CVD Diamanten für den
International Linear Collider
Christian Grah – DESY Zeuthen
26.Okt.2005
Übersicht
 DESY
 Motivation:
 Hochenergiephysik
 Instrumentierung des International Linear Collider
 Vorwärtskalorimeter
 BeamCal - Detektoraufbau und Aufgaben
 pCVD Diamanten für das BeamCal
 Anforderungen
 Testmessungen
 Zusammenfassung und Ausblick
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Das Deutsche ElektronenSynchrotron DESY
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DESY
 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 HelmholtzGemeinschaft 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
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 1979 bei PETRA wird das Gluon
direkt beobachtet.
 1980 HASYLAB wird eröffnet
 1984 Bau der 6,3 km langen
unterirdischen Hadron-ElektronRing-Anlage HERA.
 Dies eröffnet Untersuchungen der
Substruktur von Protonen.
 FEL – VUV-FEL und XFEL ab 2006.
Aufgaben und Ziele:
Entwicklung, Bau und Betrieb von
Teilchenbeschleunigern
Elementarteilchenphysik
Forschung mit Synchrotronstrahlung
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DESY - Zeuthen
 DESY – Zeuthen in Brandenburg:
ehemaliges "Institut für Hochenergiephysik" der Akademie der
Wissenschaften der DDR, seit 1992 2. Standort von DESY.
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Was ist Hochenergiephysik
 Hochenergiephysik beschäftigt sich mit zwei der
fundamentalsten Fragen:
 Woraus besteht die Welt?
 Was hält die Welt zusammen?
NASA/WMAP Science Team
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Hochenergiephysik
stabile Materie
g
γ
W
Z
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Beschleuniger: Heute und Morgen
 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 km
Energie: 500 GeV (1 TeV)
tsep ≈ 300ns
Qbunch ≈ 2 x 1010 Elektronen/Positronen
σx ≈ 550 nm
σy ≈ 5 nm
σz ≈ 300 μm
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Detektoren (für ILC)
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Detektoren im Vorwärtsbereich
Entstehung von Beamstrahlung durch die hohen Ladungsdichten bei der Kollision.
em Schauer
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Aufbau des BeamCal
Warum Diamant?
Typische Sandwich-Struktur.
Deponierte Energy von ~20 TeV/Kollision
extreme Strahlenbelastung von ~10 MGy/a.
3.5mm W + .3mm Diamant Sensor/Lage
30 Lagen
~1.5 cm < R < ~10(+2) cm
Wahrscheinlich sind nur Diamanten in der Lage
diese Dosis ohne Leistungsverlust zu absorbieren.
Weitere Vorteile von Diamanten
gegenüber Silizium:
 Hoher spez. Widerstand
 Hohe Wärmeleitfähigkeit
 Niedrige Dielektrizitätskonstante
Hohe Mobilität der Ladungsträger
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Signalentstehung in Diamant
ionisierendes Teilchen
Sensor
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Trigger
h h e
e
e
h
h
e
h e h
e
ADC
Gnd
-HV
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Diamant - Signale
Qtheo = 36 e-/μm
Diamond
etwa 11000 e- bei 300 μm dicken Sensoren
(23000 bei Silizium)
PMTs
Aber:
500 e- ≤ Qgemessen ≤ 2000 eDefinition der CCD:
Charge Collection Distance = (μeτe + μhτh) E
Distanz die Elektron/Loch zurücklegen, bevor Sie
eingefangen werden und nicht mehr zum Signal beitragen.
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Anforderungen an die Sensoren
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.
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Leckstromverhalten
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Mögliche Ursache - Microcracks
Wirebonding funktioniert
inzwischen zuverlässig.
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Microscope image
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Vergleich von Signalhöhen
E6
FAP_7_2b
FAP6
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Verhalten unter Bestrahlung
FAP6
FAP7:
Nach wenigen Gy Dosis
keine Analyse mehr möglich.
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Auswahlkriterien am IAF?
Raman Spektrum
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PL Spektrum
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Zusammenfassung & Ausblick
 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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