Pikselowy detektor wierzchołka dla ILC

Pikselowy detektor wierzchołka dla ILC Łukasz Maczewski Seminarium Fizyki Wielkich Energii Warszawa, 30.05.2008 Warszawski) 30.05.2008 1 / 53

Plan seminarium 1 Wprowadzenie Projekt International Linear Collider (ILC) Detektor wierzchołka dla ILC Detektory typu MAPS (Monolithic Active Pixel Sensors) 2 Pomiary charakterystyk detektorów MAPS Układ eksperymentalny Wyniki pomiarów Wyniki symulacji 3 Plany na przyszłość oraz podsumowanie Warszawski) 30.05.2008 2 / 53

Warszawsko-łódzka grupa eksperymentalna ILC Warszawsko-łódzka grupa eksperymentalna ILC Instytut Fizyki Doświadczalnej UW: Jacek Ciborowski Grzegorz Grzelak Piotr Nieżurawski Łukasz Maczewski Aleksander Filip Żarnecki Instytut Problemów Jadrowych, Warszawa: Marek Adamus Uniwersytet Łódzki: Paweł Łużniak Warszawski) 30.05.2008 3 / 53

Projekt International Linear Collider Akcelerator Akcelerator liniowy e + e o długości 33 km oparty na technologii nadprzewodzacych wnęk rezonansowych Energia w środku masy 200-500 GeV - docelowo 1 TeV Polaryzacja elektronów przekraczajaca 80%, a pozytronów 60% Warszawski) 30.05.2008 4 / 53

Projekt International Linear Collider Struktura wiazek Rozmiary poprzeczne wiazki 650 nm 5 nm Świetlność 2 10 34 cm 2 s 1 Warszawski) 30.05.2008 5 / 53

Projekty detektorów dla ILC Detektor LDC Detektor GLD Detektor SiD 4th - czwarty Warszawski) 30.05.2008 6 / 53

Detektor wierzchołka dla ILC Dwie koncepcje detektora wierzchołka, dla których cos θ 0.96 Długi cylinder Krótki cylinder plus zewnętrzne dyski LDC GLD SiD 4th liczba warstw 5 6 5 5 liczba dysków 0 2 4 4 wewnętrzny promień (cm) 1.6 2.0 1.4 1.5 zewnętrzny promień (cm) 6.0 5.0 6.1 6.1 Warszawski) 30.05.2008 7 / 53

Detektor wierzchołka dla ILC Wymagania stojace przed macierzami pikselowymi dla detektora wierzchołka przy ILC: Wysoka przestrzenna zdolność rozdzielcza < 5 µm Niewielka grubość detektora 0.1%X 0 - zmniejszenie wpływu wielokrotnego rozpraszania kulombowskiego Wysoka efektywność rejestracji czastek naładowanych 99% w pojedynczej warstwie Duża granularność oraz szybki odczyt detektora 40 MHz Odporność na zniszczenia radiacyjne Warszawski) 30.05.2008 8 / 53

Detektory pikselowe - CCD Charge Coupled Devices Przestrzenna zdolność rozdzielcza ograniczona rozmiarem piksela (piksele 20 20 µm 2 σ 3 µm) Możliwość redukcji grubości do 20 µm (poniżej 0.1%X 0 ) Powolny odczyt Podatność na zniszczenia radiacyjne Koniecznośc chłodzenia Warszawski) 30.05.2008 9 / 53

Detektory pikselowe - CCD CP-CCDs, FP-CCDs, SC-CCD, ISIS Koncepcje modernizacji CCD dla ILC Column Parallel CCD - równoległy odczyt kolumn detektora w celu przyspieszenia jego działania Short Column CCD - zwiększenie prędkości odczytu detektora Fine Pixel CCD - układ wyposażony w piksele o rozmiarach 5 5 µm In-situ Storage Image Sensor - każdy piksel wyposażony w pamięć umożliwiajac a zapisanie kilku przypadków Warszawski) 30.05.2008 10 / 53

