Conception et caractérisation d’ASIC de lecture des détecteurs SiPM dans des mesures de temps pico-seconde pour l’expérience CMS HGCAL

Design and characterization of readout ASICs for SiPM detectors in pico-second timing measurements for the CMS HGCAL experiment

• Auteur / Autrice : José GONZáLEZ MARTíNEZ
• Direction : Christophe de La Taille
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 27/02/2024
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Organisation de Micro-Electronique Générale Avancée (Palaiseau, Essonne ; 2013-....) - Organisation de Micro-Électronique Générale Avancée
• Jury : Président / Présidente : Florian Beaudette
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe de La Taille, Katja Krüger, Rémi Cornat, Giulia Hull, Paul Aspell
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Katja Krüger, Rémi Cornat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Particules (physique)

Montage en surface (électronique)

Circuits intégrés à la demande

Mots clés libres

Asic

SiPM

Front-End analogique

Cms

Hgcal

Physique des particules

Asic

SiPM

Analog front-End

Cms

Hgcal

Particle physics

Résumé

Les ASIC HGCROC sont des composants électroniques frontaux dédiés, conçus pour lire le calorimètre à haute granularité (HGCAL), qui remplacera les calorimètres actuels du Grand collisionneur de hadrons (LHC) dans le cadre de la collaboration sur le solénoïde compact à muons (CMS). Ce travail met l'accent sur les caractéristiques spécifiques de la conception du HGCAL qui ont influencé la conception de l'ASIC de lecture du photomultiplicateur au silicium (SiPM).H2GCROC est un ASIC 130 nm CMOS conçu pour lire les SiPM couplés aux tuiles scintillantes des sections hadroniques arrière de CMS HGCAL. Le préamplificateur frontal à l'intérieur de la puce est adapté au niveau de signal plus élevé du SiPM, anticipant les pC par particule ionisante minimale (MIP) au lieu des gammes fC/MIP. Cette thèse présente l'architecture ASIC et sa caractérisation en laboratoire et en faisceau d'essai. Elle démontre une bonne adaptabilité dans l'étalonnage, la tolérance au rayonnement et la capacité de mesurer le spectre de photons uniques du SiPM et l'énergie du MIP avec une haute résolution. Ce travail illustre également les améliorations proposées, développées et testées entre la deuxième et la troisième version imprimée de l'ASIC et les changements futurs de la prochaine et dernière version de l'ASIC.

The HGCROC ASICs are dedicated very front-end electronics designed to read out the High Granularity Calorimeter (HGCAL), which will replace the current end-cap calorimeters of the Large Hadron Collider (LHC) for the Compact Muon Solenoid collaboration (CMS). This work emphasizes the specific features of the HGCAL design that influenced the Silicon Photo Multiplier (SiPM) readout ASIC design.H2GCROC is a 130nm CMOS ASIC designed to read out the SiPMs coupled to the scintillating tiles of the back hadronic sections of CMS HGCAL. The front-end preamplifier inside the chip is tailored for the SiPM's higher signal level, anticipating pC per Minimum Ionizing Particle (MIP) instead of fC/MIP ranges. This thesis presents the ASIC architecture and its characterization in the lab and test beam. It demonstrates good adaptability in calibration, radiation tolerance, and the ability to measure SiPM single-photon-spectrum and MIP's energy with high resolution. This work also illustrates the improvements proposed, developed, and tested from the second to the third printed version of the ASIC and the future changes of the following and last ASIC version.