Characterization of sensors for CMS Phase II forward pixel detector

Abstract

The HL-LHC conditions of instantaneous peak luminosities up to 7.5*10^34 cm ^-2 s^-1 and an integrated luminosity of the order of 300fb^-1 would result in 1 MeV neutron equivalent fluence of 2.3 * 10^16 neq/cm^2and a total ionizing dose (TID) of 12MGy (1.2 Grad) at the center of CMS, where its innermost component, the Phase-2 Pixel Detector will be installed. The detector should survive the above radiation dose, handle projected hit rates of 3 Ghz/cm^2 at lowest radius, be able to separate and identify particles in extremely dense collision debris, deal with a pileup of 140-200 collisions per bunch crossing and have high impact parameter resolution. This along with physics goals translates into requiring a detector design that is more highly granular, has thinner sensors and smaller pixels, and a faster and radiation hard electronics. Sensors of planar type with pixel sizes six times smaller than currently used and 3D pixel types are being proposed to handle the above scenario. 3D sensors offer several improvements compared to the planar sensors like faster charge collection, radiation hard, lower depletion voltage but have higher noise (lower signal to noise ratio). Thin sensors yield smaller signals but offer less material budget. The work presented is based on the test-beam program at Fermilab designed to test sensors for the Phase-2 Pixel Detector. These sensors are bump bonded to PSI46dig readout chip (used currently with Phase-1 Detector) as these are the only ones available at the time of studies. The sensors are tested with a 120GeV/c proton beam at the Fermilab Meson Test-Beam Facility with a telescope made of eight planes of pixel modules to reconstruct tracks of the charged particles passing through the sensors tested (referred to as Detector Under Test (DUT)).

Las condiciones de la Alta Luminosidad del Gran Colisionador de Hadrones (HL-LHC, por sus siglas en inglés) de luminosidades máximas instantáneas de hasta 7.5*10^34 cm ^-2 s^-1 y una luminosidad integrada del orden de 300fb^-1 daría como resultado una fluencia equivalentes de neutrones de 1MeV de 2.3 * 10^16 neq/cm^2 y una dosis total de ionización (TID, por sus siglas en inglés) de 12MGy (1.2 Grad) sobre la parte central del solenoide de muón compacto (CMS, por sus siglas en inglés), donde se instalará los componentes más internos del detector de pixeles de la fase-2. El detector debería ser capaz de resistir a la dosis de radiación anterior, aguantar la razón de golpes proyectadas de 3 GHz/cm^2 en el radio más inferior, ser capaz de separar e identificar partículas en colisiones extremadamente densas, tratar con una cantidad de 140-200 colisiones por cruce de grupo y que tenga una resolución de parámetro de alto impacto. Esto en base a los objetivos de la física se traduce en la necesidad de que el diseño del detector sea más granular, tenga sensores más delgados y pixeles más pequeños, y una electrónica más rápida y resistente a la radiación. Los sensores de tipo planar con tamaño de pixeles seis veces más pequeños que los actualmente utilizados y los tipos de pixeles 3D que se están proponiendo para encargarse del escenario anterior. Los sensores 3D ofrecen varias mejoras en comparación con los sensores planares, como en la recolección de carga más rápida, resistencia a la alta radiación, menor tensión de agotamiento pero un mayor nivel de ruido (menor relación señal/ruido). Los sensores delgados generan señales más pequeñas pero requieren de menor presupuesto del material. El trabajo presentado se basa en el programa de haz de prueba en Fermilab diseñado para probar sensores para la fase-2 del detector de pixeles. Estos sensores están conectados al chip de lectura digital PSI46dig (actualmente están siendo utilizados en el detector de la fase 1) ya que son los únicos disponibles en éstos momentos de los estudios. Los sensores se prueban a 120GeV/c en el haz de protones en Fermilab Meson Test-Beam Facility con un telescopio compuesto por ocho planos de módulos de pixeles para reconstruir las trayectorias de las partículas cargadas que pasan a través de los detectores bajo prueba (DUT, en sus siglas en inglés).