Detektory pikselowe DEPFET DEPleted P-channel Field Effect Transistors Przestrzenna zdolność rozdzielcza 5 µm - brak dokładnych pomiarów Wysoki stosunek sygnału do szumu S/N 95 Niski pobór mocy - nie wymagane chłodzenie Możliwość redukcji grubości detektora do 50 µm Niekomercyjny proces technologiczny - wysoki koszt produkcji Warszawski) 30.05.2008 11 / 53

Detektory pikselowe MAPS Monolithic Active Pixel Sensor Wysoka przestrzenna zdolność rozdzielcza - piksele 20 20 µm 2 σ < 2 µm Zintegrowana elektronika odczytu umieszczona na powierzchni detektora Niski poziom szumów - wysoka efektywność rejestracji czastek Odporność na zniszczenia radiacyjne Tani i dobrze znany proces produkcji układów - CMOS Brak pola E w obszarze warstwy epitaksjalnej - swobodny dryf ładunków Warszawski) 30.05.2008 12 / 53

Detektor MIMOSA-5 Minimum Ionizing particles MOS Active pixel sensors MIMOSA-5 to pierwszy makro układ typu MAPS 4 podmacierze po 510 512 pikseli każda (17 17 µm 2 ) Grubość detektora wynosi 120µm, a warstwy epitaksjalnej 14µm Częstotliwość odczytu 10 MHz Każdy piksel wyposażony jest w układ odczytowy zbudowany z 3 tranzystorów Warszawski) 30.05.2008 13 / 53

Detektor MIMOSA-18 Minimum Ionizing particles MOS Active pixel sensors 4 podmacierze po 256 256 pikseli o rozmiarach 10 10 µm2 Grubos c warstwy epitaksjalnej 14 µm Grubos c detektora 700 µm moz liwa redukcja grubos ci do 50 µm Piksele odczytywane przy uz yciu tzw. układów Self-bias odciecie piedestału na poziomie elektroniki (Ł. Maczewski/Uniwersytet Warszawski) 30.05.2008 14 / 53

Pomiary charakterystyk detektorów MIMOSA-5 i MIMOSA-18 Wyznaczenie charakterystyk szumowych detektora Kalibracja detektora przy użyciu źródła 55 Fe Test na elektronowej wiazce testowej w DESY (6 GeV) Wyznaczenie efektywności i przestrzennej zdolności rozdzielczej detektora Wyznaczenie charakterystyk ładunkowych Wyznaczenie charakterystyk detektorów dla nachylonych torów czastek naładowanych Warszawski) 30.05.2008 15 / 53

Układ pomiarowy System odczytu detektora MIMOSA-5 Warszawski) 30.05.2008 16 / 53

Układ pomiarowy Stanowisko testowe w DESY Wiazka elektronowa (pozytronowa) o energii od 1 do 6 GeV Częstotliwość wiazki 1Hz Teleskop pozycji - 6 płaszczyzn krzemowych detektorów paskowych Warszawski) 30.05.2008 17 / 53

Piedestał i szum w detektorze MIMOSA-5 Piedestał (P - Pedestal) - sygnał, którego źródłem jest sam detektor (prad upływności) oraz elektronika odczytu P = 1 n n S i (1) i=1 Szum (N - Noise) - fluktuacje piedestału N 2 = 1 n 1 n (S i P) 2 (2) Szumy powstaja we wszystkich etapach działania detektora - reset, integracja ładunku, odczyt i=1 Warszawski) 30.05.2008 18 / 53

Piedestał i szum w detektorze MIMOSA-5 Number of events Pedestal h11 Noise 12000 10000 Entries 262144 Mean 86.89 RMS 11.7 Number of events 16000 14000 12000 h21 Entries 262144 Mean 30.03 RMS 3.188 8000 10000 6000 8000 6000 4000 2000 4000 2000 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Pedestal [electrons] 0 0 10 20 30 40 50 Noise [electrons] Piedestał na poziomie 90 e Szum na poziomie 30 e Poniżej 1% martwych pikseli - równomiernie rozłożonych na powierzchni detektora Warszawski) 30.05.2008 19 / 53

