M H z , f C in t<br />
= 1 M H z<br />
C o t, w /p = 0 ,1 4<br />
C b c k , w /p = 0 ,1 4<br />
C in t, w /p = 0 ,1 4<br />
C o t, w /p = 0 ,2 4<br />
C b c k , w /p = 0 ,2 4<br />
C in t, w /p = 0 ,2 4<br />
C o t, w /p = 0 ,3 4<br />
C b c k , w /p = 0 ,3 4<br />
C in t, w /p = 0 ,3 4<br />
0 ,0<br />
0 ,2 0 ,3 0 ,4 0 ,5 0 ,6 0 ,7 0 ,8 0 ,9 1 ,0<br />
p /(d + p * f(w /p ))<br />
Abbildung 7.8.: Kapazitäten des FTH200P-MSSD. Die Rückseitenkapazität wurde bei einer<br />
Frequenz von 1 MHz gemessen. Bei dieser Frequenz sind die Messwerte<br />
der Rückseitenkapazität etwa doppelt so groß wie bei 1 kHz. Dadurch<br />
erhöht sich auch die berechnete Gesamtkapazität.<br />
Abbildung 7.8 zeigt die Zwischenstreifen-, Rückseiten- und Gesamtkapazität des FTH200P-<br />
MSSD <strong>für</strong> alle Regionen. Die Rückseitenkapazität ist bei einer Frequenz von 1 MHz gemessen<br />
worden.<br />
Die gewonnenen Daten ermöglichen eine numerische Näherung <strong>für</strong> die Gesamtkapazität
7.2. ARC-System 53<br />
von Streifensensoren mit einer Dicke von 200 µm:<br />
7.2. ARC-System<br />
C tot = 1, 16 + 2, 35 · w (pF/cm) (7.3)<br />
p<br />
Zur Untersuchung, welchen Einfluss die Biasspannung auf die gesammelte Ladung hat,<br />
sind Messungen am ARC-System durchgeführt worden. Signale wurden durch eine radioaktive<br />
Sr 90 -Quelle erzeugt. Das MSSD-Modul wurde, wie im Abschnitt 6.4.1 beschrieben,<br />
in der Umhausung der ALiBaVa Station betrieben. Die Signalwerte wurden, wie in<br />
Abschnitt 6.3.3 beschrieben, in Elektronen umgerechnet.<br />
MPV des Clustersignals (e-)<br />
16000<br />
14000<br />
12000<br />
10000<br />
8000<br />
2<br />
20 °C | 0 n /cm<br />
eq<br />
FTH200N_07_MSSD_1_R05 | 120 µm<br />
6000<br />
FTH200N_07_MSSD_1_R07 | 80 µm<br />
50 100 150 200 250 300 350 400<br />
Biasspannung (V)<br />
Abbildung 7.9.: MPV der Clusterladung über der Biasspannung der Regionen 5 und 7<br />
eines unbestrahlten FTH200N-MSSD. Zu erkennen ist, dass das Signal<br />
bis etwa 120 V mit steigender Spannung zunimmt, und danach konstant<br />
bleibt.<br />
Abbildung 7.9 zeigt den wahrscheinlichsten Wert (MPV 1 ) des Clustersignals über der angelegten<br />
Biasspannung bei einem unbestrahlten FTH200N-MSSD. Bei jedem Spannungswert<br />
ist über die Signale von jeweils 5000 Ereignissen gemittelt worden. Die Verarmungsspannung<br />
der Region 5 beträgt 141 V, bei Region 7 beträgt die Verarmungsspannung<br />
122 V. Es lässt sich feststellen, dass <strong>für</strong> Spannungen oberhalb der Verarmungsspannung<br />
das gesammelte Signal konstant ist. Bei kleineren Biasspannungen ist der Sensor nicht<br />
vollständig verarmt, wodurch das aktive Volumen des Sensors kleiner ist, was zu entsprechend<br />
geringeren Signalhöhen führt.<br />
Abbildung 7.10 zeigt den MPV des Clustersignals über der Biasspannung bei einem<br />
FTH200P-MSSD, der mit einer Fluenz von 1 × 10 15 n eq /cm 2 mit Protonen bestrahlt worden<br />
ist. Das Signal steigt kontinuierlich an, wenn der Betrag der Biasspannung erhöht<br />
wird. Dieses Ergebnis ist konsistent mit dem in Abschnitt 7.1.1 festgestellten Verlauf der<br />
inversen quadratischen Rückseitenkapazität. Dort konnte bei Spannungen bis 1 kV keine<br />
vollständige Verarmung mehr erreicht werden.<br />
1 Abkürzung (engl.): Most Probable Value
54 7. Auswertung<br />
MPV des Clustersignals (e-)<br />
14000<br />
13000<br />
12000<br />
11000<br />
10000<br />
2<br />
-20 °C | 1e+15 n /cm<br />
eq<br />
9000<br />
FTH200P_06_MSSD_1_R05 | 120 µm<br />
FTH200P_06_MSSD_1_R07 | 80 µm<br />
300 400 500 600 700 800 900 1000<br />
Biasspannung (V)<br />
Abbildung 7.10.: MPV der Clusterladung über der Biasspannung der Regionen 5 und 7<br />
eines hochbestrahlten FTH200P-MSSD. Die Clusterladung nimmt mit<br />
steigender Spannung zu, erreicht aber keinen konstanten Wert.
7.3. ALiBaVa - Binäre Interpretation 55<br />
7.3. ALiBaVa - Binäre Interpretation<br />
Im Rahmen dieser Diplomarbeit sind vorhandene Daten, die mit dem ALiBaVa Auslesesystem<br />
aufgenommen worden sind, binär interpretiert worden. Es ist ein ROOT-Script<br />
verwendet worden, das im Abschnitt 6.5.1.1 beschrieben ist. Untersucht wurden Sensoren<br />
vom Typ Baby-Standard sowie Baby-Additional. Dabei sind verschiedene Dotierungsarten,<br />
Isolationstechniken, Spannungen und Bestrahlungsfluenzen betrachtet worden.<br />
Das Ziel dieser Untersuchung ist es, herauszufinden ob die Siliziumstreifensensoren des<br />
Spurdetektors während der Hochluminositätsphase des LHC binär ausgelesen werden<br />
können, ohne dass die Effizienz und die Auflösung des Detektors signifikant sinkt. Ein<br />
solches Vorgehen kann die erzeugte Datenmenge von derzeit 9 Bit auf 1 Bit pro Kanal und<br />
Ereignis verringern.<br />
Die gewonnenen Erkenntnisse sind qualitativ <strong>für</strong> alle untersuchten Sensoren gleich und<br />
werden im Folgenden exemplarisch an Sensoren vom Typ FTH200P-Baby-Additional<br />
vorgestellt.<br />
7.3.1. Unbestrahlte Sensoren<br />
Abbildung 7.11 zeigt den Verlauf der Effizienz, mit der vom binären Verfahren Cluster<br />
identifiziert werden, verglichen mit der analogen Clusteranalyse. Darüber hinaus zeigt<br />
die Abbildung die mittlere Clusterbreite über Signal-Schwellwerten von 0 Elektronen bis<br />
10 000 Elektronen. Das Schaubild lässt sich in drei Bereiche einteilen:<br />
1. Bei Schwellwerten von 0 e − bis etwa 4000 e − werden deutlich mehr Cluster identifiziert,<br />
als durch Teilchendurchgänge zu erwarten sind. Der Großteil der gefundenen<br />
Cluster ist auf Signalrauschen zurückzuführen.<br />
2. Zwischen 4000 e − und 8000 e − ist die Effizienz nahezu konstant bei 1. Das bedeutet,<br />
dass die gleiche Anzahl an Clustern identifiziert wird wie mit dem bisher verwendeten<br />
analogen Verfahren. Je höher der Schwellwert ist, desto weniger Nachbarstreifen<br />
liefern noch ausreichend hohes Signal, um zum Cluster gehören zu können.<br />
Daher sinkt die mittlere Clusterbreite mit der Erhöhung des Schwellwerts kontinuierlich.<br />
1 ,8<br />
1 ,6<br />
F T H 2 0 0 P u n b e s tra h lt<br />
1 ,4<br />
1 ,2<br />
1 ,0<br />
0 ,8<br />
0 ,6<br />
3 0 0 V , m ittle re C lu s te rb re ite (S tre ife n )<br />
3 0 0 V , E ffiz ie n z<br />
0 ,4<br />
0 2 0 0 0 4 0 0 0 6 0 0 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0<br />
S c h w e llw e rt (e -)<br />
Abbildung 7.11.: Binäre Interpretation: Mittlere Clusterbreiten und Effizienz über binärem<br />
Schwellwert <strong>für</strong> einen FTH200P Sensor, der bei einer Biasspannung<br />
von 300 V betrieben worden ist.
56 7. Auswertung<br />
3. Ab etwa 8000 e − sinkt die Zahl der gefundenen Cluster deutlich, da die Singnale<br />
von Teilchendurchgängen zum Teil kleiner als dieser Schwellwert sind. Die mittlere<br />
Clusterbreite nähert sich dem Wert 1 an.<br />
Ein möglicher Chip <strong>für</strong> den zukünftigen Spurdetektor ist der CBC 1 . Er operiert mit einem<br />
Schwellwert von etwa 1 fC [R + 12] (entspricht 6250 e − ) in einem Bereich, bei dem die<br />
Anzahl der gefundenen Cluster gleich hoch ist, wie beim bisher angewendeten analogen<br />
Verfahren.<br />
7.3.2. Hochbestrahlte Sensoren<br />
Siliziumsensoren, deren Kristallstruktur Schädigungen durch nicht ionisierende Wechselwirkungen<br />
erhalten haben, zeigen unter anderem eine veränderte Signal- und Rauschcharakteristik<br />
[Mol99]. Für die Untersuchung, welchen Einfluss solche Schäden auf eine<br />
mögliche binäre Datennahme haben, sind Daten verwendet worden, die mit hochbestrahlten<br />
Sensoren aufgenommen worden sind.<br />
Die in den Abbildungen 7.12 und 7.13 gezeigten Effizienzen und Clusterbreiten entsprechen<br />
Bestrahlungsfluenzen von 8 × 10 14 n eq /cm 2 und 1 × 10 15 n eq /cm 2 , wie sie <strong>für</strong> das<br />
Ende der Betriebsdauer des neuen Spurdetektors bei Abständen von 40 cm und 20 cm<br />
vom Wechselwirkungspunkt erwartet werden [Mül11].<br />
1 ,8<br />
1 ,6<br />
F T H 2 0 0 P , F = 8 x 1 0 1 4 n e q<br />
/c m ²<br />
1 ,4<br />
1 ,2<br />
1 ,0<br />
0 ,8<br />
0 ,6<br />
6 0 0 V , m ittle re C lu s te rb re ite (S tre ife n )<br />
6 0 0 V , E ffiz ie n z<br />
9 0 0 V , m ittle re C lu s te rb re ite (S tre ife n )<br />
9 0 0 V , E ffiz ie n z<br />
0 ,4<br />
0 2 0 0 0 4 0 0 0 6 0 0 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0<br />
S c h w e llw e rt (e -)<br />
Abbildung 7.12.: Binäre Interpretation: Mittlere Clusterbreiten und Effizienz über binärem<br />
Schwellwert <strong>für</strong> einen mit F = 8 × 10 14 n eq /cm 2 bestrahlten<br />
FTH200P Sensor<br />
Die Diagramme zeigen, dass es bei hochbestrahlten Sensoren einen Schwellwertbereich<br />
gibt, in dem die Effizienz, Cluster zu identifizieren, konstant ist. Dieser Bereich reicht<br />
nun jedoch nur noch bis etwa 6000 Elektronen. Die Cluster sind gegenüber dem unbestrahlten<br />
Sensor etwas breiter. Die Abbildungen zeigen außerdem, dass die angelegte<br />
Biasspannung ein wichtiger Faktor ist. Liegt sie unterhalb der Verarmungsspannung, so<br />
sinken die Signalhöhen bei Teilchendurchgängen, wodurch beim gleichen Schwellwert<br />
im Mittel weniger Cluster gefunden werden.<br />
1 CMS Binary Chip
7.3. ALiBaVa - Binäre Interpretation 57<br />
1 ,8<br />
1 ,6<br />
F T H 2 0 0 P , F = 1 x 1 0 1 5 n e q<br />
/c m ²<br />
1 ,4<br />
1 ,2<br />
1 ,0<br />
0 ,8<br />
0 ,6<br />
6 0 0 V , m ittle re C lu s te rb re ite (S tre ife n )<br />
6 0 0 V , E ffiz ie n z<br />
9 0 0 V , m ittle re C lu s te rb re ite (S tre ife n )<br />
9 0 0 V , E ffiz ie n z<br />
0 ,4<br />
0 2 0 0 0 4 0 0 0 6 0 0 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0<br />
S c h w e llw e rt (e -)<br />
Abbildung 7.13.: Binäre Interpretation: Mittlere Clusterbreiten und Effizienz über binärem<br />
Schwellwert <strong>für</strong> einen mit F = 1 × 10 15 n eq /cm 2 bestrahlten<br />
FTH200P Sensor<br />
7.3.3. Diskussion der Ergebnisse<br />
Die vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass <strong>für</strong> unbestrahlte Sensoren das Auslesen der Siliziumstreifen<br />
binär erfolgen kann, ohne dass dabei die Anzahl der gefundenen Cluster<br />
gegenüber dem bisherigen analogen Verfahren sinkt. Der Auslesechip muss dazu einen<br />
Schwellwert <strong>für</strong> die Signalhöhe verwenden, der zwischen 4000 und 8000 Elektronen liegt.<br />
Dies gilt bei einer Sensordicke von 200 µm und bei senkrechtem Teilcheneinfall. Innerhalb<br />
dieses Bereichs verringert sich die mittlere Clusterbreite linear mit der Erhöhung<br />
des Schwellwerts, was zur Verbesserung der Auflösung genutzt werden kann. Aufgrund<br />
des Einflusses des Magnetfeldes bewegen sich geladene Teilchen im Spurdetektor auf<br />
gekrümmten Bahnen und treffen daher selten senkrecht auf den Sensor. Der Einfluss des<br />
Einfallswinkels auf die Signale wird daher in Abschitt 7.4 näher untersucht.<br />
Der qualitative Verlauf der Effizienz des binären Verfahrens bei unbestrahlten Sensoren<br />
und Verwendung von Schwellwerten, die im angegebenen Bereich liegen, lässt darauf<br />
schließen, dass die gefundenen Cluster durch Teilchendurchgänge induziert wurden und<br />
damit auf gewünschten Signalen basieren. Der deutlichste Effekt nach der Bestrahlung<br />
der Sensoren ist die Verkleinerung des Bereichs, in dem die Effizienz gegenüber dem<br />
bisherigen analogen Verfahren gleich groß ist. Im Bereich von 4000 bis 6000 Elektronen<br />
kann der Schwellwert so eingestellt werden, dass die gewünschte mittlere Clusterbreite<br />
gemessen wird ohne dass eine signifikante Zahl von Clustern dadurch gewonnen wird<br />
oder verloren geht. Für die Konfiguration der Schwellwertoptimierung (engl. trimming)<br />
des CBC-Chips erscheint ein Schwellwert von 4000 e − bis 4500 e − sinnvoll. Hierbei werden<br />
<strong>für</strong> alle Bestrahlungsstufen wenige rauschinduzierte Cluster bei gleichzeitig relativ<br />
großen mittleren Clusterbreiten erfasst.<br />
In jedem Fall ist zu beachten, dass die Signale und das Rauschen neben der Sensorgeometrie<br />
signifikant von dem verwendeten Auslesechip abhängig sind. Daher sind mögliche<br />
Kandidaten solcher Chips umfangreich im Hinblick auf ihre Rauschcharakteristik,<br />
ihr Signalansprechverhalten und ihre Effizienz zu untersuchen. Es ist ferner zu beachten,<br />
dass <strong>für</strong> die hier verwendete binäre Interpretation Daten verwendet wurden, die mit<br />
analogem Verfahren gewonnen wurden, bei denen die Pedestal- und Common-Mode-<br />
Werte vorab herausgerechnet worden sind. Ein zukünftig verwendeter binärer Auslesechip<br />
muss auch diese Aufgaben selbst übernehmen, soweit sie hierbei relevant sind.
