Ανιχνευτές πυριτίου για την αναβάθμιση των πειραμάτων
στο HL-LHC

Ασσιούρας, Παναγιώτης; Assiouras, Panagiotis

dc.contributor.author	Ασσιούρας, Παναγιώτης	el
dc.contributor.author	Assiouras, Panagiotis	en
dc.date.accessioned	2023-03-20T08:43:29Z
dc.date.available	2023-03-20T08:43:29Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/57247
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.24945
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού - Μη Εμπορική Χρήση - Παρόμοια Διανομή 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/gr/	*
dc.subject	Ανιχνευτές πυριτίου	el
dc.subject	Αναβάθμιση ανιχνευτή τροχιών	el
dc.subject	Ποιοτικός έλεγχος	el
dc.subject	Προσομοίωση διατάξεων	el
dc.subject	Μελέτη επίδρασης ακτινοβολίας	el
dc.subject	Silicon detectors	en
dc.subject	Irradiation studies	en
dc.subject	CMS upgrade	en
dc.subject	TCAD simulations	en
dc.subject	Cobalt-60	en
dc.title	Ανιχνευτές πυριτίου για την αναβάθμιση των πειραμάτων στο HL-LHC	el
dc.title	Silicon detectors for the upgrade of the HL-LHC experiments	en
dc.contributor.department	Τομέας φυσικής	el
heal.type	doctoralThesis
heal.classification	Πειραματική φυσική υψηλών ενεργειών	el
heal.classification	Φυσική ημιαγωγών	el
heal.classification	Εφαρμοσμένη φυσική	el
heal.classification	Experimental high energy physics	en
heal.classification	Semiconductor physics	en
heal.classification	Applied physics	en
heal.language	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2023-01-24
heal.abstract	Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) στο Ευρωπαϊκό Συμβούλιο Πυρηνικής Έρευνας στη Γενεύη έχει προγραμματιστεί να υποβληθεί σε σημαντική αναβάθμιση φωτεινότητας μετά τη διάρκεια ζωής των δέκα ετών λειτουργίας του, προκειμένου να μεγιστοποιήσει το δυναμικό επιστημονικής ανακάλυψης. Το Compact Muon Solenoid είναι ένας από τους δύο μεγάλους ανιχνευτές γενικού σκοπού που συνέβαλε στην πρόσφατη ανακάλυψη του μποζονίου Higgs και πολλών άλλων αποτελεσμάτων της φυσικής στη σωματιδιακή φυσική. Το πιο εσωτερικό μέρος του ονομάζεται Tracker και είνα όργανο υψηλής ακρίβειας που μετρά τις τροχιές των δημιουργούμενων σωματιδίων. Αποτελείται από ανιχνευτές πυριτίου με υψηλή χωρική ανάλυση και δυνατότητες υψυλής ταχύτητας. Με συνολική επιφάνεια άνω των 200 τετραγωνικών μέτρων, είναι ο μεγαλύτερος ανιχνευτής αυτού του είδους που κατασκευάστηκε ποτέ. Η αύξηση της φωτεινότητας στον αναβαθμισμένο LHC θα οδηγήσει σε αυξημένη πυκνότητα τροχιάς στα σημεία αλληλεπίδρασης των συγκρουόμενων δεσμών και, ως εκ τούτου, σε ένα πολύ πιο απαιτιτικό περιβάλλον ακτινοβολίας. Κατά συνέπεια, απαιτήτειται σημαντική αναβάθμιση και επανασχεδιασμό των αισθητήρων και των ηλεκτρονικών ανάγνωσης. Οι αναβαθμίσεις θα γίνουν σε 2 φάσεις και ο αναβαθμισμένος LHC αναμένεται να είναι πλήρως λειτουργικός το 2026. Στη Φάση 2, θα υπάρξουν σημαντικές αλλαγές στον Inner Pixel Detector και στο Outer Tracking σύστημα με νέες ανιχνευτικές μονάδες. Το CMS έχει αναπτύξει ένα σχέδιο διασφάλισης ποιότητας για να εξασφαλήσει ότι όλοι οι αισθητήρες πληρούν τις τεχνικές προδιαγραφές και να για να παρακολουθεί τη διαδικασία παραγωγής και τη σταθερότητα κατασκευής τους. Το PQC έρχεται σε επαφή με ειδικά κατασκευασμένες τεστ δομές που παράγονται στο ίδιο wafer με τους αισθητήρες πυριτίου που θα εγκαταστάθηκαν στο πείραμα CMS, με αποτέλεσμα να μοιράζονται τις ίδιες ιδιότητες και υλικά. Αυτές οι τεστ δομές παρέχουν πρόσβαση σε βασικές παραμέτρους σχετικά με την ποιότητα κατασκευής των αισθητήρων, συμπεριλαμβανομένων των παραμέτρων που δεν είναι άμεσα προσβάσιμες στους αισθητήρες και, μαζί με τον ποιοτικό έλεγχο των αισθητήρων, αποτελούν τις κύριες διαδικασίες του σχεδίου διασφάλισης ποιότητας των αισθητήρων του Outer Tracker για την αναβάθμιση Phase-2. Στην εργασία αυτή περιγράφεται η διαδικασία ποιοτικού ελέγχου και η διαδικασία εξαγωγής των σχετικών παραμέτρων. Παρουσιάζονται επίσης τα πρώτα αποτελέσματα από τη φάση παραγωγής. Εκτός από τις πειραματικές μετρήσεις, οι προσομοιώσεις είναι αναπόσπαστο κομμάτι για την επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων. Η αριθμητική προσομοίωση της διαδικασίας κατασκευής και των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών των συσκευών ημιαγωγών προσφέρει έναν γρήγορο και μη δαπανηρό τρόπο ελέγχου των σχεδίων και των διαδικασιών κατασκευής των συσκευών. Οι προσομοιώσεις είναι ζωτικής σημασίας για τη βελτιστοποίηση της δομής της συσκευής και την ανάπτυξη ανιχνευτών. Διάφορες δομές δοκιμής που σχετίζονται με το PQC προσομοιώθηκαν χρησιμοποιώντας τη σουίτα TCAD (Technology Computer-Aided Design) Sentaurus και συγκρίθηκαν με πειραματικά αποτελέσματα. Επιπλέον, αυτή η εργασία περιλαμβάνει προσομοιώσεις χωρητικοτήτων αισθητήρων πυριτίου χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις TCAD καθώς και ένα πρόγραμμα το οποίο λύνει τη δισδιάστατη και τρισδιάστατη εξίσωση Laplace που αναπτύχθηκε στο Εργαστήριο Οργάνων Ανιχνευτών του ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος. Επιπλέον, απαιτούνται εκτενείς δοκιμές ακτινοβολίας για την αξιολόγηση της αντοχής στην ακτινοβολίας των αισθητήρων. Στο αναβαθμισμένο Outer Tracker του πειράματος CMS, η αναμενόμενη δόση ακτινοβολίας θα είναι από 10 έως 750 kGy, ανάλογα με την απόσταση από τη δέσμη. Αυτή η εργασία παρουσιάζει μελέτες ακτινοβολίας σε δοκιμαστικές δομές με φωτόνια γάμμα από μια πηγή Cobalt-60, συμπληρωματικές σε ήδη πραγματοποιηθείσες μελέτες ακτινοβολίας ακτίνων Χ και σωματιδίων.	el
