ATLAS

Die wichtigsten Projekte in den neunziger Jahren waren die Entwicklung von Detektoren, die der harten Strahlungsumgebung am Large Hadron Collider (LHC) am CERN in Genf standhalten können. Am LHC werden Protonen mit einer Schwerpunktsenergie von 14 TeV zur Kollision gebracht. Bei dieser hohen Energie können neue Teilchen erzeugt werden, die endlich Licht in eines der letzten Rätsel der Teilchenphysik bringen sollen: Den Ursprung der Masse. Der ATLAS-Detektor ist einer der beiden großen Detektoren am LHC, der solche Teilchen aufspürt. Mit weiteren geplanten Upgrades werden die Anforderungen an den Detektor weiter erhöht und immer weiter an die Grenzen des machbaren getrieben.

Das MPG HLL war stark in das ATLAS-Projekt involviert, und zwar in die Entwicklung des inneren Detektors mit seinem Silizium-Tracker (SCT), der auf Silizium-Streifen-Detektoren basiert, und in den Vertex-Detektor, der auf Hybrid-Pixel-Detektoren basiert.

Die Ergebnisse der Detektorentwicklung am MPG HLL hatten einen wesentlichen Einfluss auf die Detektorentscheidungen für ATLAS SCT und ATLAS Pixel. Die Verwendung von Detektoren, die in unserem Labor entworfen und hergestellt wurden, zeigte, dass die geforderten Eigenschaften tatsächlich erfüllt werden können. Nach dieser Demonstration entschieden sich beide ATLAS-Subdetektoren für die von uns vorgeschlagenen Konzepte. Die neuartigen ATLAS-Pixelsensoren verwenden eine n-in-n-Technologie (n+-dotierte Auslesepads in n-dotiertem Substrat) und wurden mit einer neuen, vom MPG HLL entwickelten und patentierten p-Spray-Isolationstechnologie hergestellt.

MPG HLL war ein Pionier bei der Entwicklung der bestehenden Pixeldetektoren für ATLAS und CMS, indem es zwei neue Merkmale einführte, nämlich die strahlenharte p-Spray-Pixelisolationstechnik und das Punch-Through-Pixel-Bias-Schema (PT-Bias-Struktur), das einen Sensortest vor der Modulmontage ermöglicht. Beide Merkmale wurden von allen derzeit existierenden Herstellern hybrider Pixelsensoren übernommen.

Aktuelle Aktivitäten

Für den Large Hadron Collider am CERN ist eine Aufrüstung mit hoher Luminosität geplant. Die geplante Erhöhung der Luminosität um fast eine Größenordnung auf mehr als 5*1034cm-2s-1 stellt wesentlich höhere Anforderungen an alle Subdetektoren in Bezug auf eine feinere Segmentierung, schnellere Auslesung, mehr Speicherkapazität und wesentlich mehr Strahlungsschäden. Der ATLAS-Detektor muss für diese hohe Luminosität vorbereitet werden. Der gesamte innere Tracker (ITK), der den Pixel- und den Streifendetektor enthält, muss umgebaut werden, um diese Herausforderungen zu bewältigen. Das bewährte Hybrid-Pixel-Konzept mit Auslese-Elektronikchips, die über Bump-Bonds mit den Sensoren verbunden sind, wird beibehalten, aber der Auslesechip und die Pixelsensoren werden komplett neu entwickelt. P-Spray-Isolation und PT-Bias werden auch in den verbesserten Sensoren verwendet. Sie waren Gegenstand zahlreicher Parametervariationen innerhalb von drei Prototypenproduktionen. Die Optimierung und Verifizierung des Designs erfolgt in Zusammenarbeit mit der ATLAS-Pixel-Gruppe am Max-Planck-Institut für Physik (MPP). Um die hohe Leuchtkraft und die damit verbundene Belegung zu bewältigen, werden achtmal kleinere Pixel von 25x100μm² oder 50x50μm² verwendet - anstelle der derzeit verwendeten 50x400μm². Da die PT-Bias-Struktur nicht mit der Pixelgröße skaliert werden kann, beeinträchtigen die durch diese Struktur verursachten unvermeidlichen Ladungsverluste die Detektionseffizienz noch stärker als bisher. Das HLL hat ein neues Schema, das so genannte Split-Design, vorgeschlagen. Die Ergebnisse von Teststrahlmessungen zeigen, dass das Split-Design die Effizienz von 98,5 % auf 99,9 % für nicht bestrahlte Sensoren und von 96,5 % auf 97,2 % für stark bestrahlte Sensoren verbessert.

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