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Perspectives Tracker au si pour le SLHC A. Lounis.

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1 Perspectives Tracker au si pour le SLHC A. Lounis

2 Quelques chiffres à titre de comparaison 10 4 Gy/year R=25 cm LHC SLHC  s 14 TeV 14 TeV L Bunch spacing  t 25 ns 12.5 ns  pp (inelastic) ~ 80 mb ~ 80 mb N. interactions/x-ing ~ 20 ~ 100 (N=L  pp  t) dN ch /d  per x-ing ~ 150 ~ 750 charg. particles ~ 450 MeV ~ 450 MeV Tracker occupancy 1 10 Pile-up noise in calo 1 ~3 Dose central region 1 10

3 Paramètres expériences Faisceaux : 2 x 7 TeV en protons Fréquence de collisions: 40 MHz (LHC) 80 MHz (SLHC) Luminosité en pic: cm-2 s cm-2 s -1 Luminosité intégrée: 500 fb fb-1

4 fluences

5 Radiations et régions 3 régions : Région 1 : < 20 cm Nouvelle approche requise R&D concepts nouveaux.. Region 2 : 20 < R (cm) < 60 Améliorer la situation existante (pixels..) Région 3 : R (cm)>60 Micropistes

6 MUON BARREL CALORIMETERS Silicon Microstrips Pixels ECAL Scintillating PbWO 4 Crystals Cathode Strip Chambers (CSC) Resistive Plate Chambers (RPC) Drift Tube Chambers (DT) Resistive Plate Chambers (RPC) SUPERCONDUCTING COIL IRON YOKE TRACKERs MUON ENDCAPS Total weight : 12,500 t Overall diameter : 15 m Overall length : 21.6 m Magnetic field : 4 Tesla HCAL Plastic scintillator copper sandwich The Compact Muon Solenoid (CMS)

7 R(cm)  Technologie > p-sur-n pistes 500 μm épais, haute resistivité (  5 KΩ·cm), pitch  200 μm p-sur-n pistes 320 μm épais, basse resistivité (  2 KΩ·cm), pitch  80 μm < n-sur-n pixels 270 μm senseurs épais, basse resistivité (  2 KΩ·cm) oxygené R(cm)  CCETechnologie > keactuelles durcies (micropistes n-sur-p) ketechnos actuelles n+-n LHC pixel (ou n-sur-p) < >5KeRD ! Au SLHC le taux d’irradiation va augmenter d’un facteur dix d’une région à l’autre Fluences à titre de comparaison :

8 Status des matériaux durcis candidats pour le SLHC

9 Matériaux senseurs Zone interdite bandgap (3.3eV)  Courant de fuite plus faible que le silicium Signal: Diamand 36e/  m SiC 51e/  m Si89e/  m  Plus de charges que le diamand Seuil de d é placement plus elev é que pour le Si  Meilleure tenue aux radiation que le Si R&D on diamond detectors: RD42 – Collaboration Recent review: P.J.Sellin and J.Vaitkus on behalf of RD50 “New materials for radiation hard semiconductor detectors”

10 Irradiations sévères Courants de fuites tension désertion, N eff

11 L’efficacité de collection de charges W: épaisseur totale d: épaisseur Active  c : temps de Collection  t : Temps de piégeage (trapping)  desertion partielle  piégeage à des niveaux profonds  inversion de type  Piégeage diminue avec l’irradiation: Krasel et al. (RD50) Charge collectée: Limitations

12 Dommages dûe à l’irradiation des Senseurs au Si Deux types de dommages aux irradiations aux matériaux des détecteurs  dommages substrat Bulk (Crystal) dus à perte d’énergie non ionisante (NIEL) Non Ionizing Energy Loss (IEL)  déplacements, défauts dans le crystal.... I. Changement de la concentration effective du dopage (tension de désertion plus élevée, sous-desertion) II. Augmentation du courant de fuite (augmentation du bruit de grenaille, bruits thermiques..) III. Augmentation du taux de piégeage de porteurs de charge (perte de charges)  dommages de Surface dûs à la perte d’énergie ionisante Ionizing Energy Loss (IEL) - accumulation de charges positives dans oxide (SiO 2 ) et entre interface Si/SiO 2 - affecte: capacités interpistes (bruit ), claquages, … Ceci a un impact direct sur la performance et l’efficacité de collection de charge  conséquence sur le rapport signal/bruit !

13 Quelques candidats potentiels? Silicium 3D Silicium epitaxial Pixel hybrides SOI

14 d é tecteurs -3D -  Bords actifs, peu de zones mortes (sensitibilit é aux bords < 10 µ m)  courte distance de collection  V depletion petit (~10V)  rapide collection de charges(1 – 2 ns)  é paisseur reste à 300 µ m (signal)  Durcissement aux radiations à étudier n+n+ p+p+ depletion MIP 300  m 3D are currently processed at the Stanford Nanofabrication Facility  S.I. Parker C.J. Kenney and J. Segal, NIMA 395 (1997) 328

15 Détecteurs fins: pourquoi ?  Simulation

16 silicium epitaxial Q~2200e corresponding to CCE 100%at Vdep= 60V Data from F. Nava, S. Sciortino, M. Bruzzi et al., IEEE Trans. Nucl. Sci, (2004) circular Schottky contact Ni 2 Si  = 1.5 mm Ohmic contact Ti/Pt/Au n +, 4H – SiC, 360  m substrate n, 4H – SiC, 40  m epitaxial Si-face C-face Modena& alenia systems Italy RD 50

