ALICE (A Large Ion Collider Experiment) is the heavy-ion experiment at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN. As an important part of its upgrade plans, the ALICE experiment will schedule the installation of a new Inner Tracking System (ITS) during the Long Shutdown 2 (LS2) of the LHC. The new ITS layout will consist of seven concentric layers, ¿ 12.5 Gigapixel camera covering about 10m2 with Monolithic Active Pixel Sensors (MAPS). This choice of technology has been guided by the tight requirements on the material budget of 0.3% X/X0 per layer for the three innermost layers and backed by the significant progress in the field of MAPS in recent years. The technology initially chosen for the ITS upgrade is the TowerJazz 180 nm CMOS Technology. It offers a standard epitaxial layer of 15 - 18 µm with a resistivity between 1 and 5 k¿ cm¿1 and a gate oxide thickness below 4 nm, thus being more robust to Total Ionizing Dose (TID). The main subject of this thesis is to implement a novel digital pixel readout architecture for MAPS. This thesis aims to study this novel readout architecture as an alternative to the rolling-shutter readout. However, this must be investigated through the study of several chip readout architectures during the R&D phase. Another objective of this thesis is the study and characterization of TowerJazz, if it meets the Non-Ionizing Energy Loss (NIEL) and Single Event Effects (SEE) of the ALICE ITS upgrade program. Other goals of this thesis are: ¿ Implementation of the top-down flow for this CMOS process and the design of multiple readouts for different prototypes up to the assembly of a full-scale prototype. xvii Abstract ¿ Characterization of the radiation hardness and SEE of the chips submitted to fabrication. ¿ Characterization of full custom designs using analog simulations and the generation of digital models for the simulation chain needed for the verification process. ¿ Implementation and study of different digital readouts to meet the ITS upgrade program in integration time, pixel size and power consumption, from the conceptual idea, production and fabrication phase. Chapter 1 is a brief overview of CERN, the LHC and the detectors complex. The ALICE ITS will be explained, focusing on the ITS upgrade in terms of detector needs and design constraints. Chapter 2 explains the properties of silicon detectors and the detector material and the principles of operation for MAPS. Chapters 3 and 4 describe the ALPIDE prototypes and their readout based on MAPS; this forms the central part of this work, including the multiple families of pixel detectors fabricated in order to reach the final design for the ITS. The ALPIDE3/pALPIDE3B chip, the latest MAPS chip designed, will be explained in detail, as well focusing in the matrix digital readout. In chapter 5 the noise measurements and its characterization are presented including a brief summary of detector response to irradiation with soft X-rays, sources and particle beams. / El sub detector ITS (Inner Tracking System) del detector ALICE (A Large Ion Collider Experiment) es un detector de vértice y es el detector mas cercano al punto de interacción. Se encuentra conformado por 3 tipos de subdetectores, dos capas de pixel de silicio (Silicon Pixel Detectors), 2 capas de acumulación de silicio (Silicon Drift Detectors) y 2 capas de banda de Silicio (Silicon Strip Detectors). La función primaria del ITS es identificar y rastrear las partículas de bajo momentum transversal. El detector ITS en sus dos capas más internas están equipadas con sensores de silicio basados en píxeles híbridos. Para reemplazar esta tecnología de Píxeles, el detector ITS actual será reemplazado por un nuevo detector de una sola tecnología, ampliando su resolución espacial y mejorando el rastreo de trazas. Este nuevo detector constará de siete capas de sensores de píxeles activos monolíticos (MAPS), las cuales deberán satisfacer los requerimientos de presupuesto de materiales y ser tolerantes a mayores niveles de radiación para los nuevos escenarios de incrementos de luminosidad y mayores tasas de colisiones. Los sensores MAPS que integran el sensor de imagen y los circuitos de lectura se encuentran en la misma oblea de silicio, tienen grandes ventajas en una buena resolución de posición y un bajo presupuesto material en términos de bajo coste de producción. TowerJazz ofrece la posibilidad de