16 avril 2004A.Besson, Séminaire LPNHE1 Quel détecteur de vertex pour le prochain collisionneur...

16 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPNHE 1

Quel détecteur de vertex pour le Quel détecteur de vertex pour le prochain collisionneur linéaire ?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)


Pourquoi un collisionneur Pourquoi un collisionneur linéaire ?linéaire ?

• Le LC sera mis en service probablement après les découvertes majeures du LHC

• Flexibilité– Modulation de l’énergie (GigaZ, 2 Mtop, MZ+MH, seuils en SUSY,

etc.)– Collisions e+e-, e-, , e-e-, eN– Polarisations des faisceaux

• Précision– État initial connu– Énergie connue (~ 10-4–10-5 )– Interaction électrofaible– Taille des Faisceaux réduite étiquetage des saveurs (b,c,)– Rapports S/B favorables– Luminosité bien connue (~ 10-2–10-4 )– Haute luminosité (~1000 fb-1)– Détecteurs de hautes précisions

Mesures de hautes précisions qui Complètent les

résultats du LHC

Mesures de hautes précisions qui Complètent les

résultats du LHC


Structure du faisceau @ 500 Structure du faisceau @ 500 GeVGeV

• Trains de ~1ms• 2820 paquets / train• 337 ns entre paquets• 200 ms entre chaque train

Données stockées en Front-endSelection software pendant les 200ms

199.05 ms950 s 950 s

2820 paquets 2820 paquets5 Hz

Pas de trigger ! (ni temps mort)Conditionne les détecteursPas de trigger ! (ni temps mort)Conditionne les détecteurs


Le détecteur TESLALe détecteur TESLA• Un seul mot d’ordre : une précision

inegalée– Champ 4 T.– Herméticité– TrajectographeCentral (1/pt) ≤5x10-5 (GeV/c)-1

– GranularitéJet Energy Flow. TESLA

800M pixels32x106

0.05 X0

0.1% X0

CMS

39M pixels

76x103

0.30 X0

1.7% X0

Vertex

Ecal

Tracker

Vertex /coucheBudget de matière

Granularité


Le détecteur de vertexLe détecteur de vertex Identification b, c, ±

• Haute résolution sur le paramètre d’impact– Efficacité de détection 99 %– Résolution IP IP ≤ 5 m 10 m.GeV / (p sin3/2)– Diffusion multiple <0.1% X0 / coucheCouches minces ~ 50 m de Si– 5 couches (R1=1.5 cm; R5 = 6 cm)

• Grande granularité (multiplicité élevée)– Pas des pixels ~20x20 m2

800 M pixels (CCD)• Grande occupation (beamstrahlung)

– Lecture rapide (25-50 s)– Sparsification des données en ligne

• Radiations neutron5·109 n(1 MeV)/cm2/5 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

La technologie choisie doit combiner granularité, faible épaisseur, vitesse de lecture et résistance aux radiations


Quel choix technologique Quel choix technologique ??

• CCD (SLD)Couches minces, granularitéVitesse de lecture, tolérance aux radiations (n)

• Pixels hybrides (ATLAS, CMS)Rapide, résistants aux radiations Budget de matière, granularité

• MAPS (capteurs CMOS)Granularité, possibilités d’amincissementsPlus rapide que les CCDsBonne résistance aux radiationsUtilisation de la technologie standard CMOS en plein essor industriel Intégration d’éléments 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


• R & D dépend fortement de la technologie de fabrication

Fort dévelop. Dans l‘industrie(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 : introductionCMOS : introduction

20-40µm

Préampli. (1 par pixel)

Préampli. (1 par pixel)

Diffusion thermique

des électrons

Diffusion thermique

des électrons

élevé (p-well)ModerModeré é (couche epitaxiale)(couche epitaxiale) élevé(subtrat)

P dopage

Electron libre dans la bande de conduction

Electron libre dans la bande de conduction Potentiel dans

la région de la diode

Potentiel dans la région de la diode

Trajectoire de la particule

Diode de collection de charge

Diode de collection de charge

Collaboration IReS-LEPSI

(1999)

La R & D doit suivre les évolutions de la

technologies

La R & D doit suivre les évolutions de la

technologies


Exemple de capteur Exemple de capteur (Mimosa 5)(Mimosa 5)

1000

pixel

s1000 pixels

19.4

mm

17.35 mm

Galette avant découpageGalette avant découpage

Microélectronique de contrôle et de lecture

Microélectronique de contrôle et de lecture

Capteur monté sur son PCBCapteur monté sur son PCB


Axes de la R & DAxes de la R & D• Validation pour la détection de particules

chargées (1999-2002)• 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 permisde valider la

technologie et d’ouvrir des

perspectives pour de multiples applications

Cette R & D a permisde valider la

technologie et d’ouvrir des

perspectives pour de multiples applications


Premières validations (1999-Premières validations (1999-2002)2002)

• 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: ~ 20-40– Efficacités de détection: 98.5–99.5%– Résolution spatiale: 1.4-2.5 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 jusqu’à qqs 10s de microns limite diff. multip.