58 7. Auswertung<br />
7.4. Höhenstrahlungsteleskop<br />
Im Rahmen dieser Diplomarbeit sind über einen Zeitraum von neun Monaten hinweg<br />
verschiedene Sensoren im Höhenstrahlungsteleskop untersucht worden. Insbesondere<br />
der Einfluss des Einfallswinkels auf Signale und Clusterbreiten lassen sich damit untersuchen,<br />
da die Teilchen der kosmischen Höhenstrahlung aus unterschiedlichen Richtungen<br />
einfallen und mit den Daten der Referenzebenen des Teleskops eine Spurrekonstruktion<br />
möglich ist. Einen Überblick über die durchgeführten Messungen gibt Tabelle 7.2 wieder.<br />
Tabelle 7.2.: Durchgeführte Messungen<br />
Beginn Ende Sensor Fluenz<br />
(N eq /cm 2 )<br />
Ereignisse Szintillatoren<br />
versetzt<br />
23.07.2012 31.07.2012 FTH200Y 0 343 k nein 17<br />
31.07.2012 07.08.2012 Infineon 0 290 k nein 17<br />
22.08.2012 07.09.2012 FTH200N 0 648 k nein 17<br />
07.09.2012 24.09.2012 FTH200Y 0 726 k nein 17<br />
24.09.2012 20.10.2012 FTH200Y 0 807 k ja 17<br />
25.10.2012 31.10.2012 Infineon 0 278 k nein 17<br />
31.10.2012 27.11.2012 FTH200N 0 754 k ja 17<br />
27.11.2012 07.12.2012 Infineon 0 309 k ja 17<br />
07.12.2012 12.12.2012 CMS TOB 0 230 k nein 17<br />
12.12.2012 07.01.<strong>2013</strong> FTH200Y 0 1,1 M nein 0<br />
09.01.<strong>2013</strong> 18.01.<strong>2013</strong> Infineon 0 423 k nein 17<br />
18.01.<strong>2013</strong> 04.02.<strong>2013</strong> FTH200P 0 785 k nein 17<br />
04.01.<strong>2013</strong> 26.02.<strong>2013</strong> FTH200P 0 746 k ja 17<br />
28.02.<strong>2013</strong> 20.03.<strong>2013</strong> FTH200P 1 × 10 15 679 k nein -20<br />
20.03.<strong>2013</strong> 02.04.<strong>2013</strong> FTH200P 1 × 10 15 332 k ja -20<br />
Temperatur<br />
( ◦ C)<br />
Insgesamt umfassen die über den gesamten Messzeitraum gewonnenen Daten 8,5 Millionen<br />
Ereignisse. Der zu untersuchende Sensor liegt im Teleskop jedoch nur bei einem<br />
Bruchteil von Ereignissen innerhalb der Spur des Teilchens. Für die MSSD ist dies bei 4 %<br />
der Ereignisse der Fall. Der Grund da<strong>für</strong> liegt in der Geometrie des Teleskops. So decken<br />
die eingesetzten Szintillatoren eine Fläche von jeweils 225 cm 2 ab [Nür09], während die<br />
aktive Fläche eines MSSD nur 14,7 cm 2 umfasst. Eine Übersicht über die aktive Fläche der<br />
einzelnen Regionen eines MSSD ist im Anhang auf Seite 81 zu finden.<br />
Zur Optimierung der Kühlleistung befinden sich unter den Regionen mit einem Streifenabstand<br />
von 240 µm Stege aus Kupfer. Diese Kupfermasse löst Streuungen bei Teilchen<br />
der kosmischen Höhenstrahlung aus, was eine präzise Spurrekonstruktion verhindert.<br />
Daher wurden diese Regionen bei einigen Messungen nicht mit dem APV-Hybriden verbunden.<br />
Dieser Streifenabstand kommt wegen des damit einhergehenden Verlustes an<br />
Granularität und seiner Durchbruchscharakteristik aller Voraussicht nach im zukünftigen<br />
CMS-Spurdetektor nicht zum Einsatz, weswegen auf Messungen an diesen Regionen<br />
im Teleskop weitgehend verzichtet wurde. Zur Kontrolle sind die Stege jedoch bei einem<br />
Modul entfernt worden und eine Messung ist an einem FTH200Y-MSSD-Sensor mit 1,1<br />
Millionen Ereignissen durchgeführt worden.<br />
Aufgrund der großen Zahl von Daten, die mit den verschiedenen Messungen generiert<br />
worden sind, werden im Folgenden die Ergebnisse von zwei Regionen (5 und 7) des<br />
MSSD wiedergegeben, soweit Daten von einzelnen Regionen isoliert dargestellt werden.<br />
Gleichwohl liegen die Diagramme <strong>für</strong> alle verwendeten Regionen und Sensoren vor.
7.4. Höhenstrahlungsteleskop 59<br />
7.4.1. Ausleuchtung<br />
Die Sensoren im MSSD-Modul sind im Teleskop vollständig und in erster Näherung homogen<br />
ausgeleuchtet worden. Hier zeigt sich ein Vorteil, der sich durch die Verwendung<br />
von Teilchen der kosmischen Höhenstrahlung gegenüber Teststrahlenuntersuchungen an<br />
Teilchenbeschleunigern oder der Untersuchung mit radioaktiven Quellen ergibt.<br />
Abbildung 7.14 zeigt die Positionen des Teilchendurchgangs aus der rekonstruierten Teilchenspur,<br />
<strong>für</strong> solche Teilchenspuren, zu denen auch ein Cluster auf dem MSSD zugeordnet<br />
werden konnte. Regionen mit großem Streifenabstand sind entsprechend ihrer größeren<br />
Fläche häufiger getroffen worden. Am Rand des Sensors konnten aufgrund der<br />
Teleskopgeometrie weniger Teilchenspuren rekonstruiert werden. Die Rate am Rand ist<br />
daher gegenüber der Rate in der Sensormitte reduziert. Tabelle 7.3 zeigt die Anzahl der<br />
Teilchenspuren, die pro Region rekonstruiert worden sind. Die rekonstruierten Teilchenspuren<br />
stellen die Datenbasis <strong>für</strong> weitere Analysen dar.<br />
Y-Koordinate (mm)<br />
30<br />
20<br />
measuredXY_3<br />
Entries 114953<br />
10<br />
8<br />
10<br />
6<br />
0<br />
4<br />
-10<br />
2<br />
-20<br />
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40<br />
X-Koordinate (mm)<br />
0<br />
Abbildung 7.14.: Histogramm der Positionen der rekonstruierten Teilchendurchgänge<br />
durch einen FTH200P-MSSD. Deutlich zu erkennen sind die einzelnen<br />
Regionen. Oberhalb und unterhalb der Regionen finden sich noch<br />
vereinzelt Treffer, die auf Streuungen nach dem Durchgang durch den<br />
MSSD zurückzuführen sind. Die Regionen 1 bis 12 sind von rechts nach<br />
links angeordnet. Bei Region 12 sind einige Streifenverbindungen beschädigt,<br />
daher zeigt sich dort eine Lücke.<br />
Tabelle 7.3.: Anzahl der rekonstruierten Teilchenspuren mit zugeordneten Clustern auf<br />
dem MSSD. Regionen mit einem Streifanabstand von 240 µm wurden nur<br />
bei dem Sensor FTH200P ausgelesen.<br />
Region 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12<br />
FTH200Y 2258 - 4386 4287 6981 - 6332 5668 8745 - 5215 4523<br />
FTH200N 2137 - 3808 3872 6716 - 5996 5549 8494 - 5973 5261<br />
FTH200P 5130 12537 5829 5674 10914 21956 7769 6642 11159 18544 5775 3024<br />
FTH200P<br />
F=1e15<br />
3339 - 3705 3731 6544 - 5044 4546 7146 - 4297 3428
60 7. Auswertung<br />
7.4.2. Winkelakzeptanz und Ausrichtung<br />
Für die Spurrekonstruktion im Zuge der Datenanalyse ist es wichtig, dass die Software<br />
<strong>für</strong> jede Ebene den Ort des Teilchendurchgangs so genau wie möglich feststellen kann.<br />
Die Geometrie der Sensoren, aber auch deren Anordnung im Teleskop muss daher bekannt<br />
sein. Diese Informationen werden in einer GEAR-Datei (siehe Abschnitt 6.5.2.1)<br />
gespeichert.<br />
Die Teilchenspur wird von der Analysesoftware als Gerade durch die Punkte der Teilchendurchgänge<br />
angenähert. Daher liegt nicht jeder Durchgangspunkt zwangsläufig auf<br />
der gefundenen Teilchenspur. Der Abstand zwischen dem Durchgangspunkt und der<br />
Spurgeraden wird als Residuum bezeichnet. Der Mittelwert der Residuen ist somit ein<br />
gutes Maß <strong>für</strong> die Qualität der Spurrekonstruktion und sollte möglichst klein sein.<br />
Die Ausrichtung der Module in z-Richtung ist manuell vorgenommen worden. Die GEAR-<br />
Datei ist mehrmals so verändert worden, dass jeweils das Residuum jeder Ebene iterativ<br />
verkleinert werden konnte. Einer solchen manuellen Vorgehensweise sind jedoch Grenzen<br />
gesetzt. Eine Betrachtung der Residuen jeder Region des MSSD ergab zudem, dass<br />
das Residuum je nach Ort auf der Modulebene einen unterschiedlichen Verlauf gegen<br />
den Einfallswinkel zeigt. Vermutet wird, dass die Ebene leicht gegen die anderen Ebenen<br />
verkippt ist. Trotz mehrerer Versuche, diese Verkippung in der GEAR-Datei anzugeben<br />
konnte keine weitere Verbesserung erreicht werden.<br />
Da <strong>für</strong> die weiteren Analysen die Regionen 5 und 7 jeweils von besonderem Interesse<br />
sind, ist die GEAR-Datei so optimiert worden, dass <strong>für</strong> diese Regionen Teilchenspuren<br />
über einem großen Einfallswinkelbereich rekonstruiert werden konnten. Abbildung 7.15<br />
zeigt exemplarisch das Residuum gegen den Einfallswinkel <strong>für</strong> das Referenzmodul 4.<br />
Residuum (mm)<br />
0.2<br />
0.15<br />
0.1<br />
meanResidualXAngle_4<br />
Entries 46537<br />
0.05<br />
0<br />
-0.05<br />
-0.1<br />
-0.15<br />
-0.2<br />
-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8<br />
Inklination (rad)<br />
Abbildung 7.15.: Mittleres Residuum gegen Einfallswinkel des Moduls 4 nach Optimierung<br />
der Ausrichtung des Teleskops in z-Richtung. Das mittlere Residuum<br />
liegt über nahezu den gesamten Winkelbereich nahe bei null.