una cuádruple-WELL aislando los transistores pMOS que se encuentran en la misma nWELL evitando la competencia con el electrodo de recolección, permitiendo circuitos mas complejos y compactos para ser implementados dentro de la zona activa y además posee una capa epitaxial de alta resistividad. Esta tecnología proporciona una puerta de óxido muy delgado limitando el daño superficial por la radiación haciéndolo adecuado para su uso denxiii Resúmen tro del experimento ALICE. En los últimos cuatro años se ha llevado a cabo una intensiva I+D en MAPS en el marco de la actualización del ITS de ALICE. Varios prototipos a pequeña escala se han desarrollado y probado exitosamente con rayos X, fuentes radioactivas y haces de partículas. La tolerancia a la radiación de ALICE ITS es moderada con una tolerancia de irradiación TID de 700 krad y NIEL de 1 × 1013 1 MeV neqcm¿2 , MAPS es una opción viable para la actualización del ITS. La contribución original de esta tesis es la implementación de una nueva arquitectura digital de lectura de píxeles para MAPS. Esta tesis presenta un codificador asíncrono de direcciones (arquitectura basada en la supresión de ceros transmitiendo la dirección de los píxeles excitados denominada PADRE) para la arquitectura ALPIDE, el autor también hizo una contribución significativa en el ensamblaje y veri- ficación de circuitos. PADRE es la principal investigación del autor, basada en un codificador de prioridad jerárquica de cuatro entradas y es una alternativa a la arquitectura de lectura rolling-shutter. Además de los prototipos a pequeña escala, también se han desarrollado prototipos a escala completa a las necesidades del detector ITS (15 mm y 30 mm) empleando un nuevo circuito de lectura basado en la versión personalizada del circuito PADRE. El pALPIDEfs fue el primer prototipo a escala completa y se caracterizó obteniendo un tiempo de lectura de la matriz por debajo de 4 µs y un consumo de energía en el orden de 80 mWcm¿2 . En general, los resultados obtenidos representan un avance significativo de la tecnología MAPS en cuanto al consumo de energía, velocidad de lectura, tiempo de recolección de carga y tolerancia a la radiación. El sensor pALPIDE2 ha demostrado ser una opción muy atractiva para el nuevo detector ITS, satisfaciendo los requerimientos en términos de eficiencia de detección, fake-hit rate y resolución de posición, ya que su rendimiento no puede alcanzarse mediante prototipos basados en la arquitectura de lectura tradicionales como es / El subdetector ITS (Inner Tracking System) del detector ALICE (A Large Ion Collider Experiment) és un detector de vèrtex i és el detector mes proper al punt d'interacció. Es troba conformat per 3 tipus de subdetectors, dues capes de píxel de silici (Silicon Pixel Detectors), 2 capes d'acumulació de silici (Silicon Drift Detectors) i 2 capes de banda de Silici (Silicon Strip Detectors). La funció primària del ITS és identificar i rastrejar les partícules de baix moment transversal. El detector ITS en les seues dues capes més internes estan equipades amb sensors de silici basats en píxels híbrids. Per a reemplaçar aquesta tecnologia de Píxels, el detector ITS actual serà reemplaçat per un nou detector d'una sola tecnologia, ampliant la seua resolució espacial i millorant el rastreig de traces. Aquest nou detector constarà de set capes de sensors de píxels actius monolítics (MAPS), les quals hauran de satisfer els requeriments de pressupost de materials i ser tolerants a majors nivells de radiació per als nous escenaris d'increments de lluminositat i majors taxes de col·lisions. Els sensors MAPS que integren el sensor d'imatge i els circuits de lectura es troben en la mateixa hòstia de silici, tenen grans avantatges en una bona resolució de posició i un baix pressupost material en termes de baix cost de producció. TowerJazz ofereix la possibilitat d'una quàdruple-WELL aïllant els transistors pMOS que es troben en la mateixa nWELL evitant la competència amb l'elèctrode de recol·lecció, permetent circuits mes complexos i compactes per a ser implementats dins de la zona activa i a més posseeix una capa epitaxial d'alta resistivitat. Aquesta tecnologia proporciona una porta d'òxid molt prim limitant el dany superficial per la radiació fent-ho adequat per al seu ús dins de l'- experiment ALICE. En els últims quatre anys s'ha dut a terme una intensiva R+D en MAPS en el marc de