Complemento alle Esercitazione sui Rivelatori al Silicio

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Gabriela Calabrese
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1 Complemento alle Esercitazione sui Rivelatori al Silicio Nov Particelle I (liberamente tratto dal Seminario di G.Rizzo) 1

2 Applicazione del Si cometarghetta Attiva UN TELESCOPIO DI RIVELATORI, UTILIZZATO NEGLI ESPERIMENTI A BERSAGLIO FISSO (es NA1). BERSAGLIO ATTIVO : SEDE DELL INTERAZIONE E AL CONTEMPO RIVELATORE DELLA POSIZIONE DELL INTERAZIONE E DEI VERTICI SECONDARI particella o fotone primario TELESCOPI DI QUESTA NATURA SONO REALIZZATI CON RIVELATORI AL SILICIO 300 um di spessore e completamente svuotati, posti ortogonalmente al fascio. FUNZIONE DI RIVELAZIONE: IL CAMPIONAMENTO DELLA PERDITA SPECIFICA DI ENERGIA de/dx NELLA DIREZIONE DEL FASCIO. 2

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 particella o fotone primario TELESCOPI DI QUESTA NATURA SONO REALIZZATI CON RIVELATORI AL

3 de/dx radiazione primaria corpuscolare 2 MIP 3 MIP 5 MIP 1 MIP de/dx radiazione primaria fotone rumore elettronica 2 MIP 3 MIP 5 MIP P. F. Manfredi Rivelatori ed Elaborazione del Segnale 3

4 Rivelatori al silicio nel cuore del sistema di tracciatura Forniscono punti ad elevata risoluzione vicino alla zona d interazione per estrapolare le tracce al punto d interazione Migliorano la risoluzione sul parametro d impatto e permettono la ricostruzione dei vertici secondari Fondamentali per la fisica dei flavour pesanti: Identificazione di eventi di b in presenza di tracce ad alto parametro d impatto Misure di vita media dalla ricostruzione della lunghezza di decadimento o del parametro d impatto 4

ricostruzione dei vertici secondari Fondamentali per la fisica dei flavour pesanti: Identificazione di eventi di b in presenza

5 L esperimento ALEPH 5

6 B-physics Detecting vertices... 6

7 ALPEH VDET (the upgrade) 2 silicon layers, 40cm long, inner radius 6.3cm, outer radius 11cm 300µm Silicon wafers giving thickness of only 0.015X 0 S/N rφ = 28:1; z = 17:1 σ rφ = 12µm; σ z = 14µm 7

8 Risoluzione sul parametro d impatto per tracce ricostruite con 2 hits nel σ b rivelatore di vertice (ALEPH) = 95µ m 25µ m + p( GeV / c) 1 Senza hit in VDET tracce a 45 GeV/c σ b = 110µm 8

9 Risoluzione sulla lunghezza di decadimento con e senza VDET (ALEPH) 9

10 LEP: Aleph started the game first, immediately followed by the others ALEPH VDETII DELPHI Si Tracker OPAL µvtx3 L3 SMD K.Österberg, Performance of the vertex detectors at LEP2, NIM A435 (1999) 10

11 Perche il silicio per la tracciatura? Permette elevata segmentazione e precisione di pochi um sul punto Alta velocita (raccolta di carica in ~10 ns) Bassa energia (3.6 ev) per creare coppia elettrone- lacuna (~30 ev gas) Alta densita e numero atomico: ρ = 2.33g / cm rilascio di energia in 300 um di Si ~ e-h Solido e compatto 3 de / dx MIN = 1.66MeV / g cm 2 11

12 Camere a ionizzazione a stato solido -V SiO 2 Contatto Al p n + + E r Contatto Al n type 5kΩ cm 300 µm SiO 2 0 Rispetto al gas: Piu denso -> piu sottile (300 um di Si) Carica sufficiente senza moltiplicazione Utilizza i portatori di entrambi i segni Bassa energia di ionizzazione 12

denso -> piu sottile (300 um di Si) Carica sufficiente senza

13 Motivazioni scelte tecniche Silicio n-type 5 kω cm: Disponibilita e costo Drogaggio n+: definisce la fine della zona svuotata e forma un buon contatto ohmico Drogaggio p+: per fare la giunzione Contatto Al: collegamento elettrico, Al facile da depositare e forma buon contatto Ossido SiO 2 : Passivazione evita che alla superficie del Si restino legami non chiusi che formano centri di intrappolamento e generazione 300 um: tecnologia elettronica OK ( um) 13

facile da depositare e forma buon contatto Ossido SiO 2 : Passivazione evita che alla superficie del Si restino

14 Contributi alla corrente di leakage in polarizzazione inversa 1 ma I = qv / kt I0( e 1) 1 ua Centri di generazione nel volume I L α X d α (N d ) 1/2 10 na/cm um Importante la qualita del materiale e del processo di fabbricazione Generazione superficiale: viene ridotta con Ossido di buona qualita Anelli di guardia che la assorbono 14

