Depleted CMOS sensor development for pixel particle detectors under high intensity and high radiative dose

par Zongde Chen

Thèse de doctorat en Physique des Particules et Astroparticules

Sous la direction de Marlon Barbero et de Alexandre Rozanov.

Le président du jury était Cristinel Diaconu.

Le jury était composé de Alexandre Rozanov, Heinz Pernegger, Pierre Barrillon, Patrick Pangaud.

Les rapporteurs étaient Fabienne Orsini, Christine Hu-Guo.

  • Titre traduit

    Etude de la technologie CMOS pour des détecteurs de particules pixelisés sous haute intensité et haute dose radiative


  • Résumé

    Le trajectographe interne (ITk) de l'expérience ATLAS sera amélioré pour la nouvelle phase de prise de données du grand collisionneur de hadrons du CERN à haute luminosité (HL-LHC) en 2026. Le HL-LHC fonctionnera avec l’énergie nominale de collision est de 14 TeV et la luminosité instantanée maximale de 7,5 x (10)34 cm(−2) s(−1), cinq fois plus élevée qu’à présent. La luminosité accrue se traduira par des niveaux de rayonnement et des débits de données environ dix fois plus élevés. Afin de faire face aux exigences d’ATLAS en termes d’intensite du rayonnement, de vitesse de lecture et de granularité au HL-LHC, le remplacement de l’actuel ATLAS Inner Tracker (ITk) est nécessaire. Deux capteurs CMOS épuisés à grande échelle dans la technologie LF de 150 nm, appelés LF-CPIX et LF-MONOPIX, ont été développés dans le cadre de la mise à niveau ATLAS Inner Tracker (ITK) pour le LHC à haute luminosité. Le travail présenté ici montre la caractérisation de ces trois prototypes, avec des contributions concernant le développement de la configuration, le calibrage source 55 Fe et 90 Sr, les modifications du microprogramme FPGA et le développement de programmes de test. L’enquête sur la dureté du rayonnement pour l’électronique et les composants du capteur a été une préoccupation majeure. Nous montrerons les résultats concernant les caractérisations de ces prototypes dans les performances de laboratoire du CPPM, ainsi que les résultats de multiples campagnes de rayonnement conduites à l’installation de protons IRRAD de 24 GeV du CERN, afin d’étudier les effets de la perte d’énergie non ionisante (NIEL) et du Dose ionisante (TID) sur les prototypes.


  • Résumé

    The Inner Tracker (ITk) system of the ATLAS experiment will be upgraded for the 2026 High Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) run. The HL-LHC will operate with a center of mass energy of 14 TeV and a peak instantaneous luminosity five times higher than at present. The increased luminosity will result in roughly ten times higher radiation levels and data rates. To cope with the ATLAS requirements in terms of radiation hardness, readout speed and granularity at the HL-LHC, the replacement of the present ATLAS Inner Tracker (ITk) is needed. Two large-scale depleted CMOS sensors in the 150 nm LF-technology called LF-CPIX and LF-MONOPIX, developed in the framework of the ATLAS Inner Tracker (ITK) upgrade for High Luminosity LHC. The work presented here shows the characterization for these three prototypes, with contributions concerning the setup development, 55Fe and 90Sr source calibration, modifications of the FPGA firmware and development of test programs. A main concern was the investigation on the radiation hardness for both the electronics and the sensor parts. We will show results concerning characterizations for these prototypes in the laboratory performance at CPPM, as well as results in multiple radiation campaigns performed at the 24 GeV IRRAD proton facility at CERN, to study the effects of Non-Ionizing Energy Loss (NIEL) and Total Ionizing Dose (TID) on the prototypes.

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