Gridpix: TPC development on the right track. The development and characterisation of a TPC with a CMOS pixel chip read out Fransen, M.

Transcriptie

1 UvA-DARE (Digital Academic Repository) Gridpix: TPC development on the right track. The development and characterisation of a TPC with a CMOS pixel chip read out Fransen, M. Link to publication Citation for published version (APA): Fransen, M. (2012). Gridpix: TPC development on the right track. The development and characterisation of a TPC with a CMOS pixel chip read out GVO Drukkers & Vormgevers B.V. General rights It is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), other than for strictly personal, individual use, unless the work is under an open content license (like Creative Commons). Disclaimer/Complaints regulations If you believe that digital publication of certain material infringes any of your rights or (privacy) interests, please let the Library know, stating your reasons. In case of a legitimate complaint, the Library will make the material inaccessible and/or remove it from the website. Please Ask the Library: or a letter to: Library of the University of Amsterdam, Secretariat, Singel 425, 1012 WP Amsterdam, The Netherlands. You will be contacted as soon as possible. UvA-DARE is a service provided by the library of the University of Amsterdam ( Download date: 12 Jan 2019

2 Samenvatting Om meer inzicht te krijgen in het functioneren van de natuur, zoekt en onderzoekt men in de hoge energie fysica de meest elementaire bouwstenen van materie en hun eigenschappen. Voor het onderzoek hiernaar worden subatomaire deeltjes met bijna de lichtsnelheid op elkaar geschoten. Bij de botsing tussen twee deeltjes ontstaan nieuwe (subatomaire) deeltjes die informatie geven over de fundamentele processen die plaatsvonden bij de botsing. Die processen wil men begrijpen. Om de botsing te reconstrueren, moet er dus gemeten worden welke deeltjes er vrijgekomen zijn, hoeveel energie ze hadden, waar ze precies gecreëerd werden en de richting waarin ze gegaan zijn. Om dat laatst genoemde te kunnen meten is er vraag naar positiegevoelige detectoren die het traject van geladen subatomaire deeltjes kunnen bepalen. Geladen deeltjes kunnen worden gemeten aan de hand van het spoor van ionisatie dat ze achterlaten als ze door een materiaal schieten. Echter, als een deeltje door een materiaal heen schiet verstoort dit ook de baan van het deeltje. Het is belangrijk dat het meten van de baan van deze deeltjes gebeurt met voldoende weinig materiaal op het pad van een deeltje. Hoe minder botsingen in het materiaal des te kleiner is de kans dat het te meten deeltje van de oorspronkelijke baan afketst of in botsingen andere deeltjes creëerd die de meting vervuilen. Twee veel gebruikte concepten om elektronisch het pad van een geladen deeltje te meten, is met halfgeleider-detectoren en gas-detectoren. De halfgeleider detectoren bestaan uit meerdere dunne lagen silicium achter elkaar. Hierin kan men met behulp van uitlees strips of pixels de plek meten waar lading is vrijgemaakt door het geladen deeltje dat er doorheen is gegaan. Het traject van een deeltje kan worden gereconstrueerd door op de juiste manier de posities, waar in de verschillende lagen de lading is gemeten, met elkaar te verbinden. Bij gas gevulde detectoren wordt het ionisatie-spoor, dat door een geladen deeltje in een gas volume wordt gemaakt, gereconstrueerd. Aan de hand van dìt gereconstrueerde spoor wordt het traject van het deeltje gereconstrueerd. De TPC (T ime P rojection C hamber, in het Nederlands: Tijd Projectie Kamer) is een gas detector waarmee het ionisatie spoor in 3 dimensies kan worden gereconstrueerd. Onder invloed van een in het gas volume aangelegd elektrisch veld, zullen de vrijgemaakte elektronen naar de anode drijven en de positief geladen ionen naar de kathode. De anode is gesegmenteerd zodat gemeten kan worden waar de elektronen terecht komen. Het ionisatie spoor wordt zo geprojecteerd op de anode en kan zo in 2 dimensies gereconstrueerd worden. De derde dimensie, de drift afstand, wordt gereconstrueerd 175

