TY - THES A1 - Ignatenko, Alexandr T1 - Development of Beam Halo Monitors for the European XFEL using radiation hard sensors and demonstration of the technology at FLASH T1 - Entwicklung von Beam Halo Monitoren mit strahlungsharten Sensoren für den Europäischen XFEL und Demonstration der Technologie bei FLASH N2 - The European X-Ray Free-Electron Laser (E-XFEL), currently under construction in Hamburg, Germany, is intended to be an international linear accelerator (linac) based user facility. Its electron beam can carry maximal average power of 600 kW. A beam with such a high power needs to be carefully transmitted through the machine and safely dumped after utilization. This is supported by various diagnostics tools. A Beam Halo Monitor (BHM) based on synthetic diamond and sapphire sensors has been designed. Diamond sensors are developed by the company element6 for the detection of ionizing radiation and used previously elsewhere. Sapphire sensors are in this thesis applied for the first time. The BHM concept has been applied already at the Free-electron Laser in Hamburg (FLASH). A module with four diamond and four sapphire sensors was designed, installed inside the beam pipe, commissioned, calibrated and has been successfully operated for 4 years. The system contributed significantly to safe and efficient operation of FLASH. Both types of the sensors for the BHM were characterized. Measurements of radiation tolerance are done in a 10 MeV electron beam for polycrystalline CVD (pCVD) diamond sensors for the first time up to a dose of 10 MGy and for sapphire sensors up to 5 MGy. The charge collection efficiency (CCE) drops as a function of the absorbed dose, is however still sufficient for application as a BHM. To improve a main sensor characteristic, the charge collection efficiency, for sapphire sensors the impurity concentration was reduced and different growth techniques were compared. Finally, charge collection efficiency of about 5 % for a bias voltage of 500 V was reached. The BHM concept for the XFEL is designed and in the construction phase. N2 - Der European X-Ray Free-Electron Laser (E-XFEL), dessen Aufbau zur Zeit in Hamburg stattfindet, soll als international organisierte LINAC basierte Strahlungsquelle für Nutzer betrieben werden. Die mittlere Leistung im Elektronenstrahl wird 600 kW betragen. Ein Strahl mit so hoher Leistung muss sicher durch den Beschleuniger gesteuert, und nach seiner Nutzung sicher am vorgesehenen Ort vernichtet werden. Die Führung des Strahls wird von verschiedenen Diagnoseinstrumenten unterstützt. Hierzu zählt ein Beam Halo Monitor, der Sensoren aus hochreinem Diamant- und Saphirkristallen nutzt. Diamantsensoren wurden speziell für den Nachweis ionisierender Strahlung von der Firma Element6 entwickelt und wurden bereits an anderen Beschleunigen verwendet. Saphiresenoren werden in dieser Arbeit zum ersten Mal von verschiedenen Herstellern getestet und verwendet. Das Konzept eines solchen Beam Halo Monitors wurde im Rahmen dieser Arbeit bereits beim Free-Electron Laser in Hamburg (FLASH) entwickelt und angewandt. Hier wurde ein Modul mit jeweils 4 Diamant- und 4 Saphirsensoren installiert, in Betrieb genommen und getestet. Seit nunmehr 4 Jahren ist es ohne Ausfall in Betrieb und hat in dieser Zeit signifikant zur Erhöhung der Effizienz von FLASH beigetragen. Vor dem Einbau bei FLASH wurden beide Sensortypen charakterisiert. Polykristaline CVD (pCVD) Diamantsensoren wurden in einem 10 MeV Elektronenstrahl mit bis zu 10 MGy und Saphirsensoren bis zu 5 MGy Dosis getestet. Die sogenannte Charge Collection Efficiency (CCE) fällt dabei in Abhängigkeit von der applizierten Dosis ab, bleibt aber immer noch ausreichend hoch, so dass die Sensoren für einen BHM verwendet werden können. Ferner wurde der Einfluss der Reinheit von Saphirsensoren auf die Charge Collection Efficiency untersucht. Die Konzentration Verunreinigungen wurde bei Auswahl der Sensoren verringert, und verschiedene Herstellungsverfahren wurden betrachtet. Im Resultat konnten Sensoren mit einer Charge Collection Efficiency