L’esperimento CMS: L’esperimento CMS:

(1)

L’esperimento CMS:

Il sistema tracciante al Silicio Il sistema tracciante al Silicio

a Microstriscie a Microstriscie

V. Radicci

(2)

Perchè un tracciatore al silicio?

• risoluzione spaziale ~ μm

• efficienza di ricostruzione di singolo hit del 100%

• alta granularità per risolvere tracce multiple (~500 particelle cariche per ogni interazione p-p)

PROBLEMA:

alti livelli di radiazione nella regione prossima all’interazione dei fasci (si prevede, **nella regione del tracciatore, un flusso di particelle pari 1.6*10**

¹⁴

**p*cm**

^-2

in dieci anni di funzionamento di LHC)

RICHIESTE:

• determinazione dell’impulso della particella con una elevata precisione

• alta efficienza di ricostruzione di tracce cariche

• alta efficienza di ricostruzione vertici di interazione e decadimento

• Rivelatori resistenti alle radiazioni

Sis tem a T rac cia nte co n r ive lat ori al si lici o ! !!

Un sistema di tracciatura robusto e preciso nella parte più interna dell’apparato CMS è di

fondamentale importanza per lo svolgimento del programma di Fisica:

(3)

Principio di funzionamento dei rivelatori al Principio di funzionamento dei rivelatori al

Silicio a Microstrisce Silicio a Microstrisce

• La forma dell’impianto p+ a microstrisce (per CMS spessore 20μm-50μm; passo 80μm-

200μm) permette l’identificazione della posizione della particella carica !!!

VANTAGGI una particella al minimo di ionizzazione:

• ~ dE/dx 1000 più alta rispetto ad mezzo gassoso

• Energia minima (e-h) 3.6 eV (1/10 rispetto ai gas)  7200 Coppie(e-h) prodotte ogni 100μm

• Possibilità di segmentare la superficie del rivelatore con elevata densità di microstrisce  ottima risoluzione spaziale ~μm

• Giunzione p+ su n polarizzata inversamente fino alla tensione di completo svuotamento: la regione di carica spaziale ricopre tutto il substrato

• Passaggio di particella carica produce coppie elettroni-lacune

• Nel campo elettrico esterno le cariche libere prodotte migrano verso gli elettrodi

• Il moto delle cariche induce un segnale agli

elettrodi

(4)

Il Tracciatore al Silicio a Microstrisce Il Tracciatore al Silicio a Microstrisce

di CMS di CMS

Caratteristiche

• 2 sottosistemi: rivelatori a Pixel

(PD)

e rivelatori al silicio microstrisce

(SST)

• SST  3 sottorivelatori: Barrel esterno (TOB), Barrel Interno (TIB) e Dischi (TID), End-Cap (TEC)

• circa 17000 moduli di rivelazione, 26 diversi disegni

• 10 milioni di canali di lettura Caratteristiche

• 2 sottosistemi: rivelatori a Pixel

(PD)

e rivelatori al silicio microstrisce

(SST)

• SST  3 sottorivelatori: Barrel esterno (TOB), Barrel Interno (TIB) e Dischi (TID), End-Cap (TEC)

• circa 17000 moduli di rivelazione, 26 diversi disegni TOB TOB

TID TID TIB TIB

TEC TEC

PD PD

INFN - Italia INFN - Italia

(5)

Sensori al Silicio in HEP Sensori al Silicio in HEP

Fra tutti gli exp. in HEP che hanno usato o usano rivelatori al

silicio a microstrisce, CMS ha la maggiore superficie di silicio

~220 mq

²

!!!

nel tempo le dimensioni dei sistemi traccianti al silicio in esperimenti di fisica delle alte energie (HEP) sono aumentate sensibilmente

principalmente per: le ottime prestazioni, la riduzione dei costi di

produzioni di silicio, la resistenza alle radiazioni (R&D), basso rumore …

(6)

Organizzazione Internazionale del Organizzazione Internazionale del

Tracciatore di CMS Tracciatore di CMS

TOB

TEC

TIB-TID

(7)

Il Modulo Il Modulo

L’unità di base del Sistema di Tracciatura è il “Modulo”

TIB

(8)

I sensori di silicio I sensori di silicio

(A) Disegno compatibile con una produzione e test di massa dei sensori (24244):

sensori di ‘grandi’ dimensioni realizzati su wafer di area 6”, con processo a singola faccia, semplici regole per il disegno delle strisce, degli anelli di guardia ….

