Published October 27, 2023 | Version v1
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Contribution to the construction of the silicon pixel trajectometer of the ATLAS experiment for the high luminosity phase of the LHC

Description

The goal of this work is to prepare the internal tracker for future challenging high luminosity working conditions of the HL-LHC. The ultimate goal of the ATLAS experiment is the search of investigation of rare decays and the search for signs of new physics beyond the standard model. Increasing the luminosity by a factor ten requires the complete redesign of the inner tracker and replacement with full silicon tracker and its associated readout electronics. Near the collision point, radiation fluence will be extremely high and will cause severe damage to the sensors and associated readout integrated electronics. The challenge is to build a robust internal tracker that will sustain high radiation doses during the entire period of operation time of more than five to ten years, without any major loss of performance. To face these predicted hostile working conditions, systematic studies on sensors, modules, and front-end electronics have been carried and in particular, their performance regarding their radiation tolerance is investigated in detail. Furthermore, a demonstrator has been constructed at CERN and instrumented by barrel and endcap modules to verify and check in detail all the issues related to electrical and mechanical integration. Before installation in the demonstrator, quality control studies based on a series of criteria of modules have been performed as this will be detailed in a section of this manual. Moreover, X-ray and proton irradiation campaigns of sensors and integrated readout circuits have been carried out at CERN and CPPM for performance evaluation before and after irradiation. In particular, a section will be dedicated to describing the study under several tuning conditions of a specific radiation monitor circuit 'Ring Oscillator' embedded in the main readout chip, designed in our laboratory. (author)

Availability note (English)

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Abstract (French)

L'objectif de ce travail est la preparation du trajectometre interne de l'experience ATLAS pour la phase haute luminosite pour une recherche de nouvelles particules elementaires ou decouvrir des signes de nouvelle physique au dela du modele standard. En effet, l'augmentation de la luminosite d'un facteur dix necessite, par consequent, un refonte de l'ensemble des detecteurs de particules qui forment la partie interne de l'ensemble experimental de l'experience ATLAS. C'est au coeur de l'experience, pres du point de collision des protons incidents, que les doses de radiations seront les plus intenses. Les fluences tres elevees en particules et rayonnement ionisants, jamais atteintes precedemment, feront subir des dommages considerables aux capteurs en siclicium, a l'electronique associee ainsi qu'a l'ensemble des materiaux et structures qui supportent mecaniquement ces dispositifs. Le detecteur de l'experience ATLAS devra assurer, pendant une periode estimee entre cinq a dix ans, un fonctionnement nominal a plein regime sans perte de performances malgre cet environnement fortement hostile induit par les radiations. C'est pour cette raison, du au cadre fortement contraint qu'il est absolument indispensable de preparer soigneusement et mettre en oeuvre avec rigueur les modules pixel de detection ainsi que leur electronique associee qui seront installes dans le futur trajectometre. A cette fin, um ensemble de travaux ont ete entrepris; notamment la construction d'un demonstrateur au CERN qui represente a une echelle reduite le futur trajectometre interne. Umensemble de series de mesures minutieuses de controle qualite a etemenee a bien sur lesmodules prealablement assembles par differents laboratoires de la collaboration ATLAS. Une verification des performances avant et apres integration sur les cellules du baril interne et les bouchons ont ete soignement evaluees et ont prouve la justesse de la strategie de chargement des modules. Auparavant plusieurs campagnes d'irradiation a haut flux ont ete mene a bien au CERN, visant a evaluer les performances des modules ainsi que des circuits integres de lecture. En particulier, un circuit specialise demonitorage des irradiations developpe au laboratoire a ete l'objet d'une attention particuliere vu son importance pour reajuster, en temps reel, le cas echeant et retablir les performances optimales de l'electronique de lecture des capteurs pixels pendant la prise des donnees. L'ensemble de ces travaux seront developpes avec precison dans l'ouvrage ecrit de la these. (auteur)

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Original title (English)
Contribution a la construction du trajectometre en pixel au silicium de l'experience ATLAS pour la phase haute luminosite du LHC

Publishing Information

Imprint Pagination
233 p.
Report number
FRNC-TH--15244

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Notes
95 refs.