3 op basis van de snelheid waarmee de elektronen naar de anode drijven en de tijd die de elektronen nodig hebben om daar te arriveren. Vandaar de naam T ime Projection C hamber. De twee concepten, silicium en gas detectoren, hebben ieder hun voor- en nadelen. Silicium detectoren hebben als voordeel dat ze een snelle response hebben. Zij zijn dankzij een fijne segmentatie (pixels en strips in de orde van µm) in een omgeving met hoge deeltjes flux te gebruiken. Ook hebben ze een goede ruimtelijke resolutie. Nadelen van silicium detectoren zijn dat ze relatief veel materiaal in het deeltjes pad nodig hebben en dat het detector materiaal degradeert onder invloed van de bestraling. Gas gevulde detectoren hebben weinig materiaal nodig om een deeltje te detecteren en het gas kan continu ververst worden, hierdoor degradeert het detector materiaal niet. Door de benodigde tijd om de lading (de elektronen en de ionen) uit het gas volume te krijgen kunnen detectoren met een groot volume geen hoge deeltjes flux aan. In een onderzoek om betere positiegevoelige detectoren te maken is Gridpix in ontwikkeling: Een TPC die wordt uitgelezen met een pixel chip met een pixel afstand vergelijkbaar met die van silicium detectoren. Met een zo fijn gesegmenteerde uitlezing is het mogelijk om de afzonderlijke elektronen van een ionisatie spoor in het gas te meten. Met een zo gedetailleerde uitlezing is het mogelijk om met een klein gas volume een hoge precisie én een hoge uitlees snelheid te halen. In dit proefschrift worden ontwikkelingen aan en het testen van dit type TPC beschreven. De gebruikte pixel chips hebben een mm pixel matrix van pixels (55 µm pixel afstand). Op hun weg naar de uitlees chip passeren de primaire elektronen (de elektronen uit het drift volume) het grid. Het grid is een plaatvormige elektrode die 50 µm boven de chip is geplaatst, met gaatjes boven de pixel input elektrodes. Op dit grid staat een negatieve potentiaal van enkele honderden volts. Dit heeft een elektrisch veld tussen het grid en de chip tot resultaat dat sterk genoeg is om vrije elektronen voldoende energie te geven om andere elektronen los te maken uit het gas. Dit lawine effect maakt dat één primair elektron vermenigvuldigd kan worden. Als de lawine groot genoeg is komt dit als een detecteerbare lading op een pixel aan. Dit proces heet gas versterking en is noodzakelijk omdat één enkel elektron te weinig lading is om gemeten te kunnen worden. Lawines met meer dan ongeveer 1200 elektronen kunnen gedetecteerd worden (hoofdstuk 6). De werking wordt verduidelijkt in figuur J.1, figuur J.2 toont een opengewerkte detector met een detail opname van de chip met het grid en figuur J.3 toont de projectie van een ionisatie spoor op de pixel chip en de 3 dimensionale reconstructie. De lijn door het ionisatie spoor is de gereconstrueerde track. 176

4 Samenvatting Figuur J.1: Schets van de doorsnede van een Gridpix detector. Links: Een geladen deeltje laat een geı oniseerd spoor achter. Rechts: De elektronen zullen door het elektrische veld naar de chip met grid drijven. Op het grid, dat 50 µm boven de chip geplaatst is, staat een paar honderd volt. Het elektrische veld is zo hoog, dat een arriverend elektron een lawine van elektronen los maakt. Een lawine die groot genoeg is kan gedetecteerd worden. Figuur J.2: Foto van een opengewerkte Gridpix detector. Het aluminium kleurig vlak is de kathode, de koperstrips aan de wanden en het kopervlak aangrenzend aan de chip zorgen voor een homogeen drift veld. De chip heeft een pixel matrix van pixels. De pixel matrix is mm. Rechtsonder is een detail opname van het grid dat op isolerende 50 µm hoge pilaartjes op de chip rust. 177

5 Figuur J.3: Een track van een muon door een 19 mm hoge Gridpix detector. Het muon kwam de detector binnen door de kathode en ging er uit door de chip. De figuur links is de projectie van het ionisatie spoor op de chip, de kleur geeft de drift tijd aan. Rood is een korte drift tijd en blauw een lange drift tijd. De afbeelding rechts toont het 3D gereconstrueerde ionisatie spoor en de gereconstrueerde track. Het signaal dat op een pixel wordt geïnduceerd bestaat uit een snel en een traag component. De snelle component duurt minder dan een nanoseconde en komt van het toenemende aantal elektronen dat naar de chip beweegt, hierbij worden positieve ionen achtergelaten. De trage component duurt tientallen nanoseconden en wordt veroorzaakt door de ionen die naar het grid drijven (zie hoofdstuk 2 en 4). In iedere pixel zit een versterkertje dat het signaal van een lawine en de driftende ionen versterkt. Als dit signaal boven een bepaalde drempelwaarde komt dan wordt de lawine gedetecteerd. Door de traagheid van de versterker en de tijdsduur van het signaal van de gas versterking varieert het moment waarop het signaal gedetecteerd wordt afhankelijk van de signaalsterkte. Door het statistische karakter van gasversterking zal de grootte van de lawine per keer variëren volgens een Pólya verdeling (zie hoofdstuk 2). De variërende vertraging tengevolge van variërende signaalsterktes komt als fout bij de gemeten drifttijd: Dit effect heet?time walk?. Als de amplitude van het signaal bekend is, kan hiervoor gecorrigeerd worden. In hoofdstuk 4 wordt beschreven met behulp van simulaties, op welke manier en hoeveel winst in nauwkeurigheid in de drift tijd meting te winnen is. De simulatie resultaten zijn geverifieerd met een meting aan een prototype chip die tegelijkertijd zowel de signaalsterkte als de drift tijd meet. Bij deze test is de drift tijd resolutie van ongeveer 10 ns teruggebracht tot 1ns. Door de hoge potentiaal op het grid zal er af en toe een vonk tussen het grid en de chip overslaan. De lading opgeslagen in het grid - in de orde van enkele tientallen nc - is zodanig veel, dat als er een vonk ontstaat, de chip stuk gaat. Om vonken in een vroeg stadium te smoren, is er een met silicium verrijkte silicium nitride (SiRN) 178

