Advanced planar pixel technology developments for ATLAS upgrade phase 2

par Dmytro Hohov

Thèse de doctorat en Physique des particules

Sous la direction de Abdenour Lounis.

Le président du jury était Fabien Cavalier.

Le jury était composé de Abdenour Lounis, Fabien Cavalier, Farès Djama, Giovanni Calderini, Maxim Titov, Sergey Barsuk.

Les rapporteurs étaient Farès Djama, Giovanni Calderini.

  • Titre traduit

    Avancées technologiques dans le domaine des pixels planaires pour l'expérience ATLAS Phase 2


  • Résumé

    Le complexe d'accélérateurs du grand collisionneur de hadrons (le Large Hadron Collider - LHC) sera mis à jour lors du long arrêt de la période LS3 en 2023-2025 pour passer à la phase de haute luminosité (HL-LHC). La luminosité instantanée sera multipliée par 5 pour atteindre 7.5×10³⁴ cm⁻²s⁻¹, ce qui correspond à environ 200 collisions inélastiques par croisement de paquets comparé aux 50 par croisement au LHC. Pendant le fonctionnement du HL-LHC, afin d'atteindre une haute précision dans les études des processus physiques du modèle standard et les recherches de nouvelle physique, le collisionneur à protons devra fournir une luminosité intégrée de l’ordre 400 fb⁻¹ par an pendant une dizaine d’années soit 4000 fb⁻¹ escomptées. Ceci représente un ordre de grandeur supérieur à l'ensemble de la période du LHC. Le détecteur interne (Inner Detector) ATLAS actuel ne sera pas en mesure de faire face efficacement à l'augmentation du taux d'événements et de la dose de rayonnement. Afin d’obtenir des performances au minimum égales ou supérieures à celles de la phase LHC, et tenant compte d’un environnement plus hostile en termes de radiations et d’empilements d’évènements, il a été décidé d’opérer le remplacement complet du trajectomètre interne ou Inner Tracker (ITk); à cette fin, une technologie tout silicium a été choisie. Cette thèse est axée sur l'étude de nouveaux capteurs pixels planaires fins à bords très minces, basés sur le concept d’utilisation de matrices de diodes à implants dopés n sur un substrat dopé p. Ce choix est motivé par les critères de meilleure performance intrinsèque, de radio-tolérance élevée ainsi qu’un coût de production optimisé pour de grandes surfaces. Dans ce travail, des capteurs de différentes épaisseurs allant de 50 μm à 150 μm dotés de bords actifs et minces ont fait l’objet d’études approfondies notamment lors de leur fonctionnement à haut flux de particules chargées. De nombreuses analyses minutieuses ont été menées pour déterminer leur résolution en position à l’aide d’un télescope de faisceau de haute énergie. Les régions d’impacts sur la zone active des pixels ainsi que sur la région des contours ont été scrutées avant et après leur irradiation. En effet, de nombreux résultats obtenus en faisceau de protons et électrons seront montrés, notamment une étude comparative des différents concepts de matrices de capteurs de pixels planaires lus avec la puce de lecture « FE-I4 » en technologie CMOS 130 nm. Préparant la phase future du LHC, nous montrerons les premiers résultats obtenus avec la nouvelle génération de pixels granulaires. Ces matrices ont été couplées à la nouvelle puce de lecture frontale récemment développée au CERN, utilisant la technologie CMOS 65 nm. Ces capteurs dotés d’ une plus fine granularité de 50×50 μm² , ont un pas optimisé lequel est nécessaire pour maintenir un taux d'occupation aussi bas que possible dans un contexte de multiplicités de particules chargées très élevées. Dans ce travail, une contribution personnelle à l’électronique de lecture sera détaillée, en particulier les études ont été menées sur la puce nommée «Ring-Oscillator» ou moniteur de radiations, développée au laboratoire. On décrira son comportement dynamique en fonction de la température, de la tension nominale et en conditions hautement radiatives (500 MRad). La mise au point d’un nouvel outil de caractérisation de détecteurs pixels a fait l’objet d’un développement important. Grâce à un ensemble basé sur une excitation laser de 1060 nm, il sera possible de disposer d’un système précis et autonome capable de mesurer rapidement les caractéristiques fonctionnelles des matrices de pixels avec une excellente résolution spatiale. Les caractéristiques de cet outil feront l’objet d’une présentation exhaustive.


  • Résumé

    The Large Hadron Collider (LHC) will go through the accelerator complex upgrade during the LS3 long shutdown in 2023-2025 to move to the High Luminosity phase (HL-LHC). As a result, an instantaneous luminosity will increase sevenfold to 7.5×10³⁴ cm⁻²s⁻¹, corresponding to approximately 200 inelastic collisions per bunch-crossing, whereas the LHC runs resulted in up to 50 collisions per bunch-crossing. During the operation of the HL-LHC, in order to achieve high-precision in studies of Standard Model processes and searches for new physics, about 4000 fb⁻¹ of integrated luminosity be collected, which is of an order of magnitude larger than over the entire LHC period. The present ATLAS Inner Detector (ID) will not be able to efficiently cope with the increased event rate and radiation dose. Due to this fact the complete replacement of the ID is foreseen with fully silicon Inner Tracker (ITk) to provide high tracking performance in harsher environment delivered by the HL-LHC. This thesis is focused on the study of new n+-in-p planar silicon sensors, as a promising option to instrument the ITk pixel layers, considering their radiation hardness and cost-effectiveness. Sensors of different thicknesses ranging from 50 µm to 150 µm of active and slim edge designs have been tested at a high energy particle beam to investigate hit efficiency performance analyzed on the pixel active area and on the edge area before and after irradiation. The test beam results and their comparison for the different designs of the pixel sensors compatible with FE-I4 readout chip are discussed. Also, the first results on test beam characterization of the pixel modules employing a newly developed prototype of readout chip for the ITk, RD53A chip, implemented in 65 nm CMOS technology, were obtained. The sensors with the decreased to 25×100 µm² and 50×50 µm² pixel pitch to maintain the lower level of occupancy at high particle multiplicity were measured. Additionally, the tests of ring oscillators, contained in RD53A chip, which may be used as a monitor of the received radiation dose, were carried out depending on temperature, supplied voltage and irradiation level up to 500 MRad. Finally, the test bench setup for silicon pixel detectors characterization using an infra-red laser has been the subject of an original development in this thesis. The setup was developed in the clean room at Laboratoire de l'accélérateur linéaire (LAL) and it is capable of rapidly measuring the functional characteristics, providing a flexible charge injection with well-defined hit position to characterize the silicon pixel matrixes. The software to control the setup was created using LabVIEW programming environment. The results of the measurements with the FE-I4 module implemented with openings allowing the laser beam passage on a sensor backside are presented in this thesis.


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