17 120 V 160 V Data From G.Lindstrom et al. Utilisation de détecteurs fins ( mm) avec une basse resistivité épitaxiale Si 50  m, 50  cm on CZ Si Silicium épitaxial ITME Varsovie

18 Pixels Hybrides Hybrid Pixels Sensors: Détecteur soudé sur son électronique Détecteur: Silicium de haute résistivité système: Silicium + “électronique” au dessus du détecteur Micro-Soudure par billes d’Indium ou SnPb Résolution: pixels 100  m, résolution ~15  m Très bonne tenue aux radiations: n eq /cm °C Transparence: % X 0

19 Capteurs CMOS Technique empruntée aux caméras digitales (visible) appliquée au domaine des particules ionisantes ou aux rayons X. La collection de charge est obtenue par diffusion Le capteur est fabriqué utilisant les moyens « low cost » industriels selons les process CMOS La charge génerée par la particule incidente est collectée par un puit n dans la zone epitaxiale p La zone active est située juste en dessous de l’électronique de lecture ce qui permet d’avoir une zone efficace la plus grande possible (100% fill factor)

20 Capteurs CMOS ILC Metal layers Polysilicon P-WellN-WellP-Well N+ P+N+ Dielectric for insulation and passivation Potential barriers Charged particles 100% efficiency. Collection mainly by diffusion Radiation (NIM A 458 (2001) ) substrat p: 2 à 20  m substrat p++ >100  m

21 Silicium sur Oxyde : une voie d’avenir ? Avantages : -Monolithique -épaisseur totale réduite -évite les problèmes de bondings (réduit la capa, le bruit..) A condition de : -Réduire l’épaisseur du substrat -incorporer une électronique discriminante et amplificatrice (aller dans le sens la techno 130 nm ou plus ?)

22  Un travail conséquent sur la tenue aux radiation de matériaux adaptés à un fonctionnement au SLHC a éte mené jusqu’à présent: Silicium oxygéné, diamand (poly- and mono- crystal ) et epitaxial SiC  Des études supplémentaires sont encore en cours (si epitaxial, diamand)  Les contraîntes en termes d’irradiation et taux de multiplicité élevé au SLHC nous force à aller vers des structures innovantes et granulaires  Pixels hybrides  progrès dans le bump bonding...?  Silicium sur oxyde   électronique techno 130 nm...  intelligence sur site (discriminateurs; amplificateurs)  effort global accéder à la techno, aux outils... Dix années nécessaires pour mener à bien ce nouveau challenge ! Résumé

23 time scale of LHC upgrade L at end of year time to halve error integrated L radiation damage limit ~700 fb-1 (1) life expectancy of LHC IR quadrupole magnets is estimated to be <10 years due to high radiation doses (2) the statistical error halving time will exceed 5 years by (3) therefore, it is reasonable to plan a machine luminosity upgrade based on new low-ß IR magnets before ~2014 design luminosity ultimate luminosity courtesy J. Strait

24 Calendrier: Upgrade possible ~2015 Prévisions :  5 à 6 ans de Recherche et développement  3 à 4 ans de construction : Montée en lumi du LHC : Régime pleine luminosité On doit commencer maintenant !!

25 FIN

26 Phase 1: steps to reach maximum performance with only IR changes: 1)modify the SC insertion quadrupoles and/or layout  ß* = 0.25 m 2)increase crossing angle  c by √2   c = 445 µrad 3)increase N b up to ultimate luminosity  L = 3.3  cm -2 s -1 4)halve  z with high harmonic RF system  L = 4.6  cm -2 s -1 5)double the no. of bunches n b (increasing  c )  L = 9.2  cm -2 s -1  step 4) is not cheap: it requires a new RF system in LHC providing uan accelerating voltage of 43MV at 1.2GHz ua power of about 11MW/beam  estimated cost 56 MCHF ua longitudinal beam emittance reduced to 1.78 eVs uhorizontal Intra-Beam Scattering (IBS) growth time will decrease by about √2  operational consequences of step 5) (  exceeding ultimate beam intensity) uupgrade LHC cryogenics, collimation and beam dump systems uupgrade the electronics of beam position monitors upossibly upgrade the SPS RF system and other equipments in the injector chain scenarios for the luminosity upgrade

27 Front-End Chip Sensor

28 Phase 2: steps to reach maximum performance with major hardware changes: uequip the SPS with SC magnets, upgrade transfer lines to LHC and the injector chain, to inject into the LHC at 1 TeV (  super-SPS option) Übeam luminosity should increase Üfirst step in view of an LHC energy upgrade n for a given mechanic and dynamic apertures at injection, this option can double the beam intensity (at constant beam-beam parameter  Q bb  N b /  n ) increasing the LHC peak luminosity by nearly a factor two, in conjunction with long range beam-beam compensation schemes n LHC energy swing is reduced by a factor 2, hence the SC transient phenomena should be smaller and the turnaround time to fill LHC should decrease n interesting alternative  cheap, compact low-field booster rings in the LHC tunnel uinstall in LHC new dipoles with a operational field of 15 T considered a reasonable target for 2015 ÷ 2020  beam energy around 12.5 TeV Üluminosity should increase with beam energy Ümajor upgrade in several LHC hardware components luminosity and energy upgrade

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