7.4. Höhenstrahlungsteleskop 61<br />
7.4.3. Winkelverteilung<br />
Bei der Analyse von Messungen mit dem Teleskop werden typischerweise Teilchenspuren<br />
mit vergleichsweise großem Einfallswinkel gegen die Sensoroberfläche nachgewiesen.<br />
Von besonderem Interesse ist <strong>für</strong> diese Arbeit der Teil des Einfallswinkels, der orthogonal<br />
zum Siliziumstreifen steht. Erwartet wird eine Erhöhung der Anzahl getroffener<br />
Streifen mit steigendem Einfallswinkel.<br />
Bei den Messungen sind die Szintillatoren des Teleskops in zwei verschiedenen Konfigurationen<br />
betrieben worden:<br />
1. In der Standardkonfiguration werden die Szintillatoren genau in Flucht zueinander<br />
positioniert. Diese Konfiguration detektiert Teilchen mit einem Einfallswinkel von<br />
etwa −0,45 rad bis 0,45 rad.<br />
2. Zusätzlich können Messungen bei zueinander verschobenen Szintillatoren durchgeführt<br />
werden. Damit werden Teilchen mit einem Einfallswinkel von etwa 0,2 rad<br />
bis 0,7 rad erfasst.<br />
Somit konnte der analysierte Einfallswinkelbereich durch Kombination von Daten aus<br />
beiden Konfigurationen auf etwa −0,45 rad bis 0,7 rad ausgedehnt werden. Beim Betrieb<br />
in Konfiguration 1 sind durchschnittlich 44 000 Ereignisse pro Tag erfasst worden. Beim<br />
Betrieb in Konfiguration 2 konnten 26 000 Ereignisse täglich erfasst werden. Abbildung<br />
7.16 zeigt die typische Winkelverteilung, die sich bei Kombination von Daten aus beiden<br />
Konfigurationen ergibt. Für nachfolgende Studien, bei denen Winkelabhängigkeiten<br />
untersucht worden sind, wurde der Bereich von 0 rad bis 0,6 rad verwendet. In einigen<br />
Regionen ist der maximal erreichte Einfallswinkel aufgrund der Geometrie des Teleskops<br />
kleiner.<br />
Rekonstruierte Teilchenspuren (Anzahl)<br />
1400<br />
1200<br />
1000<br />
800<br />
600<br />
400<br />
incangleX_3<br />
Entries 48395<br />
200<br />
0<br />
-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8<br />
Inklination (rad)<br />
Abbildung 7.16.: Die Winkelverteilung der nachgewiesenen Teilchenspuren im Teleskop.<br />
Dargestellt sind die kombinierten Daten aus Messungen mit übereinander<br />
liegenden Szintillatoren und versetzt angeordneten Szintillatoren.<br />
Es konnten 48 395 Teilchenspuren rekonstruiert werden, die auch ein<br />
Signal auf dem MSSD erzeugt haben. Deutlich erkennbar ist, dass das<br />
Maximum zu Einfallswinkeln um 0,2 rad hin verschoben ist. Für dieses<br />
Schaubild wurden kombinierte Daten aus den verschiedenen Messungen<br />
an FTH200Y-MSSD verwendet.
62 7. Auswertung<br />
Rekonstruierte Teilchenspuren (Anzahl)<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
incangleX_5<br />
Entries 6981<br />
Rekonstruierte Teilchenspuren (Anzahl)<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
incangleX_7<br />
Entries 6332<br />
50<br />
50<br />
0<br />
-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8<br />
Inklination (rad)<br />
0<br />
-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8<br />
Inklination (rad)<br />
Abbildung 7.17.: Winkelverteilung der Region<br />
5 des FTH200Y MSSD<br />
Abbildung 7.18.: Winkelverteilung der Region<br />
7 des FTH200Y MSSD<br />
Rekonstruierte Teilchenspuren (Anzahl)<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
incangleX_5<br />
Entries 6716<br />
Rekonstruierte Teilchenspuren (Anzahl)<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
incangleX_7<br />
Entries 5996<br />
50<br />
50<br />
0<br />
-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8<br />
Inklination (rad)<br />
0<br />
-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8<br />
Inklination (rad)<br />
Abbildung 7.19.: Winkelverteilung der Region<br />
5 des FTH200N MSSD<br />
Abbildung 7.20.: Winkelverteilung der Region<br />
7 des FTH200N MSSD<br />
Rekonstruierte Teilchenspuren (Anzhal)<br />
350<br />
300<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
incangleX_5<br />
Entries 10914<br />
Rekonstruierte Teilchenspuren (Anzahl)<br />
350<br />
300<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
incangleX_7<br />
Entries 7769<br />
50<br />
50<br />
0<br />
-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8<br />
Inklination (rad)<br />
0<br />
-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8<br />
Inklination (rad)<br />
Abbildung 7.21.: Winkelverteilung der Region<br />
5 des FTH200P MSSD<br />
Abbildung 7.22.: Winkelverteilung der Region<br />
7 des FTH200P MSSD
7.4. Höhenstrahlungsteleskop 63<br />
Die Abbildungen 7.17 bis 7.22 zeigen die Winkelverteilungen in den Regionen 5 und<br />
7 bei den untersuchten MSSD vom Typ FTH200Y, FTH200N und FTH200P. Sie zeigen,<br />
dass die minimalen und maximalen Winkel je nach Region variieren. Für die weitere Datenanalyse<br />
ergibt sich damit die Notwendigkeit, den betrachteten Winkelbereich je nach<br />
Region individuell festzulegen. Als Untergrenze werden im Folgenden mindestens 50 rekonstruierte<br />
Teilchenspuren festgelegt. Das führt zum Beispiel bei Region 5 des FTH200P<br />
(Abbildung 7.21) zu einem Bereich von −0,3 rad bis 0,55 rad, in dem ausreichend viele<br />
Teilchenspuren <strong>für</strong> eine Analyse vorhanden sind.<br />
7.4.4. Clusterbreiten<br />
Mit dem Teleskop wurden die mittleren Clusterbreiten über dem Einfallswinkel bestimmt.<br />
Zu erwarten ist ein Minimum der mittleren Clusterbreite bei senkrechtem Einfall. Außerdem<br />
verteilt sich das Signal bei schrägem Einfall auf mehr Streifen, wodurch die Cluster<br />
im Mittel breiter werden.<br />
Abbildung 7.23 zeigt exemplarisch <strong>für</strong> Region 7 eines FTH200P-MSSD, wie sich die Clusterbreite<br />
mit dem Einfallswinkel vergrößert. Für diesen Verlauf konnte die mittlere Clusterbreite<br />
durch eine Geradengleichung der Form F = a + bx approximiert werden.<br />
Clusterbreite (Streifen)<br />
2<br />
1.8<br />
1.6<br />
1.4<br />
1.2<br />
clusterSizeXAngle_7<br />
Entries 7769<br />
Mean 0.2234<br />
Mean y 1.507<br />
RMS 0.1373<br />
RMS y 0.5451<br />
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5<br />
Inklination (rad)<br />
Abbildung 7.23.: Die mittlere Clusterbreite über dem Einfallswinkel bei der Region 7 des<br />
FTH200P MSSD. Der Verlauf wird näherungsweise von einer Geraden<br />
(rot) beschrieben.<br />
Mit der beschriebenen Vorgehensweise konnte <strong>für</strong> jede untersuchte Region der verschiedenen<br />
Sensoren eine Gerade an den Verlauf der mittleren Clusterbreite angenähert werden.<br />
Die gefundenen Näherungen sind in den Abbildungen 7.24 bis 7.26 <strong>für</strong> die drei<br />
Sensoren FTH200Y, FTH200N und FTH200P dargestellt. Abbildung 7.27 zeigt die gefundenen<br />
Näherungen <strong>für</strong> den mit der Fluenz F = 1 × 10 15 n eq /cm 2 bestrahlten MSSD. Die<br />
zugrunde liegenden Werte werden im Anhang auf Seite 82 inklusive der statistischen<br />
Fehler angegeben.<br />
Im Rahmen der Messunsicherheit können die gefundenen Näherungen <strong>für</strong> die Regionen<br />
mit jeweils identischem Streifenabstand als gleich bezeichnet werden. Maßgeblich<br />
<strong>für</strong> die Clusterbreite ist damit der Streifenabstand, nicht aber die Breite oder die Art der<br />
Implantation. Es wird deutlich, dass bei Regionen mit kleinem Streifenabstand bei steigendem<br />
Einfallswinkel schneller mehr Streifen getroffen werden, als bei Regionen mit
64 7. Auswertung<br />
C lu s te rb re ite (S tre ife n )<br />
2 ,2 R e g io n 4 (7 0 µ m )<br />
R e g io n 8 (7 0 µ m )<br />
R e g io n 1 2 (7 0 µ m )<br />
R e g io n 3 (8 0 µ m )<br />
2 ,0<br />
R e g io n 7 (8 0 µ m )<br />
R e g io n 1 1 (8 0 µ m )<br />
R e g io n 1 (1 2 0 µ m )<br />
1 ,8<br />
R e g io n 5 (1 2 0 µ m )<br />
R e g io n 9 (1 2 0 µ m )<br />
1 ,6<br />
1 ,4<br />
1 ,2<br />
1 ,0<br />
0 ,0 0 ,1 0 ,2 0 ,3 0 ,4 0 ,5<br />
In k lin a tio n (ra d )<br />
Abbildung 7.24.: Mittlere Clusterbreiten in Abhängigkeit des Einfallswinkels bei einem<br />
FTH200Y MSSD. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurden die statistischen<br />
Fehler der Näherung nur <strong>für</strong> zwei Regionen eingezeichnet<br />
C lu s te rb re ite (S tre ife n )<br />
2 ,2 R e g io n 4 (7 0 µ m )<br />
R e g io n 8 (7 0 µ m )<br />
R e g io n 1 2 (7 0 µ m )<br />
R e g io n 3 (8 0 µ m )<br />
2 ,0<br />
R e g io n 7 (8 0 µ m )<br />
R e g io n 1 1 (8 0 µ m )<br />
R e g io n 1 (1 2 0 µ m )<br />
1 ,8<br />
R e g io n 5 (1 2 0 µ m )<br />
R e g io n 9 (1 2 0 µ m )<br />
1 ,6<br />
1 ,4<br />
1 ,2<br />
1 ,0<br />
0 ,0 0 ,1 0 ,2 0 ,3 0 ,4 0 ,5<br />
In k lin a tio n (ra d )<br />
Abbildung 7.25.: Mittlere Clusterbreiten in Abhängigkeit des Einfallswinkels bei einem<br />
FTH200N MSSD.<br />
C lu s te rb re ite (S tre ife n )<br />
2 ,2 R e g io n 4 (7 0 µ m )<br />
R e g io n 8 (7 0 µ m )<br />
R e g io n 1 2 (7 0 µ m )<br />
R e g io n 3 (8 0 µ m )<br />
2 ,0<br />
R e g io n 7 (8 0 µ m )<br />
R e g io n 1 1 (8 0 µ m )<br />
R e g io n 1 (1 2 0 µ m )<br />
1 ,8<br />
R e g io n 5 (1 2 0 µ m )<br />
R e g io n 9 (1 2 0 µ m )<br />
R e g io n 2 (2 4 0 µ m )<br />
R e g io n 6 (2 4 0 µ m )<br />
1 ,6<br />
R e g io n 1 0 (2 4 0 µ m )<br />
1 ,4<br />
1 ,2<br />
1 ,0<br />
0 ,0 0 ,1 0 ,2 0 ,3 0 ,4 0 ,5<br />
In k lin a tio n (ra d )<br />
Abbildung 7.26.: Mittlere Clusterbreiten in Abhängigkeit des Einfallswinkels bei einem<br />
FTH200P MSSD. Bei diesem Sensor wurden zusätzlich die Regionen mit<br />
einem Streifenabstand von 240 µm ausgelesen.
7.4. Höhenstrahlungsteleskop 65<br />
C lu s te rb re ite (S tre ife n )<br />
2 ,6 R e g io n 4 (7 0 µ m )<br />
R e g io n 8 (7 0 µ m )<br />
R e g io n 1 2 (7 0 µ m )<br />
R e g io n 3 (8 0 µ m )<br />
2 ,4<br />
R e g io n 7 (8 0 µ m )<br />
R e g io n 1 1 (8 0 µ m )<br />
R e g io n 5 (1 2 0 µ m )<br />
2 ,2<br />
R e g io n 9 (1 2 0 µ m )<br />
2 ,0<br />
1 ,8<br />
1 ,6<br />
1 ,4<br />
0 ,0 0 ,1 0 ,2 0 ,3 0 ,4 0 ,5<br />
In k lin a tio n (ra d )<br />
Abbildung 7.27.: Mittlere Clusterbreiten in Abhängigkeit des Einfallswinkels bei einem<br />
hochbestrahlten FTH200P MSSD. Die Cluster sind insgesamt deutlich<br />
breiter als im unbestrahlten Fall, die Steigung über dem Einfallswinkel<br />
ist etwas kleiner. Die Regionen mit Streifenabstand 240 µm sind nicht<br />
ausgelesen worden, <strong>für</strong> Region 1 liegen zu wenige Teilchenspuren <strong>für</strong><br />
eine Näherung vor.<br />
großem Streifenabstand. Dies gilt auch im hochbestrahlten Fall, wobei hier die Clusterbreiten<br />
insgesamt größer sind.<br />
Die Abbildungen 7.28 bis 7.33 zeigen die relative Häufigkeit der Clusterbreiten <strong>für</strong> die<br />
Winkelbereiche −0,05 rad bis 0,05 rad und 0,15 rad bis 0,25 rad sowie 0,35 rad bis 0,45 rad.<br />
Auch hier zeigt sich der geringe Einfluss der Art der Implatation auf die Clusterbreite.<br />
Lediglich der n-Typ-Sensor zeigt eine Tendenz zu etwas breiteren Clustern, was an der<br />
nicht vorhandenen zusätzlichen Isolationsschicht liegen könnte.<br />
Für kleine Einfallswinkel dominieren bei Sensoren mit einer aktiven Materialstärke von<br />
200 µm 1-Streifen-Cluster. Erst bei Winkeln ab 0,35 rad kommen 2-Streifen-Cluster häufiger<br />
vor. Clusterbreiten von 3 Streifen oder mehr spielen nur eine untergeordnete Rolle.<br />
Die Abblidungen 7.34 und 7.34 zeigen die relativen Häufigkeiten der Clusterbreiten des<br />
hochbestrahlten FTH200P-MSSD. Die Cluster sind im hochbestrahlten Fall im Durchnitt<br />
breiter als im unbestrahlten Fall, dennoch machen 1-Streifen-Cluster und 2-Streifen-<br />
Cluster <strong>für</strong> alle Winkelbreiche über 80 % der relativen Häufigkeit aus.