von 5% bei einer Spannung von 500 V hergestellt werden. Das Konzept für den XFEL ist entwickelt und bereits in der Phase der Realisierung. KW - Sensor KW - Diamond KW - Sapphire KW - Development KW - Beam Halo Monitor KW - Sensor KW - Diamant KW - Saphir KW - Entwicklung KW - Beam Halo Monitor KW - Saphir KW - Diamant KW - Sensor Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-34757 ER - TY - THES A1 - Bergholz, Matthias T1 - Vergleich relevanter Parameter von Multipixelsensoren für Spurdetektoren nach Bestrahlung mit hohen Proton- und Neutronflüssen T1 - Comparison of relevant parameters of multi-pixel sensors for tracker detectors after irradiation with high proton and neutron fluences N2 - Um eine höhere Sensitivität für seltene Physikereignisse zu erzielen, wird die Luminosität am LHC in der dritten Upgrade-Phase um den Faktor fünf gesteigert. Die damit verbundene Steigerung der Wechselwirkungsrate bedingt für den CMS-Spurdetektor strahlungshärtere Sensoren. Um das geeignetste Material zu finden, wurde die HPK-Kampagne gestartet. Ziel der Kampagne ist es, die auf dem Markt verfügbaren Siliziumsubstrate und Prozesstechnologien auf ihre Eignung zu überprüfen. In der vorliegenden Arbeit wurden aus der HPK-Kampagne die sogenannten MPix-Sensoren untersucht. Dafür wurde zunächst eine Probestation in Betrieb genommen und die Steuerungssoftware programmiert. Zusätzlich wurden neuartige Auswertungsmethoden entwickelt und eine Datenbank eingerichtet. Zur Untersuchung der Änderung der Sensoreigenschaften durch Bestrahlung wurden die MPix-Sensoren zunächst vor der Bestrahlung charakterisiert und die Ergebnisse anschließend mit den Ergebnissen nach Bestrahlung verglichen. Der Untersuchungsfokus lag auf dem Einfluss des Sensorsubstrats, der Produktionstechnologie und der Bias-Strukturen und der Strahlenhärte. Durch Bestrahlung degenerierten die Sensortypen unterschiedlich stark. Der Anstieg des Stromes durch Bestrahlung ist kleiner für Sensoren aus Magnetic-Czochralski-Silizium verglichen mit Sensoren aus Float-Zone-Silizium. Für Sensoren aus Float-Zone-Silizium ist der Stromanstieg schwächer für 200 µm dicke Sensoren verglichen mit 320 µm dicken Sensoren. Bias-Strukturen aus Polysilizium und Punch-Through-Struktur werden durch die Bestrahlung geschädigt. Bei Strukturen aus Polysilizium steigt der Widerstand durch Bestrahlung um etwa 50% und bei der Punch-Through-Struktur steigt die Punch-Through-Spannung um den Faktor zwei. N2 - The further increase of the luminosity of the Large Hadron Collider (LHC) at CERN requires new sensors for the tracking detector of the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment. These sensors must be more radiation hard and of a finer granularity to lower the occupancy. In addition the new sensor modules must have a lower material budget and have to be self triggering. Sensor prototypes, the so called “MPix”-sensors, produced on different materials were investigated for their radiation hardness. These sensors were fully characterized before and after irradiation. Of particular interest was the comparison of different bias methods, different materials and the influence of various geometries. The degeneration rate differs for the different sensor materials. The increase of the dark current of Float-Zone-Silicon is stronger for thicker sensors and less than for Magnetic-Czochralski-Silicon sensors. Both tested bias structures are damaged by the irradiation. The poly silicon resistance increases after irradiation by fifty percent. The Punch-Through-Structure is more effected by irradiation. The punch-through voltage increase by a factor of two. Due to the higher pixel current, the working point of the sensor is shifted to smaller differential resistances. KW - Multipixelsensoren KW - Strahlenhärte KW - CMS KW - HPK-Kampagne KW - Spurdetektor KW - Compact Muon Solenoid KW - HPK campaign KW - Multi-pixel sensors KW - Tracker KW - Radiation hardness KW - CMS-Detektor KW - Sensor KW - Spurdetektor KW - Strahlenresistenz Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-36359 ER -