Corso di laurea in Fisica Ambientale e Biomedica ANALISI DEI DATI

Corso di laurea specialistica in
Fisica Ambientale e Biomedica
ANALISI DEI DATI DI UN TEST SU FASCIO
DI RIVELATORI AL SILICIO 3D FBK-irst
DOUBLE-SIDE DOUBLE TYPE COLUMN
Relatore: Prof.sa A.M. Solano
Correlatori: Dott. A. La Rosa
Prof. G.-F. Dalla Betta
Candidato: M. Borri
1
Contenuti
• Introduzione ai rivelatori 3D.
• Descrizione del test su fascio.
• Analisi dei dati:
– Time-over-Threshold;
– Charge sharing;
– Risoluzione spaziale;
– Efficienza.
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I rivelatori a giunzione al silicio
PLANARE n-in-n
Elettrodo ohmico drogato fortemente n (anodo).
Particella ionizzante: la carica prodotta per
ionizzazione viene raccolta dagli elettrodi.
Polarizzazione
inversa
Substrato debolmente drogato n
(area sensibile).
Elettrodo di giunzione drogato fortemente p (catodo).
Valori del silicio
Gap energetico a 300K
eV
1.12
Energia di ionizzazione
eV
3.6
Densità
g/cm3
2.33
Perdita di energia media
di una mip
MeV cm2/g
1.664
Per un rivelatore di spessore di 250 um:
20 ke-
3
L’architettura 3D
CONFRONTO SENSORE 3D E PLANARE
S. Parker NIM A 395 (1997) 328
Nei sensori 3D si ha un disaccoppiamento tra
la profondità del sensore e la distanza di
raccolta di carica.
BORDO ATTIVO
VANTAGGI:
• Distanza tra gli elettrodi corta.
• Voltaggio di svuotamento basso.
• Tempo di raccolta breve.
• Resistenza alla radiazione.
• Bordo attivo.
SVANTAGGI:
• Risposta non uniforme dovuta alla
presenza degli elettrodi.
• Capacità del sensore alta.
• Processi di fabbricazione complessi.
3D
PLANARE
Distanza di raccolta
50 um
300 um
Tensione di
svuotamento
<10 V
70 V
Tempo di raccolta
1-2 ns
10-20 ns
Zona morta di bordo
< 5 um
>500 um
4
Elettrodi e caratteristiche dei sensori
C.DaVià, NIM A 604 (2009) 505
C.DaVià, NIM A 604 (2009) 505
C.DaVià, NIM A 604 (2009) 505
Sensori a pixel 3D a colonne passanti con geometria di
ATLAS per una possibile applicazione nell’upgrade.
I sensori 3D-DDTC
I sensori 3D Double-side Double Type Column (DDTC)
hanno colonne di entrambi i tipi droganti, penetranti
parzialmente il substrato da entrambe le facce.
d0
d
Prestazioni comparabili a quelli a
colonna passante se la distanza
per cui differiscono dallo
spessore del substrato è piccola.
Elettrodi ohmici (p+)
Spessore substrato
(drogato debolmente p)
FBK-irst – INFN e Università di Trento
Elettrodi di giunzione (n+)
A.Zaboli, IEEE Trans.Nucl.Sci.
NS-55(5) (2008) 2275
Caratteristiche costruttive delle due tipologie di sensori DDTC.
3D-DTC-2
3D-DTC-2B
Spessore del substrato
um
200
200
Spessore colonna di giunzione (n+)
um
100-110
140-170
Spessore della colonna ohmica (p+)
um
180-190
180-190
Sovrapposizione delle colonne
um
90-100
110-150
Concentrazione del drogaggio del
substrato
cm-3
1 X 1012
7 X 1011
Il test su fascio
Dal 25 maggio al 2 giugno 2009.
Linea di fascio H8 del SPS (CERN) .
Fascio di +- con energia 180 GeV.
Prima volta con campo magnetico
B=(1.360.10)T
DUT
Tipologia
Bias (V)
PLANAR
Planare n-in-n
-150
STA-3E
3D colonna passante
-35
FBK-3E7
3D-DTC-2B
-8
FBK-3EM5
3D-DTC-2
-35
I rivelatori 3D studiati nel test sono a pixel 3E.
SCINT#1,2
B
Angolo
OFF
0
OFF
/12
ON
0
ON
/12
VETO
Telescopio (Bonn ATLAS Telescope - BAT):
- rivelatori a strip di area (3.2X3.2)cm2 e passo 50 um;
7
- risoluzione spaziale di 5.5 um.
ATLAS pixel readout chip (FE-I3)
• Standard 0.25um CMOS.
• Resistenti alla radiazione fino ad
una dose di 50 Mrad.
• Matrice di 160 X 18 canali ciascuno
di (400 X 50) um2.
Il chip misura la carica generata dalla particella ionizzante nel
sensore in termini di Time-over-Threshold (ToT).
Il ToT dipende da:
• Carica prodotta;
• Soglia del discriminatore;
• Corrente di feedback.
Il ToT è in unità di 25 ns.
Calibrazione: 20ke- = 60 ToT.
8
La presa dati e l’analisi
10000 eventi per run.
15 minuti per un singolo run.
700 run acquisiti in totale.
Data Quality Monitor :
- Controllo sincronizzazione tra i
piani del telescopio e i rivelatori.
Ricostruzione delle tracce:
- Le tracce sono ricostruite per gli eventi
acquisiti che hanno registrato un hit in tutti i
piani del telescopio.
- Un file .root per ogni run contenete le
informazioni di tutte le tracce.
Analisi off-line:
- Analisi sui file .root .
- Misure preliminari presentate in questa tesi:
- Time-over-Threshold;
- Charge sharing;
- Risoluzione spaziale;
- Efficienza.
9
I run
L’area analizzata è compresa tra le
righe 8-152 e le colonna 2-16.
(per eliminare i pixel di dimensioni
diverse da (400 X 50) um2)
 tracceDUT
Accettanza = 
 tracceTOTALI
3D-DTC-2