66 7. Auswertung<br />
1 ,0<br />
1 ,0<br />
R e la tiv e H ä u fig k e it<br />
0 ,8<br />
0 ,6<br />
0 ,4<br />
F T H 2 0 0 Y<br />
p = 1 2 0 µ m , w /p ~ 0 ,2 4<br />
In k lin a tio n (ra d ):<br />
-0 ,0 5 b is 0 ,0 5<br />
0 ,1 5 b is 0 ,2 5<br />
0 ,3 5 b is 0 ,4 5<br />
R e la tiv e H ä u fig k e it<br />
0 ,8<br />
0 ,6<br />
0 ,4<br />
F T H 2 0 0 Y<br />
p = 8 0 µ m , w /p ~ 0 ,2 4<br />
In k lin a tio n (ra d ):<br />
-0 ,0 5 b is 0 ,0 5<br />
0 ,1 5 b is 0 ,2 5<br />
0 ,3 5 b is 0 ,4 5<br />
0 ,2<br />
0 ,2<br />
0 ,0<br />
1 2 3 4 5<br />
0 ,0<br />
1 2 3 4 5<br />
C lu s te rb re ite (S tre ife n )<br />
C lu s te rb re ite (S tre ife n )<br />
Abbildung 7.28.: Clusterbreiten der Region<br />
5 des FTH200Y MSSD<br />
Abbildung 7.29.: Clusterbreiten der Region<br />
7 des FTH200Y MSSD<br />
1 ,0<br />
1 ,0<br />
R e la tiv e H ä u fig k e it<br />
0 ,8<br />
0 ,6<br />
0 ,4<br />
F T H 2 0 0 N<br />
p = 1 2 0 µ m , w /p ~ 0 ,2 4<br />
In k lin a tio n (ra d ):<br />
-0 ,0 5 b is 0 ,0 5<br />
0 ,1 5 b is 0 ,2 5<br />
0 ,3 5 b is 0 ,4 5<br />
R e la tiv e H ä u fig k e it<br />
0 ,8<br />
0 ,6<br />
0 ,4<br />
F T H 2 0 0 N<br />
p = 8 0 µ m , w /p ~ 0 ,2 4<br />
In k lin a tio n (ra d ):<br />
-0 ,0 5 b is 0 ,0 5<br />
0 ,1 5 b is 0 ,2 5<br />
0 ,3 5 b is 0 ,4 5<br />
0 ,2<br />
0 ,2<br />
0 ,0<br />
1 2 3 4 5<br />
0 ,0<br />
1 2 3 4 5<br />
C lu s te rb re ite (S tre ife n )<br />
C lu s te rb re ite (S tre ife n )<br />
Abbildung 7.30.: Clusterbreiten der Region<br />
5 des FTH200N MSSD<br />
Abbildung 7.31.: Clusterbreiten der Region<br />
7 des FTH200N MSSD<br />
1 ,0<br />
1 ,0<br />
R e la tiv e H ä u fig k e it<br />
0 ,8<br />
0 ,6<br />
0 ,4<br />
F T H 2 0 0 P<br />
p = 1 2 0 µ m , w /p ~ 0 ,2 4<br />
In k lin a tio n (ra d ):<br />
-0 ,0 5 b is 0 ,0 5<br />
0 ,1 5 b is 0 ,2 5<br />
0 ,3 5 b is 0 ,4 5<br />
R e la tiv e H ä u fig k e it<br />
0 ,8<br />
0 ,6<br />
0 ,4<br />
F T H 2 0 0 P<br />
p = 8 0 µ m , w /p ~ 0 ,2 4<br />
In k lin a tio n (ra d ):<br />
-0 ,0 5 b is 0 ,0 5<br />
0 ,1 5 b is 0 ,2 5<br />
0 ,3 5 b is 0 ,4 5<br />
0 ,2<br />
0 ,2<br />
0 ,0<br />
1 2 3 4 5<br />
0 ,0<br />
1 2 3 4 5<br />
C lu s te rb re ite (S tre ife n )<br />
C lu s te rb re ite (S tre ife n )<br />
Abbildung 7.32.: Clusterbreiten der Region<br />
5 des FTH200P MSSD<br />
Abbildung 7.33.: Clusterbreiten der Region<br />
7 des FTH200P MSSD<br />
1 ,0<br />
1 ,0<br />
R e la tiv e H ä u fig k e it<br />
0 ,8<br />
0 ,6<br />
0 ,4<br />
F T H 2 0 0 P<br />
F = 1 x 1 0 1 5 n e q<br />
/c m ²<br />
p = 1 2 0 µ m , w /p ~ 0 ,2 4<br />
In k lin a tio n (ra d ):<br />
-0 ,0 5 b is 0 ,0 5<br />
0 ,1 5 b is 0 ,2 5<br />
0 ,3 5 b is 0 ,4 5<br />
R e la tiv e H ä u fig k e it<br />
0 ,8<br />
0 ,6<br />
0 ,4<br />
F T H 2 0 0 P<br />
F = 1 x 1 0 1 5 n e q<br />
/c m ²<br />
p = 8 0 µ m , w /p ~ 0 ,2 4<br />
In k lin a tio n (ra d ):<br />
-0 ,0 5 b is 0 ,0 5<br />
0 ,1 5 b is 0 ,2 5<br />
0 ,3 5 b is 0 ,4 5<br />
0 ,2<br />
0 ,2<br />
0 ,0<br />
1 2 3 4 5<br />
0 ,0<br />
1 2 3 4 5<br />
C lu s te rb re ite (S tre ife n )<br />
C lu s te rb re ite (S tre ife n )<br />
Abbildung 7.34.: Clusterbreiten der Region<br />
5 des hochbestrahlten FTH200P<br />
MSSD<br />
Abbildung 7.35.: Clusterbreiten der Region<br />
7 des hochbestrahlten FTH200P<br />
MSSD
7.4. Höhenstrahlungsteleskop 67<br />
7.4.5. Cluster-Ladung<br />
Die Ladungsträgerpaare, die beim Teilchendurchgang erzeugt werden, können als Signale<br />
von der Ausleseelektronik erfasst werden. Erwartet wird ein Anstieg des Signals pro<br />
Cluster mit wachsendem Einfallswinkel, da sich die Weglänge des Teilchens verlängert<br />
und somit wie in Abschnitt 3.1 beschrieben auch mehr Ladungsträgerpaare erzeugt werden.<br />
Wie im Abschnitt 6.3.3 beschrieben wurden die ADC-Signale der Ausleseelektronik auf<br />
ein Maximum von 192 000 Elektronen kalibriert.<br />
Analog zu Abschnitt 7.4.4 werden die mittleren Ladungen der Cluster über dem Einfallswinkel<br />
als Geraden approximiert, um eine Modellierung zu ermöglichen. Die Abbildungen<br />
7.36 bis 7.39 geben die gefundenen Näherungen wieder.<br />
M ittle re L a d u n g p ro C lu s te r (e -)<br />
1 9 0 0 0<br />
1 8 0 0 0<br />
1 7 0 0 0<br />
1 6 0 0 0<br />
1 5 0 0 0<br />
1 4 0 0 0<br />
1 3 0 0 0<br />
F T H 2 0 0 Y<br />
R e g io n 4 (7 0 µ m )<br />
R e g io n 8 (7 0 µ m )<br />
R e g io n 3 (8 0 µ m )<br />
R e g io n 7 (8 0 µ m )<br />
R e g io n 1 1 (8 0 µ m )<br />
R e g io n 1 (1 2 0 µ m )<br />
R e g io n 5 (1 2 0 µ m )<br />
R e g io n 9 (1 2 0 µ m )<br />
M ittle re L a d u n g p ro C lu s te r (e -)<br />
2 1 0 0 0<br />
2 0 0 0 0<br />
1 9 0 0 0<br />
1 8 0 0 0<br />
1 7 0 0 0<br />
1 6 0 0 0<br />
F T H 2 0 0 N<br />
R e g io n 4 (7 0 µ m )<br />
R e g io n 8 (7 0 µ m )<br />
R e g io n 1 2 (7 0 µ m )<br />
R e g io n 3 (8 0 µ m )<br />
R e g io n 7 (8 0 µ m )<br />
R e g io n 1 1 (8 0 µ m )<br />
R e g io n 1 (1 2 0 µ m )<br />
R e g io n 5 (1 2 0 µ m )<br />
R e g io n 9 (1 2 0 µ m )<br />
1 2 0 0 0<br />
0 ,0 0 ,1 0 ,2 0 ,3 0 ,4 0 ,5<br />
In k lin a tio n (ra d )<br />
1 5 0 0 0<br />
0 ,0 0 ,1 0 ,2 0 ,3 0 ,4 0 ,5<br />
In k lin a tio n (ra d )<br />
Abbildung 7.36.: Mittlere Cluster-Ladung<br />
des FTH200Y MSSD über dem Einfallswinkel<br />
Abbildung 7.37.: Mittlere Cluster-Ladung<br />
des FTH200N MSSD über dem Einfallswinkel<br />
M ittle re L a d u n g p ro C lu s te r (e -)<br />
1 7 0 0 0<br />
1 6 0 0 0<br />
1 5 0 0 0<br />
1 4 0 0 0<br />
F T H 2 0 0 P<br />
R e g io n 4 (7 0 µ m )<br />
R e g io n 8 (7 0 µ m )<br />
R e g io n 1 2 (7 0 µ m )<br />
R e g io n 3 (8 0 µ m )<br />
R e g io n 7 (8 0 µ m )<br />
R e g io n 1 1 (8 0 µ m )<br />
R e g io n 1 (1 2 0 µ m )<br />
R e g io n 5 (1 2 0 µ m )<br />
R e g io n 9 (1 2 0 µ m )<br />
R e g io n 2 (2 4 0 µ m )<br />
R e g io n 6 (2 4 0 µ m )<br />
R e g io n 1 0 (2 4 0 µ m )<br />
M ittle re L a d u n g p ro C lu s te r (e -)<br />
1 7 0 0 0 F T H 2 0 0 P<br />
F = 1 x 1 0 n /c m ²<br />
R e g io n 4 (7 0 µ m )<br />
R e g io n 8 (7 0 µ m )<br />
R e g io n 1 2 (7 0 µ m )<br />
1 6 0 0 0<br />
R e g io n 3 (8 0 µ m )<br />
R e g io n 7 (8 0 µ m )<br />
R e g io n 5 (1 2 0 µ m )<br />
R e g io n 9 (1 2 0 µ m )<br />
1 5 0 0 0<br />
1 4 0 0 0<br />
1 3 0 0 0<br />
1 3 0 0 0<br />
0 ,0 0 ,1 0 ,2 0 ,3 0 ,4 0 ,5<br />
In k lin a tio n (ra d )<br />
0 ,0 0 ,1 0 ,2 0 ,3 0 ,4 0 ,5<br />
In k lin a tio n (ra d )<br />
Abbildung 7.38.: Mittlere Cluster-Ladung<br />
des unbestrahlten FTH200P MSSD über<br />
dem Einfallswinkel<br />
Abbildung 7.39.: Mittlere Cluster-Ladung<br />
des bestrahlten FTH200P MSSD über dem<br />
Einfallswinkel<br />
Die statistischen Fehler wurden wieder <strong>für</strong> die Regionen 5 und 7 eingezeichnet. Alle zugrunde<br />
liegenden Werte der Näherungen sind im Anhang auf Seite 83 wiedergegeben.<br />
Alle Region zeigen einen Anstieg der mittleren Ladung pro Cluster über dem Einfallswinkel.<br />
Darüber hinaus sind keine geometrieabhängigen Gesetzmäßigkeiten erkennbar.<br />
Das Clustersignal beim bestrahlten FTH200P-MSSD ist etwa 1000 Elektronen kleiner als<br />
beim unbestrahlten MSSD. Anzumerken ist, dass die geringe Datenbasis zu großen Unsicherheiten<br />
führt.<br />
Darüber hinaus zeigt der Sensor vom Typ FTH200N ein signifikant höheres Signal als die<br />
Sensoren FTH200Y und FTH200P.
