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16 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPNHE 1
Quel détecteur de vertex pour le Quel détecteur de vertex pour le prochain collisionneur linéaire ?prochain collisionneur linéaire ?
Auguste Besson
• Contexte du collisionneur linéaire• Performances requises• Capteurs CMOS
– Principes– Performances
IReS/LEPSI : M. Deveaux, A. Gay, G. Gaycken, Y. Gornushkin, D. Grandjean, S. Heini, A. Himmi, Ch. Hu, K.Jaaskelainen, H. Souffi-Kebbati, I. Valin, M. Winter,
G. Claus, C. Colledani, G. Deptuch, W. Dulinski(M6/M8 DAPNIA: Y. Degerli, N. Fourches, P. Lutz, F.Orsini)
16 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPNHE 2
Pourquoi un collisionneur Pourquoi un collisionneur linéaire ?linéaire ?
• Le LC sera mis en service probablement après les découvertes majeures du LHC
• Flexibilité– Modulation de l’énergie (GigaZ, 2 Mtop, MZ+MH, seuils en SUSY,
etc.)– Collisions e+e-, e-, , e-e-, eN– Polarisations des faisceaux
• Précision– État initial connu– Énergie connue (~ 10-4–10-5 )– Interaction électrofaible– Taille des Faisceaux réduite étiquetage des saveurs (b,c,)– Rapports S/B favorables– Luminosité bien connue (~ 10-2–10-4 )– Haute luminosité (~1000 fb-1)– Détecteurs de hautes précisions
Mesures de hautes précisions qui Complètent les
résultats du LHC
Mesures de hautes précisions qui Complètent les
résultats du LHC
16 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPNHE 3
Structure du faisceau @ 500 Structure du faisceau @ 500 GeVGeV
• Trains de ~1ms• 2820 paquets / train• 337 ns entre paquets• 200 ms entre chaque train
Données stockées en Front-endSelection software pendant les 200ms
199.05 ms950 s 950 s
2820 paquets 2820 paquets5 Hz
Pas de trigger ! (ni temps mort)Conditionne les détecteursPas de trigger ! (ni temps mort)Conditionne les détecteurs
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Le détecteur TESLALe détecteur TESLA• Un seul mot d’ordre : une précision
inegalée– Champ 4 T.– Herméticité– TrajectographeCentral (1/pt) ≤5x10-5 (GeV/c)-1
– GranularitéJet Energy Flow. TESLA
800M pixels32x106
0.05 X0
0.1% X0
CMS
39M pixels
76x103
0.30 X0
1.7% X0
Vertex
Ecal
Tracker
Vertex /coucheBudget de matière
Granularité
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Le détecteur de vertexLe détecteur de vertex Identification b, c, ±
• Haute résolution sur le paramètre d’impact– Efficacité de détection 99 %– Résolution IP IP ≤ 5 m 10 m.GeV / (p sin3/2)– Diffusion multiple <0.1% X0 / coucheCouches minces ~ 50 m de Si– 5 couches (R1=1.5 cm; R5 = 6 cm)
• Grande granularité (multiplicité élevée)– Pas des pixels ~20x20 m2
800 M pixels (CCD)• Grande occupation (beamstrahlung)
– Lecture rapide (25-50 s)– Sparsification des données en ligne
• Radiations neutron5·109 n(1 MeV)/cm2/5 years – Ray. ionisation= 500 kRad/5 ans
• Puiss. Dissipée– Refroidissement ?
La technologie choisie doit combiner granularité, faible épaisseur, vitesse de lecture et résistance aux radiations
La technologie choisie doit combiner granularité, faible épaisseur, vitesse de lecture et résistance aux radiations
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Quel choix technologique Quel choix technologique ??
• CCD (SLD)Couches minces, granularitéVitesse de lecture, tolérance aux radiations (n)
• Pixels hybrides (ATLAS, CMS)Rapide, résistants aux radiations Budget de matière, granularité
• MAPS (capteurs CMOS)Granularité, possibilités d’amincissementsPlus rapide que les CCDsBonne résistance aux radiationsUtilisation de la technologie standard CMOS en plein essor industriel Intégration d’éléments de traitement du signal dans le substrat
Logique de contrôle, conversion analog./num., préamplification, etc. Technologie en développement.
• DEPFET, SOI, etc. technologies à plus long terme
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• R & D dépend fortement de la technologie de fabrication
Fort dévelop. Dans l‘industrie(caméras, appareils photos num.) Exploration des différents
procédés de fabrication • Paramètres clefs
– Couche épitaxiale (≳ 5µm)
– Taille de la grille (≲ 0.35µm)
– Courant de fuite– Nombre de métallisation (3-6 couches)
– Etc.