Kalibracja detektora MIMOSA-5 Testy ze źródłem Fe 55 Źródło 55 Fe - fotony o energii 5.9 kev oraz 6.49 kev Energia potrzebna na wytworzenie pary eh w krzemie to 3.6 ev 5.9 kev 1460 par eh 6.49 kev 1800 par eh W obszarze zubożonym 100% efektywność zbierania ładunków Wzmocnienie detektora 9.87 e/adc Dobra rozdzielczość energetyczna detektora Number of events 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 5.9 kev h21 Entries 24484 Mean 166.8 RMS 7.696 2 χ / ndf 29.83 / 16 p0 2091 ± 23.5 p1 166.3 ± 0.1 p2 4.495 ± 0.076 p3 270.9 ± 8.0 p4 183.2 ± 0.2 p5 4.334 ± 0.127 Signal in the hit pixel Double Gaussian fit 6.49 kev 0 150 160 170 180 190 200 Signal [ADC] Warszawski) 30.05.2008 20 / 53

Pomiary MIMOSA-5 - elektrony (6GeV) Rekonstrukcja klastrów Klaster - grupa pikseli, w których został zebrany ładunek powstały w wyniku przejścia czastki Klastryzacaja: Znalezienie ziarna klastra (seed pixel) - S/N > 5, największy w klastrze Piksele sasiaduj ace z ziarnem musza wykazywać znaczacy sygnał - S/N > 0.5 Rekonstrukcja pozycji przejścia czastki przez warstwę - algorytm środka ciężkości Center of Gravity Warszawski) 30.05.2008 21 / 53

Pomiary MIMOSA-5 - elektrony (6GeV) Pozycjonowanie detektora - alignment Orientacja DUT (Detector Under Test) opisana jest za pomoca 6 parametrów: φ x, φ y, φ z, offset x, offset y, offset z x y z = R(φ x, φ y, φ z ) x DUT y DUT 0 + offset x offset y offset z (3) Poszukiwanie parametrów - minimalizacja χ 2 χ 2 = i (x i x Tele ) 2 + (y i y Tele ) 2 σ 2 (4) Warszawski) 30.05.2008 22 / 53

Pomiary MIMOSA-5 - elektrony (6GeV) Efektywność Efektywność rejestracji czastek Eff = N DUT N Tele (5) Dla R > 100 µm i S/N seed < 5.0 efektywność przekracza 98.5% Warszawski) 30.05.2008 23 / 53

Pomiary MIMOSA-5 - elektrony (6GeV) Przestrzenna zdolność rozdzielcza Residuum Res x = x DUT x Tele, Res y = y DUT y Tele Szerokość residuum σ Res : Dla σ Tele = 7.5µm σ DUT = 3.5µm σ 2 Res = σ2 DUT + σ2 Tele (6) Warszawski) 30.05.2008 24 / 53

Pomiary MIMOSA-5 - elektrony (6GeV) Charakterystyki ładunkowe Number of events 1 pixel cluster 300 250 h11 Entries 4472 Mean 550.3 RMS 380.6 χ 2 / ndf 286 / 90 Constant 1723 ± 37.1 MPV 337.9 ± 2.8 Sigma 74.48 ± 1.16 Number of events 1 pixel cluster 1000 800 h12 Entries 4472 Mean 18.33 RMS 12.93 200 600 150 100 400 50 200 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Signal [electrons] 0 0 20 40 60 80 100 Signal to noise Średnia wartość ładunku zdeponowanego w ziarnie klastra wynosi 550 elektronów Średnia wartość stosunku sygnału do szumu w ziarnie klastra wynosi S/N 18 Warszawski) 30.05.2008 25 / 53

Pomiary MIMOSA-5 - elektrony (6GeV) Charakterystyki ładunkowe Number of events 3 3 pixels cluster 250 200 h13 Entries 4472 Mean 1129 RMS 639.5 χ 2 / ndf 250.6 / 90 Constant 1475 ± 32.9 MPV 767.5 ± 5.2 Sigma 146.5 ± 2.6 Number of events 3 3 pixels cluster 1600 1400 1200 h14 Entries 4472 Mean 13.25 RMS 10.04 150 1000 800 100 600 50 400 200 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Signal [electrons] 0 0 20 40 60 80 100 Signal to noise Średnia wartość ładunku zdeponowanego w klastrze 3 3 wynosi 1130 elektronów Średnia wartość stosunku sygnału do szumu w klastrze 3 3 wynosi S/N 13 Warszawski) 30.05.2008 26 / 53

