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Corso di laurea specialistica in Fisica Ambientale e Biomedica ANALISI DEI DATI DI UN TEST SU FASCIO DI RIVELATORI AL SILICIO 3D FBK-irst DOUBLE-SIDE DOUBLE.

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1 Corso di laurea specialistica in Fisica Ambientale e Biomedica ANALISI DEI DATI DI UN TEST SU FASCIO DI RIVELATORI AL SILICIO 3D FBK-irst DOUBLE-SIDE DOUBLE TYPE COLUMN Relatore: Prof.sa A.M. Solano Correlatori: Dott. A. La Rosa Prof. G.-F. Dalla Betta 1 Candidato: M. Borri

2 Contenuti Introduzione ai rivelatori 3D. Descrizione del test su fascio. Analisi dei dati: – Time-over-Threshold; – Charge sharing; – Risoluzione spaziale; – Efficienza. 2

3 I rivelatori a giunzione al silicio Gap energetico a 300KeV1.12 Energia di ionizzazioneeV3.6 Densitàg/cm Perdita di energia media di una mip MeV cm 2 /g1.664 Valori del silicio 3 Substrato debolmente drogato n (area sensibile). Elettrodo di giunzione drogato fortemente p (catodo). Elettrodo ohmico drogato fortemente n (anodo). Particella ionizzante: la carica prodotta per ionizzazione viene raccolta dagli elettrodi. Polarizzazione inversa Per un rivelatore di spessore di 250 um: 20 ke - PLANARE n-in-n

4 Larchitettura 3D CONFRONTO SENSORE 3D E PLANARE Nei sensori 3D si ha un disaccoppiamento tra la profondità del sensore e la distanza di raccolta di carica. VANTAGGI: Distanza tra gli elettrodi corta. Voltaggio di svuotamento basso. Tempo di raccolta breve. Resistenza alla radiazione. Bordo attivo. SVANTAGGI: Risposta non uniforme dovuta alla presenza degli elettrodi. Capacità del sensore alta. Processi di fabbricazione complessi. 3DPLANARE Distanza di raccolta50 um300 um Tensione di svuotamento <10 V70 V Tempo di raccolta1-2 ns10-20 ns Zona morta di bordo< 5 um>500 um BORDO ATTIVO 4 S. Parker NIM A 395 (1997) 328

5 Elettrodi e caratteristiche dei sensori C.DaVià, NIM A 604 (2009) 505 Sensori a pixel 3D a colonne passanti con geometria di ATLAS per una possibile applicazione nellupgrade.

6 I sensori 3D-DDTC I sensori 3D Double-side Double Type Column (DDTC) hanno colonne di entrambi i tipi droganti, penetranti parzialmente il substrato da entrambe le facce. Prestazioni comparabili a quelli a colonna passante se la distanza per cui differiscono dallo spessore del substrato è piccola. FBK-irst – INFN e Università di Trento d0d0 d Elettrodi di giunzione (n + ) Spessore substrato (drogato debolmente p) Elettrodi ohmici (p + ) A.Zaboli, IEEE Trans.Nucl.Sci. NS-55(5) (2008) D-DTC-23D-DTC-2B Spessore del substratoum200 Spessore colonna di giunzione (n + )um Spessore della colonna ohmica (p + )um Sovrapposizione delle colonneum Concentrazione del drogaggio del substrato cm -3 1 X X Caratteristiche costruttive delle due tipologie di sensori DDTC.

7 Il test su fascio BAngolo OFF0 /12 ON0 /12 Dal 25 maggio al 2 giugno Linea di fascio H8 del SPS (CERN). Fascio di +- con energia 180 GeV. DUTTipologiaBias (V) PLANARPlanare n-in-n-150 STA-3E3D colonna passante-35 FBK-3E73D-DTC-2B-8 FBK-3EM53D-DTC-2-35 Prima volta con campo magnetico B=( )T 7 Telescopio (Bonn ATLAS Telescope - BAT): - rivelatori a strip di area (3.2X3.2)cm 2 e passo 50 um; - risoluzione spaziale di 5.5 um. SCINT#1,2VETO I rivelatori 3D studiati nel test sono a pixel 3E.

8 ATLAS pixel readout chip (FE-I3) Standard 0.25um CMOS. Resistenti alla radiazione fino ad una dose di 50 Mrad. Matrice di 160 X 18 canali ciascuno di (400 X 50) um 2. Il chip misura la carica generata dalla particella ionizzante nel sensore in termini di Time-over-Threshold (ToT). Il ToT dipende da: Carica prodotta; Soglia del discriminatore; Corrente di feedback. Il ToT è in unità di 25 ns. 8 Calibrazione: 20ke - = 60 ToT.

9 La presa dati e lanalisi eventi per run. 15 minuti per un singolo run. 700 run acquisiti in totale. Ricostruzione delle tracce: - Le tracce sono ricostruite per gli eventi acquisiti che hanno registrato un hit in tutti i piani del telescopio. - Un file.root per ogni run contenete le informazioni di tutte le tracce. 9 Data Quality Monitor : - Controllo sincronizzazione tra i piani del telescopio e i rivelatori. Analisi off-line: - Analisi sui file.root. - Misure preliminari presentate in questa tesi: - Time-over-Threshold; - Charge sharing; - Risoluzione spaziale; - Efficienza.

