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Müller, Felix (2017): Characterization and optimization of the prototype DEPFET modules for the Belle II Pixel Vertex Detector. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik
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Abstract

Der Elektron-Positron-Speicherring KEKB wurde von 1999 bis 2010 am Hochenergie- und Beschleunigerforschungszentrum KEK in Tsukuba (Japan) betrieben, wobei die Schwerpunktsenergie hauptsächlich dem Anregungszustand des Y(4S)-Teilchens (10.58 GeV) entsprach. KEKB erreichte während seiner Betriebszeit eine integrierte Luminosität von 1041 fb^-1. Mit dem Belle-Detektor wurden die Zerfälle von B-Mesonen untersucht, die die Theorie über den Ursprung der CP-Verletzung im Standardmodell von Kobayashi und Maskawa bestätigten; dafür erhielten beide im Jahr 2008 den Nobelpreis. Der Speicherring KEKB wird zu SuperKEKB erneuert, um Antworten auf die vielen offenen Fragen des Standardmodells und möglicherweise „Neue Physik“ jenseits des Standardmodells zu finden. Die Teilchenstrahlen werden auf etwa 50 Nanometer am Wechselwirkungspunkt kollimiert (“nano-beam scheme“), damit die weltweit höchste instantane Luminosität von KEKB um einen weiteren Faktor 40 auf 8x10^35 cm^-2 s^-1 gesteigert werden kann. Die (physikalischen) Ziele des Projekts sind die präzise Vermessung der CP-Verletzung und die Suche nach seltenen oder sogar „verbotenen“ Zerfällen von B-Mesonen, um mögliche Abweichungen vom Standardmodell zu finden. Verschiedene Komponenten müssen von Belle erneuert werden (Belle II), um die hohe instantane Luminosität von SuperKEKB zu bewältigen. Nicht nur die Anzahl der Ereignisse nimmt zu, sondern auch der Untergrund, insbesondere der unvermeidbare Zwei-Photonen-Untergrundprozess. Mit einem Siliziumvertexdetektor werden im Experiment die Zerfallsvertices der B-Mesonen analysiert. Der Vertexdetektor soll so nah wie möglich um das Strahlrohr platziert werden, damit Extrapolationsfehler der Zerfallsvertices minimiert werden. Da ein Siliziumstreifendetektor, wie er in Belle benutzt wurde, den hohen Untergrund im geringen Abstand zum Strahlrohr nicht bewältigen kann, wird ein neuartiger Pixel-Detektor (PXD) installiert, der aus monolitischen DEPFET (DEPletierter p-Kanal Feld Effekt Transistor) Pixel-Sensoren besteht. Der DEPFET-Sensor kann bis zu 75 um gedünnt werden, um die Mehrfachstreuung zu minimieren, besitzt ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis, verfügt über eine intrinsische Positionsausflösung von 15 um, unterstützt schnelle Auslesezeiten von weniger als 20 us und hat einen geringen Stromverbrauch. Der PXD besteht insgesamt aus 40 Sensor-Modulen, wobei jedes mit 14 ASICs für die Steuerung und Auslese bestückt ist. Die Module werden in zwei Lagen um das Strahlrohr montiert. Die vorliegende Arbeit fokussiert sich auf die Charakterisierung und Optimierung der ersten Prototypen der finalen PXD-Module. Die kombinierte Kontroll- und Ausleseelektronik wurde auf Prototyp-Modulen untersucht, verbessert und optimiert: Sechs Switcher pro Modul schalten die Pixelzeilen nacheinander ein (rolling-shutter Modus / zeilenweiser Auslesemodus), um die signalverstärkten Drainströme der DEPFET-Pixel zu messen und die Pixelzelle zurückzusetzen. Insgesamt messen 1000 ADCs auf jedem Modul die Drainströme mit einer PXD-Auslesefrequenz von 50 kHz. Damit die Pixel korrekt angesteuert werden, wurden Steuerungssequenzen für die Switcher simuliert und auf den Prototyp-Modulen getestet. Die systemrelevanten Aspekte, wie die inter-ASIC Kommunikation, Kontrollsequenzen und Synchronisationsprobleme wurden eingehend untersucht und optimiert. Zusätzlich wurden Messungen mit radioaktiven Quellen und Lasern durchgeführt, um die optimalen Operationsspannungen für verschiedene Betriebsmodi zu bestimmen. Der zeilenweise Auslesemodus von 20 us erscheint problematisch, wenn ein kurzzeitiger, periodischer Untergrund auftritt, beispielsweise während der Aufstockungsinjektion der Teilchenpakete in SuperKEKB. Um dieses Problem zu lösen, wurde ein neuer Arbeitsmodus vorgeschlagen und untersucht, welcher einen „gated“ Betriebsmodus des Detektors ermöglicht. Dies schaltet den Pixel-Vertex-Detektor für eine kurze Zeitspanne 1-2 us blind, während der hohe Untergrund erwartet wird. Ein Prototyp-Modul wurde im „Gated Mode“ betrieben; Ursachen von auftretenden Problemen wurden ausfindig gemacht. Die daraus resultierenden Verbesserungen trugen dem finalen Modul-Layout bei. Außerdem wurden zwei verschiedene Arten von Prototyp-Modulen erfolgreich in einer Strahltest-Kampagne betrieben. Die Ladungs-Cluster-Verteilungen, Positionsauflösung und Effizienzen wurden studiert, wobei deutlich wird, dass sich die Sensoren gut für den Betrieb in Belle II eignen.