Pomiary dla różnych katów natarcia wiazki elektronów Motywacja fizyczna - redukcja tła beamstrahlung Tło eksperymentalne stanowia pary e + e o niskim P T - beamstrahlung Interesujace procesy fizyczne - czastki o wysokim P T Eliminacja tła eksperymentalnego na podstawie orientacji klastrów względem siatki pikseli Warszawski) 30.05.2008 27 / 53

Pomiary dla różnych katów natarcia wiazki elektronów Kształty klastrów w układzie MIMOSA-5 θ = 0, φ = 0 θ = 60, φ = 0 θ = 78, φ = 38 Wraz z nachyleniem toru rośnie wydłużenie klastrów W przypadku nachylonych torów rośnie sygnał w detektorze - od 900 e dla θ = 0 do 4900 e dla θ = 78 Cluster charge (MPV) [electrons] 5000 4000 3000 2000 1000 Θ = 80.00 Θ = 55.00 Θ = 45.00 Θ = 0.00 0 0 5 10 15 20 25 30 35 Number of pixels in a cluster Warszawski) 30.05.2008 28 / 53

Kształty klastrów w układzie MIMOSA-5 Rekonstrukcja katów θ i φ θ = 78, φ = 38 Macierz rozkładu ładunku w klastrze ( n q i i=1 Q (x i x i ) 2 n q i i=1 Q (x i x i ) (y i y i ) n q i i=1 Q (x i x i ) (y i y i ) n q i i=1 Q (y i y i ) 2 W wyniku diagonalizacji macierzy (7): Wartości własne λ 1 i λ 2 wydłużenie klastra Wektory własne v 1 i v 2 orientacja klastra ) (7) Warszawski) 30.05.2008 29 / 53

Kształty klastrów w układzie MIMOSA-5 Rekonstrukcja katów θ i φ θ = 78, φ = 38 Dla znaczacego wydłużenia klastrów (θ > 60 ) istnieje możliwość zrekonstruowania kata φ z precyzja σ φ < 15 Dla detektora wyposażonego w mniejsze piksele (MIMOSA-18) precyzja rekonstrukcji kata φ powinna być wyższa Warszawski) 30.05.2008 30 / 53

Kształty klastrów w układzie MIMOSA-5 Rekonstrukcja katów θ i φ Zależność wydłużenia od kata θ: λ1 = p0 + p1 tan θ p1 głębokość warstwy epitaksjalnej Warszawski) 30.05.2008 31 / 53

Pomiar charakterystyk MIMOSA-18 Detektor MIMOSA-18 prezentuje bardzo niski szum < N > 11e (MIMOSA-5 < N > 30e) Bardzo dobra rozdzielczość energetyczna 55 Fe signal MIMOSA-18 MIMOSA-5 Number of events 1000 800 600 400 h21 Entries 8763 Mean 291.1 RMS 11.8 χ 2 / ndf 34.55 / 17 p0 1138 ± 20.3 p1 286.7 ± 0.1 p2 4.004 ± 0.059 p3 202.4 ± 7.7 p4 314.8 ± 0.1 p5 4.821 ± 0.130 Data Double Gaussian fit Number of events 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 5.9 kev h21 Entries 24484 Mean 166.8 RMS 7.696 2 χ / ndf 29.83 / 16 p0 2091 ± 23.5 p1 166.3 ± 0.1 p2 4.495 ± 0.076 p3 270.9 ± 8.0 p4 183.2 ± 0.2 p5 4.334 ± 0.127 Signal in the hit pixel Double Gaussian fit 200 400 6.49 kev 200 0 270 280 290 300 310 320 330 340 Signal [ADC] 0 150 160 170 180 190 200 Signal [ADC] Warszawski) 30.05.2008 32 / 53