68 7. Auswertung<br />
7.4.6. Cluster-Hauptstreifen-Ladung<br />
Die Betrachtung der Hauptstreifenladung ist von besonderem Interesse, da bei einer<br />
möglichen zukünftigen binären Ausleseelektronik und bei entsprechend dünnen Sensoren<br />
die 1-Streifen-Cluster den Hauptteil der Cluster ausmachen werden. Untersucht wird<br />
die Höhe des Signals auf dem Hauptstreifen, damit abgeschätzt werden kann, wie hoch<br />
ein Schwellwert bei der binären Datenerfassung gesetzt werden kann. Zu erwarten ist,<br />
dass das mittlere Signal des Hauptstreifens mit steigendem Einfallswinkel abnimmt, da<br />
sich das Signal auf mehr Streifen verteilt. Dieser Effekt sollte besonders bei Regionen mit<br />
geringem Streifenabstand auftreten.<br />
Die Abbildungen 7.40 bis 7.42 zeigen die gefundenen Näherungen. Im Anhang auf Seite<br />
84 sind die zugrunde liegenden Werte aufgeführt.<br />
1 6 0 0 0<br />
1 7 0 0 0<br />
M ittle re H a u p ts tre ife n la d u n g (e -)<br />
1 5 0 0 0<br />
1 4 0 0 0<br />
1 3 0 0 0<br />
1 2 0 0 0<br />
1 1 0 0 0<br />
F T H 2 0 0 Y<br />
R e g io n 4 (7 0 µ m )<br />
R e g io n 8 (7 0 µ m )<br />
R e g io n 1 2 (7 0 µ m )<br />
R e g io n 3 (8 0 µ m )<br />
R e g io n 7 (8 0 µ m )<br />
R e g io n 1 1 (8 0 µ m )<br />
R e g io n 1 (1 2 0 µ m )<br />
R e g io n 5 (1 2 0 µ m )<br />
R e g io n 9 (1 2 0 µ m )<br />
M ittle re H a u p ts tre ife n la d u n g (e -)<br />
1 6 0 0 0<br />
1 5 0 0 0<br />
1 4 0 0 0<br />
1 3 0 0 0<br />
1 2 0 0 0<br />
F T H 2 0 0 N<br />
R e g io n 4 (7 0 µ m )<br />
R e g io n 8 (7 0 µ m )<br />
R e g io n 1 2 (7 0 µ m )<br />
R e g io n 3 (8 0 µ m )<br />
R e g io n 7 (8 0 µ m )<br />
R e g io n 1 1 (8 0 µ m )<br />
R e g io n 1 (1 2 0 µ m )<br />
R e g io n 5 (1 2 0 µ m )<br />
R e g io n 9 (1 2 0 µ m )<br />
1 0 0 0 0<br />
0 ,0 0 ,1 0 ,2 0 ,3 0 ,4 0 ,5<br />
In k lin a tio n (ra d )<br />
1 1 0 0 0<br />
0 ,0 0 ,1 0 ,2 0 ,3 0 ,4 0 ,5<br />
In k lin a tio n (ra d )<br />
Abbildung 7.40.: Mittlere Cluster-<br />
Hauptstreifenladung des FTH200Y MSSD<br />
über dem Einfallswinkel<br />
1 7 0 0 0<br />
Abbildung 7.41.: Mittlere Cluster-<br />
Hauptstreifenladung des FTH200N<br />
MSSD über dem Einfallswinkel<br />
1 3 0 0 0<br />
M ittle re H a u p ts tre ife n la d u n g (e -)<br />
1 6 0 0 0<br />
1 5 0 0 0<br />
1 4 0 0 0<br />
1 3 0 0 0<br />
1 2 0 0 0<br />
1 1 0 0 0<br />
F T H 2 0 0 P<br />
R e g io n 4 (7 0 µ m )<br />
R e g io n 8 (7 0 µ m )<br />
R e g io n 1 2 (7 0 µ m )<br />
R e g io n 3 (8 0 µ m )<br />
R e g io n 7 (8 0 µ m )<br />
R e g io n 1 1 (8 0 µ m )<br />
R e g io n 1 (1 2 0 µ m )<br />
R e g io n 5 (1 2 0 µ m )<br />
R e g io n 9 (1 2 0 µ m )<br />
R e g io n 2 (2 4 0 µ m )<br />
R e g io n 6 (2 4 0 µ m )<br />
R e g io n 1 0 (2 4 0 µ m )<br />
M ittle re H a u p ts tre ife n la d u n g (e -)<br />
1 2 0 0 0<br />
1 1 0 0 0<br />
1 0 0 0 0<br />
9 0 0 0<br />
8 0 0 0<br />
F T H 2 0 0 P<br />
F = 1 x 1 0 1 5 n e q /c m ²<br />
R e g io n 4 (7 0 µ m )<br />
R e g io n 8 (7 0 µ m )<br />
R e g io n 1 2 (7 0 µ m )<br />
R e g io n 3 (8 0 µ m )<br />
R e g io n 7 (8 0 µ m )<br />
R e g io n 1 1 (8 0 µ m )<br />
R e g io n 1 (1 2 0 µ m )<br />
R e g io n 5 (1 2 0 µ m )<br />
R e g io n 9 (1 2 0 µ m )<br />
1 0 0 0 0<br />
0 ,0 0 ,1 0 ,2 0 ,3 0 ,4 0 ,5<br />
In k lin a tio n (ra d )<br />
0 ,0 0 ,1 0 ,2 0 ,3 0 ,4 0 ,5<br />
In k lin a tio n (ra d )<br />
Abbildung 7.42.: Mittlere Cluster-<br />
Hauptstreifenladung des FTH200P MSSD<br />
über dem Einfallswinkel<br />
Abbildung 7.43.: Mittlere Cluster-Ladung<br />
des bestrahlten FTH200P MSSD über dem<br />
Einfallswinkel<br />
Bei allen Sensoren ist deutlich zu erkennen, dass das Signal des Hauptstreifens bei Regionen<br />
mit kleinem Streifanabstand über dem Einfallswinkel abfällt. Dieser Effekt verringert<br />
sich mit dem Streifenabstand. Beim Sensor FTH200P, bei dem auch die Regionen mit einem<br />
Streifanabstand von 240 µm ausgelesen worden sind, zeigt sich ein konstantes Signal<br />
des Hauptstreifens bei sehr großen Streifenabständen über dem Einfallswinkel.<br />
Der Sensor vom Typ FTH200N liefert ein Hauptstreifensignal, welches etwa 1000 Elektronen<br />
über dem Signal der P-Typ Sensoren liegt.<br />
Das mittlere Signal der Hauptstreifen ist zur Beurteilung einer möglichen binären Auslesung<br />
der Daten nicht ausreichend. Insbesondere Signale, die deutlich unterhalb dieses<br />
Mittelwerts liegen, müssen separat betrachtet werden. Dazu werden die Signale in 2D-<br />
Histogrammen aufgetragen. Exemplarisch stellen Abbildung 7.44 bis 7.47 die Histogram-
clusterSeedSignalXAngle2D_5<br />
clusterSeedSignalXAngle2D_7<br />
7.4. Höhenstrahlungsteleskop 69<br />
me der Regionen 5 und 7 des FTH200P Sensors im unbestrahlten und hochbestrahlten<br />
Fall dar.<br />
Hauptstreifenladung (e-)<br />
60000<br />
50000<br />
40000<br />
30000<br />
Entries 10914<br />
45<br />
40<br />
35<br />
30<br />
25<br />
20<br />
Hauptstreifenladung (e-)<br />
60000<br />
50000<br />
40000<br />
30000<br />
clusterSeedSignalXAngle2D_5<br />
Entries 6544<br />
22<br />
20<br />
18<br />
16<br />
14<br />
12<br />
10<br />
20000<br />
15<br />
20000<br />
8<br />
10000<br />
10<br />
5<br />
10000<br />
6<br />
4<br />
2<br />
0<br />
-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8<br />
Inklination (rad)<br />
0<br />
0<br />
-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8<br />
Inklination (rad)<br />
0<br />
Abbildung 7.44.: 2D-Histogramm der<br />
Cluster-Hauptstreifenladung der Region<br />
5 des unbestrahlten FTH200P MSSD über<br />
dem Einfallswinkel<br />
Abbildung 7.45.: 2D-Histogramm der<br />
Cluster-Hauptstreifenladung der Region 5<br />
des hochbestrahlten FTH200P MSSD über<br />
dem Einfallswinkel<br />
Hauptstreifenladung (e-)<br />
60000<br />
50000<br />
40000<br />
Entries 7769<br />
30<br />
25<br />
20<br />
Hauptstreifenladung (e-)<br />
60000<br />
50000<br />
40000<br />
clusterSeedSignalXAngle2D_7<br />
Entries 5044<br />
20<br />
18<br />
16<br />
14<br />
12<br />
30000<br />
15<br />
30000<br />
10<br />
20000<br />
10<br />
20000<br />
8<br />
6<br />
10000<br />
5<br />
10000<br />
4<br />
2<br />
0<br />
-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8<br />
Inklination (rad)<br />
0<br />
0<br />
-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8<br />
Inklination (rad)<br />
0<br />
Abbildung 7.46.: 2D-Histogramm der<br />
Cluster-Hauptstreifenladung der Region<br />
7 des unbestrahlten FTH200P MSSD über<br />
dem Einfallswinkel<br />
Abbildung 7.47.: 2D-Histogramm der<br />
Cluster-Hauptstreifenladung der Region 7<br />
des hochbestrahlten FTH200P MSSD über<br />
dem Einfallswinkel<br />
Im unbestrahlten Fall ist deutlich erkennbar, dass das Maximum der Signalverteilung<br />
bei steigendem Einfallswinkel leicht abfällt. Der gleiche Effekt tritt beim hochbestrahlten<br />
MSSD weniger deutlich auf. Die Verteilung der Hauptstreifenladung beginnt beim<br />
hochbestrahlten MSSD direkt an der Kante des Rausch-Schwellwerts. Somit muss davon<br />
ausgegangen werden, dass schwache Signale nicht mehr deutlich genug über dem Rauschen<br />
hervortreten und dadurch verloren gehen.
8. Zusammenfassung und Ausblick<br />
Für den neuen CMS-Spurdetektor <strong>für</strong> die Hochluminositätsphase des LHC werden gegenwärtig<br />
neue Siliziumstreifensensoren erforscht. Diese neuen Sensoren müssen der zu<br />
erwartenden höheren Strahlenbelastung standhalten. Außerdem sollen die Sensoren in<br />
Zukunft dünner als bisher sein, was zu geringeren Leckströmen sowie kleineren Verarmungsspannungen<br />
führt und zusätzlich weniger Material erfordert. Damit die bei der<br />
Steigerung der Luminosität generierte Datenmenge reduziert werden kann, werden die<br />
Daten zukünftig binär ausgelesen. Darüber hinaus soll der neue Spurdetektor einen Beitrag<br />
zum Trigger leisten.<br />
Zur Untersuchung des Einflusses der Sensorgeometrie auf wesentliche Sensorparameter<br />
wie Verarmungsspannungen, Leckströme und Kapazitäten und zur Parametrisierung<br />
von Signal- und Clustereigenschaften von dünnen Sensoren wurden <strong>für</strong> diese Arbeit<br />
Multigeometriestreifensensoren (MSSD) untersucht. Bevor mit Signalmessungen begonnen<br />
werden konnte, wurden die verwendeten Sensoren elektrisch vorqualifiziert. Damit konnte<br />
eine Parametrisierung der Gesamtkapazität über der Sensorgeometrie gefunden werden,<br />
was zur Vorhersage des Signalrauschens verwendet werden kann. Zusätzlich wurde<br />
der Einfluss der Messposition und -frequenz auf die gemessene Rückseitenkapazität untersucht.<br />
Beide Faktoren haben einen erheblichen Einfluss auf das Messergebnis.<br />
Für die Durchführung von Signalmessungen an MSSD wurde im Rahmen dieser Diplomarbeit<br />
ein multifunktionales Modul entworfen, welches den Sensor und den Auslesechip<br />
aufnimmt. Das Modul wurde so konstruiert, dass es an verschiedenen Messstationen<br />
zum Einsatz kommen kann. Damit auch hochbestrahlte Sensoren untersucht werden<br />
können, wurde besonderen Wert bei der Konstruktion darauf gelegt, dass der Sensor an<br />
verschiedenen Messstationen immer sehr gut gekühlt werden kann. Es sind insgesamt<br />
zwei Module produziert worden, die sich seit Fertigstellung dauerhaft im Einsatz befinden.<br />
Es zeigte sich, dass die Module den Anforderungen und Erwartungen voll gerecht<br />
werden.<br />
Mit Hilfe eines <strong>für</strong> diese Diplomarbeit geschriebenen Scripts <strong>für</strong> die Analyseumgebung<br />
ROOT konnten Daten von Ministreifen-Sensoren analysiert werden. Die mit analogem<br />
Ausleseverfahren aufgenommenen Daten sind im Hinblick auf ein mögliches zukünftiges<br />
Ausleseverfahren binär interpretiert worden. Die Entwicklung des dazu verwendeten<br />
Algorithmus und seine Implementierung in die bestehende Analysesoftware waren<br />
genauso Gegenstand dieser Arbeit, wie die folgende Auswertung verschiedener Messungen<br />
mit dem neuen Script.<br />
71
72 8. Zusammenfassung und Ausblick<br />
Nach Auswertung einer Vielzahl von Messungen kann festgestellt werden, dass eine binäre<br />
Datenerfassung ohne signifikanten Verlust an Effizienz möglich erscheint. Zu beachten<br />
ist, dass die Anzahl gefundener Cluster wesentlich vom gewählten Signalschwellwert<br />
abhängt. Liegt dieser zu niedrig, so werden falsche Cluster durch Signalrauschen identifiziert.<br />
Liegt er zu hoch, so reicht das Signal von Teilchendurchgängen nicht immer, um<br />
ein binäres Signal am Chip zu erzeugen. Dazwischen liegt ein Bereich, in dem die Anzahl<br />
der gefundenen Cluster gleich hoch ist, wie mit dem bisherigen analogen Verfahren. Bei<br />
unbestrahlten Sensoren ist dieser Bereich so groß, dass der Schwellwert zusätzlich dazu<br />
benutzt werden kann, die mittlere Clusterbreite zu optimieren. Bei bestrahlten Sensoren<br />
verkleinert sich dieser Bereich in Abhängigkeit der Bestrahlungsfluenz.<br />
Aus geometrischen Betrachtungen ergibt sich eine Ortsauflösung bei binärer Datennahme<br />
von Strei f enabstand/ √ 12. Sie kann verbessert werden, indem die Clusterbreite als<br />
zusätzliche Information in die Berechnung einbezogen wird. Zwei-Streifen-Cluster erreichen<br />
eine besonders gute Ortsauflösung, da sie vorwiegend bei Teilchendurchgängen in<br />
einem schmalen Bereich zwischen den Streifen auftreten. Der Signalschwellwert sollte<br />
daher bei ungefähr 4000 e − eingestellt werden, da der relative Anteil von zwei-Streifen-<br />
Clustern bei diesem Schwellwert besonders groß, gleichzeitig die Zahl rauschinduzierter<br />
Cluster sehr gering ist. Zusätzlich muss bei hochbestrahlten Sensoren beachtet werden,<br />
dass die Versorgungsspannung möglichst hoch gewählt wird, um die Zahl von zwei-<br />
Streifen-Clustern zu vergrößern.<br />
Im Höhenstrahlungsteleskop wurden über einen Zeitraum von neun Monaten bei verschiedenen<br />
Messungen insgesamt über 8 Millionen Ereignisse erfasst und ausgewertet. Dazu<br />
wurden umfangreiche Anpassungen an der Analysesoftware EUTelescope vorgenommen,<br />
damit Daten von MSSD-Sensoren verarbeitet werden können. Besonderen Wert wurde<br />
bei der Analyse auf den Einfluss des Einfallswinkels auf die Clusterbreite, das Clustersignal<br />
sowie das Hauptstreifensignal gelegt.<br />
Es konnte gezeigt werden, in welchem Maß sich die Cluster im Mittel je nach Streifenabstand<br />
über dem Einfallswinkel verbreitern. Für dünne Sensoren mit Materialstärke<br />
200 µm dominieren <strong>für</strong> die zu erwartenden Einfallswinkel 1-Streifen-Cluster. Im Bezug<br />
auf die Frage, wie sich ein binäres Auslesesystem auswirkt, wurde die Hauptstreifenladung<br />
untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass die Hauptstreifenladung mit zunehmendem<br />
Einfallswinkel sinkt, da sich das Signal auf mehr Streifen verteilt. Eine Steigerung<br />
des Signals aufgrund der verlängerten Wegstrecke kann <strong>für</strong> die gesamte Clusterladung<br />
festgestellt werden, spielt bei der Hauptstreifenladung jedoch nur eine untergeordnete<br />
Rolle.<br />
Über die Messergebnisse an MSSD hinaus kann festgestellt werden, dass das Höhenstrahlungsteleskop<br />
aufgrund seiner homogenen Sensorausleuchtung und seines großen<br />
Einfallswinkelbreichs eine Ergänzung zu Teststrahlmessungen darstellt. Die geringere<br />
Ereignisrate muss durch einen langfristigen Betrieb des Systems ausgeglichen werden,<br />
wobei gezeigt werden konnte, dass das vorhandene System <strong>für</strong> den Dauerbetrieb geeignet<br />
ist. Damit sind auch Langzeittests an Sensormodulen möglich. Es erscheint daher<br />
sinnvoll, zukünftige Sensor- und Modulkonzepte im Teleskop zu untersuchen.
