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16 avril 2004A.Besson, Séminaire LPNHE1 Quel détecteur de vertex pour le prochain collisionneur linéaire ? Auguste Besson Contexte du collisionneur linéaire.

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1 16 avril 2004A.Besson, Séminaire LPNHE1 Quel détecteur de vertex pour le prochain collisionneur linéaire ? Auguste Besson Contexte du collisionneur linéaire Performances requises Capteurs CMOS –Principes –Performances IReS/LEPSI : M. Deveaux, A. Gay, G. Gaycken, Y. Gornushkin, D. Grandjean, S. Heini, A. Himmi, Ch. Hu, K.Jaaskelainen, H. Souffi-Kebbati, I. Valin, M. Winter, G. Claus, C. Colledani, G. Deptuch, W. Dulinski (M6/M8 DAPNIA: Y. Degerli, N. Fourches, P. Lutz, F.Orsini)

2 16 avril 2004A.Besson, Séminaire LPNHE2 Pourquoi un collisionneur linéaire ? Le LC sera mis en service probablement après les découvertes majeures du LHC Flexibilité –Modulation de lénergie (GigaZ, 2 M top, M Z +M H, seuils en SUSY, etc.) –Collisions e + e -, e -,, e - e -, eN –Polarisations des faisceaux Précision –État initial connu –Énergie connue (~ –10 -5 ) –Interaction électrofaible –Taille des Faisceaux réduite étiquetage des saveurs (b,c, ) –Rapports S/B favorables –Luminosité bien connue (~ –10 -4 ) –Haute luminosité (~1000 fb -1 ) –Détecteurs de hautes précisions Mesures de hautes précisions qui Complètent les résultats du LHC

3 16 avril 2004A.Besson, Séminaire LPNHE3 Structure du 500 GeV Trains de ~1ms 2820 paquets / train 337 ns entre paquets 200 ms entre chaque train Données stockées en Front-end Selection software pendant les 200ms ms 950 s 2820 paquets 5 Hz Pas de trigger ! (ni temps mort) Conditionne les détecteurs

4 16 avril 2004A.Besson, Séminaire LPNHE4 Le détecteur TESLA Un seul mot dordre : une précision inegalée –Champ 4 T. –Herméticité –Trajectographe Central (1/p t ) 5x10 -5 (GeV/c) -1 –Granularité Jet Energy Flow. TESLA 800M pixels 32x X 0 0.1% X 0 CMS 39M pixels 76x X 0 1.7% X 0 Vertex Ecal Tracker Vertex /couche Budget de matière Granularité

5 16 avril 2004A.Besson, Séminaire LPNHE5 Le détecteur de vertex Identification b, c, ± Haute résolution sur le paramètre dimpact –Efficacité de détection 99 % –Résolution IP IP 5 m 10 m.GeV / (p sin 3/2 ) –Diffusion multiple <0.1% X 0 / couche Couches minces ~ 50 m de Si –5 couches (R 1 =1.5 cm; R 5 = 6 cm) Grande granularité (multiplicité élevée) –Pas des pixels ~20x20 m 2 – 800 M pixels (CCD) Grande occupation (beamstrahlung) –Lecture rapide (25-50 s) –Sparsification des données en ligne Radiations – neutron 5·10 9 n(1 MeV)/cm 2 /5 years –Ray. ionisation= 500 kRad/5 ans Puiss. Dissipée –Refroidissement ? La technologie choisie doit combiner granularité, faible épaisseur, vitesse de lecture et résistance aux radiations

6 16 avril 2004A.Besson, Séminaire LPNHE6 Quel choix technologique ? CCD (SLD) Couches minces, granularité Vitesse de lecture, tolérance aux radiations (n) Pixels hybrides (ATLAS, CMS) Rapide, résistants aux radiations Budget de matière, granularité MAPS (capteurs CMOS) Granularité, possibilités damincissements Plus rapide que les CCDs Bonne résistance aux radiations Utilisation de la technologie standard CMOS en plein essor industriel Intégration déléments de traitement du signal dans le substrat Logique de contrôle, conversion analog./num., préamplification, etc. Technologie en développement. DEPFET, SOI, etc. technologies à plus long terme