Pomiar charakterystyk MIMOSA-18 MIMOSA-18 MIMOSA-5 Number of events 1 pixel cluster 700 600 h12 Entries 7748 Mean 44.07 RMS 28.83 Number of events 1 pixel cluster 1000 800 h12 Entries 4472 Mean 18.33 RMS 12.93 500 400 600 300 400 200 200 100 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Signal to noise 0 0 20 40 60 80 100 Signal to noise W przypadku detektora MIMOSA-18 średnia wartość S/N jest 2 razy większa niż dla detektora MIMOSA-5 Warszawski) 30.05.2008 33 / 53

Pomiar charakterystyk MIMOSA-18 Rekonstrukcja katów θ i φ W przypadku detektora o mniejszych pikselach osiagnięta została wyższa precyzja rekonstrukcji kata φ Precyzja pomiaru kata φ przekroczyła 15 dla torów nachylonych pod katem θ > 40 MIMOSA-18 MIMOSA-5 Warszawski) 30.05.2008 34 / 53

Prosty model rozpływu ładunku w detektorach typu MAPS Izotropowa dyfuzja ładunku w obszarze aktywnym detektora Ładunek rozpływa się pomiędzy sasiaduj ace ze soba piksele - powstaje klaster Ładunek powstały w wyniku jonizacji jest rozmieszczany w pikselach zgodnie ze wzorem q(r) = dω ( 4π exp R ) λ Współczynnik atenuacji λ - jedyny swobodny parametr w modelu Warszawski) 30.05.2008 35 / 53 (8)

Wynik symulacji odpowiedzi detektora MIMOSA-5 θ = 0 θ = 75 Mean charge [ADC] 70 60 50 40 Monte Carlo Data Mean charge [ADC] 140 120 100 80 Monte Carlo Data 30 60 20 40 10 20 0 0 5 10 15 20 25 Pixel number 0 0 5 10 15 20 25 Pixel number Parametr atenuacji λ otrzymany w wyniku dopasowania Monte Carlo do danych wyniósł 45 µm Zaproponowany model bardzo dobrze opisuje wyniki eksperymentalne Warszawski) 30.05.2008 36 / 53

Plany na przyszłość Planowane sa kolejne pomiary detektorów MAPS: MIMOSA-5 i MIMOSA-18 - pomiary z użyciem niskoenergetycznych elektronów Frascati (10-100 MeV) i DESY (1 GeV) MIMOSA-18 - precyzyjne pomiary charakterystyk detektora na wysokoenergetycznej wiazce hadronowej w CERN Symulacje Monte Carlo w celu weryfikacji możliwości redukcji tła eksperymentalnego (beamstrahlung) Parametryzacja odpowiedzi detektorów typu MAPS - w trakcie przygotowania Studia dotyczace aktywności detektora w obecności czastek tła eksperymentalnego Wpływ czastek beamstrahlungu na rekonstrukcję zapachów ciężkich kwarków Warszawski) 30.05.2008 37 / 53

Podsumowanie Przeprowadzone pomiary pokazuja, iż układy typu MAPS sa dobrymi kandydatami na elementy aktywne w detektorze wierzchołka dla ILC Parametryzacja odpowiedzi macierzy pikselowych typu MAPS jest kluczowa dla przygotowania realistycznych symulacji Monte Carlo detektora wierzchołka Zaprezentowany model jest pierwsza próba parametryzacji odpowiedzi MAPS-ów Prezentuje on zgodność z wynikami eksperymentu Wyniki pomiarów z pochylonymi torami czastek naładowanych wskazuja możliwość redukcji tła eksperymentalnego beamstrahlung (P. Łużniak) Warszawski) 30.05.2008 38 / 53

Zniszczenia radiacyjne w detektorach krzemowych Promieniowanie jonizujace Źródłem zniszczeń sa czastki naładowane oraz fotony Zniszczenia spowodowane przez czastki jonizujace w głównej mierze koncentruja się na granicy Si-SiO 2 W obszarze granicznym pojawia się przestrzenny rozkład ładunku - centra pułapkowania i modyfikacja poziomów energetycznych na granicy Si-SiO 2 Efektem tych zniszczeń radiacyjnych sa utrata sygnału i wzrost pradu upływności Warszawski) 30.05.2008 39 / 53

