Contribution à la construction du trajectomètre en pixel au silicium de l'expérience ATLAS pour la phase haute luminosité du LHC

Contribution to the construction of the silicon pixel trajectometer of the ATLAS experiment for the high luminosity phase of the LHC

• Auteur / Autrice : Yahya Khwaira
• Direction : Abdenour Lounis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des particules
• Date : Soutenance le 27/10/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des deux infinis Irène Joliot-Curie (2020-....) - Centre européen pour la recherche nucléaire
• Jury : Président / Présidente : Achille Stocchi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Didier Contardo, Koji Nakamura, Mohsine Menouni
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Giovanni Calderini, Didier Contardo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Radiorésistance

Capteurs d'images à pixels actifs

Expérience ATLAS

Transistors pixel

Détecteurs à semiconducteurs

Mots clés libres

Détecteur de pixels en silicium

Trajectomètre interne

Electronique frontale en technologie CMOS 65 nm

Dommages aux irradiations

Silicon pixel detector

Inner tracker

65nm CMOS front-end electronics

Radiation damage

Résumé

L'objectif de ce travail est la préparation du trajectomètre interne de l'expérience ATLAS pour la phase haute luminosité pour une recherche de nouvelles particules élémentaires ou découvrir des signes de nouvelle physique au-delà du modèle standard. En effet, l'augmentation de la luminosité d'un facteur dix nécessite, par conséquent, une refonte de l'ensemble des détecteurs de particules qui forment la partie interne de l'ensemble expérimental de l'expérience ATLAS. C'est au cœur de l'expérience, près du point de collision des protons incidents, que les doses de radiations seront les plus intenses. Les fluences très élevées en particules et rayonnement ionisants, jamais atteintes précédemment, feront subir des dommages considérables aux capteurs en siclicium, à l’électronique associée ainsi qu'à l'ensemble des matériaux et structures qui supportent mécaniquement ces dispositifs. Le détecteur de l'expérience ATLAS devra assurer, pendant une période estimée entre cinq à dix ans, un fonctionnement nominal à plein régime sans perte de performances malgré cet environnement fortement hostile induit par les radiations. C'est pour cette raison, dû au cadre fortement contraint qu'il est absolument indispensable de préparer soigneusement et mettre en œuvre avec rigueur les modules pixel de détection ainsi que leur électronique associée qui seront installés dans le futur trajectomètre. A cette fin, un ensemble de travaux ont été entrepris; notamment la construction d'un démonstrateur au CERN qui représente à une échelle réduite le futur trajectomètre interne. Um ensemble de séries de mesures minutieuses de contrôle qualité à été menée à bien sur les modules préalablement assemblés par différents laboratoires de la collaboration ATLAS. Une vérification des performances avant et après intégration sur les cellules du baril interne et les bouchons ont été soigneusement évaluées et ont prouvé la justesse de la stratégie de chargement des modules. Auparavant plusieurs campagnes d'irradiation à haut flux ont été mené à bien au CERN, visant à évaluer les performances des modules ainsi que des circuits intégrés de lecture. En particulier, un circuit spécialisé de monitorage des irradiations développé au laboratoire a été l'objet d'une attention particulière vu son importance pour réajuster, en temps réel, le cas échéant et rétablir les performances optimales de l'électronique de lecture des capteurs pixels pendant la prise des données. L'ensemble de ces travaux seront développés avec précision dans l'ouvrage écrit de la thèse.

The goal of this work is to prepare the internal tracker for future challenging high luminosity working conditions of the HL-LHC. The ultimate goal of ATLAS experiment is the search of the investigation of rare decays and search for signs of new physics beyond standard model. Increasing the luminosity by a factor ten, requires the complete redesign of the inner tracker and replacement with full silicon tracker and its associated readout electronics. Near the collision point, radiation fluence will be extremely high and will cause severe damages to the sensors and associated readout integrated electronics. The challenge is to build a robust internal tracker that will sustain high radiation dose during the entire period of operation time of more five to ten years, without any major loss of performance. To face these predicted hostile working conditions, systematic studies on sensors, modules and front end electronics have been carried and in particular their performance regarding their radiation tolerance is investigated in details. Furthermore a demonstrator has been constructed at CERN and instrumented by barrel and endcap modules to verify and check in detail all the issues related to electrical and mechanical integration. Before installation in the demonstrator, quality control studies based on a series of criterias of modules have been performed; this will be detailled in a section of this manual. Moreover, Xray and proton irradiation campains of sensors and integrated readout circuits have been carried at CERN and CPPM for performance evaluation before and after irradiation. In particular a section will be dedicated to describe the study under several tuning conditions of a specific radiation monitor circuit “Ring Oscillator” embedded in the main readout chip, designed in our laboratory.