Pendent

Le Large Hadron Collider (LHC), située au CERN, Genève, produit des collisions de protons accélérés à une énergie de 3.5 TeV depuis le 23 Novembre 2009. L’expérience ATLAS enregistre depuis des données et poursuit sa recherche de nouvelle physique à travers l’analyse de la cinématique des événements issues des collisions. L’augmentation prévue de la luminosité sur la période s’étalant de 2011 2020 apportera de nouveaux défis pour le détecteur qui doivent être considérés pour maintenir les bonnes performance de la configuration actuelle. Le détecteur interne sera le sous-détecteur le plus affecté par l’augmentation de la luminosité qui se traduira par une augmentation des dommages occasionnés par la forte radiation et par la multiplication du nombre de traces associées à chaque croisement de faisceau. Les dommages causés par l’irradiation intense entrainera une perte d’efficacité de détection et une réduction du nombre de canaux actifs. Un intense effort de Recherche et Développement (R&D) est présentement en cours pour concevoir un nouveau détecteur pixel plus tolérant aux radiations et au cumul des événements générant un grand nombre de traces à reconstruire. Un premier projet de mise-à-jour du détecteur interne, nommé Insertable B-Layer (IBL) consiste à ajouter un couche de détection entre le tube à vide du faisceau et la première couche de silicium. Le projet SLHC prévoit de remplacer l’ensemble du détecteur interne par une version améliorée plus tolérante aux radiations et aux cumuls des événements. Dans cet ouvrage, je présente une étude utilisant la simulation technologique assisté par ordinateur (TCAD) portant sur les méthodes de conception des détecteurs pixels planaires permettant de réduire les zones inactives des détecteurs et d’augmenter leurs tolérances aux radiations. Les différents modèles physiques disponible ont étés étudiés pour développer un modèle cohérent capablede prédire le fonctionnement des détecteurs pixels planaires après irradiation. La structure d’anneaux de gardes utilisée dans le détecteur interne actuel a été étudié pour obtenir de l’information sur les possible méthodes permettant de réduire l’étendu de la surface occupée par cette structure tout en conservant un fonctionnement stable tout au long de la vie du détecteur dans l’expérience ATLAS. Une campagne de mesures sur des structures pixels fut organisée pour comparer les résultats obtenue grâce à la simulation avec le comportement des structures réelles. Les paramètres de fabrication ainsi que le comportement électrique ont été mesurés et comparés aux simulations pour valider et calibrer le modèle de simulation TCAD. Un modèle a été développé pour expliquer la collection de charge excessive observée dans les détecteurs planaires en silicium lors de leur exposition a une dose extrême de radiations. Finalement, un modèle simple de digitalisation à utiliser pour la simulation de performances détecteurs pixels individuels exposés à des faisceau de haute énergie ou bien de l’ensemble du détecteur interne est présenté. Ce modèle simple permets la comparaison entre les données obtenue en faisceau test aux modèle de transport de charge inclut dans ladigitalisation. Le dommage dû à la radiation , l’amincissement et l’utilisation de structures à bords minces sont autant de structures dont les effets sur la collecte de charges affectent les performance du détecteur. Le modèle de digititalisation fut validé pour un détecteur non-irradié en comparant les résultats obtenues avec les données acquises en test faisceau de haut énergie. Le modèle validé sera utilisé pour produire la première simulation de l’IBL incluant les effets d’amincissement du substrat, de dommages dûes aux radiations et de structure dotés de bords fins. / In this work, is presented a study, using TCAD simulation, of the possible methods of designing of a planar pixel sensors by reducing their inactive area and improving their radiation hardness for use in the Insertable B-Layer (IBL) project and for SLHC upgrade phase for the ATLAS experiment. Different physical models available have been studied to develop a coherent model of radiation damage in silicon that can be used to predict silicon pixel sensor behavior after exposure to radiation. The Multi-Guard Ring Structure,a protection structure used in pixel sensor design was studied to obtain guidelines for the reduction of inactive edges detrimental to detector operation while keeping a good sensor behavior through its lifetime in the ATLAS detector. A campaign of measurement of the sensor’s process parameters and electrical behavior to validate and calibrate the TCAD simulation models and results are also presented. A model for diode charge collection in highly irradiated environment was developed to explain the high charge collection observed in highly irradiated devices. A simple planar pixel sensor digitization model to be used in test beam and full detector system is detailed. It allows for easy comparison between experimental data and prediction by the various radiation damage models available. The digitizer has been validated using test beam data for unirradiated sensors and can be used to produce the first full scale simulation of the ATLAS detector with the IBL that include sensor effects such as slim edge and thinning of the sensor.