Literaturverzeichnis<br />
[Abb11] D. Abbaneo: Upgrade of the CMS Tracker with tracking trigger. Journal of Instrumentation,<br />
6(12):C12065, 2011.<br />
[ALI93]<br />
ALICE Collaboration: Letter of Intent for A Large Ion Collider Experiment [ALI-<br />
CE]. Technischer Bericht CERN-LHCC-93-016. LHCC-I-4, CERN, 1993. https:<br />
//cds.cern.ch/record/290825/files/SC00000003.pdf.<br />
[AM07] N.W. Ashcroft und N.D. Mermin: Festkörperphysik. Oldenbourg, 3. Auflage,<br />
2007, ISBN 9783486582734.<br />
[ATL99] ATLAS Collaboration: ATLAS DETECTOR AND PHYSICS PERFORMANCE<br />
Technical Design Report. Technischer Bericht CERN-LHCC-99-14, ATLAS TDR<br />
14, CERN, 1999. http://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/TDR/<br />
physics_tdr/printout/Volume_I.pdf.<br />
[Axe03] M. Axer: Development of a Test System for the Quality Assurance of Silicon Microstrip<br />
Detectors for the Inner Tracking System of the CMS Experiment. Dissertation,<br />
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2003.<br />
[B + 94] E. Barberis et al.: Capacitances in silicon microstrip detectors. Nuclear Instruments<br />
and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors<br />
and Associated Equipment, (342:90-95), 1994.<br />
[B + 00] S. Braibant et al.: Investigation of design parameters and choice of substrate resistivity<br />
and crystal orientation for the CMS silicon microstrip detector. Technischer Bericht<br />
CMS-NOTE-2000-011, CERN, 2000.<br />
[Bar11] D. Barney: CMS Slice. Heruntergeladen am 29. März <strong>2013</strong> von https://<br />
cms-docdb.cern.ch/cgi-bin/PublicDocDB/ShowDocument?docid=5581, 2011.<br />
CMS Document 5581-v1.<br />
[BC11]<br />
[Bet30]<br />
[BG07]<br />
D. Barney und S. Cittolin: A colorful 3D illustration of the CMS Detector. Heruntergeladen<br />
am 21. März <strong>2013</strong> von https://cms-docdb.cern.ch/cgi-bin/<br />
PublicDocDB/ShowDocument?docid=2715, 2011. CMS Document 2715-v6.<br />
H.A. Bethe: Zur Theorie des Durchgangs schneller Korpuskularstrahlen durch Materie.<br />
Annalen der Physik, 397(3):325–400, 1930, ISSN 1521-3889.<br />
T. Behnke und F. Gaede: Software for the International Linear Collider: Simulation<br />
and reconstruction frameworks. Pramana, 69:1089–1092, 2007.<br />
[BKRZ07] A. Bulgheroni, T. Klimkovich, P. Roloff und A.F. Zarnecki: EUTelescope: tracking<br />
software. 2007. EUDET-Memo 2007-20.<br />
[Blo33]<br />
[Blo07]<br />
F. Bloch: Zur Bremsung rasch bewegter Teilchen beim Durchgang durch Materie. Annalen<br />
der Physik, 408(3):285–320, 1933, ISSN 1521-3889.<br />
C. Bloch: Studies for the commissioning of the CERN CMS silicon strip tracker. Dissertation,<br />
Technische Universität Wien, 2007. CERN-THESIS-2008-004.<br />
73
74 Literaturverzeichnis<br />
[BR97]<br />
[Cat10]<br />
R. Brun und F. Rademakers: ROOT - An object oriented data analysis framework.<br />
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators,<br />
Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 389(1-2):81 –<br />
86, 1997, ISSN 0168-9002. http://www.sciencedirect.com/science/article/<br />
pii/S016890029700048X.<br />
P. W. Cattaneo: Capacitances in micro-strip detectors: A Conformal mapping approach.<br />
Solid State Electron., 54:252–258, 2010.<br />
[CMS98] CMS Collaboration: CMS Tracker Technical Design Report. Technischer Bericht<br />
CERN-LHCC-98-06, CMS TDR-5, CERN, 1998. http://cds.cern.ch/record/<br />
368412/files/Tracker_TDR.pdf.<br />
[CMS06] CMS Collaboration: CMS Physics Technical Design Report Volume 1. Technischer<br />
Bericht CERN-LHCC 2006-001, CMS TDR 8.1, CERN, 2006. http://cmsdoc.<br />
cern.ch/cms/cpt/tdr/ptdr1_final_colour.pdf.<br />
[Dem04] W. Demtröder: Experimentalphysik 4: Kern-, Teilchen- und Astrophysik. Springer,<br />
2. Auflage, 2004, ISBN 9783540214519.<br />
[Dem05] W. Demtröder: Experimentalphysik 3: Atome, Moleküle und Festkörper. Springer,<br />
3. Auflage, 2005, ISBN 3540214739.<br />
[Die12]<br />
[EB08]<br />
A. Dierlamm: Silicon sensor developments for the CMS tracker upgrade. Journal of<br />
Instrumentation, 7:C01110, 2012.<br />
L. Evans und P. Bryant: LHC Machine. Journal of Instrumentation, 3(08):S08001,<br />
2008. http://stacks.iop.org/1748-0221/3/i=08/a=S08001.<br />
[F + 01] M.J. French et al.: Design and results from the APV25, a deep sub-micron CMOS<br />
front-end chip for the CMS tracker. Nuclear Instruments and Methods in Physics<br />
Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated<br />
Equipment, 466:359–365, 2001.<br />
[F + 12] W. Ferguson et al.: The CBC microstrip readout chip for CMS at the high luminosity<br />
LHC. Journal of Instrumentation, 7:C08006, 2012.<br />
[Fre12]<br />
[GM03]<br />
S. Frech: Einfluss von Strahlenschäden auf Siliziumstreifensensoren aus unterschiedlichen<br />
Grundmaterialien. Diplomarbeit, Karlsruher <strong>Institut</strong> <strong>für</strong> Technologie, 2012.<br />
<strong>IEKP</strong>-<strong>KA</strong> 2012-21.<br />
C. Gerthsen und D. Meschede (Herausgeber): Gerthsen Physik. Springer, 22. Auflage,<br />
August 2003, ISBN 9783540026228.<br />
[Gru01] C. Grupen: Astroteilchenphysik: Das Universum im Licht der kosmischen Strahlung.<br />
Springer, 2000. Auflage, Januar 2001, ISBN 9783540415428.<br />
[GST13] T. K. Gaisser, T. Stanev und S. Tilav: Cosmic Ray Energy Spectrum from Measurements<br />
of Air Showers. Heruntergeladen am 15. März <strong>2013</strong> von http://arxiv.<br />
org/abs/1303.3565, <strong>2013</strong>. eprint 1303.3565 arXiv.org, astro-ph.HE.<br />
[Hal11]<br />
G. Hall: Conceptual study of a trigger module for the CMS Tracker at SLHC. Nuclear<br />
Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers,<br />
Detectors and Associated Equipment, 636(1, Supplement):S201 – S207,<br />
2011, ISSN 0168-9002.<br />
[Har07] F. Hartmann: Construction of the CMS Tracker. Nuclear Instruments and Methods<br />
in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors<br />
and Associated Equipment, 572(1):73 – 76, 2007, ISSN 0168-9002. http://www.<br />
sciencedirect.com/science/article/pii/S0168900206019851.
Literaturverzeichnis 75<br />
[Har08]<br />
[Hin08]<br />
F. Hartmann: Evolution of Silicon Sensor Technology in Particle Physics (Springer<br />
Tracts in Modern Physics). Springer, 1. Auflage, 2008, ISBN 9783540250944.<br />
F. Hinterberger: Physik der Teilchenbeschleuniger und Ionenoptik. Springer, 2. Auflage,<br />
2008, ISBN 9783540752813.<br />
[J + 99] L.L. Jones et al.: The APV25 deep submicron readout chip for CMS detectors.<br />
Conf.Proc., C9909201:162–166, 1999.<br />
[Joh28] J.B. Johnson: Thermal Agitation of Electricity in Conductors. Physical Review,<br />
32:97–109, 1928.<br />
[K + 99] J. Kremer et al.: Measurements of ground-level muons at two geomagnetic locations.<br />
Physical Review Letters, 83, 1999.<br />
[KKZ97] H.V. Klapdor-Kleingrothaus und K. Zuber: Teilchenastrophysik. Teubner Verlag,<br />
1997, ISBN 9783519030942.<br />
[Lau13]<br />
P. Laube: Halbleitertechnologie von A bis Z: Leiter - Nichtleiter - Halbleiter. Heruntergeladen<br />
am 05. April <strong>2013</strong> von http://www.halbleiter.org/grundlagen/<br />
leiter/, <strong>2013</strong>.<br />
[Lef08] C. Lefevre: LHC: the guide. Heruntergelanden am 21. März <strong>2013</strong> von http:<br />
//cds.cern.ch/record/1092437/files/CERN-Brochure-2008-001-Eng.pdf,<br />
2008.<br />
[LHC98] LHCb Collaboration: LHCb technical proposal. Technischer Bericht CERN-<br />
LHCC-98-04, CERN-LHCC-P-4, CERN, 1998. http://lhcb-tp.web.cern.ch/<br />
lhcb-tp/postscript/tp.ps.<br />
[LHC05] LHCf Collaboration: Technical Proposal for the CERN LHCf Experiment. Technischer<br />
Bericht CERN-LHCC 2005-032, LHCC-P-07, CERN, 2005. http://cds.<br />
cern.ch/record/887108/files/lhcc-2005-032.pdf.<br />
[LS06] S. Löchner und M. Schmelling: The Beetle Reference Manual - chip version 1.3, 1.4<br />
and 1.5. 2006.<br />
[MH10] R. Marco-Hernández: A portable readout system for silicon microstrip sensors.<br />
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators,<br />
Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 623(1):207 – 209,<br />
2010, ISSN 0168-9002. http://www.sciencedirect.com/science/article/<br />
pii/S0168900210004821.<br />
[MoE10] MoEDAL Collaboration: Technical Design Report ot the MoEDAL Experiment.<br />
Technischer Bericht CERN-LHC-2009-006, MoEDAL-TDR-1.1, CERN,<br />
2010. http://moedal.web.cern.ch/sites/moedal.web.cern.ch/files/<br />
publications/tdr-v7.pdf.<br />
[Mol99] M. Moll: Radiation Damage in Silicon Particle Detectors. Dissertation, Universität<br />
Hamburg, 1999.<br />
[Mül11] S. Müller: The Beam Condition Monitor 2 and the Radiation Enviroment of the CMS<br />
Detector at the LHC. Dissertation, Karlsruher <strong>Institut</strong> <strong>für</strong> Technologie, 2011.<br />
<strong>IEKP</strong>-<strong>KA</strong>2011-01.<br />
[MW07] J. Mnich und M. Wing: Data acquisition in the EUDET project. Pramana, 69:1185–<br />
1190, 2007.<br />
[Nür09] A. Nürnberg: Studien zur Ortsauflösung bestrahleter Silizium-Streifensensoren mit<br />
geladenen Teilchen der kosmischen Höhenstrahlung. Diplomarbeit, Karlsruher <strong>Institut</strong><br />
<strong>für</strong> Technologie, 2009. <strong>IEKP</strong>-<strong>KA</strong> 2009-31.