7 16 avril 2004A.Besson, Séminaire LPNHE7 R & D dépend fortement de la technologie de fabrication Fort dévelop. Dans lindustrie (caméras, appareils photos num.) Exploration des différents procédés de fabrication Paramètres clefs –Couche épitaxiale ( 5µm) –Taille de la grille ( 0.35µm) –Courant de fuite –Nombre de métallisation (3-6 couches) –Etc. CMOS : introduction 20-40µm Préampli. (1 par pixel) Diffusion thermique des électrons élevé (p-well) Moderé (couche epitaxiale) élevé (subtrat) P dopage Electron libre dans la bande de conduction Potentiel dans la région de la diode Trajectoire de la particule Diode de collection de charge Collaboration IReS-LEPSI (1999) La R & D doit suivre les évolutions de la technologies

8 16 avril 2004A.Besson, Séminaire LPNHE8 Exemple de capteur (Mimosa 5) 1000 pixels 19.4 mm mm Galette avant découpage Microélectronique de contrôle et de lecture Capteur monté sur son PCB

9 16 avril 2004A.Besson, Séminaire LPNHE9 Axes de la R & D Validation pour la détection de particules chargées ( ) Dévelop. de capteurs de grande taille Caractérisation de la technologie sans épitaxie R&D sur les capteurs rapides (System On a Chip) Cette R & D a permis de valider la technologie et douvrir des perspectives pour de multiples applications

10 16 avril 2004A.Besson, Séminaire LPNHE10 Premières validations ( ) MIMOSA 1-4 (minimum Ionising Particle MOS Active pixel sensor) –M1(M2) : zone épitaxiale de forte (faible) épaisseur –M3 : technologie submicronique profonde –M4 : sans couche épitaxiale Performances. –Rapport Signal/Bruit: ~ –Efficacités de détection: 98.5–99.5% –Résolution spatiale: m Perspectives –Technologie permettant une haute intégration de l électronique sur le capteur lui-même, pour un coût réduit –Technologies sub-microniques pixels de taille réduite –Circuit actif pendant la lecture Puiss. Dissipée modeste –Amincissement jusquà qqs 10 s de microns limite diff. multip.

11 16 avril 2004A.Besson, Séminaire LPNHE11 PROTOTYPES: MIMOSA MIMOSA 1,2,4,5 testés au 120 GeV/c - SUCESSOR 2 (PROJET SUCIMA): tests en faisceau fin 2003 –40 m pitch, pas de couche epitaxiale. M6 testé M7 tests été 2004, faisceau septembre 2004 M5 aminci tests en faisceau été 2004

12 16 avril 2004A.Besson, Séminaire LPNHE12 Calibration et faisceau test Calibration: –source 55 Fe ( ~5.9 keV) Faisceau CERN-SPS –(120 GeV/c -, -, etc.) Détecteur de référence: –8 plans de silicium à micropistes. –Résolution spatiale ~ 2 m/plan –Extrapolation de la trace ~ 1 m –Déclenchement: scint. plastique

13 16 avril 2004A.Besson, Séminaire LPNHE13 Reconstruction des impacts Signal brut = signal physique + piédestal + bruit + mode commun CDS : (correlated double sampling) Soustraction de 2 images consécutives Reconstruction: –La charge se répartit entre plusieurs pixels voisins amas de pixels touchés Résolution –Différentes méthodes pour déterminer le point dimpact Centre de gravité Fonctions Séparation de 2 impacts Mimosa 1

14 16 avril 2004A.Besson, Séminaire LPNHE14 Capteurs de grande taille (M5) AMS 0.6 m (M1 like) –Taille réticulaire 19.4 x 17.4 mm 2 –512 x 512 pixels (pour chacune des 4 matrices) –17x17 m pitch 4 sous-matrices par capteur, lues en //. 6 galettes (6) fabriquées en galettes amincies à 120 m (2003) Résultats (2002): –rendement % – det 99%; sp ~2 m; ~0.2%

