Development and Characterisation of Silicon Photomultiplier Multichannel Arrays for the Readout

163 Pages·2017·28.7 MB·English

by  Kuonen, Axel

Development and Characterisation of Silicon
Photomultiplier Multichannel Arrays for
the Readout of a Large Scale Scintillating Fibre Tracker
THÈSE NO 8842 (2018)
PRÉSENTÉE LE 21 SEPTEMBRE 2018
À LA FACULTÉ DES SCIENCES DE BASE
LABORATOIRE DE PHYSIQUE DES HAUTES ÉNERGIES 1
PROGRAMME DOCTORAL EN PHYSIQUE
ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE
POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES
PAR
Axel KUONEN
acceptée sur proposition du jury:
Prof. P. Ricci, président du jury
Prof. A. Bay, Dr G. Haefeli, directeurs de thèse
Prof. U. Uwer, rapporteur
Prof. A. Pellegrino, rapporteur
Dr J.-M. Sallese, rapporteur

Suisse
2018

Tomylovedones...
Aswordwieldsnostrengthunless
thehandsthatholdsithascourage.
TheLegendofZelda

Acknowledgements
Thisworkwouldnothavebeenmadepossiblewithoutthetremendoushelpofseveralpeople
thatIwishtothanksbythesefewlines. FirstIwouldliketothanksAurelioBay,mythesis
director,tohaveofferedmethepossibilitytoworkonanhardwarerelatedtopicandforthe
helpandadvicesheprovidedmealongthiswork.Ireallyenjoyedourbigtalksaboutmusic
andamplifiers!
AhugethankyoutoGuidoHaefeli,mythesisco-director,withoutwhomthisworkwouldhave
beenimpossible.Guidoismorethanasupervisortomeandbecameovertheyearsamentor
andaveryclosefriend!IwouldliketoinsistonthepleasureIhadworkingwithyouandhow
deeplyIwillmissyouandourconversations.
ToMariaElenaStramagliaandOlivierGirard,mysidekicksincrime,forthewonderfultime
spenttogetherinthelaborinconferencesaroundtheworld!Itwasanhonourtoworkwith
youtwoandIwanttothankyouforallthehelpandsupportyouprovidedmeonadailybasis.
ToRaymondFreianditselectronicsteam,NicolasAubersonandGuyMassonfortheirprecious
helpandtheiravailability.
ToAlainPinard,FlorianBernardandthemechanicalworkshopforallthetimetheygaveme
andthemechanicalpiecestheymade.Ipromisenottobotheryouanymore!
ToOlivierSchneiderandFredBlancfortheintensediscussionsforthegeneralmechanics
class.Afterall,thecorrectionsessionswerenotsobad.
ToalltheLPHEteamwithoutwhomthesefouryearswouldhavebeeninsipid.Iwillmisseach
ofyou.SpecialthankstoTatsuyaNakadafortheverychallengingdiscussionsduringlunch
breaksthathelpedtopushthingsfurther.
Tothe"QuatuorduLPHE"forthegoodtimespendtogetherandthesoccerphysicstournament
atlunchtime.WehavespendalmosttenyearstogetherandIenjoyedeverysingledayofit.
Tothe"Whocares"forthemusicalfeelingsandknowledgeyoubroughtme.
TotheLHCbSciFicollaborationwhoisdoingatremendousworkandwhogavemethechance
topresentmyresults.Iwillalwaysrememberthetestbeamcampaignsandthegroupeffort
theyrepresent.
ToallthepersonIhadthechancetoworkwithduringmyPhD,fortheiradvices,collaboration
andgoodtimespendtogether.
PourfiniràvousMemsetPeps,mercidetoutcoeurpourtoutcequevousavezfaitpourmoi.
Unefamillesoudéeetquis’aimeestlachoselaplusimportantedanscemondeetjeréalisela
v
Acknowledgements
chancequej’aidevousavoir.Jeneseraijamaisarrivéaussiloinsansvous...Merci!
Lausanne,12June2018 AxelKuonen
vi
Abstract
ThecurrentLHCbdetectorwillcontinuecollectingdatauntilthelongshutdown2(2019/2020).
Itwillbeupgradedinordertooperateathigherluminosity.Toachievethis,twomajorchanges
arerequired.FirsttheLevel-0hardwaretriggerlimitedto1MHzwillbereplacebyatrigger-
lessdataacquisitionrunningat40MHz. Secondly,thetrackingsystemwillbeupgradedto
copewiththehighertrackdensityandtherequiredgranularity. TheInnerTracker(silicon
strip)andOuterTracker(strawdrifttubes)willbereplacedwithasinglelargearea(300m2)
scintillatingfibretracker(SciFi).Thetrackerisbasedonscintillatingfibresreadoutbysilicon
photomultipliers(SiPM).Acustomfront-endchiphasbeendesignedforafastreadout.
ThisworkpresentstheSiPMdevelopmentsandmotivatesthechoiceoftheselectedtechnology.
TheSiPMtechnologyisusedforitshighphotodetectionefficiency(PDE)anditssinglephoton
sensitivity due to its intrinsic high gain. Different technologies from two manufacturers,
HamamatsuandKETEK,weretestedandcompared.Adetailedcharacterisationispresented
fortheselecteddesign. Thebreakdownvoltage,gain,temperaturedependency,correlated
noise,darkcountrate(DCR)andPDEwerefoundtofulfiltherequirementsforthisapplication.
ThedevicerevealsapeakPDEof45%atthebenchmarkoperationpoint.