76 Literaturverzeichnis<br />
[Nyq28] H. Nyquist: Thermal Agitation of Electric Charge in Conductors. Physical Review,<br />
32:110–113, 1928.<br />
[PR02]<br />
A.R. Powell und L.B. Roland: SiC materials-progress, status, and potential roadblocks.<br />
Proceedings of the IEEE, 90(6):942–955, 2002, ISSN 0018-9219.<br />
[PRSZ09] B. Povh, K. Rith, C. Scholz und F. Zetsche: Teilchen und Kerne: Eine Einführung<br />
in die physikalischen Konzepte. Springer, 8. Auflage, 2009, ISBN 9783540680758.<br />
[R + 00] M. Raymond et al.: The CMS tracker APV25 0.25µm CMOS readout chip. Nuclear<br />
Science Symposium Conference Record, 2000 IEEE, Seiten 9/113–9/118 vol.2,<br />
2000, ISSN 1082-3654.<br />
[R + 12] M. Raymond et al.: The CMS binary chip for microstrip tracker readout at the SL-<br />
HC. Journal of Instrumentation, 7(01):C01033, 2012. http://stacks.iop.org/<br />
1748-0221/7/i=01/a=C01033.<br />
[Sch18]<br />
W. Schottky: Über spontane Stromschwankungen in verschiedenen Elektrizitätsleitern.<br />
Annalen der Physik, 362(23):541–567, 1918, ISSN 1521-3889.<br />
[Sch99] K. Schindl: The Injector Chain for the LHC; rev. version. (CERN-PS-99-018-DI),<br />
1999. http://sl-div.web.cern.ch/sl-div/publications/chamx99/PAPERS/<br />
KS1_5.PDF.<br />
[Sha08]<br />
[Spa12]<br />
[Spi05]<br />
[Tay12]<br />
E. Shaposhnikova: Intensity Upgrade Plans for CERN-LHC Injectors. Technischer<br />
Bericht CERN-AB-2008-065, CERN, 2008.<br />
S. Spannagel: A High-Rate Beam Test for the CMS Pixel Detector Phase I Upgrade.<br />
Diplomarbeit, Karlsruher <strong>Institut</strong> <strong>für</strong> Technologie, 2012. <strong>IEKP</strong>-<strong>KA</strong> 2012-15.<br />
H. Spieler: Semiconductor Detector Systems (Semiconductor Science and Technology).<br />
Oxford University Press, USA, Oktober 2005, ISBN 9780198527848.<br />
L. Taylor: CMS Higgs Seminar (4 July 2012) : images and plots from the CMS<br />
Statement. Heruntergeladen am 6. März <strong>2013</strong> von https://cms-docdb.cern.<br />
ch/cgi-bin/PublicDocDB/ShowDocument?docid=6116, 2012. CMS Document<br />
6116-v6.<br />
[Thu05] F. Thuselt: Physik der Halbleiterbauelemente: Einführendes Lehrbuch <strong>für</strong> Ingenieure<br />
und Physiker. Springer, 1. Auflage, 2005, ISBN 9783540223160. Korrigierter<br />
Nachdruck.<br />
[TOT04] TOTEM Collaboration: Total cross-section, elastic scattering and diffraction dissociation<br />
at the Large Hadron Collider at CERN: TOTEM Technical Design Report.<br />
Technischer Bericht CERN-LHCC 2004-002, CERN, 2004. http://cds.cern.<br />
ch/record/704349/files/lhcc-2004-002.pdf.<br />
[WC10]<br />
M.E. Wieser und T.B. Coplen: Atomic weights of the elements 2009. Technischer<br />
Bericht, IUPAC, 2010. PAC-REP-10-09-14.<br />
[Win12] M. Winter: Silicon: the essentials. Heruntergeladen am 06. April <strong>2013</strong> von http:<br />
//www.webelements.com/silicon/, 2012.
Tabellenverzeichnis<br />
3.1. Wichtige Eingenschaften von Silizium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18<br />
4.1. Geometrie des MSSD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25<br />
7.1. Verarmungsspannungen des FTH200N MSSD . . . . . . . . . . . . . . . . 48<br />
7.2. Durchgeführte Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58<br />
7.3. Anzahl der rekonstruierten Teilchenspuren auf den MSSD . . . . . . . . . 59<br />
8.1. Aktive Fläche der Streifen und Regionen eines MSSD . . . . . . . . . . . . 81<br />
8.2. Clusterbreiten FTH200Y MSSD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82<br />
8.3. Clusterbreiten FTH200N MSSD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82<br />
8.4. Clusterbreiten FTH200P MSSD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82<br />
8.5. Clusterbreiten FTH200P hochbestrahlter MSSD . . . . . . . . . . . . . . . . 82<br />
8.6. Cluster-Ladung FTH200Y MSSD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83<br />
8.7. Cluster-Ladung FTH200N MSSD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83<br />
8.8. Cluster-Ladung FTH200P MSSD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83<br />
8.9. Cluster-Ladung FTH200P F=1e15 MSSD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83<br />
8.10. Cluster-Hauptstreifenladung FTH200Y MSSD . . . . . . . . . . . . . . . . 84<br />
8.11. Cluster-Hauptstreifenladung FTH200N MSSD . . . . . . . . . . . . . . . . 84<br />
8.12. Cluster-Hauptstreifenladung FTH200P MSSD . . . . . . . . . . . . . . . . 84<br />
8.13. Cluster-Hauptstreifenladung FTH200P F=1e15 MSSD . . . . . . . . . . . . 84<br />
8.14. Beispiel der Ausgabe des Scripts „ThresholdScan“ (Ausschnitt) . . . . . . 90<br />
77
Abbildungsverzeichnis<br />
2.1. Überblick LHC und seine Experimente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4<br />
2.2. 3D Ansicht des CMS Detektors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5<br />
2.3. CMS Segment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6<br />
2.4. Gamma Gamma Ereignis im CMS Detektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7<br />
2.5. PT-Diskriminierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8<br />
2.6. 2S-Modul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9<br />
2.7. Ortsauflösung des CBC-Chips . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10<br />
3.1. Bändermodell im Kristall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13<br />
3.2. Bändermodell: Die Bandlücke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14<br />
3.3. Donator- und Akzeptorniveaus im Halbleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . 15<br />
3.4. Direkter und indirekter Bandübergang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16<br />
3.5. Bandschema des pn-Übergangs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17<br />
3.6. Funktionsprinzip Streifensensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18<br />
3.7. Streifensensor 3D-Dartsellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19<br />
3.8. Energiespektrum der primären Höhenstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . 20<br />
3.9. Differentieller Fluss kosmischer Myonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21<br />
4.1. Foto von Bstd und Badd Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24<br />
4.2. Multigeometriestreifensensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25<br />
4.3. MSSD Modul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27<br />
4.4. Schematische Darstellung MSSD-Modul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28<br />
5.1. Foto der Probestation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30<br />
5.2. MSSD in der Probestation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30<br />
5.3. Kapazitäten eines Siliziumstreifensensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31<br />
6.1. MSSD Modul in ALiBaVa-Box . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36<br />
6.2. CAD-Zeichnung des Teleskops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38<br />
6.3. Fotografie des Teleskops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38<br />
6.4. Verstärkungsfaktor: Signal eines APV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39<br />
6.5. Analysekette EUTelescope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43<br />
6.6. Teilchendurchgang im Teleskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44<br />
7.1. Beispiel zur Bestimmung der Verarmungsspannung . . . . . . . . . . . . . 48<br />
7.2. Verarmungsspannung bei hochbestrahltem FTH200P-MSSD . . . . . . . . 49<br />
7.3. FTH200P Leckströme Regionen 5 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50<br />
7.4. Kapazitäten w/p 0,14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51<br />
7.5. Kapazitäten w/p 0,14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51<br />
7.6. Kapazitäten w/p 0,14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51<br />
7.7. Rückseitenkapazitäten bei versch. Frequenzen . . . . . . . . . . . . . . . . 52<br />
7.8. Kapazitäten des FTH200P-MSSD bei 1MHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52<br />
79
80 Abbildungsverzeichnis<br />
7.9. FTH200N Ladung über Spannung Regionen 5 7 . . . . . . . . . . . . . . . 53<br />
7.10. Bestrahlter FTH200P Ladung über Spannung Regionen 5 7 . . . . . . . . . 54<br />
7.11. Binäre Interpretation: FTH200P unbestrahlt . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55<br />
7.12. Binäre Interpretation: FTH200P F=8e14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56<br />
7.13. Binäre Interpretation: FTH200P F=1e15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57<br />
7.14. Ausleuchtung des MSSD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59<br />
7.15. Residuum gegen Einfallswinkel des Referenzmodul 4 . . . . . . . . . . . . 60<br />
7.16. Winkelverteilung des Teleskops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61<br />
7.17. Winkelverteilung FTH200Y Region 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62<br />
7.18. Winkelverteilung FTH200Y Region 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62<br />
7.19. Winkelverteilung FTH200N Region 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62<br />
7.20. Winkelverteilung FTH200N Region 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62<br />
7.21. Winkelverteilung FTH200P Region 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62<br />
7.22. Winkelverteilung FTH200P Region 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62<br />
7.23. Clusterbreite FTH200P Region 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63<br />
7.24. Clusterbreiten FTH200Y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64<br />
7.25. Clusterbreiten FTH200N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64<br />
7.26. Clusterbreiten FTH200P . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64<br />
7.27. Clusterbreiten FTH200P hochbestrahlt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65<br />
7.28. Clusterbreiten FTH200Y Region 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66<br />
7.29. Clusterbreiten FTH200Y Region 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66<br />
7.30. Clusterbreiten FTH200N Region 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66<br />
7.31. Clusterbreiten FTH200N Region 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66<br />
7.32. Clusterbreiten FTH200P Region 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66<br />
7.33. Clusterbreiten FTH200P Region 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66<br />
7.34. Clusterbreiten FTH200P F=1e15 Region 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66<br />
7.35. Clusterbreiten FTH200P F=1e15 Region 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66<br />
7.36. Cluster-Ladung FTH200Y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67<br />
7.37. Cluster-Ladung FTH200N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67<br />
7.38. Cluster-Ladung FTH200P . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67<br />
7.39. Cluster-Ladung FTH200P . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67<br />
7.40. Cluster-Hauptstreifenladung FTH200Y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68<br />
7.41. Cluster-Hauptstreifenladung FTH200N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68<br />
7.42. Cluster-Hauptstreifenladung FTH200P . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68<br />
7.43. Cluster-Hauptstreifenladung FTH200P . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68<br />
7.44. 2D-Histogramm Cluster-Hauptstreifenladung FTH200P Region 5 . . . . . 69<br />
7.45. 2D-Histogramm Cluster-Hauptstreifenladung FTH200P F=1e15 Region 5 . 69<br />
7.46. 2D-Histogramm Cluster-Hauptstreifenladung FTH200P Region 7 . . . . . 69<br />
7.47. 2D-Histogramm Cluster-Hauptstreifenladung FTH200P F=1e15 Region 7 . 69<br />
