TY - THES A1 - Hempel, Maria T1 - Development of a novel diamond based detector for machine induced background and luminosity measurements T1 - Entwicklung eines neuen diamantbasierten Detektors für Messungen von maschineninduziertem Hintergrund und Luminosität N2 - The LHC is the largest particle accelerator and storage ring in the world, used to investigate fundamentals of particle physics and to develop at the same time the technology of accelerators and detectors. Four main experiments (ATLAS, ALICE, CMS and LHCb) , located around the LHC ring, provide insight into the nature of particles and search for answers to as yet unexplained phenomena in the universe. Two proton or heavy ion beams circulate in the LHC and are brought into collision in the four experiments. The physics potential of each experiment is determined by the luminosity, which is a ratio of the number of the events during a certain time period to the cross section of a physics process. A measurement of the luminosity is therefore essential to determine the cross section of interesting physics processes. In addition, safe and high-quality data-taking requires stable beam conditions with almost no beam losses. Each experiment has its own detectors to measure beam losses, hereafter called machine induced background. One such detector is installed in CMS, BCM1F. Based on diamond sensors it was designed and built to measure both, the luminosity and the machine induced background. BCM1F ran smoothly during the first LHC running period from 2009-2012 and delivered valuable beam loss and luminosity information to the control rooms of CMS and LHC. At the end of 2012 the LHC was shut down to improve the performance by increasing the proton energy to 7TeV and decreasing the proton bunch spacing to 25ns. Due to the success of BCM1F an upgrade of its sensors and readout components was planned in order to fulfil the new requirements. The upgrade of the sensors comprises a two pad instead of one pad metallization. 24 instead of the previous 8 single crystal diamond sensors were foreseen for the new BCM1F to enhance the robustness and redundancy. To instrument BCM1F, 59 sensors were electrically characterized by measuring the leakage current, signal stability and charge collection efficiency. Quality criteria were defined to select sensors for the final installation. An overview of these measurements including a summary of the results is given in this thesis. In addition, an upgraded amplifier was developed within the collaboration in 130nm CMOS technology. It has a peaking time of 7ns instead of the 22ns of the one previously installed. A BCM1F prototype comprising a two pad sensor and the upgraded amplifier was tested at the DESY-II accelerator in a 5GeV electron beam. Results of these test-beam measurements are presented in this thesis as well as simulations to interpret the measurements. The installation of the upgraded BCM1F was completed in 2014. In 2015 BCM1F was commissioned and started to measure luminosity and machine induced background. At the end, the thesis will describe both types of measurements with the focus on machine induced background demonstrating the functionality of BCM1F. N2 - Der LHC ist der größten Teilchenbeschleuniger und -speicherring der Welt. Er wurde gebaut, um Teilchenphysik bei höheren Energien zu erforschen bei gleichzeitiger Entwicklung der Beschleuniger- und Detektorphysik. Vier große Experimente (ATLAS, ALICE, CMS, LHCb) befinden sich am LHC, welche einen Einblick in die grundlegenden Strukturen des Universums und der Teilchenphysik geben. Zwei Protonen- oder Schwerionenstrahlen kreisen im LHC und werden in den vier Experimenten zur Kollision gebracht. Das Physikpotential in den jeweiligen Experimenten wird durch die Luminosität bestimmt. Die Luminosität ist das Verhältnis der Zahl der Ereignisse während einer bestimmten Zeiteinheit zum Wirkungsquerschnitt eines physikalischen Prozesses. Die Messung der Luminosität ist daher notwendig, um die Wirkungsquerschnitte interessanter Prozesse zu messen. Eine sichere und hochwertige Datennahmen benötigt stabile Strahlbedingungen, möglichst ohne Strahlverluste. Jedes Experiment hat seine Strahlverlustmonitore. Einer dieser Detektoren im CMS ist der BCM1F, welcher Diamantsensoren verwendet. BCM1F ist in der ersten LHC Laufzeit von 2009-2012 problemlos gelaufen und lieferte wertvolle Strahlverlust- und Luminositätsinformationen zum CMS- und LHC-Kontrollraum. Ende 2012 beendete der LHC seinen Betrieb für das Upgrade auf 7TeV und der Reduzierung des Abstandes der Protonenpakete 25ns. Um diese neuen Anforderungen zu erfüllen, wurde ein Upgrade der BCM1F Sensoren und Ausleseelektronik durchgeführt. Auf die Oberfläche der Sensoren wurden zwei Metallelektroden, genannt Pads, aufgebracht, um die Zählrate zu halbieren. Die Robustheit und Redundanz von BCM1F wurde gesteigert, indem die Anzahl der Sensoren von 8 auf 24 erhöht wurde. Insgesamt wurden 59 Sensoren elektrisch charakterisiert, was Messungen von Leckstrom, Signalstabilität und Ladungssammlungseffizienz beinhaltet. Qualitätskriterien für die Auswahl von Sensoren wurden definiert. Ein Überblick dieser Messungen wird mit einer Zusammenfassung der Resultate in dieser Arbeit gegeben. Zusätzlich wird ein verbesserter Verstärker in 130nm CMOS Technologie und einer Anstiegszeit der Ausgangsspannung (proportional zur Eingangsspannung) von 7ns, statt der vorherigen 22ns, zur Signalauslese verwendet. Ein BCM1F Prototyp mit Zweikanalauslese und dem verbesserten Verstärker wurde am DESY-II Beschleuniger bei einem Elektronenstrahl von 5GeV Elektronen getestet. Resultate dieses Testes werden in dieser Arbeit gezeigt und mit Simulationen verglichen. Die Installation des neuen BCM1F Systems fand 2014 statt und 2015 startete BCM1F seine Messungen der Luminosität und der Rate von Teilchen des Strahlhintergrundes, der im Beschleuniger anfällt. Am Ende wird diese Arbeit Resultate der Messungen zeigen, sich dabei aber auf den maschinen-induzierten Hintergrund konzentrieren und dabei die sichere Funktionsweise von BCM1F demonstrieren. KW - BCM1F KW - Diamond KW - Sensor KW - Beam loss KW - CMS KW - BCM1F KW - Diamant KW - Sensor KW - Stahlverlust KW - CMS KW - LHC KW - Luminosität KW - Strahlungsdetektor Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-42865 ER - 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 -