6 Samenvatting laag op de chip aangebracht. De verrijking met silicium geeft enige geleiding van de laag. Als er een vonk overslaat, dan laadt dit laagje op totdat het veld tussen de chip en het grid zodanig is gereduceerd dat de vonk stopt. De gedeponeerde lading vloeit geleidelijk weer af. Metingen aan vonken en aan de SiRN laag (hoofdstuk 5) wijzen uit dat met een laagdikte van 4 of 8 µm de totale lading in een gesmoorde vonk is gereduceerd tot een maximum van enkele nc. Dit is slechts een paar procent van de lading die op het grid zit. De chip blijft functioneren bij deze gesmoorde vonken. Volgens berekening blijft bij een gesmoorde vonk de hoeveelheid lading per pixel beperkt tot onder de 5 pc. Dit betekent dat een gesmoorde vonk dus over vele pixels lading deponeert. Dit wordt ook waargenomen. De gesmoorde ontladingen worden als een groot signaal op een groep van meerdere pixels tegelijkertijd gemeten. Zodra er lading van de (vermenigvuldigde) elektronen uit het drift volume arriveert, komt er over de SiRN laag een potentiaal te staan. Deze potentiaal zal het veld tussen het grid en de chip reduceren met als gevolg dat de gas versterking minder wordt. Voor elke 20 V reductie zal de gas versterking ongeveer halveren. De specifieke weerstand van de gebruikte SiRN blijkt in de orde van Ωcm te zijn. In hoofdstuk 6 staat beschreven hoe de algemene eigenschappen van Gridpix detectoren zijn gemeten. De drift lengte bij de verschillende detectoren lag tussen de 1 en 10 cm. Bij een gasversterking van 5000 wordt ongeveer 90% van de primaire elektronen gedetecteerd. Het blijkt dat een pixel chip met een 8 µm dikke laag silicium nitride bij een hoge gasversterking last krijgt van valse hits, veroorzaakt doordat pixels soms een lawine detecteren boven een aangrenzende pixel. Ze vertegenwoordigen dus geen primaire lading waardoor er vervuiling van de meting optreed. Met een 4 µm dikke laag is dit effect significant minder omdat de lading zich dichter bij de chip bevind, de verhouding tussen de lading geïnduceerd op de onderliggende pixel en een naburig pixel is groter. Op basis van de gemiddelde drift tijd kan men concluderen dat voor een gasversterking van minder dan time walk een significante rol speelt. Als er niet voor time walk gecompenseerd kan worden, dan kan men het beste de detector op een zo hoog mogelijke gasversterking laten werken. Om het aantal valse hits te minimaliseren wordt geadviseerd om een 4 µm siliciumnitride laag te gebruiken. In hoofdstuk 7 wordt een test beschreven van een Gridpix detector met een driftlengte van slechts 1 mm. Dit concept is bedoeld om toe te passen in een omgeving met een hoge deeltjes flux zoals op een paar cm van een interactiepunt bij de experimenten bij de (s)lhc. Een drift ruimte van 1 mm is dun genoeg om voldoende snel de lading te onttrekken en dik genoeg om voldoende zekerheid te hebben om een passerend deeltje te detecteren. Een telescoop met drie van deze dunne detectoren en één Gridpix detector met 19 mm drift ruimte is op het CERN getest met 150 GeV/c muonen. Uit de meting blijkt, volgens een eerste inschatting, dat de positie resolutie van de dunne detectors ongeveer 13 µm is voor loodrechte sporen. Voor de 19 mm Gridpix detector ligt de positie resolutie tussen de 7 en 13 µm voor sporen onder een hoek van 80. De hoekresolutie van de 19 mm detector is ongeveer 1.4 tot 2.3 mrad. Momenteel is de Timepix-3 chip in ontwikkeling, die de drift tijd en signaalsterkte gelijktijdig kan meten. Met deze chip kan dus time walk correctie worden uitgevoerd. 179

7 Verder moet er nog een duurtest worden gedaan om de betrouwbaarheid van Gridpix detectors op lange termijn te bepalen. Naarmate de ontwikkeling van deze detectoren vordert, ontstaat er vanuit andere vakgebieden ook interesse in deze detectoren. Zo wordt er onderzocht of dit type detector in een bepaalde opstelling gebruikt kan worden bij de zoektocht naar donkere materie. Er is ook een test gedaan waarin een detector als optische sensor is gebruikt (op deze manier heb ik de vingerafdruk van mijn rechter wijsvinger op de kaft van dit proefschrift gemaakt). Verder loopt er nog een onderzoek of een Gridpix detector gebruikt kan worden om protonen te traceren bij proton therapie. 180