Entwicklung von Silizium-Mikrostreifen-Detektormodulen für den ATLAS Semiconductor Tracker
Am Large-Hadron-Collider, der z. Zt. am CERN gebaut wird, werden zwei Protonstrahlen mit einer Schwerpunktsenergie von 7TeV zur Kollision gebracht werden. Dies wird mit einer Rate von 40MHz und einer Luminosität von bis zu 1E34cm^2/s erfolgen. ATLAS ist eines der Experimente, die an den vier Kollisionspunkte aufgebaut werden. Mit ATLAS soll nach Erweiterungen des Standardmodells bzw. nach ?neuer Physik? gesucht werden. Insbesondere das Higgs-Boson als auch supersymmetrische Teilchen sind dabei von höchstem Interesse. Mit ATLAS sollen die Flugbahnen von geladenen Teilchen gemessen und die Energie von geladenen und neutralen Teilchen bestimmt werden. Dazu besitzt ATLAS einen Spurdetektor, ein elektronisches und ein hadronisches Kalorimeter und Myonkammern. Teil des Spurdetektors ist der Semiconductor Tracker (SCT), dessen Aufgabe es ist, Spurpunkte von geladenen Teilchen zu registrieren. Als Sensoren werden Silizium-Mikrostreifen-Detektoren eingesetzt die im zentralen ?Barrel?-Bereich in vier Lagen um den Kollisionspunkt angeordnet sind. Die Endkappen an den Stirnseiten bestehen aus je neun Rädern. Mit drei verschiedenen Modultypen werden Ringe gebildet, die im Abstand von 28cm bis 56cm von der Strahlachse montiert sind. Alle drei Modultypen werden mit dem gleichen Hybrid ausgelesen. Die Daten werden optisch zu den Datenerfassungssystem außerhalb des Experiments gesendet. Das Hybrid trägt zwölf Auslese-ASICs, den ABCD3TA. Er wird in der strahlentoleranten DMILL-Prozesstechnologie gefertigt. Ein ABCD3TA besitzt 128 Kanäle, die die Signale der Streifen in eine binäre Information ? Teilchendurchtritt fand statt bzw. Teilchendurchtritt fand nicht statt - umwandeln. Jeder Kanal besteht aus einem ladungsempfindlichen Vorverstärker, einem Pulsformer, einem Komparator und einem 132 Bit tiefen Datenspeicher. Realisiert wird der flexible Schaltkreis in Kupfer-Polyimid-Technologie. Um eine doppelseitiges Hybrid zu bilden, wird er um einen 500µm dicken Carbon-Carbon Kern herumgebogen, der sich durch seine hohe Wärmeleitfähigkeit auszeichnet. Zum Wärmetransport werden zwischen Auslese-ASICs und dem Kohlefaserkern Aluminiumnitrid-Plättchen verwendet. Ein Modell für das Rauschverhalten eines Auslesekanals wurde erstellt. Zu den Hauptrauschquellen zählt der Eingangstransistor des Vorverstärkers. Das thermische Rauschen des Basiswiderstands und das Schrotrauschen des Kollektorsstroms liefern für alle Modultypen signifikante Beiträge. Das thermische Rauschen des Widerstand am Eingang des Auslesekanals, der sich aus den Widerständen der Aluminiumstreifen auf dem Sensor und dem pitch-Adapter und dem Widerstand der Bonddrähte zusammensetzt, liefert ebenfalls für alle Modultypen einen deutlichen Beitrag. Die Abhängigkeit des Rauschens von der Temperatur ist für alle drei Modultypen im Bereich um den Betriebspunkt linear. Für bestrahlte Module findet man eine exponentielle Abhängigkeit, da hier der Detektorleckstrom so groß ist, dass sein Schrotrauschen ebenfalls einen Beitrag liefert. Das Rauschverhalten von Detektormodulen mit K5-Hybriden wurde mit Hilfe des Kalibrierungsschaltkreises des ABCD3TA untersucht. Die Verstärkung der Ausleskanäle beträgt etwa 50mV/fC. Wie erwartet nimmt das Rauschen mit der Streifenkapazität zu. Ein inneres Modul hat eine ENC von 1020±30 Elektronen; für ein äußeres Module beträgt die ENC 1425±43 Elektronen. Die Rauschrate ist für alle Modultypen um über eine Größenordnung niedriger, als im Technical Design Review gefordert. Unter Nominalbedingungen zeigten die ABCD3TAs Probleme: die Verstärkung einiger Auslesekanäle liegt mehrere Standardabweichungen unterhalb des Mittelwerts. Abhilfe schafft die Erhöhung der analogen Versorgungsspannung von 3.5V auf 3.8V oder das Absenken des shaper currents von 30µA auf 20µA. Auf einem Prototyp eines Endkappenrades wurden vier äußere Detektormodule gleichzeitig getestet. Eine Verschlechterung des Leistungsvermögens gegenüber Einzelmessungen in Testboxen konnte nicht beobachtet werden. Einige äußere Module wurden mit einer Dosis von 2.1E14 neq pro cm2 bestrahlt. Diese Dosis entspricht der maximal im SCT auftretenden Belastung mit einem Sicherheitsfaktor von 50%. Der lineare Bereich der Stromverstärkung nimmt nach Bestrahlung ab, die Stromverstärkungskennlinien der Transistoren gehen früher in Sättigung als im unbestrahlten Fall. Dies kann umgangen werden, indem man die Ströme in den Transistoren begrenzt. Bei den untersuchten Modulen war der Kollektorstrom kleiner als 150µA und der shaper current niedriger als 26.4µA zu wählen. Bei der nominalen analogen Versorgungsspannung von 3.5V erfüllen die bestrahlten Module die Spezifikation für die Signalverarbeitungszeit nicht. Bei höheren Spannung von 3.8V kann diese Forderung erfüllt werden. Gemessen wurde bei einer Erhöhung der analogen Versorgungsspannung um 0.3V eine Reduktion der Rauschrate um 40%. Die Rauschrate bei 1fC liegt etwa ein Größenordnung oberhalb der Spezifikation, der Wert von 5×10-4 wird erst bei einer Schwelle von 1.25fC erreicht. Bei Messungen an den bestrahlten äußeren Modulen mit einem 180GeV-Pionen Teststrahl wurde der Median der gesammelten Ladung für eine Detektorsperrspannung von 500V zu 3.1fC bestimmt. Für die Schwelle, bei der die Rauschrate 5×E-4 unterschreitet, liegt die Effizienz noch oberhalb von 0.97 aber nicht mehr oberhalb der geforderten 0.99. Die Detektormodule der Endkappen des ATLAS-SCT werden über viele Jahre innerhalb der Spezifikationen betrieben werden können. Geplant ist eine Dauer von 10 Jahren. Es ist möglich, dass die Effizienz für einige Module unterhalb der geforderten 0.99 liegt, allerdings darf man mit einer Effizienz oberhalb 0.97 rechnen.
Tracker, Silicon-Microstrip-Detector, ATLAS, fast readout
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