High Frequency Ic Design Of A Command Encoder For Enhanced Particle Detection In Monolithic Active Pixel Sensors At Atlas Cern

High-Frequency IC Design of a Command Encoder for Enhanced Particle Detection in Monolithic Active Pixel Sensors at ATLAS, CERN

Das ATLAS Experiment ist eines von vier großen Experimenten am LHC. Der LHC ist der größte Teilchenbeschleuniger am CERN, dem europäischen Kernforschungszentrum. Bei den Experimenten im LHC kollidieren zwei Teilchen-Strahlen mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit. Eine Kollision wird dabei als Event bezeichnet. Um ein möglichst umfassendes Bild von diesen Events zu bekommen und von den Teilchen, die dabei entstehen, ist der ATLAS Detektor in mehreren Schichten aufgebaut. Die innersten Schichten sind mit Pixel Sensoren ausgekleidet. Da diese am nächsten zum Kollisionspunkt sind, ist der Schaden durch radioaktive Strahlung bei diesen Modulen am höchsten. Da die Strahlung mit dem kommenden Upgrade des LHC, dem HL-LHC, zunimmt, müssen auch die verwendeten Module widerstandsfähiger gegenüber Strahlung werden. Neben der höheren Strahlung wird auch die Eventrate steigen, was ein schnelleres Auslesen der Pixel-Module erfordert. Zusätzlich steigt auch die geforderte Auflösung für die einzelnen Experimente. Zu diesem Zweck wird eine neue Schicht der Pixel Detektoren eingebaut. Da mit größerem Radius auch die auszukleidende Fläche steigt, werden sehr viele Module benötigt. Um die Kosten gering zu halten wird ein Standard-CMOS-Prozess bevorzugt. Diese Prozesse sind weit verbreitet, können in großer Stückzahl und relativ kostengünstig gefertigt werden. Das jüngste Projekt um einen Pixel Detektor in einem dieser Prozesse umzusetzen, ist der MiniMALTA3 Chip. Diese Arbeit präsentiert ein digitales Modul, welches in diesem Chip verwendet wird. Dieses Modul heißt Fast Command Encoder und wird verwendet um andere Module in deren Ausgangszustand zurückzusetzen. Neben dem Zurücksetzen wird dieser Block auch verwendet um den Threshold der aktiven Pixel über TS-Scans einzustellen. Da dieser Thresehold von vielen Parametern abhängt, welche alle individuell untersucht werden müssen, sind viele TS-Scans notwendig. Um die Gesamtdauer der Adjustierung gering zu halten, muss die Zeit eines einzelnen TS-Scans reduziert werden. Der Fast Command Encoder wird durch ein 320 MHz Signal getaktet, was bedeutet, dass TS-Scans mehr als 32 schneller ausgeführt werden können als in den vorherigen Generationen. Das digitale Design für dieses Modul wird zusammen mit den Parametern für die Synthese vorgestellt. Die einzelnen Schritte werden durch Simulation verifiziert und die gewünschte Funktionsweise sichergestellt.

New Generation of Monolithic Active Pixel Sensors for Charged Particle Detection

Depleted CMOS Sensor Development for Pixel Particle Detectors Under High Intensity and High Radiative Dose

The Inner Tracker (ITk) system of the ATLAS experiment will be upgraded for the 2026 High Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) run. The HL-LHC will operate with a center of mass energy of 14 TeV and a peak instantaneous luminosity five times higher than at present. The increased luminosity will result in roughly ten times higher radiation levels and data rates. To cope with the ATLAS requirements in terms of radiation hardness, readout speed and granularity at the HL-LHC, the replacement of the present ATLAS Inner Tracker (ITk) is needed. Two large-scale depleted CMOS sensors in the 150 nm LF-technology called LF-CPIX and LF-MONOPIX, developed in the framework of the ATLAS Inner Tracker (ITK) upgrade for High Luminosity LHC. The work presented here shows the characterization for these three prototypes, with contributions concerning the setup development, 55Fe and 90Sr source calibration, modifications of the FPGA firmware and development of test programs. A main concern was the investigation on the radiation hardness for both the electronics and the sensor parts. We will show results concerning characterizations for these prototypes in the laboratory performance at CPPM, as well as results in multiple radiation campaigns performed at the 24 GeV IRRAD proton facility at CERN, to study the effects of Non-Ionizing Energy Loss (NIEL) and Total Ionizing Dose (TID) on the prototypes.