l'actualització del ITS d'ALICE. Diversos prototips a petita escala s'han desenvolupat i provat ix Resum reeixidament amb rajos X, fonts radioactives i feixos de partícules. La tolerància a la radiació d'ALICE ITS és moderada amb una tolerància d'irradiació TID de 700 krad i NIEL d'1× 1013 1MeV neqcm¿2 , MAPS és una opció viable per a l'actualització del ITS. La contribució original d'aquesta tesi és la implementació d'una nova arquitectura digital de lectura de píxels per a MAPS. Aquesta tesi presenta un codificador asíncron d'adreces (arquitectura basada en la supressió de zeros transmetent l'adreça dels píxels excitats denominada PADRE) per a l'arquitectura ALPIDE, l'autor també va fer una contribució significativa en l'assemblatge i verificació de circuits. PADRE és la principal recerca de l'autor, basada en un codificador de prioritat jeràrquica de quatre entrades i és una alternativa a l'arquitectura de lectura rolling-shutter. A més dels prototips a petita escala, també s'han desenvolupat prototips a escala completa a les necessitats del detector ITS (15 mm i 30 mm) emprant un nou circuit de lectura basat en la versió personalitzada del circuit PADRE. El pALPIDEfs va ser el primer prototip a escala completa i es va caracteritzar obtenint un temps de lectura de la matriu per sota de 4 µs i un consum d'energia en l'ordre de 80 mWcm¿2 . En general, els resultats obtinguts representen un avanç significatiu de la tecnologia MAPS quant al consum d'energia, velocitat de lectura, temps de recol·lecció de càrrega i tolerància a la radiació. El sensor pALPIDE2 ha demostrat ser una opció molt atractiva per al nou detector ITS, satisfent els requeriments en termes d'eficiència de detecció, fake-hit rate i resolució de posició, ja que el seu rendiment no pot aconseguir-se mitjançant prototips basats en l'arquitectura de lectura tradicionals com és el rolling-shutter dissenyat en la mateixa tecnologia. Per aquesta raó, la R+D en els prototips ALPIDE ha continuat amb l'objectiu d'optimitza / Marín Tobón, CA. (2017). PADRE pixel read-out architecture for Monolithic Active Pixel Sensor for the new ALICE Inner Tracking System in TowerJazz 180 nm technolog [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86154

This thesis is about simulation of semiconductor X-ray and particledetectors. The simulation of a novel coating for solid state neutrondetectors is discussed as well as the implementation of a simulationframework for hybrid pixel detectors.Today’s most common thermal neutron detectors are proportionalcounters, that use 3He gas in large tubes or multi wire arrays. Globalnuclear disarmament and the increase in use for homeland securityapplications has created a shortage of the gas which poses a problemfor neutron spallation sources that require higher resolution and largersensors. In this thesis a novel material and clean room compatible pro-cess for neutron conversion are discussed. Simulations and fabricationhave been executed and analysed in measurements. It has been proventhat such a device can be fabricated and detect thermal neutrons.Spectral imaging hybrid pixel detectors like the Medipix chipare the most advanced imaging systems currently available. Thesechips are highly sophisticated with several hundreds of transistors perpixel to enable features like multiple thresholds for noise free photoncounting measurements, spectral imaging as well as time of arrivalmeasurements. To analyse and understand the behaviour of differentsensor materials bonded to the chip and to improve development offuture generations of the chip simulations are necessary. Generally, allparts of the detector system are simulated independently. However, itis favourable to have a simulation framework that is able to combineMonte Carlo particle transport, charge transport in the sensor as wellas analogue and digital response of the pixel read-out electronics. Thisthesis aims to develop such a system that has been developed withGeant4 and analytical semiconductor and electronics models. Further-more, it has been verified with data from measurements with severalMedipix and Timepix sensors as well as TCAD simulations.Results show that such a framework is feasible even for imagingsimulations. It shows great promise to be able to be extended withfuture pixel detector designs and semiconductor materials as well asneutron converters to aim for next generation imaging devices.

