Development of Electrical Quality Assurance Procedures and Methods for the Silicon Tracking System of the CBM Experiment

Abstract

Positionsempfindliche Siliziumdetektoren werden seit mehr als 40 Jahren in Experimenten der Teilchenphysik eingesetzt. Technologische Fortschritte haben es möglich gemacht, großflächige Silizium-Tracker mit Millionen von Kanälen zu bauen. Als Sensortechnologie für das Silicon Tracking System (STS) des Compressed Baryonic Matter (CBM) Experiments an der Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) wurden doppelseitige Silizium-Mikrostreifen-Detektoren ausgewählt. Das Ziel des CBM-Experiments ist es, die Eigenschaften von stark wechselwirkender Materie bei hoher Baryonendichte in relativistischen Schwerionenkollisionen zu untersuchen. Dabei ist die Herausforderung die Messungen mit Wechselwirkungsraten von bis zu 10 MHz durchzuführen. Dies wird den Zugang zu extrem seltenen Observablen wie multi-seltsamen Hyperonen oder Hadronen mit Charm-Quarks ermöglichen. Innerhalb der Detektorakzeptanz werden bis zu 700 Teilchen pro Kollision erwartet. Ihre Spuren und somit ihr Impuls werden im STS mit hoher Auflösung vermessen. Der STS besteht aus 876 Mikrostreifensensoren mit einer Gesamtfläche von etwa 4 m^2. Jeder Sensor hat 1024 Streifen pro Seite, was insgesamt etwa 1.8e6 Kanäle ergibt. Um eine hochpräzise Messung zu gewährleisten, muss der STS hochwertige Mikrostreifensensoren verwenden. Der Anteil fehlerhafter Streifen sollte 1.5% pro Sensor nicht überschreiten. Die Sensoren müssen auch die CBM-Spezifikationen für die elektrischen Parameter erfüllen. Die in dieser Dissertation vorgestellten Arbeiten konzentrieren sich auf die Qualitätssicherung von Mikrostreifensensoren. Zu diesem Zweck wurde an der Universität Tübingen eine hochautomatisierte Sondenstation entworfen und gebaut. Die Methoden zur Bestimmung der elektrischen Eigenschaften von Mikrostreifensensoren wurden entwickelt. Dadurch war es möglich, die Prototyp-Sensoren für STS im Detail zu untersuchen. Ergebnisse und Herausforderungen werden ausführlich besprochen. Es werden Vorschläge bereitgestellt, die zur Verbesserung des Sensordesigns beitragen können. Als Ergebnis der durchgeführten Qualitätssicherung wurden die Abnahmekriterien für CBM-Mikrostreifensensoren im Serienstadium definiert. Die entwickelten Methoden zur Qualitätskontrolle ermöglichten es, fehlerhafte Streifen zuverlässig zu identifizieren. Dies ermöglicht die Auswahl hochwertiger Sensoren für den Bau des STS und gewährleistet eine hohe Datenqualität während des Betriebs des CBM-Experiments.

Position-sensitive silicon detectors have been used in particle physics experiments for more than 40 years. Technological advances have made it possible to build large-area silicon trackers with millions of channels. Double-sided silicon microstrip detectors have been selected as the sensor technology for the Silicon Tracking System (STS) of the Compressed Baryonic Matter (CBM) experiment at the Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR). The goal of the CBM experiment is to investigate the properties of strongly interacting matter at high baryon density in relativistic heavy ion collisions. The challenge is to perform measurements at interaction rates of up to 10 MHz. This will give access to extremely rare observables such as multi-strange hyperons or hadrons with charm quarks. Up to 700 particles per collision are expected within detector acceptance. Their tracks and thus their momentum are measured in the STS with high resolution. The STS consists of 876 microstrip sensors with a total area of about 4 m^2. Each sensor has 1024 strips per side, resulting in a total of about 1.8e6 channels. To ensure high-precision measurement, the STS must use high-quality microstrip sensors. The fraction of defective strips should not exceed 1.5% per sensor. The sensors must also meet CBM specifications for the electrical parameters. The work presented in this thesis focuses on the quality assurance of microstrip sensors. For this purpose, a highly automated probe station was designed and built at the University of Tubingen. The methods for determining the electrical characteristics of microstrip sensors were developed. This made it possible to investigate the prototype sensors for STS in detail. The results and challenges are discussed in detail. Suggestions are provided that can help improve sensor design. As a result of the conducted quality assurance, the acceptance criteria for CBM microstrip sensors at the series production stage were defined. The developed quality control methods made it possible to reliably identify defective strips. This allows for the selection of high-quality sensors for the construction of the STS and ensures high data quality during the operation of the CBM experiment.