Beam test studies of ATLAS ITk pixel detector modules
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Date
2025
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Abstract
The ATLAS ITk will replace the Inner Detector of the ATLAS experiment for the High-Luminosity phase of the LHC. To ensure an excellent tracking performance of the silicon pixel sensors of the ITk under the harsher environment, their performance has to be thoroughly tested and validated in laboratories and beam test facilities before installation. Electrical properties of several HPK and Micron Test structures from pre-production sensors were investigated in the scope of this thesis. Bonded pre-production modules from HPK and Micron using the ITkPixV1.1 and ITkPixV2 were investigated in CERN SPS beam tests. The performance of unirradiated and irradiated planar quad modules in beam tests from 2022 to 2024 has been analysed. All investigated test structures and pre-production modules satisfy the ITk requirements.
A beam test measurement was conducted for the investigation of the in-time efficiency of an ITkPixV1.1 readout chip. The front-end clock was probed with a time resolution of 780ps, although the sub-optimal time resolution of the utilised scintillators only allowed for a timing precision of 2-3ns. While no front-end clock effects were detected at this time resolution, the measurement principle proved to be successful and paves the way for an investigation of the final design readout chip with an improved time resolution and charge information.
Additionally, beam test simulations using high-intensity beams are investigated regarding the feasible track reconstruction using one-dimensional feature cuts and a machine learning approach. Due to the high energies of the particles, proper track reconstruction was achieved with all approaches, with the implemented classifier only performing slightly better.
Der ATLAS ITk wird den Inneren Detektor des ATLAS-Experiments für die Hochluminositätsphase des LHC ersetzen. Um eine exzellente Spurrekonstruktion der Siliziumpixelsensoren des ITk unter den verschärften Strahlungsbedingungen sicherzustellen, muss ihre Leistung vor der Installation in Laboren und Teststrahlanlagen umfassend geprüft und validiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die elektrischen Eigenschaften mehrerer Teststrukturen von HPK und Micron aus der Vorproduktion untersucht. Zudem wurden gebondete Vorproduktionsmodule von HPK und Micron mit den ITkPixV1.1 und ITkPixV2 Auslesechips in Strahltests am CERN SPS vermessen. Die Leistung unbestrahlter und bestrahlter planarer Quad-Module in Strahltests der Jahre 2022 bis 2024 wurde analysiert. Alle untersuchten Teststrukturen und Vorproduktionsmodule erfüllen die Anforderungen für den ITk. Eine Strahltestmessung wurde zur Untersuchung der In-Time-Effizienz eines ITkPixV1.1 Auslesechips durchgeführt. Die Taktrate des Auslesechips wurde mit einer Zeitauflösung von 780ps untersucht, wobei die suboptimale Zeitauflösung der verwendeten Szintillatoren lediglich eine Zeitpräzision von 2–3ns zuließ. Für diese Zeitauflösung wurden keine Takteffekte des Auslesechips nachgewiesen, jedoch erwies sich das Messprinzip als erfolgreich und ermöglicht eine Untersuchung des finalen Auslesechips mit verbesserter Zeitauflösung und Ladungsinformation. Zusätzlich wurden Strahltestsimulationen mit hochintensiven Teilchenstrahlen hinsichtlich der realisierbaren Spurrekonstruktion unter Verwendung eindimensionaler Merkmalsselektionen und maschineller Lernverfahren untersucht. Aufgrund der hohen Teilchenenergien konnte in allen Ansätzen eine zuverlässige Spurrekonstruktion erreicht werden, wobei die Merkmalsselektion des Klassifizierers nur geringfügig besser ist.
Der ATLAS ITk wird den Inneren Detektor des ATLAS-Experiments für die Hochluminositätsphase des LHC ersetzen. Um eine exzellente Spurrekonstruktion der Siliziumpixelsensoren des ITk unter den verschärften Strahlungsbedingungen sicherzustellen, muss ihre Leistung vor der Installation in Laboren und Teststrahlanlagen umfassend geprüft und validiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die elektrischen Eigenschaften mehrerer Teststrukturen von HPK und Micron aus der Vorproduktion untersucht. Zudem wurden gebondete Vorproduktionsmodule von HPK und Micron mit den ITkPixV1.1 und ITkPixV2 Auslesechips in Strahltests am CERN SPS vermessen. Die Leistung unbestrahlter und bestrahlter planarer Quad-Module in Strahltests der Jahre 2022 bis 2024 wurde analysiert. Alle untersuchten Teststrukturen und Vorproduktionsmodule erfüllen die Anforderungen für den ITk. Eine Strahltestmessung wurde zur Untersuchung der In-Time-Effizienz eines ITkPixV1.1 Auslesechips durchgeführt. Die Taktrate des Auslesechips wurde mit einer Zeitauflösung von 780ps untersucht, wobei die suboptimale Zeitauflösung der verwendeten Szintillatoren lediglich eine Zeitpräzision von 2–3ns zuließ. Für diese Zeitauflösung wurden keine Takteffekte des Auslesechips nachgewiesen, jedoch erwies sich das Messprinzip als erfolgreich und ermöglicht eine Untersuchung des finalen Auslesechips mit verbesserter Zeitauflösung und Ladungsinformation. Zusätzlich wurden Strahltestsimulationen mit hochintensiven Teilchenstrahlen hinsichtlich der realisierbaren Spurrekonstruktion unter Verwendung eindimensionaler Merkmalsselektionen und maschineller Lernverfahren untersucht. Aufgrund der hohen Teilchenenergien konnte in allen Ansätzen eine zuverlässige Spurrekonstruktion erreicht werden, wobei die Merkmalsselektion des Klassifizierers nur geringfügig besser ist.
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Table of contents
Keywords
Dissertation, Physik, Experimentelle Teilchenphysik
Subjects based on RSWK
Elementarteilchenphysik