Detektorentwicklung

Ziel des High-Luminosity Upgrade des LHC (HL-LHC) ist es, die instantane Luminosität, und damit die Anzahl der Kollisionen pro Zeit, im Vergleich zum momentan erreichten Wert um einen Faktor 10 zu steigern. So können die Experimente signifikant mehr Daten sammeln um damit seltene Prozesse beobachten zu können. Aufgrund der höheren Kollisionsrate durchqueren viel mehr Teilchen pro Zeit die Detektoren des ATLAS Experimentes, wodurch sich besonders hohe Anforderungen an die Technologie insbesondere der innersten Komponenten, des inneren Spurdetektors (Inner TracKer, ITk) ergeben. Die Detektoren müssen sehr schnell sein, aus möglichst wenig Material bestehen und sehr gute Ortsauflösung haben. Im Rahmen des ITk Detektor Upgrades arbeiten wir an Tests der neuartigen Pixel Detektoren, insbesondere mit Hilfe sogenannter Teststrahl Untersuchungen, und sind aktiv am Bau von Detektormodulen für den Streifendetektor beteiligt. Der neue Detektor soll 2027 den Betrieb aufnehmen.

Neben den Anforderungen an Trefferrate, Strahlenhärte, Ortsauflösung und Treffereffizienz stellt die große Fläche, die bei modernen Detektoren in der Teilchenphysik instrumentiert werden muss, eine enorme Herausforderung dar. Sämtliche Prozesse im Bau solcher Detektoren müssen immer stärker industrialisiert werden, um genügend große Mengen an Detektormodulen herstellen zu können. Das führt dazu, dass große Hersteller von CMOS Imaging Sensoren stärker in die Produktion eingebunden werden, da deren Fabriken auf enorm große Stückzahlen ausgerichtet sind. Um von dieser Ressource profitieren zu können, untersuchen Detektorphysiker:Innen verstärkt die Möglichkeiten der CMOS Fertigung von Detektoren für geladene Teilchen. Unsere Aktivitäten konzentrieren sich dabei auf zwei verschiedene Gebiete. Auf der einen Seite untersuchen wir passive Streifen Sensoren, welche in einer CMOS Fabrik hergestellt wurden. Diese Sensoren werden mit bekannten Auslesechips verbunden, um sie mittels elektrischer Tests im Labor und mittels Teststrahlmessungen zu charakterisieren. Der Vorteil dieses Ansatzes ist, dass die großen Streifensensoren so besonders kosteneffizient hergestellt werden können. Der zweite Ansatz ist die Herstellung von aktiven Pixeldetektoren, bei denen die Ausleseelektronik gleich in den Sensor eingebaut wird. Das erlaubt es, die kostengünstigen Sensoren gleichzeitig signifikant dünner zu machen, was große Vorteile insbesondere für die innersten Detektorlagen hat.

Des Weiteren beschäftigen wir uns mit der Entwicklung ultra-schneller Silizium Detektoren (UFSD), die auf der Basis von Avalanche Dioden eine Zeitauflösung in der Größenordnung weniger zehn Picosekunden erreichen. Diese Art von Detektoren kann in Hochenergiephysik Experimenten benutzt werden, um in Bereichen mit sehr hohen Spurdichten die Teilchen der richtigen Wechselwirkung zuzuordnen.

Gefördert durch:

• DFG INST 212/463-1 FUGG "Halbautomatischer Wafer-Messplatz"
• BMBF 05H21PERD1
• BMBF 05H21PECA9