Charakterisierung von HV-MAPS
F¨ur das MU3E-Experiment
Ann-Kathrin Perrevoort
Physikalisches Institut, Heidelberg
28. Februar 2012
A. Perrevoort (PI, Heidelberg) Charakterisierung von HV-MAPS 28. Februar 2012 1 / 15
Ubersicht ¨
• Das MU3E-Experiment
• µ → eee
• Detektor-Konzept
• HV-MAPS
• Messungen
• Rauschen
• Energiekalibrierung
• Pulsform
• Zusammenfassung & Ausblick
MU3E
Experiment
Lepton-Flavour verletzender Zerfall:µ+ →e+e−e+
µ+ e+
W+
νµ νe γ
e- e+
*
Neutrino-Mixing:
BR <10−50
µ+ χ~0 e+
e~ µ~
γ
e- e+
*
Beobachtung von µ→eee
⇒ Neue Physik
SINDRUM (1988) MU3E
BR <10−12 (90% CL) BR <10−16 (90% CL)
A. Perrevoort (PI, Heidelberg) Charakterisierung von HV-MAPS 28. Februar 2012 3 / 15
MU3E
Herausforderungen
• µ → eeeνν hat gleiche Signatur wie µ → eee
• Hohe Spurdichte (∼108 −109µs)
→kombinatorischer Untergrund
→ Hohe Impuls-, Vertex- & Zeitaufl¨osung
• Elektronen mit ∼10 - 53 MeV → Vielfachstreuung dominiert
→ M¨oglichst wenig Materialim aktiven Detektorvolumen
→ Spurdetektor ausd¨unnen Silizium-Pixel-Sensoren
→ Schneller Timing-Detektor
MU3E
Detektor-Design
Spur-Detektor
• Prismen aus Si-Pixel-Sensoren
• Innere und ¨außere Doppellage + Recurl-Stationen
• L¨ange ∼150 cm, Durchmesser ∼15 cm Timing-Detektor
• Fibre-Hodoskop & szintillierende Kacheln
Target Innere Pixellagen
Szintillierende Fasern
Äussere Pixellagen Recurl-Pixellagen
Szintillator-Kacheln
μ Strahl
A. Perrevoort (PI, Heidelberg) Charakterisierung von HV-MAPS 28. Februar 2012 5 / 15
HV-MAPS
Monolithische Aktive Pixel-Sensoren in Hochspannungs-Technologie
Funktionsweise
• Spannung in
Sperrrichtung (60 V)
→ Verarmungszone
• Einfallendes Teilchen ionisiert
• Ladungssammlung durch Drift
• Integrierte Elektronik
→ digitales Signal
• Messung von ToT =b Messung der Energie
CSA
- - - +
+
+ E-Feld
Time over Threshold{
Readout
N Wanne Verarmungszone
P Wanne
P Substrat Shaper Comparator
-60V
Entwickelt von Ivan Peri`c, ZITI Mannheim
HV-MAPS
Monolithische Aktive Pixel-Sensoren in Hochspannungs-Technologie
Vorteile
• Sensor und Auslese im Pixel integriert
• Schnelle Ladungssammlung durch Drift (O(10 ns))
• Ausd¨unnen m¨oglich (<50µm)
• Geringes Rauschen (SNR> 20)
• Hohe Effizienz
• Kommerzieller Herstellungsprozess (CMOS AMS 180 nm)
A. Perrevoort (PI, Heidelberg) Charakterisierung von HV-MAPS 28. Februar 2012 7 / 15
Messungen
Messungen
Rauschen
• Teste Comparator mit Test-Pulsen
• Rauschen
”weicht”Kante auf
→ Errorfunktion-Fit MIP ∼ 1000 e
0 200 400 600 800 1000
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
InputScan
Injection [e]
Testpuls-Scan
σ = 34.3 e
A. Perrevoort (PI, Heidelberg) Charakterisierung von HV-MAPS 28. Februar 2012 9 / 15
Messungen
Energiekalibrierung mit R¨ontgen-Fluoreszenz
Target (Fe, Ni, ...) Sensor Röntgenröhre
Kα Kβ
Lα Lβ
K L M N
Messungen
Energiekalibrierung mit R¨ontgen-Fluoreszenz
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025
X-ray fluorescence: Fe Spectrum (thr 0.87)
ToT [ns]
Fe-Kα:
6.40 keV
ToT-Spektrum von Fe
Röntgenfluoreszenz
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025
X-ray fluorescence: Ni Spectrum (thr 0.87)
ToT [ns]
Röntgenfluoreszenz
Ni-Kα:
7.48 keV
ToT-Spektrum von Ni
A. Perrevoort (PI, Heidelberg) Charakterisierung von HV-MAPS 28. Februar 2012 11 / 15
Messungen
Energiekalibrierung mit R¨ontgen-Fluoreszenz
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025
X-ray fluorescence: Fe Spectrum (thr 0.87)
ToT [ns]
Fe-Kα:
6.40 keV
ToT-Spektrum von Fe
Röntgenfluoreszenz
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025
X-ray fluorescence: Ni Spectrum (thr 0.87)
ToT [ns]
Röntgenfluoreszenz
Ni-Kα:
7.48 keV
ToT-Spektrum von Ni
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Peak vs Thr Fit Data Linear Fit Exponential Fit
energy vs. ToT (thr 0.87)
ToT [ns]
Energy [keV]
Energiekalibrierung
Messungen
Pulsform
t0
A. Perrevoort (PI, Heidelberg) Charakterisierung von HV-MAPS 28. Februar 2012 12 / 15
Messungen
Pulsform
Δt1+ToT1 Δt1
t0
thr 1
Messungen
Pulsform
t0
A. Perrevoort (PI, Heidelberg) Charakterisierung von HV-MAPS 28. Februar 2012 12 / 15
Messungen
Pulsform
0 2 4 6 8 10 12 14 16
-1.25 -1.2 -1.15 -1.1 -1.05 -1 -0.95 -0.9 -0.85 -0.8
Zeit [µs]
Threshold [V]
Pulsform
• Typische Pulsform f¨ur einen CR-RC-Shaper
• Shaper zur Zeit noch zu langsam
Zusammenfassung & Ausblick
• MU3E: µ → eee
• Verbesserung der Sensitivit¨at um Faktor 104 (gegen¨uber SINDRUM)
• HV-MAPS
• Hochaufl¨osender, d¨unner Si-Pixel-Sensor mit integrierter Elektronik
• Charakterisierung
• Tests mit dem HV-MAPS-Prototypen sehr vielversprechend
• Verbesserung des Zeitverhaltens in der kommenden Submission erwartet
• Messungen mit ged¨unnten Sensoren
A. Perrevoort (PI, Heidelberg) Charakterisierung von HV-MAPS 28. Februar 2012 14 / 15
Vielen Dank f¨ur Ihre Aufmerksamkeit!