No description available.

No description available.

No description available.

Um das Entdeckungspotential des Large Hadron Colliders auszunutzen, wird er beginnend 2024 zum High Luminosity Large Hadron Collider ausgebaut. Neue Detektorherausforderungen entstehen durch die höhere instantane Luminosität und den höheren Teilchenfluss. Der neue ATLAS Inner Tracker wird den aktuellen Spurdetektor ersetzen, um mit diesen Herausforderungen umzugehen. Es gibt viele Pixeldetektortechnologien zur Teilchenspurerkennung, jedoch muss ihre Eignung für den ATLAS Inner Tracker untersucht werden. Aktive Hochspannungs-CMOS-Sensoren, die in industriellen Prozessen produziert werden, bieten eine schnelle Auslese und Strahlenhärte. In dieser Arbeit wird der HV2FEI4v2-Sensor, der kapazitiv mit dem ATLAS-FE-I4-Auslesechip gekoppelt ist, dahingehend charakterisiert, ob er für eine Verwendung in einer der äußeren Lagen des ATLAS Inner Tracker geeignet ist. Schlüsselgrößen des Prototypens, wie die Treffereffizienz und die Subpixelentschlüsselung, werden untersucht. Der frühe HV2FEI4v2-Prototyp zeigt vielversprechende Ergebnisse, die als Ausgangspunkt für weitere Entwicklungen dienen. Aktive CMOS-Sensoren stellen einen möglichen Kandidaten für einen kosteneffizienten Detektor für den High Luminosity Large Hadron Collider.

No description available.

Le Dispositif d'Irradiation d'Agrégats Moléculaires (DIAM) est conçu pour l'étude de mécanismes de dissociation résultant de l'interaction de nanosystèmes moléculaires avec des protons de 20-150 keV. Une technique originale de spectrométrie de masse appelée COINTOF (Correlated Ion and Neutral Time Of Flight) permet la mesure corrélée du temps de vol des fragments neutres et chargés issus de la dissociation d'un système moléculaire sélectionné en masse. Une stratégie de traitement des signaux a été développée afin de pouvoir distinguer des fragments proches en temps (< 1ns). Les données collectées sont structurées dans le logiciel ROOT® pour l'analyse statistique des corrélations. Le fonctionnement de la technique COINTOF est illustré par des expériences de dissociation induite par collision d'agrégats d'eau protonés sur une cible gazeuse. La méthodologie d'analyse des données est exposée à travers l'étude du canal de dissociation du trimère d'eau protoné produisant l'ion chargé H3O+ et deux molécules d'eau. La distribution de la différence de temps de vol entre les deux fragments neutres est mesurée, mettant en évidence une énergie libérée de quelques eV. En parallèle, un second spectromètre de masse à temps de vol adapté à l'évolution du dispositif a été développé. Il associe un temps de vol linéaire et un temps de vol orthogonal et intègre un détecteur à position (ligne à retard). Des simulations ont démontré les potentialités du nouvel analyseur. Enfin, des travaux ont été menés au laboratoire R.-J. A. Lévesque (Université de Montréal) portant sur les capacités d'imagerie de détecteurs à position multi-pixel de la collaboration MPX-ATLAS. / DIAM (Dispositif d'Irradiation d'Agrégats Moléculaires) is a n ewly designed experimental setup to investigate processes resulting from the irradaition of molecular nano-systems by 20-150 keV protrons. One of its specificities relies on the original techique of mass spectrometry named COINTOF (Correlated Ion and Neutral Time of Flight) consisting in correlated measurments of the time of fkight of charged and neutral fragments produced by the dissociation of a single molecular ion parent. A strategy of treatment and analysis of the detection signals was developed to distinguish two fragments close in time (<1ns). The collected data are structured in the software ROOT for the statistical analysis of the correlations. The COINTOF technique is illustrated in the case of collision induced dissociation of protonated water clusters on atomic targets. The methodology