CMOS : introductionCMOS : introduction
20-40µm
Préampli. (1 par pixel)
Préampli. (1 par pixel)
Diffusion thermique
des électrons
Diffusion thermique
des électrons
élevé (p-well)ModerModeré é (couche epitaxiale)(couche epitaxiale) élevé(subtrat)
P dopage
Electron libre dans la bande de conduction
Electron libre dans la bande de conduction Potentiel dans
la région de la diode
Potentiel dans la région de la diode
Trajectoire de la particule
Diode de collection de charge
Diode de collection de charge
Collaboration IReS-LEPSI
(1999)
La R & D doit suivre les évolutions de la
technologies
La R & D doit suivre les évolutions de la
technologies
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Exemple de capteur Exemple de capteur (Mimosa 5)(Mimosa 5)
1000
pixel
s1000 pixels
19.4
mm
17.35 mm
Galette avant découpageGalette avant découpage
Microélectronique de contrôle et de lecture
Microélectronique de contrôle et de lecture
Capteur monté sur son PCBCapteur monté sur son PCB
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Axes de la R & DAxes de la R & D• Validation pour la détection de particules
chargées (1999-2002)• Dévelop. de capteurs de grande taille• Caractérisation de la technologie sans
épitaxie• R&D sur les capteurs rapides
(System On a Chip)Cette R & D a permisde valider la
technologie et d’ouvrir des
perspectives pour de multiples applications
Cette R & D a permisde valider la
technologie et d’ouvrir des
perspectives pour de multiples applications
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Premières validations (1999-Premières validations (1999-2002)2002)
• MIMOSA 1-4 (minimum Ionising Particle MOS Active pixel sensor)
– M1(M2) : zone épitaxiale de forte (faible) épaisseur– M3 : technologie submicronique profonde– M4 : sans couche épitaxiale
• Performances.– Rapport Signal/Bruit: ~ 20-40– Efficacités de détection: 98.5–99.5%– Résolution spatiale: 1.4-2.5 m
• Perspectives– Technologie permettant une haute intégration de l’ électronique
sur le capteur lui-même, pour un coût réduit– Technologies sub-microniques pixels de taille réduite– Circuit actif pendant la lecture Puiss. Dissipée modeste– Amincissement jusqu’à qqs 10s de microns limite diff. multip.
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PROTOTYPES: MIMOSAPROTOTYPES: MIMOSACHIP ANNEE PROCESS EPITAXIE PITCH METAL PARTICULARITES
m m
M1 1999 AMS 0.6 m 14 20 3M GRANDE ZONE EPITAXIALE
M2 2000 MIETEC 0.35 m 4,2 20 5M FINE ZONE EPITAXIALE
M3 2001 IBM 0.25 m 2 8 3M sub-m profond
M4 2001 AMS 0.35 m 0 ! 20 3M Substrat de faible dopage
SUC 2 2003 AMS 0.35 m none 40 3M Substrat de faible dopage
M5 & M5B 2001/2003 AMS 0.6 m 14 17 3M taille reelle 1M pixels
M6 2002 MIETEC 0.35 m 4,2 28 5M col. // r.o. et sparsification integree
M7 2003 AMS 0.35 m none 25 4M col. // r.o. et sparsification integree (photoFET)M8 2004 TSMC 0.25 8 25 5M col. // r.o. et sparsification integreeM9 2004 AMS 0.35 m 20 20/30/40 4M tests diodes/pitch/courant fuite
• MIMOSA 1,2,4,5 testés au CERN-SPS @ 120 GeV/c -
• SUCESSOR 2 (PROJET SUCIMA): tests en faisceau fin 2003– 40 m pitch, pas de couche epitaxiale.
• M6 testé• M7 tests été 2004, faisceau septembre 2004• M5 aminci tests en faisceau été 2004
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Calibration et faisceau Calibration et faisceau testtest
• Calibration: – source 55Fe ( ~5.9 keV)
• Faisceau CERN-SPS – (120 GeV/c -, -, etc.)
