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

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Corso di laurea specialistica in Fisica
Ambientale e BiomedicaANALISI 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

Candidato M. Borri
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Contenuti

• Introduzione ai rivelatori 3D.
• Descrizione del test su fascio.
• Analisi dei dati
• Time-over-Threshold
• Charge sharing
• Risoluzione spaziale
• Efficienza.

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I rivelatori a giunzione al silicio
PLANARE n-in-n
Valori del silicio
Gap energetico a 300K eV 1.12
Energia di ionizzazione eV 3.6
Densità g/cm3 2.33
Perdita di energia media di una mip MeV cm2/g 1.664
Per un rivelatore di spessore di 250 um ?20 ke-
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Larchitettura 3D
CONFRONTO SENSORE 3D E PLANARE
S. Parker NIM A 395 (1997) 328

• VANTAGGI
• Distanza tra gli elettrodi corta.
• Voltaggio di svuotamento basso.
• Tempo di raccolta breve.
• Resistenza alla radiazione.
• Bordo attivo.

Nei sensori 3D si ha un disaccoppiamento tra la
profondità del sensore e la distanza di raccolta
di carica.

• SVANTAGGI
• Risposta non uniforme dovuta alla presenza degli
  elettrodi.
• Capacità del sensore alta.
• Processi di fabbricazione complessi.

3D PLANARE
Distanza di raccolta 50 um 300 um
Tensione di svuotamento lt10 V 70 V
Tempo di raccolta 1-2 ns 10-20 ns
Zona morta di bordo lt 5 um gt500 um
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Elettrodi e caratteristiche dei sensori
Sensori a pixel 3D a colonne passanti con
geometria di ATLAS per una possibile applicazione
nellupgrade.
C.DaVià, NIM A 604 (2009) 505
C.DaVià, NIM A 604 (2009) 505
C.DaVià, NIM A 604 (2009) 505
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I sensori 3D-DDTC
FBK-irst INFN e Università di Trento
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.
Caratteristiche costruttive delle due tipologie
di sensori DDTC.
3D-DTC-2 3D-DTC-2B
Spessore del substrato um 200 200
Spessore colonna di giunzione (n) um 100-110 140-170
Spessore della colonna ohmica (p) um 180-190 180-190
Sovrapposizione delle colonne um 90-100 110-150
Concentrazione del drogaggio del substrato cm-3 1 X 1012 7 X 1011
A.Zaboli, IEEE Trans.Nucl.Sci. NS-55(5) (2008)
2275
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Il test su fascio
Dal 25 maggio al 2 giugno 2009. Linea di fascio
H8 del SPS (CERN) . Fascio di ?- con energia
180 GeV.
DUT Tipologia Bias (V)
PLANAR Planare n-in-n -150
STA-3E 3D colonna passante -35
FBK-3E7 3D-DTC-2B -8
FBK-3EM5 3D-DTC-2 -35
Prima volta con campo magnetico B(1.36?0.10)T
I rivelatori 3D studiati nel test sono a pixel
3E.
SCINT1,2
VETO
B Angolo
OFF 0
OFF ?/12
ON 0
ON ?/12
Telescopio (Bonn ATLAS Telescope - BAT) -
rivelatori a strip di area (3.2X3.2)cm2 e passo
50 um - risoluzione spaziale di 5.5 um.
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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) um2.

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.

Calibrazione 20ke- 60 ToT.
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La presa dati e lanalisi
?10000 eventi per run. ?15 minuti per un singolo
run. ?700 run acquisiti in totale.

• Data Quality Monitor
• Controllo sincronizzazione tra i piani del
  telescopio e i rivelatori.

• 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.

• Analisi off-line
• Analisi sui file .root .
• Misure preliminari presentate in questa tesi
• Time-over-Threshold
• Charge sharing
• Risoluzione spaziale
• Efficienza.

