Commissioning and first data taking experience with the Belle II pixel vertex detector

by Harrison Schreeck
Doctoral thesis
Date of Examination:2020-05-22
Date of issue:2020-07-01
Advisor:Prof. Dr. Ariane Frey
Referee:Prof. Dr. Ariane Frey
Referee:PD Dr. Jörn Große-Knetter
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-8060

 

 

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Format:PDF
Description:Dissertation

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Abstract

English

The Belle II experiment at the SuperKEKB particle accelerator at KEK in Tsukuba (Japan) is the successor to the Belle experiment, which played a crucial role in the discovery of CP violation in the B-Meson system. The vertex detector of Belle II was upgraded with two layers of a DEPFET based pixel detector (PXD) to improve the vertex resolution compared to Belle. This thesis gives an overview of the PXD and its individual components. The focus of the work lies on the transition from a pure laboratory system to a fully integrated one in Belle II. Before the final detector components were installed at Belle II, a pre-experiment called phase 2 was conducted to test the new parts. A description of the necessary steps and changes to the hardware configuration and software as well as a report on the operation experiences gathered during phase 2 is given in this thesis. Additionally, this thesis reports on the effects of ionising radiation on the PXD sensors and their DEPFET matrices. This includes a description of the radiation sources at particle accelerators in general and SuperKEKB in particular. In order to get a better understanding of the radiation effects seen on the PXD sensors during the phase 2 operation an X-ray irradiation campaign was performed. In this campaign a single PXD sensor belonging to the same batch as the final sensors was irradiated. The DEPFETs of the PXD sensor received a dose of 266 kGy during this campaign. A detailed description of the campaign and the results gathered from it are presented.
Keywords: Belle II; DEPFET; Radiation damage; Particle tracking detectors

German

Das Belle II Experiment am SuperKEKB Teilchenbeschleuniger am KEK in Tsukuba (Japan) ist der Nachfolger des Belle Experiments, welches eine entscheidende Rolle bei der Entdeckung der CP Verletzung im B-Mesonen System gespielt hat. Der Vertexdetektor von Belle II wurde mit einem zweilagigen Pixeldetektor (PXD), der auf DEPFET Technologie basiert, verbessert um die Vertexauflösung gegenüber Belle zu erhöhen. Diese Arbeit gibt einen Überblick über den PXD und seine einzelnen Komponenten. Der Fokus der Arbeit liegt dabei auf dem Übergang von einem Labor basierten System zu einem komplett integrierten bei Belle II. Bevor die finalen Detektorkomponenten bei Belle II installiert wurden, wurde ein Vorexperiment (Phase 2) durchgeführt um die neuen Komponenten zu testen. Diese Arbeit gibt eine Beschreibung der notwendigen Schritte und Änderungen an Hard- und Software sowie einen Bericht zu den Erfahrungen, die während der Phase 2 Operation gesammelt wurden. Zusätzlich enthält diese Arbeit einen Abschnitt über die Effekte von ionisierender Strahlung auf PXD Sensoren und ihre DEPFET Matrizen. Dabei wird auch auf Strahlungsquellen bei Teilchenbeschleunigern im Allgemeinen und SuperKEKB im Besonderen eingegangen. Um ein besseres Verständnis für die auf den PXD Sensoren während Phase 2 beobachteten Strahlungseffekte zu gewinnen, wurde eine Bestrahlungskampagne mit einer Röntgenröhre durchgeführt. Bei dieser Kampagne wurde ein einzelner PXD Sensor, der aus der gleichen Produktionscharge stammt wie die Sensoren, die für Belle II genutzt werden, bestrahlt. Die DEPFETs des PXD Sensors haben dabei eine Dosis von 266 kGy angesammelt. Eine detaillierte Beschreibung der Messkampagne sowie der gewonnenen Resultate erfolgt in dieser Arbeit.
 
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