Der ATLAS-Pixelsensor

Abstract

Das ATLAS Experiment soll ab 2006 Proton-Proton-Kollisionen am Large Hadron Collider (LHC) hochpräzise vermessen, um neue Erkenntnisse im Bereich der Teilchenphysik bei Schwerpunktenergien bis zu 1 TeV und mehr zu liefern. Die technologisch vielleicht anspruchsvollste Komponente des Experimentes stellt der Pixeldetektor dar, der nahe dem Wechselwirkungspunkt eine präzise Spurmessung der bei den Proton-Proton-Kollisionen erzeugten geladenen Elementarteilchen gewährleisten soll. Neben der hohen Wechselwirkungsrate von 40 MHz und der hohen Spurdichte stellt die enorme Strahlenbelastung von bis zu 1015 Teilchen pro Quadratzentimeter (1 MeV Neutron äquivalent), denen alle Komponenten des Pixeldetektor während der geplanten 10-jährigen Betriebszeit ausgesetzt sind, eine wesentliche Anforderung dar. Für den Pixeldetektor wurde ein hybrides Siliziumpixelkonzept gewählt, bei dem der Sensorbaustein und die Ausleseelektronik getrennt gebaut werden und erst in einem weiteren Verarbeitungsschritt (Bump-Bonding) miteinander verbunden werden. Gegenstand der vorliegendes Arbeit ist die Entwicklung des Sensorbausteins des ATLAS Pixeldetektors bis zur Produktionsreife. Die hohen Anforderungen führen dabei zu einem strahlungstoleranten Silizium-Pixelsensor, der bei mehreren hundert Volt und nur teilweise verarmt betrieben werden kann ohne auf eine homogene Ladungssammlung, kleine Pixelzellen oder dünne Sensoren zur Reduzierung der störenden Vielfachstreuung verzichten zu müssen. Weiterhin ist ein Punch-Througk-Biasnetzwerk implementiert worden, um realistische Tests der Pixelsensoren vor der Weiterverarbeitung zu ermöglichen. Die Übertragbarkeit der gewonnenen Erkenntnisse auf zukünftige Sensorentwicklungen auch außerhalb der Teilchenphysik werden diskutiert.