15 16 avril 2004A.Besson, Séminaire LPNHE15 Grande taille: application Expérience STAR : extension du détecteur de vertex (2006) –Physique du charme détecteur de petit rayon, granulaire et mince. –2 couches de pixels 1000 cm 2 ; R layer1 1.5 cm; R layer2 4 cm Les performances de M5 sont proches des spécif. de STAR Collaboration avec LBL et BNL Que faut-il améliorer ? temps de lecture ~ 24 ms < 20 ms épaisseur ~ 120 µm 50 µm courant de fuite (fonctionnement à T. amb.) rendement (moins crucial) Premier prototype mimo-STAR pour lété 2004 (TSMC 0.25 µm tech.) M5-STAR ~ OK pour un collisionneur chaud !

16 16 avril 2004A.Besson, Séminaire LPNHE16 Prototypes sans couche épitaxiale Propriétés (M4) –AMS 0.35 µm sans épi. substrat de faible dopage tps de vie –faisceau 120 GeV/c - SPS eff 99.5% ; sp ~2.5 µm (20 µm pitch) Application pour le projet européen dimagerie biomédicale SUCIMA (SUC2) –Monitorage de faisceau et dosimétrie –Granularité moins essentielle Soumission de Mimosa 9 avec ET sans couche épitax. sur le même run de fonderie AMS 0.35 µm batch (Janvier 2004) La fabrication avec couche épitaxiale nest pas obligatoire ! M4 Total charge in N pixels M4: Signal/B dans le pixel siège

17 16 avril 2004A.Besson, Séminaire LPNHE17 Beamstrahlung Pincement des faisceaux émission de –(négligeable à LEP et SLD) –6 x / croisement GeV) –Emis principalement vers lavant –Etalement du spectre en énergie –Bruit de fond Conversion e+e- augmente loccupation du dét. de vertex + Bdf hadronique, neutrons. rayon de la première couche Perte dénergie moyenne E

18 16 avril 2004A.Besson, Séminaire LPNHE18 R&D sur les capteurs rapides R&D sur les capteurs rapides M1-M5 1M pixels. lecture en 1-10 ms LC 1 ere VD couche doit être lue en s (beamstrahlung) – énorme flot de données attendu e.g. 15 bits/pixels, t~25 s 500 Gbits/s/10 6 pixels ! –But principal: traitement rapide du signal ET compression des données intégrée sur le capteur Lecture rapide de colonnes courtes en // Différents prototypes avec différents traitements du signal: –M6 (collab. DAPNIA): testés en 2003, –Fonctionnement individuel des pixel OK. Discri. OK Mais large dispersion des caractéristiques des pixels (piédestal, bruit, gain ?) –M7: revenu de fabrication, tests été –M8 (collab. DAPNIA): premiers tests été 2004

19 16 avril 2004A.Besson, Séminaire LPNHE19 Quelques exemples dapplications STAR SUCIMA –Protonthérapie Monitorage de faisceau –Curiethérapie Contrôle des doses Expérience CBM (Darmstadt) –Expérience ions lourds –sur cible fixe ( 2012 ?) Dosimétrie –Mesure du radon Tumeur (Co 60 ) faisceau de photons ou rayons X ©TERA Tumeur faisceau de protons ©TERA faisceau de protons électrons secondaires feuille daluminium Détecteur CMOS Mesure du profil du faisceau ©TERA

20 16 avril 2004A.Besson, Séminaire LPNHE20 Conclusion Le prochain collisionneur linéaire ouvre de fascinantes perspectives –Machine de précision, complément idéal du LHC –Lexigence de précision gouverne le design des détecteurs Capteurs CMOS –La R & D de ces dernières années a demontré la faisabilité technique dun détecteur de vertex basé sur les capteurs CMOS. –Validation en faisceau –Fort dynamisme industriel autour de cette technologie –Applications: STAR, CBM, dosimétrie, etc. –R & D à venir : vitesse de lecture & intégration, tolérance rad., amincissement. + refroidissement, support mécanique, etc.