SiPMsareradiationsensitive.Theneutronfluenceinthedetectorlocationincreasesdramati-
callythenoisewhichwasstudiedinmanyirradiationcampaigns. Theexpectedeffectwas
foundtobeacceptablefortheLHCbrequirement.
ThisworkfocusesonnovelSiPMcharacterisationmethodsthatweredevelopedforLHCb.In
particular,apulseshapestatisticalanalysistomeasurecorrelatednoiseprobabilities,time
constantsandnoisecorrectionfactorsispresented.SetupstomeasurethePDE,frompulse
frequencymeasurement,andtheDCR,fromIVmeasurements,werealsodeveloped.
TheSciFitechnologyhasanexcellentapplicationpotentialasforexamplebeamtracking
instrumentation.Atelescopecomposedoffourx-yscintillatingfibretrackingstationsisalso
μ
presented. Atrackresolutionof16 mwasachievedwithasinglehitspatialresolutionof
μ
36 m.
AsimulationstudyimplementinganopticalfocusingsystemattheSiPMmicro-pixelusing
micro-lensesispresented.Themicros-lensesallowtodecreasethelightlossatthedeadareas
andhasthepotentialtoreducethetotalactivearea.
Atthecurrentstateofproduction20%ofthe5500SiPMsrequiredfortheLHCbSciFihavebeen
fullyelectricallytestedandgeometricallyandopticalinspected.Thedetectorsareselectedin
vii
Abstract
groupsfeaturingsimilarbreakdownvoltages,tobeassembledonthecoolingbars.
Keywords: Siliconphotomultiplierarrays,ScintillatingFibreTracker,SciFiUpgrade,LHCb,
Beamtelescope,Characterisation,Photodetectors.
viii
Résumé
Le détecteur LHCb continuera à collecter des données jusqu’au second long shutdown
2(2019/2020). Le détecteur sera amélioré pour fonctionner à plus haute luminosité. Pour
yparvenir,deuxchangementsmajeurssontrequis.D’abord,letriggerdeniveau0limitéà
1 MHzseraremplacéparunsystèmed’acquisitiondedonnéessanstriggerfonctionnantà
40 MHz.Deuxièmement,lestrajectographesserontmisàniveaupourfairefaceàladensité
detraceplusélevéeetlaplusgrandegranularitérequise.Letrajectographeinterne(silicium)
etletrajectographeexterne(driftubes)serontremplacésparunseultrajectographeàfibre
scintillante(SciFi)degrandesurface(300m2).Letrajectographeestbasésurdesfibresscin-
tillantesluespardesphotomultiplicateursausilicium(SiPM).Uneélectroniquedelecture
personnaliséeestutiliséepourunelecturerapidedusystème.
CetravailprésentelesdéveloppementsdesSiPMetmotivelechoixdelatechnologiechoisie
danscecontexte.LatechnologieSiPMestutiliséepoursonefficacitéélevéededétectionde
photon(PDE)etsasensibilitépourdetecterpeuxdephotonenraisondesongainintrinsèque
élevé.Différentestechnologiesdedeuxfabricants(HamamatsuetKETEK)ontététestéeset
comparées.Unecaractérisationdétailléeestprésentéepourledesignsélectionné.Latension
declaquage,legain,ladépendanceàlatempérature,lebruitcorrélé,lafréquencedebruit
non-corrélé(DCR)etlePDEontétéjugésconformesauxexigencespourcetteapplication.
L’appareilrévèleunPDEdecrêtede45%aupointdefonctionnementderéférence.LesSiPM
sontsensiblesauxradiations.Lafluencedesneutronsàl’emplacementdudétecteuraugmente
considérablementlebruit.Ceteffetaétéétudiédansdenombreusescampagnesd’irradiation
etaétéjugéacceptableselonlesexigences.
Cetravailmetl’accentsurlesnouvellesméthodesdecaractérisationdesSiPMsquiontété
développées.Enparticulier,uneanalysestatistiquedelaformedel’impulsionpourmesurer
lesprobabilitésdebruitcorrélées,lesconstantesdetempsetlesfacteursdecorrectiondebruit
estprésentée.DesbancsdetestpourmesurerlePDE,àpartirdelamesuredesfréquences
d’impulsion,ainsiqueleDCR,àpartirdemesuresIV,ontégalementétédéveloppées.
LatechnologieSciFiprésenteunexcellentpotentield’applicationsencequiconcernel’ins-
trumentationdefaisceau.Uneimplémentationcomposéedequatrestationsdefibresscin-
μ
tillantesx-yestprésentée.Unerésolutionspatialede36 metunerésolutiondelatracede16
μ
montétéatteintes.
Unesimulationmettantenœuvreunsystèmedefocalisationoptiquedéposésurlesmicro-
ix
Abstract
pixelsdesSiPMbaséssurdesmicro-lentillesestprésentée.Lesmicros-lentillespermettentde
diminuerl’effetnégatifdeszonesmortesetderéduireenmêmetempslasurfaceactive.
Dansl’étatactueldelaproduction,20%des5500SiPMsrequispourleLHCbSciFiontétéen-
tièrementtestésélectriquement,inspectésgéométriquementetoptiquement.Lesdétecteurs
sontemballéspargroupedequatrepartageantdestensionsdeclaquagesimilairesetenvoyés
aucentred’assemblagepourinstallation.
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