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

3 Dottorando Andrea Micelli University of Udine ATLAS Pixel Upgrade ATLAS 3 Layers:3 Layers: B-Layer, 286 moduli Layer-1, 494 moduli Layer moduli 6 disk:6 disk: 144 moduli Pixel detector module 46 m 25 m 7000 t 1,3 m 35 cm Pixel detector ATLAS detector

4 Dottorando Andrea Micelli University of Udine ATLAS Pixel Upgrade Rivelatori al silicio: principi base Pixel detector module Gounzione p-n: applicando una tensione inversa alla giunzione si crea una zona priva di cariche: zona sensibile del rivelatore al passaggio di una particella si produce una coppia e -, h + il segnale viene raccolto agli elettrodi Generazione di coppie elettrone-lacuna

5 Dottorando Andrea Micelli University of Udine ATLAS Pixel Upgrade Introduzione – L upgrade dellLHC (Fase 1 in ) ed il progetto sLHC (Fase 2) richiederanno un nuovo rilevatore a pixel di Silicio. Un Layer addizionale, resistente alla aumentata radiazione, da aggiungere al rivelatore esistente (Insertable B-Layer o IBL), è in fase di sviluppo e sarà posizionato nelle vicinanze del fascio di particelle. Tale layer dovrà avere: - una ridotta tensione di svuotamento - un ridotto tempo di cattura delle cariche - un aumento della velocità - una minore regione a charge sharing, per minimizzare la possibile riduzione del segnale Tre tipi di sensori sono stati presi in considerazione: - Full-3D active edge (Colonne passanti - 3D Stanford) - Double Sided 3D sensors – prodotti dallistituto FBK (Fondazione Bruno Kessler) di Trento: dove gli elettrodi n e p sono perpendicolari alla superficie e penetrano attraverso il substrato - Sensori planari IBL

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

2 Dottorando Andrea Micelli University of Udine ATLAS Pixel Upgrade 3D vs planari 3DPlanar Depletion voltage<10 V70V Edge sensitivity< 5 μm500μm Charge 1MIP (300mm)24000e- Capacitance30-50fF20fF Collection distance50μm300μm Speed1-2 ns10-20ns maggiore resistenza alla radiazione maggiore velocità di collezione Principali candidati per il prossimo rivelatore a pixel per sLHC.

4 Dottorando Andrea Micelli University of Udine ATLAS Pixel Upgrade R&D: 3D FBK 3D-STC (Single type Column): colonne di un solo drogante colonne su singola faccia penetranti parzialmente 3D-DDTC (Double Side Double type Column): colonne di entrambi i drogaggi colonne su entrambe le faccie penetranti parzialmente nel substrato Entrambi hanno substrato di tipo p, diametro delle colonne 10 μm che penetrano su uno o su entrambi i lati del substrato. Colonne n + (c. di giunzione) sono isolate (p- spray) mentre le p + (c. ohmiche) collegate collegate fra loro tramite unica metalizzazione, elettrodo negativo (tensione di bias).

6 Dottorando Andrea Micelli University of Udine ATLAS Pixel Upgrade Attività di laboratorio: test beam Caratterizzazione dei sensori utilizzando pioni a 180GeV/c π + dell SPS del Cern, in presenza di campo magnetico Apparato sperimentale: attrezzatura e DuT inseriti allinterno del dipolo magnetico, con campo magnetico verticale di 1.6T 3 DuT: 1 planare, 1 Stanford a colonna passante, 1 FBK-3EM9 telescopio (Bonn Atlas Telescope - BAT) per la misura delle tracce costituito da tre piani di rivelatori a micro-strip sistema di trigger: 2 scintillatori in fronte al sistema di tracciatura e uno alla fine (Veto) Presa dati: TurboDAQ del Cern acquisiti circa 700 run con circa eventi per avere una buona statistica

7 Dottorando Andrea Micelli University of Udine ATLAS Pixel Upgrade Analisi Lanalisi sta riguardato: Time over Threshold (ToT) : studio della carica raccolta nel pixel charge sharing: suddivisione di carica tra i pixel (dovuto al passaggio della carica ionizzante tra più pixel o alla modifica del drift delle cariche ionizzante a causa dellangolo di Lorentz prodotto da un campo magnetico) residui efficienza charge sharing

6 Dottorando Andrea Micelli University of Udine ATLAS Pixel Upgrade Misure effettuate a Trento tensione di breeak down (misure I-V) capacità (misure C-V): legata al rumore??? Le faccio lunedì correnti di perdita: ??? Devo chiedere al prof. Dalla Betta lunedì laser: informazione sulla tensione di completo svuotamento. quando la quantità di carica raccolta satura completo svuotamento rumore: esiste ma non è stata fatta

6 Dottorando Andrea Micelli University of Udine ATLAS Pixel Upgrade Attività future Attività di laboratorio: i.caratterizzazioni di dispositivi: test beam e attività di laboratorio a Udine – Cern ii.sensori planari – STA – FBK (3D DTC 90 e 150 μm) anche col nuovo FE (Front End disponibile a Luglio) iii.attività di laboratorio e collaborazione colIRST di Trento Attività di software i.collaborazione iniziata con Cern - Oslo e SLAC ii.analisi dei dati collezionata durnate I test beam per tutti i sensori

6 Dottorando Andrea Micelli University of Udine ATLAS Pixel Upgrade Buck up

6 Dottorando Andrea Micelli University of Udine ATLAS Pixel Upgrade Contributo Contributo personale: contributo al setup dellapparato sperimentale del test beam presa dati e partecipazione agli shifth dei test beam (Ottobre - Novembre) analisi dei dati

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