heal.abstract	The Large Hadron Collider (LHC) at the European Nuclear Research Council in Geneva is scheduled to undergo a major luminosity upgrade after its ten-year lifespan to maximize its potential for scientific discovery. The Compact Muon Solenoid is one of two large general-purpose detectors that contributed to the recent discovery of the Higgs boson and many other physics results in particle physics. Its innermost part is called the Tracker, and it is a high-precision instrument that measures the trajectories of the created particles. It consists of silicon detectors with high spatial resolution and high-speed capabilities. With a total area of more than 200 square meters, it is the largest detector of its kind ever built. The increase in instantaneous luminosity in the upgraded LHC will lead to a very high increased track density at the interaction points of the colliding beams and, thus also to a much more hostile radiation environment Consequently, a major upgrade and redesign of the sensors and readout electronics are required. The upgrades will be done in 2 phases, and the upgraded LHC is expected to be fully operational in 2026. In Phase 2, there will be major changes to the Inner Pixel Detector and the Outer Tracking system with new detector units. CMS has developed a quality assurance plan to ensure that all sensors meet technical specifications and to monitor their manufacturing process and manufacturing stability. The PQC contacts custom-made test structures produced on the same wafer as the silicon sensors that will be installed in the CMS experiment, so they share the same properties and materials. These test structures provide access to key parameters related to sensor manufacturing quality, including parameters not directly accessible to the sensors, and, together with sensor quality control, are the main processes of the Outer Tracker sensor quality assurance plan for the Phase-2 upgrade. This thesis describes the quality control process and the extraction procedure of the relevant parameters. The first results from the production phase are also presented. In addition to experimental measurements, simulations are integral to confirm the results. Numerical simulation of semiconductor devices' manufacturing process and electrical characteristics offers a fast and inexpensive way to check device designs and manufacturing processes. Simulations are crucial for device structure optimization and detector development. Various test structures related to PQC were simulated using the TCAD (Technology Computer-Aided Design) Sentaurus suite and compared with experimental results. Also, this work includes simulations of silicon sensor capacitances using TCAD simulations as well as a program that solves the 2D and 3D Laplace equation developed at the Detector Instrumentation laboratory of NCSR Demokritos. In addition, extensive radiation testing is required to evaluate the radiation resistance of the sensors. In the upgraded Outer Tracker of the CMS experiment, the expected radiation dose will be from 10 to 750 kGy, depending on the distance from the beam. This thesis presents radiation studies on test structures with gamma photons from a Cobalt-60 source, complementary to already performed X-ray and particle radiation studies.	en
heal.sponsor	This work is supported by the Hellenic Foundation for Research and Innovation (HFRI) Greece, under the HFRI PhD Fellowship grant (Fellowship Number: 26). I would like to express my gratitude for making this project possible.	en
heal.advisorName	Μαλτέζος, Σταύρος	el
heal.advisorName	Maltezos, Stauros	en
heal.advisorName	Loukas, Dimitrios	en
heal.committeeMemberName	Λουκάς, Δημήτρης	el
heal.committeeMemberName	Αλεξόπουλος, Θεόδωρος	el
heal.committeeMemberName	Κυριάκης, Αριστοτέλης	el
heal.committeeMemberName	Κόκκορης, Μιχάλης	el
heal.committeeMemberName	Μαλτέζος, Σταύρος	el
heal.committeeMemberName	Τσουκαλάς, Δημήτρης	el
heal.committeeMemberName	Abbaneo, Duccio	en
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών. Τομέας Φυσικής	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	354 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false