21 16 avril 2004A.Besson, Séminaire LPNHE21 Back up Back up 1

22 16 avril 2004A.Besson, Séminaire LPNHE22 Le prochain collisionneur linéaire 3 projets : (~ GeV) –NLC (Next Linear Collider) –JLC –TESLA (TeV Energy Superconducting Linear Accelerator) Technologie froide Laser à électrons libres (X-FEL) + Compact Linear Collider (CLIC) ~ 5 TeV Plus long terme ( 2025) Technologie chaude Début des travaux de développement Choix de la technologie Début de la Construction Premières collisions ? SLAC CERN DESY KEK

23 16 avril 2004A.Besson, Séminaire LPNHE23 Technologie supra. Avantages: –Champs de sillage + faible (cavités basse fréquence + grandes) Charge plus elevée –Efficacité du transfert de puissance entre le champ radio-fréquence et le faisceau Consommation électrique (~100MW) pour une puissance par faisceau de 10 MW Cavités –Niobium, helium superfluide a 2K. –Fréq. + faible (= 1.3 GHz) –Gradient = 23.4 MV/m –Facteur de qualité Q (inverse de la puissance perdue par cycle)

24 16 avril 2004A.Besson, Séminaire LPNHE24 TESLA : Paramètres de la machine paramètreUniteTESLA-500TESLA-800 Gradient accélérateurMV/m Radio-fréquenceGHz1.3 Facteur de remplissage Longueur totale du sitekm33 # de structures accélératrices21024 # de klystrons Puiss. au pic des klystronsMW9.5 Taux de répétitionHz54 Longueur du pulse faisceau s Longueur du pulse RF s 1370 # de paquets / pulse Espacement des paquetsns Charge / paquets (N e ) Emittance à lIP (x,y)10 -6 m10 / / Beta à lIP (x,y)mm15 / 0.4 Taille du faisceau à lIP ( x * / y *) nm553 / 5391 / 2.8 Longueur du paquet à lIP ( z ) mm0.3 Beamstrahlung ( E ) % Luminosité10 34 cm -2 s Puissance par faisceauMW Puissance électrique primaire des 2 faisceauxMW97~150

25 16 avril 2004A.Besson, Séminaire LPNHE25 Programme de physique Questions clefs: –Mesures de précision du Modèle Standard –Nouvelle physique –Origine de la brisure de symétrie électrofaible et des masses Caractérisation du secteur de Higgs Mesures de précision –m top ~ MeV/c 2 –m W ~ 5 MeV/c 2 –GigaZ sin 2 W eff / sin 2 W eff 0.01 % Mesures Indirectes: M H / M H ~ 5 % Nouvelle physique –Susy: s < LHC. Seuils/Balayages possibles LHC: squarks/gluinos ; LC: sleptons et Jauginos. Type de brisure SUSY ? Détermination précise : masses, spin, Br, phases, etc. –Technicouleur, Z, etc. Fonctionnement simultané LHC/LC

26 16 avril 2004A.Besson, Séminaire LPNHE26 Programme de physique (2) Higgs. –Masse –Largeur ~ qqs % –section efficace ~ 1 % –g HHH ~ % g HHH = 62 Potentiel Higgs. – H Couplage de Yukawa: (H-f-fbar) –t-tbar-Higgs. (ttbar-H) ~ 1-3 fb (115 m H 200) Etat final : jusquà 10 partons y Httbar / y Httbar ~ 5-10 %

27 16 avril 2004A.Besson, Séminaire LPNHE27 Capteurs de grande taille 2003 (2) Faisceau SPS (2003) –3 capteurs –120 GeV/c - Tests duniformité –Entre les sous matrices/ capteurs –Comparaisons suivant taille de diode petite diode (3x3 m 2 ) grande diode (5x5 m 2 )