Zniszczenia radiacyjne w detektorach krzemowych Uszkodzenia sieci krystalicznej - Non-ionising Energy Loss Źródłem zniszczeń sa czastki o energii wystarczajacej do wybicia atomu z sieci krystalicznej Zniszczenia w sieci krystalicznej powoduja m.in. pojawienie się dodatkowych poziomów energetycznych Efektem tego typu zniszczeń radiacyjnych sa wzrost pradu upływności oraz utrata części sygnału Warszawski) 30.05.2008 40 / 53

Wpływ zniszczeń radiacyjnych na układ MIMOSA-5 Infrastruktura wykorzystana do naświetleń (D. Contarato) Naświetlenia przeprowadzone w ośrodku GSI w Darmstadt Do naświetleń użyta została wiazka elektronów o energii 9.4 MeV: Macierz B02-3 10 12 e/cm 2 (70 Gy) Macierz T02-10 13 e/cm 2 (230 Gy) Słaba znajomość profilu wiazki - niska precyzja pomiaru Warszawski) 30.05.2008 41 / 53

Wpływ zniszczeń radiacyjnych na układ MIMOSA-5 Charakterystyki piedestałowe i szumowe Mean pedestal [electrons] Graph 2400 2200 2000 1800 1600 1400 1200 Matrix T02 before irradiation 12 Matrix B02 after 3 x 10 13 Matrix T02 after 10 2 e/cm 2 e/cm Graph Mean noise [electrons] 90 80 70 60 Matrix T02 before irradiation 12 Matrix B02 after 3 x 10 13 Matrix T02 after 10 2 e/cm 2 e/cm 1000 800 600 50 40 400 200 30 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 7 2 Mean fluence [10 e/cm ] 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 7 2 Mean fluence [10 e/cm ] W wyniku napromieniowania detektora MIMOSA-5 nastapił dramatyczny wzrost piedestału i szumu Detektor MIMOSA-5 nie jest projektowany jako układ odporny na zniszczenia radiacyjne Warszawski) 30.05.2008 42 / 53

Wpływ zniszczeń radiacyjnych na układ MIMOSA-5 Testy ze źródłem Fe 55 Number of events 0.035 0.03 0.025 matrix B02 before irradiation 12 2 after 3 x 10 e/cm h1 Entries 652103 Mean 37.38 RMS 17.01 Number of events 0.035 0.03 0.025 matrix T02 before irradiation 13 2 after 10 e/cm h1 Entries 811948 Mean 36.16 RMS 16.67 0.02 0.02 0.015 0.015 0.01 0.01 0.005 0.005 0 0 20 40 60 80 100 Seed charge [ADC] 0 0 20 40 60 80 100 Seed charge [ADC] Widoczne przesunięcie piku dla fotonów 5.9 kev w kierunku mniejszych wartości ADC spowodowane wychwytem części ładunku przez centra pułapkowania Wzrost szumów pogarsza rozdzielczość energetyczna detektora Warszawski) 30.05.2008 43 / 53

Wpływ zniszczeń radiacyjnych na układ MIMOSA-5 Testy z elektronami 6 GeV Zniszczenia radiacyjne wywołane przez czastki jonizujace nie wpłynęły na przestrzenna zdolność rozdzielcza detektora Nie zaobserwowano dużych strat sygnału spowodowanych zniszczeniami radiacyjnymi wywołanymi przez czastki jonizujace Spadek efektywności detektora z 98.5% do 90% - wzrost liczby martwych pikseli oraz spadek S/N Warszawski) 30.05.2008 44 / 53

Koncepcje detektorów dla ILC Detektor LDC - Large Detector Concept Pikselowy detektor wierzchołka VXD Gazowy detektor śladowy - Time Projection Chamber o wysokiej rozdzielczości pędowej Kalorymetry o wysokiej granularności w polu magnetycznym solenoidu - 4 Tesle We wnętrzu stalowego jarzma zamykajacego pole magnetyczne detektory mionowe Detektor LDC - Particle Flow Algorithm Warszawski) 30.05.2008 45 / 53

