【摘要】：為了拓展新物理發(fā)現(xiàn)能力,歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)計劃于2024年進(jìn)行一次主要升級。本博士論文的研究內(nèi)容作為LHC上ATLAS實(shí)驗的內(nèi)層徑跡探測器升級計劃的一部分,目的在于研究一種新型單片式像素探測器。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)合式像素探測器,單片式探測器將會減少探測器物質(zhì)量(降低粒子多重散射),縮小像素尺寸(提高徑跡重建精度)以及降低探測器成本(對于約10m2的像素探測器,成本問題需要考慮)。在ATLAS HV/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發(fā),比如Global Foundry (GF) BCDlite 130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)特性以及粒子探測能力,已經(jīng)通過三維計算機(jī)輔助設(shè)計(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。通過三維瞬時TCAD模擬,對傳感器的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)也通過二維TCAD模擬進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。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TCAD模擬進(jìn)行了研究。同時我也參與了HV/HR CMOS原型芯片測試平臺的研發(fā)。主要貢獻(xiàn)在于FPGA固件的修改以及基于C++和python的測試程序的編寫。在CPPM組織并參與對AMS 180納米,GF 130納米和LF150納米原型芯片的實(shí)驗室電學(xué)性能表征測試。為研究NIEL和TID效應(yīng)對不同原型芯片的影響,組織參與多次在CERN 24 GeV質(zhì)子同步束流以及X-射線放射源測試。前端放大器的線性以及信噪比通過外部測試脈沖進(jìn)行了測試。甄別器的閾值可通過監(jiān)測其輸出信號進(jìn)行調(diào)節(jié)。對原型芯片的測試主要集中在電子學(xué)和電荷收集部分的耐輻照強(qiáng)度方面。TID對電子學(xué)的影響主要通過對前端放大器,甄別器以及模擬數(shù)據(jù)獲取鏈的表征來研究：放大器輸出幅度、甄別器閡值和噪聲變化等等。NIEL對襯底的影響主要通過對像素計數(shù)率、漏電流、55Fe和90Sr能譜等的測試來進(jìn)行研究。HV/HR CMOS傳感器與FE-14(目前ATLAS IBL的像素讀出芯片)的通信可以通過環(huán)氧樹脂膠合來進(jìn)行容性交流耦合。傳感器與FE-14的通信已通過FE-14對傳感器亞像素加權(quán)輸出信號的讀取進(jìn)行測試。傳感器的電子學(xué)占用率(occupancy)以及時間游走(time-walk)也通過FE-14進(jìn)行了測試。用于膠合的環(huán)氧樹脂的均勻性以及厚度也通過FE-14讀取信號的幅度進(jìn)行了研究。除了參與HV/HR CMOS傳感器的研究,同時也參與了對FE-I4 GADC (generic ADC)的標(biāo)定方法的研究并且進(jìn)行了相關(guān)的驗證測試。基于ROOT編寫了一個簡潔圖形界面程序用來可視化標(biāo)定過程以及結(jié)果。IBL的所有FE-14模塊的GADC的標(biāo)定數(shù)據(jù)已存儲到ATLAS IBL的查找表中。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O572.214
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本文編號：2585452