28 16 avril 2004A.Besson, Séminaire LPNHE28 Sections efficaces

29 16 avril 2004A.Besson, Séminaire LPNHE29 sans epi. : SUCCESSOR 2 SUCCESSOR 2: (~ M4, pitch 40 m ) –Imagerie biomédicale, projet SUCIMA –(sans couche épi., AMS 0.35 m) –40x40 m 2 pixels –Tests en faisceau (oct. 2003) –différentes sous-structures testées (3T pixel, Self-Bias, pixels avec 2 tailles de diodes différentes) –eff 99.9 % – sp ~5-6 m (~2 x M4 avec pas 20 m) –Meilleures performances pour les grandes diodes SB SB1 Charge (1,9,25 pixels) Bruit (e-) vs T S/N vs T X resolution vs T ?

30 16 avril 2004A.Besson, Séminaire LPNHE30 R&D sur les capteurs rapides (2) R&D sur les capteurs rapides (2) Mimosa 6 (IRES-LEPSI/DAPNIA) 0.35 µm MIETEC techno. 30 colonnes de 128 pixels r.o. en // Amplification (5.5) et Correlated Double Sampling Intégré dans le pixel 5 MHz fréq. eff. de lecture Discriminateur (DAPNIA) sur la périphérie du chip P diss ~ 500 µW par col. et frame r.o. cycle Mimosa 6 28 µm Distribution de lamplitude du signal (1pixel) Pic de calib. 5.9 keV Charge storage Capacitor (90 fF) AC coupling capacitor (50 fF)

31 16 avril 2004A.Besson, Séminaire LPNHE31 Back up Back up 2

32 16 avril 2004A.Besson, Séminaire LPNHE32

33 16 avril 2004A.Besson, Séminaire LPNHE33 CMOS (fonctionnement) (4) Elément de base: le pixel actif Schéma de photodiodes et de microcircuits de prétraitement, le tout constituant un groupe de pixels (1 µm = 1 millième de millimètre ou 1 millionième de mètre) (4) Le signal électrique généré, proportionnel au nombre délectrons collectés, passe alors dans le microcircuit de prétraitement 20 µm (3) (2) (1) couche sensible substrat (1) Une particule (photon, proton, électron, etc…) traverse le silicium d'un circuit intégré (2) Elle ionise la couche active en éjectant les électrons du nuage électronique des atomes (3) Ces électrons sont alors récupérés par le collecteur © LEPSI

34 16 avril 2004A.Besson, Séminaire LPNHE34 Fabrication Différentes technologies de haute précision : –dépots, oxydations, lithographie, masques, recuits, etc. Différentes couches successives – de cristaux de silicium, de métaux et disolants forment une mosaïque de zones et dempilements. La galette: –diam. = 15 cm –épaisseur ~ 100 microns Chaque capteur constitue un circuit intégré sur silicium.

35 16 avril 2004A.Besson, Séminaire LPNHE35 Sans couche epi. (M4) Test Rad. tol. : –200 kRad (x-rays), – n eq /cm 2 S/N quand T si T 20 C pas deffet visible sur lefficacité et la résolution Les effets des radiation sont négligeables à ce niveau (200 kRad ;1.4x10 11 n/cm 2 ) S/N vs T Charge collectee 1,5,25, 49 pixels X Ray Non irrad. neutrons X Ray Non irrad. neutrons Bruit Résolution spatiale (non irr.)

36 16 avril 2004A.Besson, Séminaire LPNHE36

37 16 avril 2004A.Besson, Séminaire LPNHE37 Pixels hybrides

38 16 avril 2004A.Besson, Séminaire LPNHE38 CCD

39 16 avril 2004A.Besson, Séminaire LPNHE39 SOI

40 16 avril 2004A.Besson, Séminaire LPNHE40 CMOS

41 16 avril 2004A.Besson, Séminaire LPNHE41 DEPFET

42 16 avril 2004A.Besson, Séminaire LPNHE42 CMOS: detections de CMOS: detections de


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