RD50

Eine Herausforderung für den Einsatz von halbleiter-basierten Spurdetektoren in gegenwärtigen LHC- und künftigen SuperLHC-Experimenten ist die Toleranz des Detektors gegenüber Strahlenschädigung. Diese rührt von den Sekundärprodukten der Proton-Proton-Kollisionen in Form von geladenen und ungeladenen Hadronen (Protonen, Pionen, Neutronen) als auch von ionisierender Strahlung her, wobei Veränderungen des Bulkmaterials als auch der Oberfläche spezielle Designs des Detektors erfordern, um einen Betrieb über viele Jahre zu ermöglichen. Während eingehende Forschungs- und Entwicklungsarbeiten der Siliziumdetektoren der gegenwärtigen Experimente, so auch zu dem ATLAS-Pixel-Sensor, im Rahmen der RD48-Kollaboration am CERN durchgeführt worden sind, sind für zukünftige Experimente mit höherer Strahlluminosität weitere Untersuchungen und Entwicklungen nötig, die im Rahmen der RD50-Kollaboration durchgeführt werden.

Bisher konzentrieren sich die Beiträge der Dortmunder Arbeitsgruppe für RD50 in der Untersuchung von strahlengeschädigten Siliziumdioden bzgl. ihrer Ladungssammlungseffizienz. Während in ungeschädigten Dioden die durch Ionisation eingebrachten Elektronen-Loch-Paare innert kurzer Zeit (~10ns) durch ein Material von 250um dicke vollständig driften kann, verändert die Strahlenschädigung in Silizium die Bandstruktur, es entstehen Fehlstellen im Kristallgitter, die ihrerseits den Ladungstransport behindern, in dem Elektron-Lochpaare an Fehlstellen gebunden werden und somit das Ladungssammlungssignal senkt, was die Anwendung der Siliziumdetektoren beschränkt.

Zur detaillierten Charakterisierung der Ladungssammlung steht uns ein Messplatz zur Verfügung, mit dem wir zeitaufgelöst die Ladungssammlung vermessen, was mit breitbandigen Verstärkern und schnellen Oszilloskopen geschieht. Unter Laborbedingungen können wir oberflächennah selektiv die p- oder n-Seite des Halbleiters mit kurzen (~ps) roten Laserlichtpulsen beleuchten, und somit getrennt die Drift von Elektronen und Löchern studieren. Diese Messungen lassen sich parametrisieren und sind Teil eines komplexen Modells der Ladungssammlungseffizienz, welches wir punktuell mit Teststrahlergebnissen minimalionisierender Strahlung erfolgreich überprüfen konnten. Damit lassen sich nun Vorhersagen für die Ladungssammlungseffizienz und Detektionswahrscheinlichkeit in einem weiten Bestrahlungfeld, wie wir es bei LHC und auch SuperLHC erwarten werden, machen.

Aktuell arbeiten wir an der Untersuchung weiterer und neuer Detektormaterialen, in der man eine höhere Ladungssammlung erreichen will. Dieses wollen wir in Prototypen kombinieren mit Front-End-Auslese-Elektronik, die uns aus dem ATLAS-Pixel-Detektor zur Verfügung steht, um unter realistischen Bedingungen neue Detektorkonzepte zu überprüfen.

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