of the analysis is explained through the study of dissociation channel of the protonated water trimer producing the charged fragment H3O+ and two water molecules. The distribution of the time of flight difference between the two neutral fragments is measured providing a,n estimate of the kinetic energy release of a few eV. In parallel, a second time-of-flight mass spectrometer was designed. It associated a linear time-of-flight and an orthogonal time-of-flight and integrates position detectors (delay line anode). Simulations demonstrate the potentials of the new analyzer. Finally, research works were led at the laboratory R.-J. A. Lévesque (Université de Montréal) on the imaging capabilities of the multi-pixel detectors of the MPX-ATLAS collaboration.

Les détecteurs ATLAS-MPX sont des détecteurs Medipix2-USB recouverts de convertisseurs de fluorure de lithium et de polyéthylène pour augmenter l’efficacité de détection des neutrons lents et des neutrons rapides respectivement. Un réseau de quinze détecteurs ATLAS-MPX a été mis en opération dans le détecteur ATLAS au LHC du CERN. Deux détecteurs ATLAS-MPX de référence ont été exposés à des sources de neutrons rapides 252 Cf et 241 AmBe ainsi qu’aux neutrons rapides produits par la réaction 7Li(p, xn) pour l’étude de la réponse du détecteur à ces neutrons. Les neutrons rapides sont principalement détectés à partir des protons de recul des collisions élastiques entre les neutrons et l’hydrogène dans le polyéthylène. Des réactions nucléaires entre les neutrons et le silicium produisent des particules-α. Une étude de l’efficacité de reconnaissance des traces des protons et des particules-α dans le détecteur Medipix2-USB a été faite en fonction de l’énergie cinétique incidente et de l’angle d’incidence. L’efficacité de détection des neutrons rapides a été évaluée à deux seuils d’énergie (8 keV et 230 keV) dans les détecteurs ATLAS-MPX. L’efficacité de détection des neutrons rapides dans la région du détecteur couverte avec le polyéthylène augmente en fonction de l’énergie des neutrons : (0.0346 ± 0.0004) %, (0.0862 ± 0.0018) % et (0.1044 ± 0.0026) % pour des neutrons rapides de 2.13 MeV, 4.08 MeV et 27 MeV respectivement. L’étude pour déterminer l’énergie des neutrons permet donc d’estimer le flux des neutrons quand le détecteur ATLAS-MPX est dans un champ de radiation inconnu comme c’est le cas dans le détecteur ATLAS au LHC. / ATLAS-MPX detectors are Medipix2-USB detectors covered with lithium fluoride and polyethylene converters in order to increase the detection efficiency of slow neutrons and fast neutrons respectively. A network of fifteen ATLAS-MPX detectors has been put in operation in the ATLAS detector at CERN-LHC. Two reference detectors ATLAS-MPX were exposed to two fast neutrons sources 252 Cf and 241 AmBe as well as fast neutrons produced by the reaction 7 Li( p, xn) for the study of the detector response to those neutrons. Fast neutrons are primarily detected by recoil protons from elastic collisions between neutrons and hydrogen in the polyethylene. In addition, α -particles are produced by nuclear reactions between neutrons and silicon. A study of the efficiency of proton and alpha particle track recognition of Medipix2-USB was done as a function of the initial kinetic energy and incidence angle. The detection efficiency of fast neutrons was evaluated for two energy thresholds (8 keV and 230 keV) of ATLAS-MPX detector. The fast neutron detection efficiency of the detector region covered in polyethylene increases with neutron energy: (0.0346 ± 0.0004) %, (0.0862 ± 0.0018) % and (0.1044 ± 0.0026) % for fast neutrons of 2.13 MeV, 4.08 MeV and 27 MeV respectively. The method for the measurement of neutron energy allows an estimate of the neutron flux when the ATLAS MPX detector is in an unknown radiation field as it is the case in the ATLAS detector at LHC.