Abstract

The Belle detector was located at the electron-positron collider KEKB in Tsukuba, Japan. It operated from 1999 to 2010, running mostly at the Y(4S) resonance, and achieved an integrated luminosity of 1041 fb^-1. The main research topic was the CP violation in the B meson system. The measured results on B meson decays confirmed the theory of Kobayashi and Maskawa (Nobel Prize 2008) on the origin of CP violation within the Standard Model. Since the Standard Model nevertheless leaves many open questions, the upgrade of KEKB to SuperKEKB has the potential to find New Physics beyond the Standard Model. SuperKEKB will increase the world-record instantaneous luminosity of KEKB by a factor of 40 to 8x10^35 cm^-2 s^-1 using the nano-beam scheme. The physics goals are the precise measurement of CP violation, searching for rare or even "forbidden" decays of B mesons and finding small deviations from the Standard Model with larger statistics and more precise measurements than ever before. To cope with the large luminosity of SuperKEKB various components of Belle need to be upgraded to the Belle II detector. Given the high luminosity, not only the number of events increases but also the background, in particular, the inevitable two-photon process. To minimize the extrapolation errors of the decay vertices of the B mesons the vertex detector should be situated as close as possible to the beam pipe. A silicon strip detector, as used in Belle, is not able to cope with the high background at SuperKEKB. Therefore, a novel pixel vertex detector (PXD) will be installed, featuring monolithic sensors using the DEPFET (DEPleted p-channel Field Effect Transistor) technology. The sensors can be thinned down to only 75 um to minimize multiple scattering, offer high signal-to-noise ratio, provide high intrinsic position resolution of ~15 um, support fast readout within 20 us and have low power consumption. The PXD consists of 40 sensors, each equipped with 14 custom-made ASICs for control and readout, which are mounted in two layers around the beam pipe. This thesis focuses on the characterization and optimization of the first full-size prototypes of the final sensor modules for the PXD. The combined control and readout electronics was investigated, improved and optimized on prototype modules equipped with the complete set of ASICs: six Switchers per module enable the pixel rows subsequently (rolling shutter mode) to measure the signal-amplified Drain currents from the DEPFETs and reset the device. A total of 1000 ADCs on each module sample the Drain currents resulting in a readout frequency of 50 kHz for the PXD. Switcher control sequences were simulated and applied for the prototypes to control the pixels properly. The system-related aspects like the inter-ASIC communication, control sequences and synchronization issues were studied and optimized. Measurements with radioactive sources and lasers were performed to determine optimal voltages for the different operation modes. The rolling shutter readout mode is problematic when transient intermittent high background is present, for instance during the top-up injection of SuperKEKB. To address this issue a new readout mode is proposed and investigated, which allows a "gated" or shutter-controlled operation of the detector. This makes the detector blind for a certain time interval in which high background is expected. A prototype module was operated in the Gated Mode; causes of encountered problems were identified and improvements were proposed and applied to the module layout. Two different kinds of prototype modules were operated successfully in a beam test campaign. The cluster charge distributions, position resolutions and efficiencies were studied and prove that the sensor is well suited for the operation at Belle II.