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Titel: Radiation damage of highly irradiated silicon sensors
Sonstige Titel: Strahlenschäden bei stark bestrahlten Siliziumsensoren
Sprache: Englisch
Autor*in: Scharf, Christian
Schlagwörter: HEP; silicon; particle detectors; radiation damage
Erscheinungsdatum: 2018
Tag der mündlichen Prüfung: 2018-07-10
Zusammenfassung: 
Die heutige Elementarteilchenphysik verlangt nach einer beständigen Erhöhung
der Luminosität von Teilchenbeschleunigern um seltene Ereignisse zu untersuchen.
Die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der Teilchendetektoren steigen beständig, während die Detektoren immer höheren Fluenzen schädigender Strahlung
ausgesetzt sind. Aufgrund seiner hohen Strahlenhärte ist Silizium ein integraler
Bestandteil vieler Detektorsysteme. Für diese Arbeit wurden viele fundamentale
strahlungsbedingte Änderungen der Materialeigenschaften von Siliziumsensoren
bei Neutronen-Äquivalenz-Fluenzen größer als 10^15 cm² experimentell untersucht.
Ein Anstieg des Absorptionskoeffizienten von nahem Infrarotlicht wurde gemessen
sowie in Abhängigkeit der Fluenz parametrisiert. Die Ergebnisse werden benötigt,
um die erzeugte Ladung bei Messungen der Ladungssammlungseffizienz mit
nahem Infrarotlicht zu bestimmen.
Im Laufe dieser Arbeit wurde ein edge-Transient Current Technique edge-TCT
Messaufbau entwickelt und getestet. Der Messaufbau wurde verwendet, um Geschwindigkeits- sowie Ladungsprofile von Streifensensoren zu erstellen. Diese Messungen wurden mit Strom- und Kapazitätsmessungen von Flächendioden verglichen.
Für den Strom unter angelegter Spannung in Rückwärtsrichtung wurde ein
empirisches Modell entwickelt, das die Messungen innerhalb weniger Prozent beschreibt.
Die Parameter des Modells wurden in Abhängigkeit von der Fluenz bestimmt
und parametrisiert. Eine Abnahme der Niedrigfeld-Mobilität der Ladungsträger
mit der Fluenz wurde gemessen und parametrisiert. Der Strom in Vorwärtsrichtung
wird mit einem Raumladungsgesetz beschrieben.
Außerdem wurde das Produkt aus der Mobilität und der Einfang-Lebensdauer
der Ladungsträger für Streifensensoren unter Spannung in Vorwärtsrichtung bestimmt.
Die Messungen zeigen, dass sich das Produkt kaum mit dem elektrischen
Feld ändert. Die Ergebnisse stimmen größtenteils mit Messungen der Ladungssammlungseffizienz von Flächendioden überein.
Für das Phase II Upgrade des Silizium-Spurdetektors des Compact Muon Solenoid
Experimentes wurden die Fotolithografie-Masken für verschiedene Geometrien
von strahlungsresistenten Pixelsensoren mit kleinsten Pixelgrößen von 50 x
50 μm² und 100 x 25 μm² für verschiedene Auslesechips sowie verschiedene Teststrukturen programmiert. Die Sensoren wurden hergestellt und werden zum Zeitpunkt der Veröffentlichung dieser Arbeit getestet.
Es wurde eine Methode entwickelt, um den Einfluss der Ausleseelektronik auf
gemessene Stromtransienten teilweise zu entfalten. Die vorgestellte Methode ist in
der Lage Oszillationen sowie Reflektionen von gemessenen Transienten beträchtlich
zu verringern.

Modern particle physics at colliders demands for a continuous increase of the luminosity for colliding particle beams in order to study rare events. The requirements
for the performance of the particle detectors are increasing while the detectors are
subject to unprecedented fluences of particles. Due to its high radiation-hardness
silicon is an integral part of many detector systems in particle physics. This thesis
experimentally investigates fundamental, radiation-induced changes of the material
properties of silicon sensors for neutron equivalent fluences beyond 10^15 cm².
An increase of the absorption coefficient of near-infrared light has been measured
and parameterized as a function of the fluence. The absorption coefficient is needed
to determine the deposited charge for charge collection efficiency measurements
using near-infrared light.
An edge-Transient Current Technique edge-TCT setup has been built and commissioned.
It has been used to determine velocity profiles and charge profiles in
strip sensors. These measurements are compared to current and capacitance measurements of pad diodes. An empirical model for the reverse current of diodes
has been developed which describes the measurements within a few percent. The
parameters of the model have been obtained and parameterized as a function of
the fluence and the temperature. A decrease of the low-field carrier mobilities with
fluence has been observed and parameterized. Forward current measurements are
described by a model for space-charge-limited currents.
For forward-biased strip sensors the product of the trapping times and mobilities
has been determined. It was found that this product hardly depends on the electric
field. The results mostly agree with the charge collection efficiency of diodes.
For the Phase II upgrade of the Compact Muon Solenoid tracking detector at
the Large Hadron Collider, photolithography mask layers for different geometries
of pixel sensors with pixel dimensions down to 50 x 50 μm² and 100 x 25 μm² for
different read-out chips, as well as different test structures have been designed. The
sensors have been produced and are undergoing beam tests as of the publication
date.
Finally, a method for the partial deconvolution of the electronics response from
measured current transients is presented which can significantly reduce oscillations
and reflections in measurements.
URL: https://ediss.sub.uni-hamburg.de/handle/ediss/7932
URN: urn:nbn:de:gbv:18-94246
Dokumenttyp: Dissertation
Betreuer*in: Garutti, Erika (Prof. Dr.)
Enthalten in den Sammlungen:Elektronische Dissertationen und Habilitationen

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