应用于高亮度LHC上ATLAS径迹室的单片式像素探测器研究

发布时间：2020-03-07 17:54

【摘要】：为了拓展新物理发现能力,欧洲核子中心的大型强子对撞机(LHC)计划于2024年进行一次主要升级。本博士论文的研究内容作为LHC上ATLAS实验的内层径迹探测器升级计划的一部分,目的在于研究一种新型单片式像素探测器。这种新型传感器基于高压／高阻CMOS (HV/HR CMOS)工艺。相比较传统的复合式像素探测器,单片式探测器将会减少探测器物质量(降低粒子多重散射),缩小像素尺寸(提高径迹重建精度)以及降低探测器成本(对于约10m2的像素探测器,成本问题需要考虑)。在ATLAS HV/HR合作组内,基于不同HV/HR CMOS工艺的多种原型传感器已被开发,比如Global Foundry (GF) BCDlite 130纳米工艺和LFoundry (LF) 150纳米工艺。为了获得不同CMOS工艺的相关电学特性以及粒子探测能力,已经通过三维计算机辅助设计(TCAD)模拟提取关键的电学参数,其中包括耗尽区分布、击穿电压、漏电流以及电容等。通过三维瞬时TCAD模拟,对传感器的电荷收集效率以及像素间电荷分享现象进行了详细研究。对于基于高阻衬底研发的原型传感器,传感器的保护环也通过二维TCAD模拟进行了优化设计。为了研究传感器因粒子辐照损伤而引起的性能变化,以上的TCAD模拟包括了非电离能损(NIEL)以及总电离剂量(TID)效应对传感器性能影响的研究。为了获得传感器在低温下的状态,传感器性能随温度的变化也通过TCAD模拟进行了研究。同时我也参与了HV/HR CMOS原型芯片测试平台的研发。主要贡献在于FPGA固件的修改以及基于C++和python的测试程序的编写。在CPPM组织并参与对AMS 180纳米,GF 130纳米和LF150纳米原型芯片的实验室电学性能表征测试。为研究NIEL和TID效应对不同原型芯片的影响,组织参与多次在CERN 24 GeV质子同步束流以及X-射线放射源测试。前端放大器的线性以及信噪比通过外部测试脉冲进行了测试。甄别器的阈值可通过监测其输出信号进行调节。对原型芯片的测试主要集中在电子学和电荷收集部分的耐辐照强度方面。TID对电子学的影响主要通过对前端放大器,甄别器以及模拟数据获取链的表征来研究：放大器输出幅度、甄别器阂值和噪声变化等等。NIEL对衬底的影响主要通过对像素计数率、漏电流、55Fe和90Sr能谱等的测试来进行研究。HV/HR CMOS传感器与FE-14(目前ATLAS IBL的像素读出芯片)的通信可以通过环氧树脂胶合来进行容性交流耦合。传感器与FE-14的通信已通过FE-14对传感器亚像素加权输出信号的读取进行测试。传感器的电子学占用率(occupancy)以及时间游走(time-walk)也通过FE-14进行了测试。用于胶合的环氧树脂的均匀性以及厚度也通过FE-14读取信号的幅度进行了研究。除了参与HV/HR CMOS传感器的研究,同时也参与了对FE-I4 GADC (generic ADC)的标定方法的研究并且进行了相关的验证测试。基于ROOT编写了一个简洁图形界面程序用来可视化标定过程以及结果。IBL的所有FE-14模块的GADC的标定数据已存储到ATLAS IBL的查找表中。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O572.214
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本文编号：2585452