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The Silicon Vertex Detector for b-tagging at Belle II
Verteidigung der Dissertation, 19.2.2014 M. Valentan
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The SVD for b-tagging at Belle II
Inhalt
• Einleitung: Das Belle II-Experiment
• Doppelseitige Silizium-Streifensensoren
• Optimierung der Streifenisolierung
• Sensordesign
• Der fertige Sensor: Qualitätssicherung
• Zusammenfassung
2M. Valentan (HEPHY Vienna)19. Februar 2014
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The SVD for b-tagging at Belle II
Das Belle II-Experiment (Tsukuba, Jp.)
3M. Valentan (HEPHY Vienna)19. Februar 2014
Myonenkammern
Kalorimeter
Teilchen-ID
Gas-Spurdetektor
Solenoid-Magnet 1.5 T
Silizium-Sensoren:Rekonstruktion vonZerfallspunkten
e+ (4 GeV)
e - (7 GeV)
Asymmetrische Strahlenergien!
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The SVD for b-tagging at Belle II
Y(4S)e+e- e+e-
Eine typische Kollision
4M. Valentan (HEPHY Vienna)19. Februar 2014
Y(4S)
B0
B0
B0
B0
O(150 µm)
σ(z) ≤ 20 µm!
typ. E ≈ O(500 MeV)
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The SVD for b-tagging at Belle II
Asymmetrischer Vertexdetektor
5M. Valentan (HEPHY Vienna)19. Februar 2014
4 Lagen SVD
2 Lagen PXD
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The SVD for b-tagging at Belle II
Inhalt
• Einleitung: Das Belle II-Experiment
• Doppelseitige Silizium-Streifensensoren
• Optimierung der Streifenisolierung
• Sensordesign
• Der fertige Sensor: Qualitätssicherung
• Zusammenfassung
6M. Valentan (HEPHY Vienna)19. Februar 2014
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The SVD for b-tagging at Belle II
Sensorprinzip
7M. Valentan (HEPHY Vienna)19. Februar 2014
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The SVD for b-tagging at Belle II
Prinzip doppelseitiger Sensoren
8M. Valentan (HEPHY Vienna)19. Februar 2014
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The SVD for b-tagging at Belle II
Streifenisolierung
9M. Valentan (HEPHY Vienna)19. Februar 2014
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The SVD for b-tagging at Belle II
Inhalt
• Einleitung: Das Belle II-Experiment
• Doppelseitige Silizium-Streifensensoren
• Optimierung der Streifenisolierung
• Sensordesign
• Der fertige Sensor: Qualitätssicherung
• Zusammenfassung
10M. Valentan (HEPHY Vienna)19. Februar 2014
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The SVD for b-tagging at Belle II
Optimierung der Streifenisolierung
11M. Valentan (HEPHY Vienna)19. Februar 2014
CERN SPS: 120 GeV/c Hadronen, haupts. Pionen SCK-CEN Mol: 100 kGy γ
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The SVD for b-tagging at Belle II
Optimierung der Streifenisolierung
12M. Valentan (HEPHY Vienna)19. Februar 2014
[1] IEEE Transactions On Nuclear Science 45 (1998) 303-309 - Iwata et.al[2] IEEE Transactions On Nuclear Science 45 (1998) 401-405 - Unno et.al
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The SVD for b-tagging at Belle II
Testbeam und Bestrahlung
13M. Valentan (HEPHY Vienna)19. Februar 2014
common
Unsere Wahl:Atoll p-stop
Aus Literatur
combined atoll p-spray
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The SVD for b-tagging at Belle II
Inhalt
• Einleitung: Das Belle II-Experiment
• Doppelseitige Silizium-Streifensensoren
• Optimierung der Streifenisolierung
• Sensordesign
• Der fertige Sensor: Qualitätssicherung
• Zusammenfassung
14M. Valentan (HEPHY Vienna)19. Februar 2014
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The SVD for b-tagging at Belle II
Software Framework
• CAD script, ~20000 Zeilen Programmcode– ~200 Parameter definieren einen Sensor– macht Änderungen einfach– Basisform: Polygon mit abgerundeten Ecken
• Design Rules vom Hersteller
15M. Valentan (HEPHY Vienna)19. Februar 2014
// General Sensor Parametersextern BiasConnectionType=1; extern SensorEdgeGuardSpacing=81.5;
// Frontplane Sensor Parametersextern SensorNReadoutStripFront=768; extern SensorReadoutPitchFrontTop=75; extern SensorReadoutPitchFrontBottom=50;extern SensorIntermediateStripFront=1; extern SensorFlipFrontPlane=0; extern SensorFlipFrontStrips=0; extern SensorNGuardRings=10;extern SensorBiasStripSpacingXFront=45;extern SensorBiasStripSpacingYFront=30;
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The SVD for b-tagging at Belle II
Eckdaten
16M. Valentan (HEPHY Vienna)19. Februar 2014
12.6 cm6.
