CVD Diamanten für den International Linear Collider Christian Grah – DESY Zeuthen 26.Okt.2005

CVD Diamanten für den CVD Diamanten für den International Linear ColliderInternational Linear Collider

Christian Grah – DESY Zeuthen

26.Okt.2005

26.10.05 Freiburg Ch.Grah – CVD Diamanten für ILC 2

ÜbersichtÜbersicht

DESY Motivation:

Hochenergiephysik Instrumentierung des International Linear

Collider Vorwärtskalorimeter

BeamCal - Detektoraufbau und Aufgaben pCVD Diamanten für das BeamCal

AnforderungenTestmessungen

Zusammenfassung und Ausblick


Das Deutsche Elektronen-Das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESYSynchrotron DESY


DESYDESY

Nationales Forschungszentrum für Hochenergiephysik in HH. etwa 1600 Angestellte (HH und

Zeuthen), davon etwa 400 Wissenschaftler

ausserdem etwa 3000 Wissenschaftler aus 33 Nationen.

Mitglied der Hermann von Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren

1959 gegründet 1960 Beschleuniger DESY gibt

dem Institut seinen Namen. 1969 Bau des Elektron-Positron

Speicherrings DORIS 1975 schwere Quarks werden

nachgewiesen. 1975 Bau des 2,3 km langen

Elektron-Positron-Speicherrings PETRA

1979 bei PETRA wird das Gluon direkt beobachtet.

1980 HASYLAB wird eröffnet 1984 Bau der 6,3 km langen

unterirdischen Hadron-Elektron-Ring-Anlage HERA.

Dies eröffnet Untersuchungen der Substruktur von Protonen.

FEL – VUV-FEL und XFEL ab 2006.

Aufgaben und Ziele:Aufgaben und Ziele: Entwicklung, Bau und Betrieb von Teilchenbeschleunigern Elementarteilchenphysik Forschung mit Synchrotronstrahlung


DESY - ZeuthenDESY - Zeuthen

DESY – Zeuthen in Brandenburg: ehemaliges "Institut für Hochenergiephysik" der Akademie der Wissenschaften der DDR, seit 1992 2. Standort von DESY.


Was ist HochenergiephysikWas ist Hochenergiephysik Hochenergiephysik beschäftigt sich mit zwei der

fundamentalsten Fragen: Woraus besteht die Welt? Was hält die Welt zusammen?

NASA/WMAP Science Team


HochenergiephysikHochenergiephysikstabile Materie

γWZ

g


Beschleuniger: Heute und Beschleuniger: Heute und MorgenMorgen

HEP Beschleuniger: LHC (Start 2007) => Nachweis des Higgs-Bosons, hohe Energie (< 14 TeV),

ABER proton-proton Kollisionen ILC (Start ~2015) => Präzisionsmessungen bis 1TeV (Elektron-Positron

Kollision)

1 TeV entspricht etwa die Energie einer fliegenden Mücke, sowie einer Wellenlänge von 10-19m.

Länge: 20 – 30 kmEnergie: 500 GeV (1 TeV)tsep ≈ 300nsQbunch ≈ 2 x 1010 Elektronen/Positronenσx ≈ 550 nmσy ≈ 5 nmσz ≈ 300 μm


Detektoren (fDetektoren (für ILC)ür ILC)


Detektoren im VorwärtsbereichDetektoren im VorwärtsbereichEntstehung von Beamstrahlung durch die hohen Ladungsdichten bei der Kollision.

em Schauer


3.5mm W + .3mm Diamant Sensor/Lage30 Lagen~1.5 cm < R < ~10(+2) cm

Aufbau des BeamCalAufbau des BeamCalWarum Diamant?Warum Diamant?

Typische Sandwich-Struktur.Deponierte Energy von ~20 TeV/Kollisionextreme Strahlenbelastung von ~10 MGy/a.

Wahrscheinlich sind nur Diamanten in der Lagediese Dosis ohne Leistungsverlust zu absorbieren.

Weitere Vorteile von Diamanten gegenüber Silizium:

Hoher spez. Widerstand Hohe Wärmeleitfähigkeit Niedrige DielektrizitätskonstanteHohe Mobilität der Ladungsträger


Signalentstehung in Signalentstehung in DiamantDiamant

ionisierendes Teilchen

Sensor h

ehh

h

ee

e

h

eh

e

Gnd

-HV

TriggerADC


Diamant - SignaleDiamant - SignaleQtheo = 36 e-/μm etwa 11000 e- bei 300 μm dicken Sensoren(23000 bei Silizium)

Aber:500 e- ≤ Qgemessen ≤ 2000 e-

Definition der CCD:Charge Collection Distance = (μeτe + μhτh) EDistanz die Elektron/Loch zurücklegen, bevor Sieeingefangen werden und nicht mehr zum Signal beitragen.

Diamond

PMTs


Anforderungen an die Anforderungen an die SensorenSensoren

Linearität Homogenität Stabiler Leckstrom Vorhersagbarkeit des Verhaltens

bei Bestrahlung. Keine signifikante Änderung bei

Bestrahlung.

Die CCD oder Effizienz ist für unsere Anwendung von geringerem Interesse. Aufgrund der Schauerbildung sind die Signale ohnehin sehr gross.


Leckstromverhalten Leckstromverhalten


Mögliche Ursache - MicrocracksMögliche Ursache - Microcracks

Wirebonding funktioniert inzwischen zuverlässig.

Microscope image


Vergleich von SignalhVergleich von Signalhöhenöhen

FAP6

E6

FAP_7_2b


Verhalten unter BestrahlungVerhalten unter Bestrahlung

FAP7:Nach wenigen Gy Dosiskeine Analyse mehr möglich.

FAP6


Auswahlkriterien am IAF?Auswahlkriterien am IAF?

Raman Spektrum PL Spektrum


Zusammenfassung & Zusammenfassung & AusblickAusblick

CVD Diamanten sind (nicht nur, aber vor allem) aufgrund der erwarteten Strahlenhärte ein interessantes Sensormaterial für Experimente der Hochenergiephysik.

Vorhersagbare und reproduzierbare Eigenschaften sind von großer Bedeutung.

Definition von Auswahlkriterien ist noch nicht abgeschlossen. Aber: Hohe Ramangüte UND Niedriger Si- bzw. N-Anteil

Fruchtbare Zusammenarbeit mit Fraunhofer IAF bisher und hoffentlich auch weiterhin.

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CVD Diamanten für den International Linear Collider Christian Grah – DESY Zeuthen 26.Okt.2005