Characterization and optimization of the prototype DEPFET modules for the Belle II Pixel Vertex Detector

摘要

Der Elektron-Positron-Speicherring KEKB wurde von 1999 bis 2010 am Hochenergie- und Beschleunigerforschungszentrum KEK in Tsukuba (Japan) betrieben, wobei die Schwerpunktsenergie hauptsächlich dem Anregungszustand des Y(4S)-Teilchens (10.58 GeV) entsprach. KEKB erreichte während seiner Betriebszeit eine integrierte Luminosität von 1041 fb^-1. Mit dem Belle-Detektor wurden die Zerfälle von B-Mesonen untersucht, die die Theorie über den Ursprung der CP-Verletzung im Standardmodell von Kobayashi und Maskawa bestätigten; dafür erhielten beide im Jahr 2008 den Nobelpreis. Der Speicherring KEKB wird zu SuperKEKB erneuert, um Antworten auf die vielen offenen Fragen des Standardmodells und möglicherweise „Neue Physik“ jenseits des Standardmodells zu finden. Die Teilchenstrahlen werden auf etwa 50 Nanometer am Wechselwirkungspunkt kollimiert (“nano-beam scheme“), damit die weltweit höchste instantane Luminosität von KEKB um einen weiteren Faktor 40 auf 8x10^35 cm^-2 s^-1 gesteigert werden kann. Die (physikalischen) Ziele des Projekts sind die präzise Vermessung der CP-Verletzung und die Suche nach seltenen oder sogar „verbotenen“ Zerfällen von B-Mesonen, um mögliche Abweichungen vom Standardmodell zu finden. Verschiedene Komponenten müssen von Belle erneuert werden (Belle II), um die hohe instantane Luminosität von SuperKEKB zu bewältigen. Nicht nur die Anzahl der Ereignisse nimmt zu, sondern auch der Untergrund, insbesondere der unvermeidbare Zwei-Photonen-Untergrundprozess. udMit einem Siliziumvertexdetektor werden im Experiment die Zerfallsvertices der B-Mesonen analysiert. Der Vertexdetektor soll so nah wie möglich um das Strahlrohr platziert werden, damit Extrapolationsfehler der Zerfallsvertices minimiert werden. Da ein Siliziumstreifendetektor, wie er in Belle benutzt wurde, den hohen Untergrund im geringen Abstand zum Strahlrohr nicht bewältigen kann, wird ein neuartiger Pixel-Detektor (PXD) installiert, der aus monolitischen DEPFET (DEPletierter p-Kanal Feld Effekt Transistor) Pixel-Sensoren besteht. Der DEPFET-Sensor kann bis zu 75 um gedünnt werden, um die Mehrfachstreuung zu minimieren, besitzt ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis, verfügt über eine intrinsische Positionsausflösung von 15 um, unterstützt schnelle Auslesezeiten von weniger als 20 us und hat einen geringen Stromverbrauch. Der PXD besteht insgesamt aus 40 Sensor-Modulen, wobei jedes mit 14 ASICs für die Steuerung und Auslese bestückt ist. Die Module werden in zwei Lagen um das Strahlrohr montiert. udDie vorliegende Arbeit fokussiert sich auf die Charakterisierung und Optimierung der ersten Prototypen der finalen PXD-Module. Die kombinierte Kontroll- und Ausleseelektronik wurde auf Prototyp-Modulen untersucht, verbessert und optimiert: Sechs Switcher pro Modul schalten die Pixelzeilen nacheinander ein (rolling-shutter Modus / zeilenweiser Auslesemodus), um die signalverstärkten Drainströme der DEPFET-Pixel zu messen und die Pixelzelle zurückzusetzen. Insgesamt messen 1000 ADCs auf jedem Modul die Drainströme mit einer PXD-Auslesefrequenz von 50 kHz. Damit die Pixel korrekt angesteuert werden, wurden Steuerungssequenzen für die Switcher simuliert und auf den Prototyp-Modulen getestet. Die systemrelevanten Aspekte, wie die inter-ASIC Kommunikation, Kontrollsequenzen und Synchronisationsprobleme wurden eingehend untersucht und optimiert. Zusätzlich wurden Messungen mit radioaktiven Quellen und Lasern durchgeführt, um die optimalen Operationsspannungen für verschiedene Betriebsmodi zu bestimmen.udDer zeilenweise Auslesemodus von 20 us erscheint problematisch, wenn ein kurzzeitiger, periodischer Untergrund auftritt, beispielsweise während der Aufstockungsinjektion der Teilchenpakete in SuperKEKB. Um dieses Problem zu lösen, wurde ein neuer Arbeitsmodus vorgeschlagen und untersucht, welcher einen „gated“ Betriebsmodus des Detektors ermöglicht. Dies schaltet den Pixel-Vertex-Detektor für eine kurze Zeitspanne 1-2 us blind, während der hohe Untergrund erwartet wird. Ein Prototyp-Modul wurde im „Gated Mode“ betrieben; Ursachen von auftretenden Problemen wurden ausfindig gemacht. Die daraus resultierenden Verbesserungen trugen dem finalen Modul-Layout bei. Außerdem wurden zwei verschiedene Arten von Prototyp-Modulen erfolgreich in einer Strahltest-Kampagne betrieben. Die Ladungs-Cluster-Verteilungen, Positionsauflösung und Effizienzen wurden studiert, wobei deutlich wird, dass sich die Sensoren gut für den Betrieb in Belle II eignen.