10 I run 3D-DTC-23D-DTC-2B BARun rangeAccettanzaTracceAccettanzaTracce OFF % 4.30X % 3.25X10 5 OFF / % 1.99X % 1.82X10 5 ON % 3.28X % 3.48X10 5 ON / % 5.41X % 5.57X Larea analizzata è compresa tra le righe e le colonna (per eliminare i pixel di dimensioni diverse da (400 X 50) um 2 )

11 Time-over-Threshold Il Time-over-Threshold (ToT) è la misura della carica prodotta nel sensore dalla particella ed è in unità di 25 ns. Configurazione3D-DTC-23D-DTC-2B BAMPV MPV OFF ON OFF / ON / Alle distribuzioni è sovrapposto, sul 90% dellarea partendo da destra, un fit a una distribuzione di Landau. 3D-DTC-23D-DTC-2B Spessore - dum200 Valore attesoToT48 3D-DTC-2-35 V;3D-DTC-2B-8 V 11 3D-DTC-2 - B=OFF; A=0 MPV= Most Probable Value Lattivazione del campo magnetico aumenta lMPV mentre la rotazione del sensore ne diminuisce il valore. Il loro effetto si compensa nella configurazione B=ON A= /12.

12 Charge sharing (1/2) Suddivisione della carica prodotta dalla particella tra i pixel: Angolo di Lorentz prodotto dal campo magnetico sulla carica ionizzata. Ionizzazione della carica su più pixel PLANARE - B=OFF; A=0PLANARE - B=ON; A=0 12 Nel sensore planare il campo magnetico incrementa il charge sharing.

13 Charge sharing (2/2) B= OFF B= ON A=0 A= /12 3D-DTC-2 Analoghi risultati nel sensore 3D-DTC-2B 13 Il campo magnetico non incrementa la suddivisione di carica tra i pixel. La rotazione del sensore incrementa il charge sharing nella direzione corta del pixel.

14 Risoluzione spaziale 14 A=0 A= /12 B= OFFB= ON Analoghi risultati nel sensore 3D-DTC-2B Y(micron) 3D-DTC-2 Il campo magnetico non modifica la distribuzione dei residui. La rotazione del sensore accentua il profilo gaussiano della distribuzione a causa maggiore charge sharing.

15 Efficienza Configurazioni3D-DTC-23D-DTC-2BPLANARE BA ( 0.001) ( 0.001) ( 0.001) OFF ON OFF / ON / Efficienze calcolate con: ampiezza cluster dal centro del pixel x = 400 um; y = 50 um. tracce con 2 <20. 3D-DTC-2B - B=OFF; A=0 3D-DTC-2B - B=OFF; A= /12 15 La non uniformità dei sensori 3D dovuta alle colonne è superata ruotando il sensore. I valori di efficienza sono massimi nella configurazione B=ON A= /12. 3D-DTC-2B - B=ON; A= /12

16 Conclusioni Sono stati presentati i sensori a pixel 3D-DDTC. Lanalisi preliminare svolta in questa tesi sui dati acquisiti nel test su fascio mostra che: – Il ToT segue la distribuzione di Landau attesa; – Il charge sharing e la risoluzione spaziale sono dipendenti dalla rotazione del sensore ma non dal campo magnetico; – Le efficienze raggiungono valori superiori al 99% nella configurazione B=ON A= /12. I risultati ottenuti in questa tesi sono preliminari e unanalisi più approfondita è in corso da parte del gruppo di lavoro ATLAS 3D Sensor. Sono previste nuove misure sui sensori e il loro irraggiamento. 16

17 BACK-UP 17

18 ToT (1/2) 18

19 19 ToT (2/2)

20 Charge Sharing 20

21 21 Residui (1/2)

22 Residui (2/2) 22

23 Efficienza 23

24 Noise vs HV 24 Oct. 2, 2009 Alessandro La Rosa CERN

25 B vs E 25 B=OFFB=ON

26 SILICON SENSORS FOR PARTICLE DETECTION The idea is to get information about a particle crossing the sensor, reading the signal produced by ionization. N-type and P-type silicons are put in touch to crate a junction. A depletion zone arises near the interface. To increase the depleted zone: – Put in touch high-doped part with low-doped part. – Apply a reversal bias. Particle passing through the depletion region of the silicon ionizes and generate a current. N-typeP-type +-

27 27 A. La Rosa, Preliminary results of 3D-DDTC pixel detectors for the ATLAS upgrade given talk at RD09. Proceeding

28 RADIATION HARDNESS Main radiation effects: – Increase of the leakage current. – Decrease of the signal. – Change of the space charge in the depleted region need to increase the bias voltage. The 3D charge collection allows to minimize the effect of the radiation damage during the charge drift. Radiation hardness is one of the most important 3D features for high energy physics. L= inner electrode distance. K = damage constant. D = electron saturated drift velocity. = particle fluence. Signal efficiency: C.DaVià, NIM A 604 (2009) 505

29 Dispositivo sperimentale 29

30 FE-I3 30 Pixel Unit Cell (PUC) I. Peric, NIM A 565 (2006) ke - Segnale MIP 20 ke - Noise 200 e - Threshold 3200 e -

31 3D-DDTC 31 3D-DTC-23D-DTC-2B Spessore del substratoum200 Spessore colonna di giunzione (n + )um Spessore della colonna ohmica (p + )um Sovrapposizione delle colonneum Concentrazione del drogaggio del substratocm -3 1 X X Tensione di svuotamento lateraleV31-2 Tensione di svuotamento totaleV123-4 Corrente di leakagepA/colonna<1 Capacità vs backplanefF/colonna Tensione di break-downV>70 G.-F. Dalla Betta, Development of 3D-DDTC pixel detectors for the ATLAS upgrade, presentato al 7° International Hiroshima Symposium on Development and Application of Semiconductor Tracking Devices, Hiroshima (Japan), Aug.27-Sep.1 (2009).

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