I sensori al silicio del tracciatore di CMS sono stati ottimizzati grazie ad una intensa attività di R&D, durata diversi anni, prima della definizione completa delle caratteristiche dei sensori con due principali obiettivi:

(B) Sensori devono resistere ad alti livelli di radiazione:

All’interno di CMS il gruppo di Bari è stato coinvolto nel intenso programma di R&D su diversi aspetti:

- test in laboratorio e su fascio di sensori a doppia faccia doppia metallizzazione - test in laboratorio e su fascio di sensori di tipo n+/n

Tecnologia più favorita singola faccia p+/n - studi sulla resistività del substrato di silicio

- studi sull’orientazione del reticolo cristallino di silicio

- ottimizzazione della larghezza delle strisce di alluminio.

(9)

Tecnologia Rad. Hard Tecnologia Rad. Hard

Danni di radiazione:

1. Danno di superficie 2. Danno del substrato

1. Riduzione dell’isolamento fra le strisce, maggiore capacità interstriscia e un aumento del rumore del rivelatore (<100> vs <111>)

+++++ +++++ +++++

+++++

- - - - -

- - - - - - - - - - - - - - -

2. - Aumento della corrente inversa di saturazione con l’irraggiamento(T

_CMS

=-10°C) - Variazione della concentrazione efficace dei donori, variazione della tensione di svuotamento (substrati di differente resistività iniziale)

- riduzione dell’efficienza di raccolta di carica

(10)

Variazione della tensione di svuotamento Variazione della tensione di svuotamento

Prima dell’irraggiamento (substrato di tipo n)

Dopo l’irraggiamento e l’inversione (substrato di tipo p)

Bassa resistività iniziale:

- più alta tensione di svuotamento prima dell’inversione ma quando I sensori non sono danneggiati

- più bassa tensione di svuotamento del rivelatore dopo l’inversione 1.25-3.25 kΩcm TIB-TID

3.5-7.2 kΩcm TOB-TEC

 Bassa Res.

• Media Res.

Alta Res.

(11)

Danno di superficie Danno di superficie

La capacità fra le strisce (legata al rumore del rivelatore) in rivelatore di tipo <100> è molto meno sensibile al danno da radiazione

Cristalli orientati secondo la

direzione <100> per CMS al fine di

ridurre il danno di superficie (rumore

del rivelatore);

(12)

Numerosi altri studi sulla resistività dei sensori, sullo spessore del substrato, sul rapporto larghezza/passo, sui disegni a singolo o multi anelli di guardia, in funzione della dose di irraggiamento, sono stati portati avanti in questa attività di R&D allo scopo di ottimizzare il rapporto S/N (>10) durante tutta la vita di CMS.

Studi sul Breakdown Studi sul Breakdown

Strisce di Al accoppiano le strisce p+

all’elettronica di lettura (accoppiamento in AC)

‘Overhang technology’: strisce Al più larghe rispetto alle p+ formano le linee di campo in modo tale da essere più intenso nell’ossido piuttosto che nel substrato di Si

 Tensioni di breakdown maggiori

 Tensioni di lavoro superiori

‘Overhang technology’ è usata nel Tracciatore di CMS

(13)

Ciclo di produzione di modulo TIB Ciclo di produzione di modulo TIB

La Gantry costruisce I moduli

Test dei Moduli ARC

Spedizione nel centro di 2 giorni ciclo termico e

test moduli

La microsaldatura - test veloce e

ciclo termico sugli ibridi - test a

campione sui sensori

Spedizione nei centri di assemblaggio

ARC test Ibridi

Integrazione ATTIVITA’ SVOLTE NEL LABORATORIO DI BARI

(14)

Assemblaggio automatico Assemblaggio automatico

• Elevato numero di moduli da produrre

(17000 moduli)  assemblaggio automatico

– Garantisce uniformità di produzione

– 2000 moduli TIB-TID previsti nel

centro di Bari

(~1000 assemblati!)

– Circa 1,5 ora per assemblare 4 moduli TIB-TID.

Centro di Bari pilota su questa attività, ha coordinato gli atri centri di assemblaggio dei moduli di silicio di CMS (Brussels, CERN, FNAL, Lyon, Perugia e UCSB).

σ=7μm σ=3mgradi

~99% moduli assemblati entro le specifiche!!!