PROTOTYPES: MIMOSAPROTOTYPES: MIMOSACHIP ANNEE PROCESS EPITAXIE PITCH METAL PARTICULARITES

m m

M1 1999 AMS 0.6 m 14 20 3M GRANDE ZONE EPITAXIALE

M2 2000 MIETEC 0.35 m 4,2 20 5M FINE ZONE EPITAXIALE

M3 2001 IBM 0.25 m 2 8 3M sub-m profond

M4 2001 AMS 0.35 m 0 ! 20 3M Substrat de faible dopage

SUC 2 2003 AMS 0.35 m none 40 3M Substrat de faible dopage

M5 & M5B 2001/2003 AMS 0.6 m 14 17 3M taille reelle 1M pixels

M6 2002 MIETEC 0.35 m 4,2 28 5M col. // r.o. et sparsification integree

M7 2003 AMS 0.35 m none 25 4M col. // r.o. et sparsification integree (photoFET)M8 2004 TSMC 0.25 8 25 5M col. // r.o. et sparsification integreeM9 2004 AMS 0.35 m 20 20/30/40 4M tests diodes/pitch/courant fuite

• MIMOSA 1,2,4,5 testés au CERN-SPS @ 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


Calibration et faisceau Calibration et faisceau testtest

• Calibration: – source 55Fe ( ~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


Reconstruction des Reconstruction des impactsimpacts

• 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 d’impact

Centre de gravitéFonctions

• Séparation de 2 impactsMimosa 1Mimosa 1


Capteurs de grande taille Capteurs de grande taille (M5)(M5)

• AMS 0.6 m (M1 like)– Taille réticulaire 19.4 x 17.4 mm2

– 512 x 512 pixels (pour chacune des 4 matrices)– 17x17 m pitch

• 4 sous-matrices par capteur, lues en //.• 6 galettes (6’’) fabriquées en 2001• 3 galettes amincies à 120 m (2003)• Résultats (2002):

– rendement 20-30 % det ≳ 99%; sp ~2 m; <gain> ~0.2%


Grande taille: Grande taille: applicationapplication

• Expérience STAR : extension du détecteur de vertex (2006)– Physique du charme détecteur de petit rayon, granulaire et

mince.

– 2 couches de pixels ≳ 1000 cm2 ; Rlayer1 ≳ 1.5 cm; Rlayer2 ≲ 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)

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 l’été 2004 (TSMC 0.25 µm tech.)M5-STAR ~ OK pour un collisionneur chaud !


Prototypes sans couche Prototypes sans couche épitaxialeépitaxiale

• Propriétés (M4)– AMS 0.35 µm sans épi.

substrat de faible dopage tps de vie

– faisceau test @ 120 GeV/c - SPS eff ≳ 99.5% ; sp ~2.5 µm (20 µm

pitch)• Application pour le projet européen

d’imagerie 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 n’est pas obligatoire !

M4Total charge in N pixels

M4Total charge in N pixels

M4: Signal/B dans le pixel siègeM4: Signal/B dans le pixel siège


BeamstrahlungBeamstrahlung• Pincement des faisceaux émission de

– (négligeable à LEP et SLD)– 6 x 1010 / croisement (@500 GeV)– Emis principalement vers l’avant– Etalement du spectre en énergie– Bruit de fond

Conversion e+e- augmente l’occupation du dét. de vertex+ Bdf hadronique, neutrons. rayon de la première couche Perte d’énergie moyenne E


R&D sur les capteurs R&D sur les capteurs rapidesrapides

• M1-M5 1M pixels. lecture en 1-10 ms • LC 1ere VD couche doit être lue en 25-50 s

(beamstrahlung)

– énorme flot de données attendu e.g. 15 bits/pixels, t~25 s 500 Gbits/s/106 pixels !– But principal: traitement rapide du signal ET

compression des données intégrée sur le capteurLecture 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 2004.– M8 (collab. DAPNIA): premiers tests été 2004


Quelques exemples Quelques exemples d’applicationsd’applications

• STAR• SUCIMA

– ProtonthérapieMonitorage de faisceau

– CuriethérapieContrôle des doses

• Expérience CBM (Darmstadt)– Expérience ions lourds– sur cible fixe ( 2012 ?)

• Dosimétrie – Mesure du radon

Tumeur

(Co60 ) faisceau de photons ou rayons

X

©T

ER

A

Tumeur

faisceau de protons ©

TE

RA

faisceau de protons

électrons secondaires

feuille d’aluminium

Détecteur CMOS

Mesure du profil du faisceau

©T

ER

A


ConclusionConclusion• Le prochain collisionneur linéaire ouvre de

fascinantes perspectives– Machine de précision, complément idéal du LHC– L’exigence de précision gouverne le design des

détecteurs• Capteurs CMOS

– La R & D de ces dernières années a demontré la faisabilité technique d’un 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.


Back upBack up

Back up 1


Le prochain collisionneur linéaireLe prochain collisionneur linéaire

3 projets : (~ 500-1000 GeV)– NLC

(Next Linear Collider)

– JLC– TESLA

(TeV Energy Superconducting Linear Accelerator)

Technologie froideLaser à électrons libres (X-FEL)

+ Compact Linear Collider (CLIC)~ 5 TeVPlus long terme (2025)

Technologie chaude

Début des travaux de développement

Choix de la technologie

Début de la Construction

Premières collisions

1992 2004 2007-2009 2015 ?