Les détecteurs ATLAS-MPX sont des détecteurs Medipix2-USB recouverts de convertisseurs de fluorure de lithium et de polyéthylène pour augmenter l’efficacité de détection des neutrons lents et des neutrons rapides respectivement. Un réseau de quinze détecteurs ATLAS-MPX a été mis en opération dans le détecteur ATLAS au LHC du CERN. Deux détecteurs ATLAS-MPX de référence ont été exposés à des sources de neutrons rapides 252 Cf et 241 AmBe ainsi qu’aux neutrons rapides produits par la réaction 7Li(p, xn) pour l’étude de la réponse du détecteur à ces neutrons. Les neutrons rapides sont principalement détectés à partir des protons de recul des collisions élastiques entre les neutrons et l’hydrogène dans le polyéthylène. Des réactions nucléaires entre les neutrons et le silicium produisent des particules-α. Une étude de l’efficacité de reconnaissance des traces des protons et des particules-α dans le détecteur Medipix2-USB a été faite en fonction de l’énergie cinétique incidente et de l’angle d’incidence. L’efficacité de détection des neutrons rapides a été évaluée à deux seuils d’énergie (8 keV et 230 keV) dans les détecteurs ATLAS-MPX. L’efficacité de détection des neutrons rapides dans la région du détecteur couverte avec le polyéthylène augmente en fonction de l’énergie des neutrons : (0.0346 ± 0.0004) %, (0.0862 ± 0.0018) % et (0.1044 ± 0.0026) % pour des neutrons rapides de 2.13 MeV, 4.08 MeV et 27 MeV respectivement. L’étude pour déterminer l’énergie des neutrons permet donc d’estimer le flux des neutrons quand le détecteur ATLAS-MPX est dans un champ de radiation inconnu comme c’est le cas dans le détecteur ATLAS au LHC. / ATLAS-MPX detectors are Medipix2-USB detectors covered with lithium fluoride and polyethylene converters in order to increase the detection efficiency of slow neutrons and fast neutrons respectively. A network of fifteen ATLAS-MPX detectors has been put in operation in the ATLAS detector at CERN-LHC. Two reference detectors ATLAS-MPX were exposed to two fast neutrons sources 252 Cf and 241 AmBe as well as fast neutrons produced by the reaction 7 Li( p, xn) for the study of the detector response to those neutrons. Fast neutrons are primarily detected by recoil protons from elastic collisions between neutrons and hydrogen in the polyethylene. In addition, α -particles are produced by nuclear reactions between neutrons and silicon. A study of the efficiency of proton and alpha particle track recognition of Medipix2-USB was done as a function of the initial kinetic energy and incidence angle. The detection efficiency of fast neutrons was evaluated for two energy thresholds (8 keV and 230 keV) of ATLAS-MPX detector. The fast neutron detection efficiency of the detector region covered in polyethylene increases with neutron energy: (0.0346 ± 0.0004) %, (0.0862 ± 0.0018) % and (0.1044 ± 0.0026) % for fast neutrons of 2.13 MeV, 4.08 MeV and 27 MeV respectively. The method for the measurement of neutron energy allows an estimate of the neutron flux when the ATLAS MPX detector is in an unknown radiation field as it is the case in the ATLAS detector at LHC.