3D-DTC-2B
B
A
Run range
Accettanza
Tracce
Accettanza
Tracce
OFF
0
600802
19.3%
4.30X105
19.4%
3.25X105
OFF
/12
12411306
38.5%
1.99X105
31.3%
1.82X105
ON
0
803997
33.2%
3.28X105
35.2%
3.48X105
ON
/12
10001203
39.8%
5.41X105
41.0%
5.57X105
10
Time-over-Threshold
Il Time-over-Threshold (ToT) è la misura della carica prodotta nel sensore
dalla particella ed è in unità di 25 ns.
Alle distribuzioni è sovrapposto, sul
90% dell’area partendo da destra,
un fit a una distribuzione di Landau.
3D-DTC-2 - B=OFF; A=0
3D-DTC-2
3D-DTC-2B
Spessore - d
um
200
200
Valore atteso
ToT
48
48
d
ToTEXP
=
250
60
Configurazione
MPV= Most Probable Value
3D-DTC-2
3D-DTC-2B
B
A
MPV

MPV

OFF
0
46.7
4.6
35.5
3.8
ON
0
48.1
4.8
35.4
3.8
OFF
/12
45.1
5.3
33.7
3.9
ON
/12
46.6
5.1
33.9
3.9
3D-DTC-2
-35 V;
3D-DTC-2B
-8 V
L’attivazione del campo magnetico aumenta l’MPV mentre la rotazione del sensore ne
diminuisce il valore. Il loro effetto si compensa nella configurazione B=ON A=/12.
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Charge sharing (1/2)
sumToT  hitToT
Suddivisione della carica prodotta dalla particella tra i pixel: Qshare =
sumToT
Ionizzazione della carica
su più pixel
PLANARE - B=OFF; A=0
Angolo di Lorentz prodotto dal
campo magnetico sulla carica
ionizzata.
PLANARE - B=ON; A=0
Nel sensore planare il campo magnetico incrementa il charge sharing.
12
Charge sharing (2/2)
3D-DTC-2
B= OFF
B= ON
A=0
A=/12
Il campo magnetico non incrementa la suddivisione di carica tra i pixel.
La rotazione del sensore incrementa il charge sharing nella direzione corta del pixel.
Analoghi risultati nel sensore 3D-DTC-2B
13
Risoluzione spaziale
3D-DTC-2
residuo y = yMaxToT  yTraccia
B= OFF
B= ON
A=0
Y(micron)
Y(micron)
Y(micron)
Y(micron)
A=/12
Il campo magnetico non modifica la distribuzione dei residui.
La rotazione del sensore accentua il profilo gaussiano della distribuzione a causa maggiore
charge sharing.
14
Analoghi risultati nel sensore 3D-DTC-2B
tracce  con  cluster  associato
tracce
Configurazioni
3D-DTC-2B - B=OFF; A= /12
Efficienze calcolate con:
• ampiezza cluster dal centro del
pixel x =400 um; y = 50 um.
• tracce con 2<20.
3D-DTC-2
3D-DTC-2B
PLANARE
B
A