SLAC CERN

DESY

KEK


Technologie supra.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)


TESLA : Paramètres de la machineTESLA : Paramètres de la machineparamètre Unite TESLA-500 TESLA-800

Gradient accélérateur MV/m 23.4 35

Radio-fréquence GHz 1.3

Facteur de remplissage 0.747 0.79

Longueur totale du site km 33

# de structures accélératrices 21024

# de klystrons 584 1240

Puiss. au pic des klystrons MW 9.5

Taux de répétition Hz 5 4

Longueur du pulse faisceau s 950 860

Longueur du pulse RF s 1370

# de paquets / pulse 2820 4886

Espacement des paquets ns 337 176

Charge / paquets (Ne) 1010 2 1.4

Emittance à l’IP (x,y) 10-6 m 10 / 0.03 8 / 0.015

Beta à l’IP (x,y) mm 15 / 0.4 15 / 0.4

Taille du faisceau à l’IP (x* / y*) nm 553 / 5 391 / 2.8

Longueur du paquet à l’IP (z) mm 0.3 0.3

Beamstrahlung (E) % 3.2 4.3

Luminosité 1034cm-2s-1 3.4 5.8

Puissance par faisceau MW 11.3 17

Puissance électrique primaire des 2 faisceaux

MW 97 ~150


Programme de Programme de physiquephysique

• 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– mtop ~ 100-200 MeV/c2

– mW ~ 5 MeV/c2

– GigaZ sin2Weff / sin2W

eff 0.01 % Mesures Indirectes: MH/ MH ~ 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

Fonctionnement simultané

LHC/LC


Programme de physique Programme de physique (2)(2)

• Higgs.– Masse– Largeur ~ qqs %– section efficace ~ 1 %– gHHH ~ 15-20 % gHHH = 6√2

Potentiel Higgs. H

• Couplage de Yukawa: (H-f-fbar)– t-tbar-Higgs.

(ttbar-H)~ 1-3 fb (115 ≤ mH ≤ 200) Etat final : jusqu’à 10 partons yHttbar / yHttbar ~ 5-10 %


Capteurs de grande taille 2003Capteurs de grande taille 2003 (2)(2)

• Faisceau test @ SPS (2003)– 3 capteurs– 120 GeV/c -

• Tests d’uniformité– Entre les sous matrices/ capteurs– Comparaisons suivant taille de diode

petite diode(3x3 m2)petite diode(3x3 m2)

grande diode(5x5 m2)grande diode(5x5 m2)


Sections efficaces Sections efficaces


sans epi. : SUCCESSOR sans epi. : SUCCESSOR 22

• SUCCESSOR 2: (~ M4, pitch 40 m)– Imagerie biomédicale, projet SUCIMA– (sans couche épi., AMS 0.35 m) – 40x40 m2 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)SB1 Charge (1,9,25 pixels)

Bruit (e-) vs TBruit (e-) vs T

S/N vs TS/N vs TX resolution vs TX resolution vs T

?


R&D sur les capteurs R&D sur les capteurs rapides rapides (2)(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 pixel5 MHz fréq. eff. de lectureDiscriminateur (DAPNIA) sur la périphérie du chipPdiss ~ 500 µW par col.

et frame r.o. cycle

Mimosa 6Mimosa 6

28 µ

mDistribution de l’amplitude

du signal (1pixel)Distribution de l’amplitude

du signal (1pixel)

Pic de calib. 5.9 keVPic de calib. 5.9 keV

Charge storage

Capacitor (90 fF)

AC coupling capacitor (50 fF)


Back upBack up

Back up 2


CMOS CMOS (fonctionnement)(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 d’électrons 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

© L

EP

SI

© LEPSI


FabricationFabrication• Différentes technologies de haute

précision :– dépots, oxydations, lithographie,

masques, recuits, etc.

• Différentes couches successives– de cristaux de silicium, de métaux et

d’isolants forment une mosaïque de zones et

d’empilements.

• La galette: – diam. = 15 cm– épaisseur ~ 100 microns

Chaque capteur constitue un circuit intégré sur silicium.


Sans couche Sans couche epi. (M4)epi. (M4)

• Test Rad. tol. : – 200 kRad (x-rays),– 1.4 1011 neq/cm2

• S/N ↘ quand T ↗• si T ≲ 20⁰C pas d’effet visible sur l’efficacité et la résolution• Les effets des radiation sont négligeables à ce niveau (200 kRad ;1.4x1011 n/cm2)

S/N vs TS/N vs T

Charge collectee 1,5,25, 49 pixelsCharge collectee 1,5,25, 49 pixels

X Ray Non irrad. neutrons




BruitBruit

Résolution spatiale (non irr.)Résolution spatiale (non irr.)


Pixels hybridesPixels hybrides


CCDCCD


SOISOI


CMOSCMOS


DEPFETDEPFET


CMOS: detections de CMOS: detections de

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