• Détecteur de référence: – 8 plans de silicium à micropistes.– Résolution spatiale ~ 2 m/plan– Extrapolation de la trace
~ 1 m
– Déclenchement: scint. plastique
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Reconstruction des Reconstruction des impactsimpacts
• Signal brut = signal physique + piédestal + bruit + mode commun
• CDS : (correlated double sampling) Soustraction de 2 images consécutives
• Reconstruction: – La charge se répartit entre plusieurs pixels voisins
amas de pixels touchés
• Résolution– Différentes méthodes pour déterminer le point d’impact
Centre de gravitéFonctions
• Séparation de 2 impactsMimosa 1Mimosa 1
16 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPNHE 14
Capteurs de grande taille Capteurs de grande taille (M5)(M5)
• AMS 0.6 m (M1 like)– Taille réticulaire 19.4 x 17.4 mm2
– 512 x 512 pixels (pour chacune des 4 matrices)– 17x17 m pitch
• 4 sous-matrices par capteur, lues en //.• 6 galettes (6’’) fabriquées en 2001• 3 galettes amincies à 120 m (2003)• Résultats (2002):
– rendement 20-30 % det ≳ 99%; sp ~2 m; <gain> ~0.2%
16 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPNHE 15
Grande taille: Grande taille: applicationapplication
• Expérience STAR : extension du détecteur de vertex (2006)– Physique du charme détecteur de petit rayon, granulaire et
mince.
– 2 couches de pixels ≳ 1000 cm2 ; Rlayer1 ≳ 1.5 cm; Rlayer2 ≲ 4 cm
• Les performances de M5 sont proches des spécif. de STAR Collaboration avec LBL et BNL
Que faut-il améliorer ?• temps de lecture ~ 24 ms < 20 ms• épaisseur ~ 120 µm ≳ 50 µm• courant de fuite (fonctionnement à T. amb.)• rendement (moins crucial)
Que faut-il améliorer ?• temps de lecture ~ 24 ms < 20 ms• épaisseur ~ 120 µm ≳ 50 µm• courant de fuite (fonctionnement à T. amb.)• rendement (moins crucial)
Premier prototype mimo-STAR pour l’été 2004 (TSMC 0.25 µm tech.)M5-STAR ~ OK pour un collisionneur chaud !
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Prototypes sans couche Prototypes sans couche épitaxialeépitaxiale
• Propriétés (M4)– AMS 0.35 µm sans épi.
substrat de faible dopage tps de vie
– faisceau test @ 120 GeV/c - SPS eff ≳ 99.5% ; sp ~2.5 µm (20 µm
pitch)• Application pour le projet européen
d’imagerie biomédicale SUCIMA (SUC2)– Monitorage de faisceau et dosimétrie– Granularité moins essentielle
• Soumission de Mimosa 9 avec ET sans couche épitax. sur le même run de fonderie AMS 0.35 µm batch (Janvier 2004)La fabrication avec couche
épitaxiale n’est pas obligatoire !
M4Total charge in N pixels
M4Total charge in N pixels
M4: Signal/B dans le pixel siègeM4: Signal/B dans le pixel siège
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BeamstrahlungBeamstrahlung• Pincement des faisceaux émission de
– (négligeable à LEP et SLD)– 6 x 1010 / croisement (@500 GeV)– Emis principalement vers l’avant– Etalement du spectre en énergie– Bruit de fond
Conversion e+e- augmente l’occupation du dét. de vertex+ Bdf hadronique, neutrons. rayon de la première couche Perte d’énergie moyenne E
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R&D sur les capteurs R&D sur les capteurs rapidesrapides
• M1-M5 1M pixels. lecture en 1-10 ms • LC 1ere VD couche doit être lue en 25-50 s
(beamstrahlung)
– énorme flot de données attendu e.g. 15 bits/pixels, t~25 s 500 Gbits/s/106 pixels !– But principal: traitement rapide du signal ET
compression des données intégrée sur le capteurLecture rapide de colonnes courtes en //
• Différents prototypes avec différents traitements du signal: – M6 (collab. DAPNIA): testés en 2003, – Fonctionnement individuel des pixel OK. Discri. OK
Mais large dispersion des caractéristiques des pixels (piédestal, bruit, gain ?)
– M7: revenu de fabrication, tests été 2004.– M8 (collab. DAPNIA): premiers tests été 2004
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Quelques exemples Quelques exemples d’applicationsd’applications
• STAR• SUCIMA
– ProtonthérapieMonitorage de faisceau
– CuriethérapieContrôle des doses
• Expérience CBM (Darmstadt)– Expérience ions lourds– sur cible fixe ( 2012 ?)
