Développement et validation du système d'acquisition de la trajectométrie interne de CMS pour LHC à haute luminosité

System development and validation for the CMS Inner Tracker at High Luminosity LHC

• Auteur / Autrice : Natalia Emriskova
• Direction : Jérémy Andrea, Stefano Mersi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des particules élémentaires
• Date : Soutenance le 22/07/2021
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut pluridisciplinaire Hubert Curien (Strasbourg ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Jérôme Baudot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Walter Snoeys, Sarah Seif El Nasr
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christophe Delaere

Mots clés

Mots clés contrôlés

Capteurs d'images CMOS

Détecteurs de rayonnement

Grand collisionneur de hadrons

Mots clés libres

Détecteur à pixels au silicium

Trajectomètre interne de CMS

Amélioration

Développement du système

Puce de lecture RD53A

Électronique frontale

Electronique analogique

Capteur à pixels au silicium

Diaphonie

Liaison de données

Câbles électriques légers

Préaccentuation

Silicon pixel detector

CMS Inner Tracker

Upgrade

System development

RD53A readout chip

Front-end electronics

Analogue front-end

Silicon pixel sensor

Cross-talk

Data link

Low mass electrical links

Pre-emphasis

Résumé

Le détecteur à pixels de CMS, appelé le trajectomètre interne, va être entièrement remplacé pour LHC à haute luminosité. Le développement du système d’acquisition du nouveau détecteur repose sur plusieurs choix, chacun d’entre eux nécessitant une étude dédiée. La puce de lecture RD53A a été testée et ses trois électroniques analogiques frontales ont été comparées, ce qui a permis de choisir l’électronique Linéaire avec un circuit amélioré pour l’intégration dans la nouvelle puce de lecture de CMS. Deux méthodes de mesure de diaphonie dans les capteurs à pixels ont été proposées et vérifiées sur cinq capteurs dans le but de contribuer au choix entre les pixels carrés et les pixels rectangulaires. La diaphonie asymétrique de l’ordre de 10% a été mise en évidence dans les pixels rectangulaires et deux moyens de la réduire identifiés: la conception des pixels et la polarisation du préamplificateur. Finalement, différents prototypes de câbles électriques ont été évalués et comparés pour implémenter la liaison de données du détecteur assurant une intégrité des signaux électriques suffisante pour être correctement réceptionnés par la puce d’agrégation lpGBT. L’influence de préaccentuation implémentée dans RD53A sur la qualité du signal a aussi été étudiée.

The CMS Inner Tracker pixel detector will be entirely replaced for the High Luminosity LHC. The development of the readout system for the new detector relies on several system choices each of which requires dedicated studies. The RD53A readout chip was tested and its three analogue front-ends were compared, which allowed to choose the Linear front-end with an improved design for integration into the new CMS readout chip. Two methods to measure cross-talk in pixel sensors were proposed and verified on five sensors to contribute to the choice between square and rectangular pixels. Asymmetric cross-talk of the order of 10% was put in evidence in rectangular pixels and two handles to reduce it were identified: the pixel design and the preamplifier bias. Finally, different prototypes of electrical links were evaluated and compared towards the implementation of the data link ensuring a sufficient signal integrity for a correct reception of the data by the lpGBT chip. The influence of pre-emphasis implemented in RD53A on the signal quality was also studied.