8.1. Übersicht MSSD-Modul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85<br />
8.2. MSSD-Modul: Die Kupferplatte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85<br />
8.3. MSSD-Modul: Der Rahmen 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86<br />
8.4. MSSD-Modul: Der Rahmen 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86<br />
8.5. MSSD-Modul: Die Abdeckung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87<br />
8.6. MSSD-Modul: Die Quellenbrücke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87<br />
8.7. Platine <strong>für</strong> MSSD: Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88<br />
8.8. Platine <strong>für</strong> MSSD: Schaltplan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
Anhang<br />
Tabelle 8.1.: Aktive Fläche der Streifen und Regionen eines MSSD.<br />
Die Streifenlänge beträgt 3 cm, jede Region besteht aus 32 Streifen.<br />
Region Streifenabstand (µm) Aktive Fläche<br />
eines Streifens<br />
(cm 2 )<br />
1 120 0,036 1,152<br />
2 240 0,072 2,304<br />
3 80 0,024 0,768<br />
4 70 0,021 0,672<br />
5 120 0,036 1,152<br />
6 240 0,072 2,304<br />
7 80 0,024 0,768<br />
8 70 0,021 0,672<br />
9 120 0,036 1,152<br />
10 240 0,072 2,304<br />
11 80 0,024 0,768<br />
12 70 0,021 0,672<br />
Aktive Fläche der<br />
Region (cm 2 )<br />
14,688 (Summe)<br />
81
82 Abbildungsverzeichnis<br />
A. Näherungsgeraden der Clusterbreiten<br />
Die Werte beziehen sich auf den jeweiligen Streifenabstand.<br />
Tabelle 8.2.: Clusterbreiten<br />
MSSD<br />
Region a ∆a b ∆b<br />
1 1,12 0,020 1,18 0,138<br />
2 nicht untersucht<br />
3 1,12 0,186 1,69 0,073<br />
4 1,12 0,019 2,05 0,064<br />
5 1,11 0,011 1,04 0,041<br />
6 nicht untersucht<br />
7 1,17 0,012 1,70 0,039<br />
8 1,20 0,015 1,91 0,045<br />
9 1,09 0,009 1,16 0,303<br />
10 nicht untersucht<br />
11 1,15 0,012 1,74 0,041<br />
12 1,16 0,016 1,83 0,052<br />
FTH200Y<br />
Tabelle 8.3.: Clusterbreiten<br />
MSSD<br />
Region a ∆a b ∆b<br />
1 1,04 0,015 1,06 0,013<br />
2 nicht untersucht<br />
3 1,12 0,023 1,71 0,078<br />
4 1,13 0,022 2,04 0,069<br />
5 1,08 0,014 1,15 0,045<br />
6 nicht untersucht<br />
7 1,16 0,017 1,76 0,045<br />
8 1,15 0,015 2,11 0,043<br />
9 1,07 0,009 1,28 0,026<br />
10 nicht untersucht<br />
11 1,13 0,012 1,80 0,038<br />
12 1,18 0,014 1,91 0,046<br />
FTH200N<br />
Tabelle 8.4.: Clusterbreiten<br />
MSSD<br />
Region a ∆a b ∆b<br />
1 1,07 0,013 1,20 0,107<br />
2 1,05 0,006 0,49 0,036<br />
3 1,12 0,013 1,68 0,059<br />
4 1,15 0,014 1,91 0,054<br />
5 1,09 0,009 1,17 0,037<br />
6 1,05 0,005 0,53 0,021<br />
7 1,12 0,012 1,69 0,044<br />
8 1,12 0,014 1,98 0,052<br />
9 1,11 0,010 1,11 0,045<br />
10 1,05 0,005 0,55 0,023<br />
11 1,11 0,014 1,82 0,047<br />
12 1,15 0,022 1,69 0,080<br />
FTH200P<br />
Tabelle 8.5.: Clusterbreiten des hochbestrahlten<br />
FTH200P MSSD<br />
Region a ∆a b ∆b<br />
1 nicht genug Daten<br />
2 nicht untersucht<br />
3 1,59 0,029 1,15 0,120<br />
4 1,65 0,030 1,27 0,114<br />
5 1,53 0,019 0,45 0,070<br />
6 nicht untersucht<br />
7 1,56 0,025 1,16 0,092<br />
8 1,57 0,029 1,54 0,110<br />
9 1,46 0,020 0,61 0,093<br />
10 nicht untersucht<br />
11 1,49 0,027 1,21 0,110<br />
12 1,52 0,322 1,37 0,152
B. Näherungsgeraden der Cluster-Ladungen 83<br />
B. Näherungsgeraden der Cluster-Ladungen<br />
Alle Werte sind in Elektronen angegeben. Die Steigung (b) ist in Abhängigkeit des Einfallswinkels<br />
angegeben, der im Bogenmaß angegeben wird.<br />
Tabelle 8.6.: Cluster-Ladung (e-) FTH200Y<br />
MSSD<br />
Region a ∆a b ∆b<br />
1 12484 349 879 2214<br />
2 nicht untersucht<br />
3 15003 288 905 1069<br />
4 16987 363 4398 1268<br />
5 13593 195 3550 660<br />
6 nicht untersucht<br />
7 14063 189 2840 684<br />
8 14003 211 2477 823<br />
9 13171 171 2594 725<br />
10 nicht untersucht<br />
11 13902 182 1668 667<br />
12 Fit nicht möglich<br />
Tabelle 8.7.: Cluster-Ladung (e-) FTH200N<br />
MSSD<br />
Region a ∆a b ∆b<br />
1 15340 431 6229 3235<br />
2 nicht untersucht<br />
3 17480 357 4112 1215<br />
4 16987 363 4398 1268<br />
5 16950 260 2508 766<br />
6 nicht untersucht<br />
7 18817 326 2814 1016<br />
8 18385 317 3334 1093<br />
9 18122 272 2285 1065<br />
10 nicht untersucht<br />
11 18540 232 2136 812<br />
12 17875 235 1798 821<br />
Tabelle 8.8.: Cluster-Ladung (e-) FTH200P<br />
MSSD<br />
Region a ∆a b ∆b<br />
1 13713 226 1859 1564<br />
2 13409 132 2664 726<br />
3 15008 232 2949 1091<br />
4 15118 195 1186 732<br />
5 15051 152 2883 566<br />
6 14769 120 2664 398<br />
7 14620 191 884 637<br />
8 13858 189 1687 692<br />
9 14151 150 1740 627<br />
10 13535 105 2508 391<br />
11 13853 292 2554 1924<br />
12 16044 557 1753 4461<br />
Tabelle 8.9.: Cluster-Ladung (e-) FTH200P<br />
MSSD, F = 1e15<br />
Region a ∆a b ∆b<br />
1 Fit nicht möglich<br />
2 nicht untersucht<br />
3 12875 252 2882 1112<br />
4 12753 227 879 907<br />
5 13077 185 1342 638<br />
6 nicht untersucht<br />
7 13826 243 2311 970<br />
8 13903 298 2911 1194<br />
9 14087 240 1915 1103<br />
10 nicht untersucht<br />
11 Fit nicht möglich<br />
12 13265 418 7486 3558
84 Abbildungsverzeichnis<br />
C. Näherungsgeraden der Cluster-Hauptstreifenladungen<br />
Alle Werte sind in Elektronen angegeben. Die Steigung (b) ist in Abhängigkeit des Einfallswinkels<br />
angegeben, der im Bogenmaß angegeben wird.<br />
Tabelle 8.10.: Cluster-Hauptstreifenladung<br />
FTH200Y MSSD<br />
Region a ∆a b ∆b<br />
1 13015 293 -3283 1851<br />
2 nicht untersucht<br />
3 15276 220 -5990 849<br />
4 15293 202 -9733 661<br />
5 14741 160 -3600 551<br />
6 nicht untersucht<br />
7 14290 146 -5649 503<br />
8 14161 162 -7093 620<br />
9 13704 139 -2825 607<br />
10 nicht untersucht<br />
11 13759 150 -5708 516<br />
12 13030 126 -5170 530<br />
Tabelle 8.11.: Cluster-Hauptstreifenladung<br />
FTH200N MSSD<br />
Region a ∆a b ∆b<br />
1 15312 373 -762 2773<br />
2 nicht untersucht<br />
3 15549 260 -4313 957<br />
4 15362 248 -6999 863<br />
5 15784 205 -2815 613<br />
6 nicht untersucht<br />
7 16037 196 -5297 637<br />
8 16010 227 -6797 774<br />
9 16364 206 -2577 837<br />
10 nicht untersucht<br />
11 16573 173 -7060 590<br />
12 15986 186 -9015 607<br />
Tabelle 8.12.: Cluster-Hauptstreifenladung<br />
FTH200P MSSD<br />
Region a ∆a b ∆b<br />
1 14832 189 -2733 1336<br />
2 14940 112 274 625<br />
3 15930 169 -6784 746<br />
4 15865 162 -8690 616<br />
5 15996 129 -3299 485<br />
6 16048 97 -210 328<br />
7 15350 149 -7993 483<br />
8 14706 153 -8047 556<br />
9 14908 127 -3545 532<br />
10 14839 87 22 330<br />
11 14221 153 -7455 488<br />
12 15069 191 -8909 385<br />
Tabelle 8.13.: Cluster-Hauptstreifenladung<br />
FTH200P MSSD, F = 1e15<br />
Region a ∆a b ∆b<br />
1 10548 287 -1514 2353<br />
2 nicht untersucht<br />
3 10359 202 -1057 872<br />
4 10431 175 -4816 675<br />
5 10823 154 -988 531<br />
6 nicht untersucht<br />
7 11314 182 -2585 691<br />
8 11669 222 -4052 810<br />
9 11873 192 -785 840<br />
10 nicht untersucht<br />
11 12743 375 -5852 2924<br />
12 11636 240 -3142 1240
D. Konstruktionspläne des MSSD-Moduls 85<br />
D. Konstruktionspläne des MSSD-Moduls<br />
Dieses Kapitel gibt die im Rahmen dieser Diplomarbeit erstellten Konstruktionspläne <strong>für</strong><br />
das MSSD-Modul wieder.<br />
Abbildung 8.1.: Übersicht der konstruierten Teile <strong>für</strong> das MSSD-Modul<br />
Abbildung 8.2.: Die Kupferplatte des MSSD-Moduls
86 Abbildungsverzeichnis<br />
Abbildung 8.3.: Der Rahmen des MSSD-Moduls<br />
Abbildung 8.4.: Der Rahmen des MSSD-Moduls (weitere Maßangaben)
D. Konstruktionspläne des MSSD-Moduls 87<br />
Abbildung 8.5.: Die Vorderseite des Rahmens des MSSD-Moduls<br />
Abbildung 8.6.: Die Quellenbrücke des MSSD-Moduls
88 Abbildungsverzeichnis<br />
Abbildung 8.7.: Layout der Platine <strong>für</strong> die MSSD-Sensoren<br />
Abbildung 8.8.: Schaltplan der Platine <strong>für</strong> die MSSD-Sensoren
E. GEAR-Datei des Teleskops 89<br />
E. GEAR-Datei des Teleskops<br />
Im Folgenden wird die zuletzt verwendete GEAR-Datei zur Beschreibung der geometrischen<br />
Anordnung der Referenzmodule sowie des DUT (Layer 3) wiedergegeben.<br />
<br />
-<br />
<br />
<br />
<br />
-<br />
-<br />
<br />
<br />
<br />
-<br />
-<br />
<br />
<br />
<br />
-<br />
<br />
<br />
<br />
-<br />
<br />
<br />
<br />
-<br />
<br />
<br />
<br />
-<br />
<br />
<br />
<br />
-<br />
<br />
<br />
<br />
-<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
90 Abbildungsverzeichnis<br />
F. ROOT Script zur binären Interpretation<br />
F.1. Algorithmus<br />
Dargestellt wird ein Auszug aus dem erstellten ROOT-Script zur binären Interpretation.<br />
Der Auszug gibt den verwendeten Algorithmus zur Clusteridentifikation wieder.<br />
int t = 0;<br />
int str_begin = 0;<br />
int str_end = 0;<br />
int str_clusterbegin = 0;<br />
int str_clusterend = 0;<br />
if (chipnumber % 2 == 0){ // gerade Chipnummer -> linke Streifen<br />
str_begin = 4; // erster betrachteter Streifen<br />
str_end = 124; // letzter betrachteter Streifen<br />
} else { // ungerade Chipnummer -> rechte Streifen<br />
str_begin = 133; // erster betrachteter Streifen<br />
str_end = 252; // letzter betrachteter Streifen<br />
}<br />
int str = 0;<br />
if (A->time() > timecut_begin && A->time() < timecut_end) // Plumper Timecut<br />
for (t=1; t t && (pol*A->signal(str - 1) signal(str) signal(str - 1) > t){ // unter threshold, kein Cluster mehr<br />
str_clusterend = str;<br />
thresh[t][str_clusterend-str_clusterbegin]++;<br />
} else if (str == str_end && pol*A->signal(str) > t ) {<br />
if (pol*A->signal(str-1) > t) // Clusterende<br />
thresh[t][(str_end-str_clusterbegin)+1]++;<br />
else if (pol*A->signal(str-1)
Prüfungserklärung<br />
Hiermit versichere ich, dass ich die vorliegende Arbeit selbständig verfasst, noch nicht<br />
anderweitig <strong>für</strong> Prüfungszwecke vorgelegt, keine anderen als die angegebenen Quellen<br />
oder erlaubten Hilfsmittel benutzt, sowie wörtliche oder sinngemäße Zitate als solche<br />
gekennzeichnet habe.<br />
Karlsruhe, 10. April <strong>2013</strong><br />
Reinhard Randoll<br />
91
Danksagung<br />
Ich danke herzlich allen, die zum Gelingen dieser Diplomarbeit beigetragen haben.<br />
Herrn Professor Dr. Thomas Müller danke ich <strong>für</strong> die Möglichkeit, meine Dplomarbeit<br />
am <strong>IEKP</strong> anzufertigen. Herrn Professor Dr. Wim de Boer danke ich <strong>für</strong> die Übernahme<br />
des Koreferats.<br />
Für die Betreuung der Arbeit, seine Anregungen und Hilfestellungen danke ich Herrn<br />
Dr. Alexander Dierlamm.<br />
Für seine große Unterstützung beim Betrieb von Experimenten und bei der Verwendung<br />
von Analysesoftware sowie der Korrektur dieser Arbeit danke ich Herrn Andreas Nürnberg.<br />
Ein Dank geht an die Doktoranden Robert Eber, Karl-Heinz Hoffmann und Martin Printz<br />
<strong>für</strong> die gute Büroatmosphäre und die inhaltliche und sprachliche Korrektur dieser Arbeit.<br />
Ebenso bedanke ich mich bei den Diplomanden Sabine Frech und Lokman Altan, <strong>für</strong> viele<br />
Anregungen bei der Anfertigung dieser Arbeit und die gute Büroatmosphäre.<br />
Ich danke Frau Pia Streck und Herrn Tobias Barvich <strong>für</strong> die Hilfe bei der Fertigung<br />
der MSSD-Moduls. Bei Herrn Felix Bögelspacher bedanke ich mich <strong>für</strong> die kurzfristige<br />
Durchführung der Bestrahlung von zwei MSSD.<br />
Ich danke Frau Ewa Holt <strong>für</strong> ihre Messungen an der Probestation an MSSD.<br />
Ich danke den Mitarbeitern der Auf nach Mallorca GmbH, die meine Arbeitskraft ein<br />
Jahr lang mit dem <strong>Institut</strong> teilen mussten, <strong>für</strong> ihr Verständnis.<br />
Besonders danke ich meinen Eltern, Andrea und Dr. Helmut Randoll sowie meiner Freundin<br />
Elena Löhr <strong>für</strong> ihre große Unterstützung.<br />
93