• Dosimétrie – Mesure du radon
Tumeur
(Co60 ) faisceau de photons ou rayons
X
©T
ER
A
Tumeur
faisceau de protons ©
TE
RA
faisceau de protons
électrons secondaires
feuille d’aluminium
Détecteur CMOS
Mesure du profil du faisceau
©T
ER
A
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ConclusionConclusion• Le prochain collisionneur linéaire ouvre de
fascinantes perspectives– Machine de précision, complément idéal du LHC– L’exigence de précision gouverne le design des
détecteurs• Capteurs CMOS
– La R & D de ces dernières années a demontré la faisabilité technique d’un détecteur de vertex basé sur les capteurs CMOS.
– Validation en faisceau– Fort dynamisme industriel autour de cette
technologie – Applications: STAR, CBM, dosimétrie, etc.– R & D à venir : vitesse de lecture & intégration,
tolérance rad., amincissement.+ refroidissement, support mécanique, etc.
16 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPNHE 21
Back upBack up
Back up 1
16 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPNHE 22
Le prochain collisionneur linéaireLe prochain collisionneur linéaire
3 projets : (~ 500-1000 GeV)– NLC
(Next Linear Collider)
– JLC– TESLA
(TeV Energy Superconducting Linear Accelerator)
Technologie froideLaser à électrons libres (X-FEL)
+ Compact Linear Collider (CLIC)~ 5 TeVPlus long terme (2025)
Technologie chaude
Début des travaux de développement
Choix de la technologie
Début de la Construction
Premières collisions
1992 2004 2007-2009 2015 ?
SLAC CERN
DESY
KEK
16 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPNHE 23
Technologie supra.Technologie supra.• Avantages:
– Champs de sillage + faible (cavités basse fréquence + grandes) Charge plus elevée
– Efficacité du transfert de puissance entre le champ radio-fréquence et le faisceau Consommation électrique (~100MW) pour une puissance par faisceau de 10 MW
• Cavités– Niobium, helium superfluide a 2K.– Fréq. + faible (= 1.3 GHz)– Gradient = 23.4 MV/m– Facteur de qualité Q (inverse de la puissance perdue par cycle)
16 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPNHE 24
TESLA : Paramètres de la machineTESLA : Paramètres de la machineparamètre Unite TESLA-500 TESLA-800
Gradient accélérateur MV/m 23.4 35
Radio-fréquence GHz 1.3
Facteur de remplissage 0.747 0.79
Longueur totale du site km 33
# de structures accélératrices 21024
# de klystrons 584 1240
Puiss. au pic des klystrons MW 9.5
Taux de répétition Hz 5 4
Longueur du pulse faisceau s 950 860
Longueur du pulse RF s 1370
# de paquets / pulse 2820 4886
Espacement des paquets ns 337 176
Charge / paquets (Ne) 1010 2 1.4
Emittance à l’IP (x,y) 10-6 m 10 / 0.03 8 / 0.015
Beta à l’IP (x,y) mm 15 / 0.4 15 / 0.4
Taille du faisceau à l’IP (x* / y*) nm 553 / 5 391 / 2.8
Longueur du paquet à l’IP (z) mm 0.3 0.3
Beamstrahlung (E) % 3.2 4.3
Luminosité 1034cm-2s-1 3.4 5.8
Puissance par faisceau MW 11.3 17
Puissance électrique primaire des 2 faisceaux
MW 97 ~150
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Programme de Programme de physiquephysique
• Questions clefs:– Mesures de précision du Modèle Standard– Nouvelle physique– Origine de la brisure de symétrie électrofaible et des masses
Caractérisation du secteur de Higgs
• Mesures de précision– mtop ~ 100-200 MeV/c2
– mW ~ 5 MeV/c2
– GigaZ sin2Weff / sin2W
eff 0.01 % Mesures Indirectes: MH/ MH ~ 5 %
• Nouvelle physique– Susy: √s < LHC. Seuils/Balayages possibles
LHC: squarks/gluinos ; LC: sleptons et Jauginos. Type de brisure SUSY ? Détermination précise : masses, spin, Br, phases, etc.
– Technicouleur, Z’, etc.
Fonctionnement simultané
LHC/LC
Fonctionnement simultané
LHC/LC
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Programme de physique Programme de physique (2)(2)
• Higgs.– Masse– Largeur ~ qqs %– section efficace ~ 1 %– gHHH ~ 15-20 % gHHH = 6√2
Potentiel Higgs. H
• Couplage de Yukawa: (H-f-fbar)– t-tbar-Higgs.
