Detector Development for the High Luminosity Large Hadron Collider

by Julia Rieger
Doctoral thesis
Date of Examination:2016-08-02
Date of issue:2016-08-18
Advisor:Prof. Dr. Arnulf Quadt
Referee:Prof. Dr. Arnulf Quadt
Referee:Prof. Dr. Claus Gößling
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-5810

 

 

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Abstract

English

To maximise the discovery potential of the Large Hadron Collider, it will be upgraded to the High Luminosity Large Hadron Collider in 2024. New detector challenges arise from the higher instantaneous luminosity and the higher particle flux. The new ATLAS Inner Tracker will replace the current tracking detector to be able to cope with these challenges. Many pixel detector technologies exist for particle tracking, but their suitability for the ATLAS Inner Tracker needs to be studied. Active high-voltage CMOS sensors, which are produced in industrialised processes, offer a fast readout and radiation tolerance. In this thesis the HV2FEI4v2 sensor, which is capacitively coupled to the ATLAS Pixel FE-I4 readout chip, is characterised for the usage in the outer layers of the ATLAS Inner Tracker. Key quantities of this prototype module are studied, such as the hit efficiency and the subpixel encoding. The early HV2FEI4v2 prototype shows promising results as a starting point for further module developments. Active CMOS sensors serve as possible candidates for a cost effective pixel detector for the High Luminosity Large Hadron Collider.
Keywords: HL-LHC; ATLAS; Pixel Detectors; Active CMOS sensors; Inner Tracker; HV2FEI4v2

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Um das Entdeckungspotential des Large Hadron Colliders auszunutzen, wird er beginnend 2024 zum High Luminosity Large Hadron Collider ausgebaut. Neue Detektorherausforderungen entstehen durch die höhere instantane Luminosität und den höheren Teilchenfluss. Der neue ATLAS Inner Tracker wird den aktuellen Spurdetektor ersetzen, um mit diesen Herausforderungen umzugehen. Es gibt viele Pixeldetektortechnologien zur Teilchenspurerkennung, jedoch muss ihre Eignung für den ATLAS Inner Tracker untersucht werden. Aktive Hochspannungs-CMOS-Sensoren, die in industriellen Prozessen produziert werden, bieten eine schnelle Auslese und Strahlenhärte. In dieser Arbeit wird der HV2FEI4v2-Sensor, der kapazitiv mit dem ATLAS-FE-I4-Auslesechip gekoppelt ist, dahingehend charakterisiert, ob er für eine Verwendung in einer der äußeren Lagen des ATLAS Inner Tracker geeignet ist. Schlüsselgrößen des Prototypens, wie die Treffereffizienz und die Subpixelentschlüsselung, werden untersucht. Der frühe HV2FEI4v2-Prototyp zeigt vielversprechende Ergebnisse, die als Ausgangspunkt für weitere Entwicklungen dienen. Aktive CMOS-Sensoren stellen einen möglichen Kandidaten für einen kosteneffizienten Detektor für den High Luminosity Large Hadron Collider.
Schlagwörter: Pixeldetektoren; Aktive CMOS-Sensoren
 
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