Koncepcje detektorów dla ILC Detektor GLD - Gaseous Large Detector Pikselowy detektor wierzchołka VXD Gazowy detektor śladowy - Time Projection Chamber o wysokiej rozdzielczości pędowej Kalorymetry o wysokiej granularności w polu magnetycznym solenoidu - 3 Tesle We wnętrzu stalowego jarzma zamykajacego pole magnetyczne detektory mionowe Detektor GLD - Particle Flow Algorithm Warszawski) 30.05.2008 46 / 53

Koncepcje detektorów dla ILC Detektor SiD - Silicon Detector Pikselowy detektor wierzchołka VXD Krzemowy detektor śladowy o wysokiej rozdzielczości pędowej Kalorymetry o wysokiej granularności w polu magnetycznym solenoidu - 5 Tesli We wnętrzu stalowego jarzma zamykajacego pole magnetyczne detektory mionowe Detektor SiD - Particle Flow Algorithm Warszawski) 30.05.2008 47 / 53

Koncepcje detektorów dla ILC Detektor 4th Pikselowy detektor wierzchołka VXD Gazowy detektor śladowy - Time Projection Chamber o wysokiej rozdzielczości pędowej Kalorymetry kompensujace w polu magnetycznym solenoidu - 3.5 Tesli Zamiast stalowego jarzma drugi nadprzewodzacy solenoid Pomiędzy solenoidami detektory mionowe 4th - czwarty Warszawski) 30.05.2008 48 / 53

Detektor wierzchołka dla ILC Wymagania stojace przed macierzami pikselowymi dla detektora wierzchołka przy ILC: Wysoka przestrzenna zdolność rozdzielcza < 5 µm Niewielka grubość detektora 0.1%X 0 - zmniejszenie wpływu wielokrotnego rozpraszania kulombowskiego Wysoka efektywność rejestracji czastek naładowanych 99% w pojedynczej warstwie Duża granularność oraz szybki odczyt detektora 40 MHz Odporność na zniszczenia radiacyjne: Φ neutrony = 10 10 (1MeV ) n yr 1 cm 2 D jonizacja = 20 krad/yr Warszawski) 30.05.2008 49 / 53

Detektory pikselowe CP-CCDs, FP-CCDs, SC-CCD, ISIS Column Parallel CCD Fine Pixel CCD - o rozmiarach pikseli 5 5 µm Short Column CCD In-situ Storage Image Sensor Warszawski) 30.05.2008 50 / 53

Detektor MIMOSA-5 Minimum Ionizing particles MOS Active pixel sensors MIMOSA-5 to pierwszy makro układ typu MAPS 4 podmacierze po 510 512 pikseli każda (17 17 µm 2 ) Grubość detektora wynosi 120µm a warstwy epitaksjalnej 14µm Częstotliwość odczytu 10 MHz Warszawski) 30.05.2008 51 / 53

Prototypowe układy typu MAPS Układ odczytu Każdy piksel detektora MIMOSA-5 wyposażony jest w układ składajacy się z 3 tranzystorów - architektura 3T Tranzystora M1 - reset detektora Ładunek zgromadzony w pikselu moduluje prad płynacy przez tranzystor M2, którego wartość jest odczytywana Tranzystor M3 - wybór wiersza w odczytywanej kolumnie W przypadku detektora MIMOSA-18 układ 3T został zastapiony przez tzw. układ Self-bias Warszawski) 30.05.2008 52 / 53

Pomiary dla różnych katów natarcia wiazki elektronów Motywacja fizyczna - wyniki symulacji Monte Carlo Symulacje P. Łużniak, e + e Zh ( Pythia) i tło beamstrahlung ( Guinea Pig) Energia w środku masy 500 GeV, świetlność 500 fb 1 Prezentowane wyniki dotycza pierwszej warstwy VXD Warszawski) 30.05.2008 53 / 53