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I run
Larea analizzata è compresa tra le righe 8-152 e
le colonna 2-16. (per eliminare i pixel di
dimensioni diverse da (400 X 50) um2)
3D-DTC-2 3D-DTC-2 3D-DTC-2B 3D-DTC-2B
B A Run range Accettanza Tracce Accettanza Tracce
OFF 0 600?802 19.3 ?4.30X105 19.4 ?3.25X105
OFF ?/12 1241?1306 38.5 ?1.99X105 31.3 ?1.82X105
ON 0 803?997 33.2 ?3.28X105 35.2 ?3.48X105
ON ?/12 1000?1203 39.8 ?5.41X105 41.0 ?5.57X105
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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.
Alle distribuzioni è sovrapposto, sul 90
dellarea partendo da destra, un fit a una
distribuzione di Landau.
3D-DTC-2 3D-DTC-2B
Spessore - d um 200 200
Valore atteso ToT 48 48
3D-DTC-2 - BOFF A0
Configurazione Configurazione 3D-DTC-2 3D-DTC-2 3D-DTC-2B 3D-DTC-2B
B A MPV ? MPV ?
OFF 0 46.7 4.6 35.5 3.8
ON 0 48.1 4.8 35.4 3.8
OFF ?/12 45.1 5.3 33.7 3.9
ON ?/12 46.6 5.1 33.9 3.9
MPV Most Probable Value
3D-DTC-2 -35 V 3D-DTC-2B -8 V
Lattivazione del campo magnetico aumenta lMPV
mentre la rotazione del sensore ne diminuisce il
valore. Il loro effetto si compensa nella
configurazione BON A?/12.
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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 - BOFF A0
PLANARE - BON A0
Nel sensore planare il campo magnetico incrementa
il charge sharing.
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Charge sharing (2/2)
3D-DTC-2
B ON
B OFF
A0
A?/12
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.
Analoghi risultati nel sensore 3D-DTC-2B
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Risoluzione spaziale
3D-DTC-2
B OFF
B ON
A0
A?/12
Il campo magnetico non modifica la distribuzione
dei residui. La rotazione del sensore accentua il
profilo gaussiano della distribuzione a causa
maggiore charge sharing.
Analoghi risultati nel sensore 3D-DTC-2B
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Efficienza
3D-DTC-2B - BOFF A0

• Efficienze calcolate con
• ampiezza cluster dal centro del pixel ?x ?400
  um ?y ? 50 um.
• tracce con ?2lt20.

3D-DTC-2B - BOFF A ?/12
Configurazioni Configurazioni 3D-DTC-2 3D-DTC-2B PLANARE
B A ? (?0.001) ? (?0.001) ? (?0.001)
OFF 0 0.975 0.982 0.989
ON 0 0.977 0.984 0.991
OFF ?/12 0.976 0.979 0.977
ON ?/12 0.990 0.993 0.992
3D-DTC-2B - BON A ?/12
La non uniformità dei sensori 3D dovuta alle
colonne è superata ruotando il sensore. I valori
di efficienza sono massimi nella configurazione
BON A?/12.
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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 BON 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.

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BACK-UP
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ToT (1/2)
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ToT (2/2)
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Charge Sharing
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Residui (1/2)
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Residui (2/2)
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Efficienza
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Noise vs HV
Oct. 2, 2009 Alessandro La Rosa - CERN
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B vs E
BOFF
BON
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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.

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A. La Rosa, Preliminary results of 3D-DDTC pixel
detectors for the ATLAS upgrade given talk at
RD09. Proceeding
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RADIATION HARDNESS
C.DaVià, NIM A 604 (2009) 505

• 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.

Signal efficiency
L inner electrode distance. K? damage
constant. ?D electron saturated drift
velocity. ? particle fluence.
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Dispositivo sperimentale
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FE-I3
I. Peric, NIM A 565 (2006) 178
Pixel Unit Cell (PUC)
60 ToT _at_ 20 ke- Segnale MIP ?20 ke- Noise ?200
e- Threshold ?3200 e-
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3D-DDTC
3D-DTC-2 3D-DTC-2B
Spessore del substrato um 200 200
Spessore colonna di giunzione (n) um 100-110 140-170
Spessore della colonna ohmica (p) um 180-190 180-190
Sovrapposizione delle colonne um 90-100 110-150
Concentrazione del drogaggio del substrato cm-3 1 X 1012 7 X 1011
Tensione di svuotamento laterale V 3 1-2
Tensione di svuotamento totale V 12 3-4
Corrente di leakage pA/colonna lt1 lt1
Capacità vs backplane fF/colonna 35 45-50
Tensione di break-down V gt70 gt70
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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Root file
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(No Transcript)
34
(No Transcript)