1 cm
4.1
cm75 µ
m (
σ ≤
22
µm
)
50 µ
m (
σ ≤
15
µm
)
p-Seite: 768 Auslesestreifen (+ Zwischenstreifen)
n-Seite: 512 Auslesestreifen (+ Zwischenstreifen)
240 µm (σ ≤ 70 µm)
300 µm dick (0.32 %X0)
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The SVD for b-tagging at Belle II
Inhalt
• Einleitung: Das Belle II-Experiment
• Doppelseitige Silizium-Streifensensoren
• Optimierung der Streifenisolierung
• Sensordesign
• Der fertige Sensor: Qualitätssicherung
• Zusammenfassung
17M. Valentan (HEPHY Vienna)19. Februar 2014
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The SVD for b-tagging at Belle II
Strom-Spannungs-Kennlinien
18M. Valentan (HEPHY Vienna)19. Februar 2014
Betriebsspannung min. Durchbruchspannung
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The SVD for b-tagging at Belle II
Streifenstrom n-Seite
19M. Valentan (HEPHY Vienna)19. Februar 2014
> 98% gute Streifen!
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The SVD for b-tagging at Belle II
Testbeam und Bestrahlung
20M. Valentan (HEPHY Vienna)19. Februar 2014
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The SVD for b-tagging at Belle II
Inhalt
• Einleitung: Das Belle II-Experiment
• Doppelseitige Silizium-Streifensensoren
• Optimierung der Streifenisolierung
• Sensordesign
• Der fertige Sensor: Qualitätssicherung
• Zusammenfassung
21M. Valentan (HEPHY Vienna)19. Februar 2014
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The SVD for b-tagging at Belle II
Zusammenfassung
• Positionsmessung energiearmer Teilchen– Anforderung: präzise, dünne Sensoren– > Prämiere: doppelseitiger Sensor, trapezoid
• Meine Aufgaben:– Design von Sensoren und Teststrukturen– Optimierung der Streifenisolierung– Technische Diskussion mit Hersteller,
Überwachung der Produktion– Elektrische Charakterisierung und Qualitätssicherung– Konstruktion und Bau von Sensormodulen– Sensortest im Teilchenstrahl, Bestrahlung– komplette Datenanalyse
22M. Valentan (HEPHY Vienna)19. Februar 2014
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The SVD for b-tagging at Belle II
Ergebnisse
• Optimierung der Streifenisolierung:– Literatur widerlegt (für unseren Anwendungsfall)
• Qualitätssicherung des trapezoiden Sensors– elektrische Labormessungen, Langzeitstudien– Teilchenstrahl-Tests, Bestrahlung
• Erreichte Sensorleistung– p-Seite: σ ≈ 12 – 15 µm, Sig.-Rausch-Verh. ≈ 13– n-Seite: σ ≈ 60 µm, Sig.-Rausch-Verh. ≈ 9
• Geplanter Start von Belle II: Sommer 2016
23M. Valentan (HEPHY Vienna)19. Februar 2014
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The SVD for b-tagging at Belle II
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit
24M. Valentan (HEPHY Vienna)19. Februar 2014