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Development of a novel diamond based detector for machine induced background and luminosity measurements

Entwicklung eines neuen diamantbasierten Detektors für Messungen von maschineninduziertem Hintergrund und Luminosität

  • 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 suchThe 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.show moreshow less
  • 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 derDer 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.show moreshow less

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Metadaten
Author: Maria Hempel
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-42865
Referee / Advisor:Prof. Dr. Wolfgang Lohmann, Prof. Dr. Rüdiger Schmidt, Prof. Dr. Jürgen Reif
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2017
Date of final exam:2017/04/06
Release Date:2017/09/21
Tag:BCM1F; CMS; Diamant; Sensor; Stahlverlust
BCM1F; Beam loss; CMS; Diamond; Sensor
GND Keyword:LHC; Luminosität <Elementarteilchenphysik>; Strahlungsdetektor
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / FG Experimentalphysik und funktionale Materialien
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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