Le Large Hadron Collider (LHC), située au CERN, Genève, produit des collisions de protons accélérés à une énergie de 3.5 TeV depuis le 23 Novembre 2009. L'expérience ATLAS enregistre depuis des données et poursuit sa recherche de nouvelle physique à travers l'analyse de la cinématique des événements issues des collisions. L'augmentation prévue de la luminosité sur la période s'étalant de 2011 2020 apportera de nouveaux défis pour le détecteur qui doivent être considérés pour maintenir les bonnes performance de la configuration actuelle. Le détecteur interne sera le sous-détecteur le plus affecté par l'augmentation de la luminosité qui se traduira par une augmentation des dommages occasionnés par la forte radiation et par la multiplication du nombre de traces associées à chaque croisement de faisceau. Les dommages causés par l'irradiation intense entrainera une perte d'efficacité de détection et une réduction du nombre de canaux actifs. Un intense effort de Recherche et Développement (R&D) est présentement en cours pour concevoir un nouveau détecteur pixel plus tolérant aux radiations et au cumul des événements générant un grand nombre de traces à reconstruire. Un premier projet de mise-à-jour du détecteur interne, nommé Insertable B-Layer (IBL) consiste à ajouter un couche de détection entre le tube à vide du faisceau et la première couche de silicium. Le projet SLHC prévoit de remplacer l'ensemble du détecteur interne par une version améliorée plus tolérante aux radiations et aux cumuls des événements. Dans cet ouvrage, je présente une étude utilisant la simulation technologique assisté par ordinateur (TCAD) portant sur les méthodes de conception des détecteurs pixels planaires permettant de réduire les zones inactives des détecteurs et d'augmenter leurs tolérances aux radiations. Les différents modèles physiques disponible ont étés étudiés pour développer un modèle cohérent capablede prédire le fonctionnement des détecteurs pixels planaires après irradiation. La structure d'anneaux de gardes utilisée dans le détecteur interne actuel a été étudié pour obtenir de l'information sur les possible méthodes permettant de réduire l'étendu de la surface occupée par cette structure tout en conservant un fonctionnement stable tout au long de la vie du détecteur dans l'expérience ATLAS. Une campagne de mesures sur des structures pixels fut organisée pour comparer les résultats obtenue grâce à la simulation avec le comportement des structures réelles. Les paramètres de fabrication ainsi que le comportement électrique ont été mesurés et comparés aux simulations pour valider et calibrer le modèle de simulation TCAD. Un modèle a été développé pour expliquer la collection de charge excessive observée dans les détecteurs planaires en silicium lors de leur exposition a une dose extrême de radiations. Finalement, un modèle simple de digitalisation à utiliser pour la simulation de performances détecteurs pixels individuels exposés à des faisceau de haute énergie ou bien de l'ensemble du détecteur interne est présenté. Ce modèle simple permets la comparaison entre les données obtenue en faisceau test aux modèle de transport de charge inclut dans ladigitalisation. Le dommage dû à la radiation , l'amincissement et l'utilisation de structures à bords minces sont autant de structures dont les effets sur la collecte de charges affectent les performance du détecteur. Le modèle de digititalisation fut validé pour un détecteur non-irradié en comparant les résultats obtenues avec les données acquises en test faisceau de haut énergie. Le modèle validé sera utilisé pour produire la première simulation de l'IBL incluant les effets d'amincissement du substrat, de dommages dûes aux radiations et de structure dotés de bords fins.