(ttbar-H)~ 1-3 fb (115 ≤ mH ≤ 200) Etat final : jusqu’à 10 partons yHttbar / yHttbar ~ 5-10 %
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Capteurs de grande taille 2003Capteurs de grande taille 2003 (2)(2)
• Faisceau test @ SPS (2003)– 3 capteurs– 120 GeV/c -
• Tests d’uniformité– Entre les sous matrices/ capteurs– Comparaisons suivant taille de diode
petite diode(3x3 m2)petite diode(3x3 m2)
grande diode(5x5 m2)grande diode(5x5 m2)
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Sections efficaces Sections efficaces
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sans epi. : SUCCESSOR sans epi. : SUCCESSOR 22
• SUCCESSOR 2: (~ M4, pitch 40 m)– Imagerie biomédicale, projet SUCIMA– (sans couche épi., AMS 0.35 m) – 40x40 m2 pixels– Tests en faisceau (oct. 2003) – différentes sous-structures testées
• (3T pixel, Self-Bias, pixels avec 2 tailles de diodes différentes)– eff ≳ 99.9 % sp ~5-6 m (~2 x M4 avec pas 20 m)– Meilleures performances pour les
grandes diodes SB
SB1 Charge (1,9,25 pixels)SB1 Charge (1,9,25 pixels)
Bruit (e-) vs TBruit (e-) vs T
S/N vs TS/N vs TX resolution vs TX resolution vs T
?
16 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPNHE 30
R&D sur les capteurs R&D sur les capteurs rapides rapides (2)(2)
• Mimosa 6 (IRES-LEPSI/DAPNIA)
0.35 µm MIETEC techno.30 colonnes de 128 pixels r.o. en //Amplification (5.5) et Correlated Double Sampling Intégré dans le pixel5 MHz fréq. eff. de lectureDiscriminateur (DAPNIA) sur la périphérie du chipPdiss ~ 500 µW par col.
et frame r.o. cycle
Mimosa 6Mimosa 6
28 µ
mDistribution de l’amplitude
du signal (1pixel)Distribution de l’amplitude
du signal (1pixel)
Pic de calib. 5.9 keVPic de calib. 5.9 keV
Charge storage
Capacitor (90 fF)
AC coupling capacitor (50 fF)
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Back upBack up
Back up 2
16 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPNHE 32
16 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPNHE 33
CMOS CMOS (fonctionnement)(fonctionnement)
(4)
Elément de base:le pixel actif
Schéma de photodiodes et de microcircuits de prétraitement, le tout constituant un groupe de pixels
(1 µm = 1 millième de millimètre ou 1 millionième de mètre)
(4) Le signal électrique généré, proportionnel au nombre d’électrons collectés, passe alors dans le microcircuit de prétraitement
20 µm
(3)
(2)
(1)
couche sensible
substrat
(1) Une particule (photon, proton, électron, etc…) traverse le silicium d'un circuit intégré
(2) Elle ionise la couche active en éjectant les électrons du nuage électronique des atomes
(3) Ces électrons sont alors récupérés par le collecteur
© L
EP
SI
© LEPSI
16 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPNHE 34
FabricationFabrication• Différentes technologies de haute
précision :– dépots, oxydations, lithographie,
masques, recuits, etc.
• Différentes couches successives– de cristaux de silicium, de métaux et
d’isolants forment une mosaïque de zones et
d’empilements.
• La galette: – diam. = 15 cm– épaisseur ~ 100 microns
Chaque capteur constitue un circuit intégré sur silicium.
16 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPNHE 35
Sans couche Sans couche epi. (M4)epi. (M4)
• Test Rad. tol. : – 200 kRad (x-rays),– 1.4 1011 neq/cm2
• S/N ↘ quand T ↗• si T ≲ 20⁰C pas d’effet visible sur l’efficacité et la résolution• Les effets des radiation sont négligeables à ce niveau (200 kRad ;1.4x1011 n/cm2)
S/N vs TS/N vs T
Charge collectee 1,5,25, 49 pixelsCharge collectee 1,5,25, 49 pixels
X Ray Non irrad. neutrons
X Ray Non irrad. neutrons
X Ray Non irrad. neutrons
X Ray Non irrad. neutrons
BruitBruit
Résolution spatiale (non irr.)Résolution spatiale (non irr.)
16 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPNHE 36
16 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPNHE 37
Pixels hybridesPixels hybrides
16 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPNHE 38
CCDCCD
16 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPNHE 39
SOISOI
16 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPNHE 40
CMOSCMOS
16 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPNHE 41
DEPFETDEPFET
16 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPNHE 42
CMOS: detections de CMOS: detections de