Test beam studies of pixel detector prototypes for the ATLAS-Experiment at the High Luminosity Large Hadron Collider

by Tobias Bisanz
Doctoral thesis
Date of Examination:2018-12-18
Date of issue:2019-06-26
Advisor:Prof. Dr. Arnulf Quadt
Referee:Prof. Dr. Arnulf Quadt
Referee:Prof. Dr. Gerald Eigen
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-7527

 

 

Files in this item

Name:Dissertation-Final-OhneCV_fastWebView.pdf
Size:29.2Mb
Format:PDF

The following license files are associated with this item:

Abstract

English

The upgrade of the Large Hadron Collider (LHC) in the mid-2020’s to the High Luminosity Large Hadron Collider will provide large amounts of data, enabling precision measurements of Standard Model processes and searches for new physics. This will also maximise the physics potential of the experiments located at the LHC. In order to record the desired integrated luminosity, the ATLAS detector will face challenges regarding the radiation damage, pile-up and amount of data. To cope with those challenges, the entire tracking detector is replaced by the new Inner Tracker, ITk. In order to develop novel detector modules, test beam measurements are a crucial tool to study and understand new read-out chips, novel sensor technologies, as well as the effect of radiation on the sensor and read-out chip. Not only in the R&D-phase but also in the phase of module production, test beams need to play a necessary role in the continuous quality assurance procedure. This thesis is focused on the test beam measurements of pixel modules for the ITk upgrade. Several aspects of test beams are covered and have been improved. Modifications to one of the used DAQ systems at test beams (USBpix) have been made. A new measurement technique using the USBpix system to make so-called in-time measurements at test beams has been developed. The measurement method as well as results from such a measurement are discussed in this thesis. Furthermore, many parts of the reconstruction framework have been modernised and improved. The track fit based on the General-Broken-Line algorithm now allows track reconstruction together with ATLAS pixel modules. Also, test cases were implemented to ensure long-term stability, and guarantee a consistent reconstruction, even in future versions. Additionally, a Monte Carlo framework was expanded to enable validation of the reconstruction algorithms.
Keywords: particle physics; HEP; particle detectors; pixel detectors; ATLAS

German

Mit dem Upgrade des Large Hadron Colliders (LHC) zum High Luminosity Large Hadron Collider Mitte der 2020er Jahre werden durch größere Datenmengen neue und präzisere Messungen des Standardmodells sowie weitere Suchen nach neuer Physik ermöglicht. Das LHC Upgrade wird das Potenzial aller Experimente am LHC erweitern. Um die erwünschte integrierte Luminosität aufzunehmen, muss der ATLAS-Detektor mit erhöhten Strahlenschäden, einem größeren Pile-Up und großen Datenmengen umgehen können. Infolgedessen wird der innere Spurdetektor vollständig durch den neuen Inner Tracker (ITk) ersetzt. Teststrahlmessungen sind ein wichtiges Werkzeug, um neue Detektormodule zu entwickeln. Sie helfen neue Auslesechips, neue Sensoreigenschaften, sowie die Auswirkung von Strahlenschäden auf Auslesechip und Sensor zu verstehen. Sie sind nicht nur ein notwendiges Werkzeug in der Entwicklungsphase, sondern auch ein essentieller Teil der fortlaufenden Qualitätssicherung während der Modulproduktion. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf Verbesserungen von Teststrahlmessungen für Pixelmodule für das ITk Upgrade. Es werden Modifikationen der Datennahme mittels eines der Datenerfassungssysteme (USBpix) sowie eine neue Messmethode, die mittels dieses Systems zeitaufgelöste Messungen an Teststrahleinrichtungen ermöglicht, vorgestellt. Diese Messmethode wird zusammen mit Ergebnissen einer Beispielmessung diskutiert. Des Weiteren wurden etliche Verbesserungen und Modifikationen an der Rekonstruktionssoftware selbst vorgenommen. Der Funktionsumfang der Spurrekonstruktion mittels des General-Broken-Line Algorithmus wurde erweitert, welcher nun auch zusammen mit ATLAS Pixelmodulen funktioniert. Darüber hinaus wurden Testfälle implementiert, welche auch in Anbetracht zukünftigen Entwicklungen eine konsistente Rekonstruktion gewährleisten. Außerdem wurde ein Monte Carlo Framework als Validierungswerkzeug erweitert, um die Rekonstruktionsalgorithmen zu validieren.
 
Statistik