(0.001)

(0.001)

(0.001)
OFF
0
0.975
0.982
0.989
ON
0
0.977
0.984
0.991
OFF
/12
0.976
0.979
0.977
ON
/12
0.990
0.993
0.992
3D-DTC-2B - B=ON; A= /12
=
3D-DTC-2B - B=OFF; A=0
Efficienza
La non uniformità dei sensori 3D dovuta alle colonne è superata ruotando il sensore.
I valori di efficienza sono massimi nella configurazione B=ON A=/12.
15
Conclusioni
• Sono stati presentati i sensori a pixel 3D-DDTC.
• L’analisi preliminare svolta in questa tesi sui dati acquisiti nel
test su fascio mostra che:
– Il ToT segue la distribuzione di Landau attesa;
– Il charge sharing e la risoluzione spaziale sono dipendenti dalla
rotazione del sensore ma non dal campo magnetico;
– Le efficienze raggiungono valori superiori al 99% nella
configurazione B=ON A= /12.
• I risultati ottenuti in questa tesi sono preliminari e un’analisi
più approfondita è in corso da parte del gruppo di lavoro
ATLAS 3D Sensor.
• Sono previste nuove misure sui sensori e il loro irraggiamento.
16
BACK-UP
17
ToT (1/2)
18
ToT (2/2)
19
Charge Sharing
20
Residui (1/2)
21
Residui (2/2)
22
Efficienza
23
Noise vs HV
Oct. 2, 2009 Alessandro La Rosa ‐ CERN
24
B vs E
B=OFF
B=ON
25
SILICON SENSORS FOR PARTICLE
DETECTION
•
•
•
•
The idea is to get information about a particle crossing the
sensor, reading the signal produced by ionization.
N-type and P-type silicons are put in touch to crate a junction.
A depletion zone arises near the interface.
To increase the depleted zone:
– Put in touch high-doped part with low-doped part.
– Apply a reversal bias.
Particle passing through the depletion region of the silicon
ionizes and generate a current.
N-type
+
P-type
-
A. La Rosa, “Preliminary results of 3D-DDTC pixel detectors for the ATLAS upgrade” given talk at RD09. Proceeding
27
•
•
•
Main radiation effects:
– Increase of the leakage current.
– Decrease of the signal.
– Change of the space charge in the depleted
region → need to increase the bias voltage.
The 3D charge collection allows to minimize the
effect of the radiation damage during the
charge drift.
Radiation hardness is one of the most important
3D features for high energy physics.
C.DaVià, NIM A 604 (2009) 505
RADIATION HARDNESS
Signal efficiency:
SE =
L
K
D

1

φ 
1
+
0.6
LK
τ

vD 

= inner electrode distance.
= damage constant.
= electron saturated drift velocity.
= particle fluence.
Dispositivo sperimentale
29
FE-I3
I. Peric, NIM A 565 (2006) 178
Pixel Unit Cell (PUC)
60 ToT @ 20 keSegnale MIP 20 keNoise 200 eThreshold 3200 e-
30
3D-DDTC
3D-DTC-2
3D-DTC-2B
Spessore del substrato
um
200
200
Spessore colonna di giunzione (n+)
um
100-110
140-170
Spessore della colonna ohmica (p+)
um
180-190
180-190
Sovrapposizione delle colonne
um
90-100
110-150
Concentrazione del drogaggio del substrato
cm-3
1 X 1012
7 X 1011
Tensione di svuotamento laterale
V
3
1-2
Tensione di svuotamento totale
V
12
3-4
Corrente di leakage
pA/colonna
<1
<1
Capacità vs backplane
fF/colonna
35
45-50
Tensione di break-down
V
>70
>70
G.-F. Dalla Betta, “Development of
3D-DDTC pixel detectors for the
ATLAS upgrade”, presentato al 7°
International “Hiroshima”
Symposium on Development and
Application of Semiconductor
Tracking Devices, Hiroshima
(Japan), Aug.27-Sep.1 (2009).
31
Root file
32
33
34