(15)

Microsaldatura Microsaldatura

Dopo assemblaggio 

microsaldatura dei canali elettronici alle strisce dei sensori

~ 10 milioni di canali di lettura da microsaldare con un filo di 20μm ad un passo 80-113μm  Macchina automatica

– Garantisce uniformità di produzione

– Bari ~ 500.000 saldature

– Circa 1,5 ore per microbondare 1 modulo TIB-TID

Gran numero di centri coinvolti nell’attività di microsaldatura:

FNAL, UCSB, Padova, Pisa, Torino, Bari , Firenze, Vienna, Zurigo, Strasburgo, Karlsruhe, Aachen.

300μm

(16)

ARC Test del Modulo ARC Test del Modulo

• Tutti gli elementi del modulo vengono sottoposti a verifica di

funzionamento:

-) IV del sensore,

-) test dell’elettronica di lettura, -) identificazione di canali rumorosi, non microsaldati e inefficienti

• A Bari previsti test per circa 500 moduli

• 40% già testati,

• In base al risultato del

test ad ogni modulo viene

assegnato un grado di

qualità (A, B o C).

(17)

Test a lungo termine Test a lungo termine

• Il funzionamento di tutti i moduli che hanno superato il test

precedente viene anche provato per 1,5 giorni sottoponendoli a stress termici ciclici (-20°C a +20°C)

• Sistema è gestito in maniera automatica.

• A Bari previsti test per circa 500 moduli

• 40% già testati

(18)

 Durante la produzione dei moduli sono stati realizzati dei prototipi di una sotto-struttura completa del TIB ( il layer 3), equipaggiata con elementi finali:

• rivelatori

• sistema di lettura e controllo

• alimentazione

• struttura meccanica

 Studio “realistico” con un fascio di pioni/muoni avente struttura temporale dei fasci di LHC (25 ns)

• Verificare se l’elettronica di front-end discrimina il segnale di due interazioni (bunch crossing) consecutive

Test di strutture prototipo con Test di strutture prototipo con

fascio di particelle

(19)

Principali risultati Principali risultati

• Basso livello di rumore

• S/N ~ 17.5 (dec. mode), 25.7 (peak mode)

• Uniformità nella risposta del rivelatore

(rms ~ 2.3% media)

• Stabilità di funzionamento nel tempo

S/N = 17.5 Noise Vs Cluster Pos. S/N Vs Cluster Pos.

Hit della particella

(20)

Il gruppo di Bari si è impegnato a verificare le prestazioni di alcuni moduli TIB irraggiati a differenti dosi di radiazioni ( corrispondenti a dieci anni di LHC)

• con test di laboratorio

• con test su fascio di particelle (Novembre ‘04) in campo magnetico (3T)

Test su fascio di moduli irraggiati Test su fascio di moduli irraggiati

in campo magnetico in campo magnetico

Irraggiament

o con protoni

26 MeV a

Karlsruhe

(21)

S/N=19

Dec Mode

Test del modulo in Laboratorio (T=-20°C) Rumore delle strisce in Dec Mode:

• dopo l’irraggiamento non si osservano ulteriori canali rumorosi

• i livelli di rumore prima e dopo l’irraggiamento sono confrontabili

Principali risultati Principali risultati

Test del modulo su fascio di μ o π (T=-16°C)

• S/N in Peak Mode = 19 (irraggiato!)

• S/N indipendente campo magnetico

• In corso la ricostruzione delle tracce

per la determinazione della risoluzione

del modulo in campo magnetico

(22)

Integrazione Integrazione

• Da un paio di mesi è iniziata la fase di integrazione dei moduli sulla

struttura meccanica del Tracciatore

• Fine prevista per l’anno prossimo

(23)

Test in campo magnetico con raggi Test in campo magnetico con raggi

cosmici cosmici

Il gruppo di Bari collabora attivamente alla:

- realizzazione di una struttura prototipo del L3 TIB con moduli e servizi finali

- Integrazione di tale struttura con le altre due sottostrutture del tracker (TOB e TEC) prevista al Cern nell’

estate ’05

Ha la responsabilità della realizzazione di strumenti software per il

monitoraggio del tracciatore e controllo della qualità dei dati Integrazione di settori di alcuni

sottorivelatori di CMS:

(24)

Progetto SLHC Progetto SLHC

Dopo il 2010 è previsto l’upgrade di LHC:

L ~ 10

³⁴

cm

^-2

s

^-1

Ф ~ 10

¹⁴

n/cm

²

L ~ 10

³⁵

cm

^-2

s

^-1

Ф ~ 10

¹⁶

n/cm

²

L’esperimento CMS: L’esperimento CMS: