應(yīng)用于高亮度LHC上ATLAS徑跡室的單片式像素探測(cè)器研究.pdf

1、為了拓展新物理發(fā)現(xiàn)能力，歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)計(jì)劃于2024年進(jìn)行一次主要升級(jí)。本博士論文的研究?jī)?nèi)容作為L(zhǎng)HC上ATLAS實(shí)驗(yàn)的內(nèi)層徑跡探測(cè)器升級(jí)計(jì)劃的一部分，目的在于研究一種新型單片式像素探測(cè)器。這種新型傳感器基于高壓/高阻CMOS(HV/HR CMOS)工藝。相比較傳統(tǒng)的復(fù)合式像素探測(cè)器，單片式探測(cè)器將會(huì)減少探測(cè)器物質(zhì)量（降低粒子多重散射），縮小像素尺寸（提高徑跡重建精度）以及降低探測(cè)器成本（對(duì)于約10m2的像素探測(cè)

2、器，成本問(wèn)題需要考慮）。
　　在ATLASHV/HR合作組內(nèi)，基于不同HV/HR CMOS工藝的多種原型傳感器已被開(kāi)發(fā)，比如Global Foundry(GF) BCDlite130納米工藝和LFoundry(LF)150納米工藝。為了獲得不同CMOS工藝的相關(guān)電學(xué)特性以及粒子探測(cè)能力，已經(jīng)通過(guò)三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(TCAD)模擬提取關(guān)鍵的電學(xué)參數(shù)，其中包括耗盡區(qū)分布、擊穿電壓、漏電流以及電容等。通過(guò)三維瞬時(shí)TCAD模擬，對(duì)傳感器的

3、電荷收集效率以及像素間電荷分享現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)研究。對(duì)于基于高阻襯底研發(fā)的原型傳感器，傳感器的保護(hù)環(huán)也通過(guò)二維TCAD模擬進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了研究傳感器因粒子輻照損傷而引起的性能變化，以上的TCAD模擬包括了非電離能損(NIEL)以及總電離劑量(TID)效應(yīng)對(duì)傳感器性能影響的研究。為了獲得傳感器在低溫下的狀態(tài)，傳感器性能隨溫度的變化也通過(guò)TCAD模擬進(jìn)行了研究。
　　同時(shí)我也參與了HV/HR CMOS原型芯片測(cè)試平臺(tái)的研發(fā)。主要貢獻(xiàn)

4、在于FPGA固件的修改以及基于C++和python的測(cè)試程序的編寫(xiě)。在CPPM組織并參與對(duì)AMS180納米，GF130納米和LF150納米原型芯片的實(shí)驗(yàn)室電學(xué)性能表征測(cè)試。為研究NIEL和TID效應(yīng)對(duì)不同原型芯片的影響，組織參與多次在CERN24 GeV質(zhì)子同步束流以及X-射線放射源測(cè)試。前端放大器的線性以及信噪比通過(guò)外部測(cè)試脈沖進(jìn)行了測(cè)試。甄別器的閾值可通過(guò)監(jiān)測(cè)其輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)。對(duì)原型芯片的測(cè)試主要集中在電子學(xué)和電荷收集部分的耐輻照

5、強(qiáng)度方面。TID對(duì)電子學(xué)的影響主要通過(guò)對(duì)前端放大器，甄別器以及模擬數(shù)據(jù)獲取鏈的表征來(lái)研究:放大器輸出幅度、甄別器閾值和噪聲變化等等。NIEL對(duì)襯底的影響主要通過(guò)對(duì)像素計(jì)數(shù)率、漏電流、55Fe和90Sr能譜等的測(cè)試來(lái)進(jìn)行研究。HV/HR CMOS傳感器與FE-14（目前ATLAS IBL的像素讀出芯片）的通信可以通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂膠合來(lái)進(jìn)行容性交流耦合。傳感器與FE-14的通信已通過(guò)FE-14對(duì)傳感器亞像素加權(quán)輸出信號(hào)的讀取進(jìn)行測(cè)試。傳感器的電

6、子學(xué)占用率(occupancy)以及時(shí)間游走(time-walk)也通過(guò)FE-14進(jìn)行了測(cè)試。用于膠合的環(huán)氧樹(shù)脂的均勻性以及厚度也通過(guò)FE-14讀取信號(hào)的幅度進(jìn)行了研究。
　　除了參與HV/HR CMOS傳感器的研究，同時(shí)也參與了對(duì)FE-14 GADC(generic ADC)的標(biāo)定方法的研究并且進(jìn)行了相關(guān)的驗(yàn)證測(cè)試?；赗OOT編寫(xiě)了一個(gè)簡(jiǎn)潔圖形界面程序用來(lái)可視化標(biāo)定過(guò)程以及結(jié)果。IBL的所有FE-14模塊的GADC的標(biāo)定數(shù)據(jù)已