Importante la qualita del materiale e del processo di fabbricazione Generazione

15 Rivelatori a microstrip Struttura geometrica e caratteristiche elettriche Tecnologia di produzione Rumore nella lettura Risoluzione Lettura sulle due facce 15

16 Schema rivelatore a strip 16

17 Dettaglio maschere p+ side 17

18 Dettaglio maschere n+ side 18

19 V Sorgenti di rumore R Schema di lettura Det C D I L τ P = peaking time Shot Noise ENC = I L τ q P Andamento con τ p Thermal Noise ENC = ktτ P R Preamplifier Noise ENC = a + b C D b 1 τ P 10 30e / pf 19

20 Risoluzione (90 0 ) Lettura digitale (SI/NO) Distribuzione uniforme nell area sottesa da una striscia σ = Probabilita di avere ( =x mis -x inc ), con illuminazione uniforme Divisione di carica con lettura analogica p 12 -P/2 pitch +P/2 2 σ p S N 2 p / N + 12 = F 2 N F strisce flottanti Permette di avere buone risoluzioni senza divergere con i canali di lettura pitch 20

carica con lettura analogica p 12 -P/2 pitch +P/2 2 σ p S N 2 p / N + 12 = F 2 N F strisce

21 21

22 Rivelatori a doppia faccia Si raccolgono sia buche che elettroni Minor materiale a parita di informazioni Maggiore complessita tecnica Maggior costo Non basta suddividere l elettrodo sul lato posteriore a causa dell accumulo di carica superficiale n n+ Soluzione sviluppata a Pisa ( 86): strip p+ per interrompere lo strato di accumulazione di e- che cortocircuiterebbe tutte le strip n+ p-stops 22

23 Trackers for the B-factories: the BaBar Silicon Vertex Tracker 23

24 B-factories primary goal: Physics Requirements - Study of CP asymmetries in B decays (Branching Ratios ~ ) - Overconstrain CKM matrix parameters Beam Pipe 27.8mm radius Layer 5a Layer 5b Layer 4b Layer 4a Layer 3 Layer 2 Layer 1 Main SVT physics requirements: - SVT standalone tracking for p t < 120 MeV/c with high efficiency - Single vertex resolution along z-axis better than 80 µm (< z> of B mesons about 250 µm) - Radiation hard up to 2 Mrad 24

25 SVT Layout PEP-II constraints: - Permanent (B1) dipole magnets restrict polar acceptance: 17.2 o < θ < 150 o - Bunch crossing period: 4.2 ns (almost continuous interactions!) - Radiation hardness - Microstrip silicon detector; 5 double-sided layers - Completely independent mechanically from BaBar - Layer 1-3 (barrel-shaped) for a precise measurement of track impact parameter - Layer 4-5 (arch shaped) for pattern recognition and low pt tracking - X 0 (Si) = 9cm: multiple scattering is the limiting factor to the resolution k channels, 340 wafers (6 different models) 25

26 N _ side P-stop 55 µm n + Implant Bias line P _ side Polysilicon bias resistor Guard ring p + Implant Al 50 µm Polysilicon bias resistor Guard ring - Double-sided, AC-coupled Si - Integrated polysilicon bias resistors µm n-type (4-8 kωcm) - P+ and n+ strips perpendicular to each other 26

27 The AToM Chip (A Time over Threshold Machine) Ch s/chip - Rad-Hard bulk 0.8 mm CMOS process (HONEYWELL 4 ) 5.7 mm - Capable of simultaneous: Acquisition Digitization Sparsified Readout - No common mode noise: separation analog/digital parts in the chip layout proper system shielding 8.3 mm - Info from AToM: Timestamp T 0 and TOT - Internal charge injection - Digital-based diagnostics 27

28 28

29 Fanout circuits provide electrical connections between the detector strip and the front-end chip Fanouts Properties: Cu (Cr and Au) layer on an Upilex substrate (50 µm thick, < 0.03%X 0 ) C = 0.52 pf/cm R = 2 Ω/cm 29

30 SVT Module / Layer: L 1-2 : 6 L 3 : 6 L 4A+B: L 5A+B:

31 Performance hit resolution TDR target for perpendicular tracks p > 1 GeV: Layer µm Layer µm 31

32 Performance hit efficiency Hit efficiency is typically 98% Slow pion efficiency > 70% for p t >80 MeV/c 32

33 Expected damage to the sensors A) Current (µ Layer 1 Module BiasN+EdgeN BiasP EdgeP Increase in leakage current Irradiation tests at Elettra (Trieste) and SLAC T=17oC Radiation (KRad) In full agreement with measurements on the real SVT Change in depletion voltage and type-inversion Several test with electrons in the GeV range (0.9 to 3 GeV) After type-inversion detector functionality still look OK 33

34 Segmentazione a pixel (ricostruzione non ambigua della coordinata 2D utile in presenza di alti rate di particelle) 34

35 Passato/presente/futuro H. Sadrozinski, Application of Silicon Detectors, IEEE Trans NS-48, nr. 4 (2001),

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