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Zusammenfassung
  • Die moderne Teilchenphysik ist in hohem Maße auf fortschrittliche Messgeräte, insbesondere Detektoren, angewiesen. Eine der Schlüsseltechnologien für aktuelle und zukünftige Experimente sind Halbleiterdetektoren. Da die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit dieser Detektoren stetig steigen, ist kontinuierliche Forschung und Entwicklung notwendig, um deren Designs zu optimieren und die Sensoreigenschaften zu verbessern.\sloppy Die vorliegende Arbeit umfasst verschiedene Themen innerhalb der Forschung und Entwicklung zu neuartigen Siliziumdetektoren und diskutiert spezifische Charakterisierungsmethoden. Die beiden Hauptschwerpunkte liegen zum einen auf der Entwicklung von Sensorkarakterisierungstechniken mittels gepulster Laser und zum anderen auf Beiträgen zum Phase-2-Upgrade des CMS-Experiments am LHC.\sloppy Der erste Teil der Arbeit behandelt die zuvor genannten Lasertechniken. Es wird die Inbetriebnahme und Aufrüstung der Laserbox, einer Versuchsanordnung zur Charakterisierung von Siliziumsensoren mittels Ladungsinjektion mit gepulsten Lasern, vorgestellt. Darüber hinaus wurde ein Ansatz zur Monte-Carlo-Simulation solcher Laserinjektionsexperimente mit dem Allpix$^2$-Framework entwickelt. Diese Simulationen wurden durch den Vergleich mit Messdaten aus der Laserbox validiert. Es konnte gezeigt werden, dass die Simulation die unter diesen Bedingungen in Siliziumsensoren induzierten Signalformen präzise reproduziert.Die Laserbox wurde weiterhin zur Charakterisierung des digitalen Silizium-Photomultiplier-Prototyps (dSiPM) von DESY eingesetzt, einem neuartigen monolithischen, pixelierten Photonendetektor mit CMOS-SPADs als empfindliche Zellen. Eine Charakterisierung des Detektorprototyps zeigte, dass die zeitliche Auflösung des dSiPM unter optimalen Bedingungen 53$\pm4$~\si{\pico\second} beträgt. Gleichzeitig ermöglicht die lokalisierte Deposition von Ladungsträgern mittels Laser die örtliche Auflösung von Sensormerkmalen im Mikrometerbereich, wodurch Abweichungen der Eigenschaften des dSiPM innerhalb eines Pixels aufgezeigt und mit dem Layout einzelner Pixelzellen korreliert werden konnten.\sloppyDer zweite Teil der Arbeit befasst sich mit dem Upgrade des CMS-Experiments und behandelt insbesondere die zwei Aspekte der Produktion und der Prüfung von PS-Modulen für den Spurdetektor. Zunächst wird die Entwicklung von mechanischen Montageverfahren sowie der Aufbau einer robotergestützten Montagelinie beschrieben. Diese Verfahren erreichen bei der relativen Ausrichtung einzelner Komponenten eine Präzision im Mikrometerbereich, was für die neuartige Funktion dieser Module zur $\pt$\nobreakdash-Diskriminierung entscheidend ist. Anschließend wird die Qualifizierung der Module mit Messungen am DESY~II Teststrahl vorgestellt, mit Fokus auf der Messung der Effizienz der einzelnen Sensoren und der $\pt$\nobreakdash-Diskriminierung. Es wurde gezeigt, dass das Modul Spuren oberhalb einer definierten $\pt$-Schwelle mit einer Effizienz von 98$\pm$0,2\% selektiert, während diese Effizienz außerhalb des gewählten $\pt$-Bereichs auf unter 1\% abfällt. Diese Messungen belegen die Produktionsreife des aktuellen Moduldesigns im Hinblick auf die Teilchendetektion.
Abstract
  • Modern particle physics is extremely reliant on advanced instrumentation, in particular, detectors. One of the key technologies for current and future experiments is semiconductor detectors. As experiments require higher and higher performance of detectors, continuous R\&D is necessary to refine designs and improve performance. The present thesis encompasses diverse R\&D efforts on novel silicon detectors and discusses particular detector testing methods, with the two main research directions being developments of sensor characterization techniques by the means of pulsed lasers, and developments for the Phase-2 upgrade of the CMS experiment at the LHC.The first part of the thesis is devoted to the laser techniques. The commissioning and upgrade of the Laserbox, an experimental setup for testing silicon sensors via charge injection with pulsed lasers, is presented. Furthermore, an approach for Monte-Carlo simulations of such laser injection experiments was developed using the Allpix$^2$ framework. These simulations were then validated by a comparison with the experimental data, obtained with the Laserbox. It was shown that the simulation is capable of accurately reproducing signal shapes, induced in silicon sensors in these experimental conditions.The Laserbox was also used to study the DESY digital silicon photomultiplier (dSiPM) prototype, a novel monolithic pixelated photo-detector with CMOS SPADs as sensitive cells. A characterization campaign centering on timing features of the device was conducted. The time resolution of the dSiPM was found to be 53$\pm4$~\si{\pico\second} under optimal conditions. Meanwhile, the localized charge deposition with the laser allows one to resolve micrometer-scale features of the tested device, which revealed in-pixel variations of the dSiPM characteristics linked to the pixel cell layout. \sloppyThe second part of the thesis covers the CMS Upgrade, discussing two particular aspects of production and testing of PS modules for the CMS Phase-2 Outer Tracker. First, the development of mechanical construction procedures for the modules and establishment of the robot-assisted assembly pipeline are discussed. These procedures achieve a micrometer-level precision during the assembly, which is crucial for the functioning of the novel $\pt$-discrimination feature of these modules. Second, a qualification campaign for the modules at the DESY~II test beam facility is reported, with a focus on detection and $\pt$\nobreakdash-discrimination efficiency. It was shown that the module is able to select tracks with a specified $\pt$ at an efficiency of 98$\pm$0.2\%, whereas outside the selection region this efficiency drops to below 1\%. This campaign proves the production readiness of the module design from the particle detection functionality point of view.
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