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Tobias Tischler

• Within this thesis, the mechanical integration of the Micro Vertex Detector (MVD) of the Compressed Baryonic Matter (CBM) experiment is developed. The CBM experiment, which is being set up at the future FAIR facility, aims to investigate the phase diagram of strongly interacting matter in the regime of high net-baryon densities and moderate temperatures. Heavy-ion collisions at beam energies in the range of 2 to 45 AGeV, complemented by results from elementary reactions, will allow access to these conditions. The experiments conducted at LHC (CERN, Switzerland) and at RHIC (BNL, USA = does not apply within the Beam Energy Scan program) so far focus on the investigation of the phase diagram in the regime of high temperatures and vanishing net-baryon densities. The high beam intensities provided by FAIR will enable CBM to focus its experimental program on systematical studies of rare particles. Among other particle species, open charm-carrying particles are one of the most promising observables to investigate the medium created in heavy-ion collisions since their charm quarks are exposed to the medium and traverse its whole evolution. The fact that the decay particles of these rare observables are also produced abundantly in direct processes in heavy-ion collisions results in a huge combinatorial background which attributes specific requirements to the detector systems. The call for a high interaction rate leads to a cutting-edge detector system which provides an excellent spatial resolution, thin detector stations and the capability to cope with the induced radiation as well as the high rate of traversing particles and the resulting track density. The required demands are to be implemented by the MVD which will be equipped with four planar stations positioned at 50, 100, 150 and 200 mm downstream the target. The geometrical acceptance, which has to be covered with charge-sensitive material, is defined according to the requirements of CBM in the polar angle range of [2.5°; 25°]. The MVD stations have to contribute as little as possible to the overall material budget. The expected beam intensity and the vicinity close to the target require silicon detectors that provide a hardness against non-ionizing radiation of more than 10^13 n_eq/cm² and against ionizing radiation of more than 1 Mrad. In addition, the read-out time of the sensors has to be as short as possible to avoid potential ambiguities in the particle tracking caused by the pile-up of hits having emerged from different collisions. For the time being, Monolithic Active Pixel Sensors (MAPS) offer the optimal choice of technology required to address the physics program of CBM with respect to the spectroscopy of open charm and di-electrons. The geometrical properties of these sensors define the layout of the detector. To limit the multiple scattering of the produced particles inside the geometrical acceptance, the sensors and the MVD have to operate in a moderate vacuum. The sensors are thinned down to a thickness of 50 µm and, to achieve a maximum polar angle coverage, they are glued onto both sides of dedicated thin carriers. These carriers, which are made of highly thermally conductive materials such as CVD diamond or encapsulated TPG, allow efficient extraction of the power produced in the sensors. This enables their operation at temperatures well below 0 °C as suggested by corresponding radiation hardness studies. Dedicated actively cooled aluminum-based heat sinks are positioned outside of the acceptance to dissipate the heat produced by the sensors and the front-end electronics. The design of the MVD, including the realistic thicknesses of the integrated materials, has been developed and refined in the context of this thesis. It has been transformed into a unique software model which is used to simulate and further optimize the mechanical and thermal properties of the MVD, as well as in sophisticated physics simulations. The model allowed evaluation of the material budget of each individual MVD station in its geometrical acceptance. The calculated averaged material budget values stay well below the material budget target values demanded by the physics cases. The thermal management of the MVD has been simulated on the level of a quadrant of each MVD station – four identically constructed quadrants are forming an MVD station – taking into account material properties of the sensors, the glue and the sensor carrier. The temperature gradients across the pixels of a given sensor area in the direction of the rows and columns were found to be in an acceptable range of below 5 K. A temperature difference between the thermal interface area and the maximum sensor temperature of dT = 5 K on the first and a value of dT = 40 K on the fourth MVD station has been thermally simulated assuming a sensor power dissipation of 0.35 W/cm², highlighting the need to optimize the thermal interface between the involved materials as well as the power dissipation of the sensors. The feasibility of several key aspects required for the construction phase of the MVD has been investigated within the MVD Prototype project. The construction of the MVD Prototype allowed evaluation, testing and validation of the handling and the double-sided integration of ultra-thin sensors – the required working steps for their integration have been specified, evaluated and successfully established – as well as their operation in the laboratory and during a concluding in-beam test using high-energetic pions provided by the CERN-SPS. The thermal characterization of the MVD Prototype during its operation – in a temperature range from [5 °C; 25 °C], not in vacuum – confirmed the corresponding thermal simulations conducted during its design phase and substantiated the results of the thermal simulations for the design of the MVD. The aim of a material budget value of only x/X_0 ~ 0.3% for the MVD Prototype has been accomplished. Analyzing the in-beam data, the nominal sensor performance parameters were successfully reproduced, demonstrating that the proposed integration process does not impair the sensors’ performance. Moreover, no evidence of potential impact on the sensors’ performance arising from mechanical weaknesses of the MVD Prototype mechanics has been found within the analyzed data. Based on the MVD Prototype and the simulations of the material budget as well as the thermal management, this thesis evaluated the work packages, procedures and quality assurance parameters needed to set up the starting version of the MVD and addressed open questions as well as critical procedures to be studied prior to the production phase of the detector, emphasizing the evaluation of the cooling concept in vacuum and the integration of sensors in ladder structures on both sides of the quadrants of the MVD stations.
• Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die mechanische Integration des Mikrovertexdetektors (MVD) des Compressed Baryonic Matter (CBM)-Experimentes entwickelt. Das CBM-Experiment, welches an der zukünftigen Beschleuniger-Anlage FAIR aufgebaut wird, bezweckt das Phasendiagramm stark wechselwirkender Materie in der Region eines hohen baryo-chemischen Potentials bei zeitgleichen moderaten Temperaturen zu erforschen. Diese Bedingungen werden mithilfe von Schwerionenkollisionen, die gleichzeitig durch elementare Reaktionen unterstützt werden sollen, in einem Strahl-Energiebereich von 2 bis zu 45 AGeV erreicht. Die Messungen, die am LHC (CERN) und am RHIC (BNL = nicht innerhalb des Beam Energy Scan-Programms) mit Schwerionenexperimenten durchgeführt werden, zielen darauf ab, die Eigenschaften des Phasendiagrammes bei minimalem baryochemischem Potential und hohen Temperaturen zu untersuchen. Die hohen Strahlintensitäten an FAIR werden es dem CBM-Experiment erstmalig ermöglichen systematische Untersuchungen von seltenen Teilchen vorzunehmen. Neben anderen Teilchensorten, sollen hauptsächlich Teilchen mit schweren (charm-)Quarks verwendet werden, da diese bis zu ihrem Zerfall den vorherrschenden Bedingungen ausgesetzt sind und somit eine vielversprechende Observable des erzeugten Mediums darstellen. Spezielle Anforderungen werden dadurch an den Detektor gestellt, dass die Zerfallsteilchen dieser seltenen Observable infolge einer jeden Nukleon-Nukleon-Kollision in einer hohen Anzahl sowohl durch Teilchenzerfälle entstehen als auch direkt erzeugt werden und somit zu einem hohen Signaluntergrund beitragen. Die notwendige hohe Interaktionsrate erfordert einen innovativen Detektor mit einer ausgezeichneten Ortsauflösung, möglichst dünnen Detektorstationen, einer hohen Strahlenhärte und einer hohen Ratenfestigkeit. Diese Anforderungen sollen mit dem MVD umgesetzt werden, der aus vier planaren Stationen bestehen wird, die in Abständen von 50, 100, 150 und 200 mm zum Target positioniert werden. Die geometrische Akzeptanz, die von jeder MVD-Station mit dem aktiven Bereich der Sensoren überdeckt werden muss, ist von CBM mit einem Polarwinkelbereich von [2,5°; 25°] vorgegeben; hierbei müssen die MVD-Stationen gleichzeitig ein minimales Material-Budget aufweisen. Die erwartete Strahlintensität in der Nähe zum Target erfordert eine Sensortechnologie, die über eine Strahlenhärte von mehr als 1 Mrad gegenüber ionisierender und 10^13 n_eq/cm² gegenüber nicht-ionisierender Strahlung sowie über eine hohe Auslesegeschwindigkeit verfügt; diese Eigenschaften werden aktuell hauptsächlich von Monolithic Active Pixel Sensors bereitgestellt. Die Dimensionen der zukünftigen Sensoren definieren das Layout des Detektors, welche zur Reduzierung der Vielfachstreuung der produzierten Teilchen innerhalb der geometrischen Akzeptanz in einem moderaten Vakuum betrieben werden müssen. Die maximale Abdeckung der Akzeptanz wird durch die doppelseitige Integration der Sensoren auf spezialisierten und dünnen Sensorenträgern gewährleistet. Die Sensorenträger, die aus hoch-wärmeleitfähigen Materialien, wie zum Beispiel CVD-Diamant oder eingefasstem Thermal Pyrolithic Graphite bestehen, ermöglichen die Ableitung der von den Sensoren erzeugten Verlustleistung aus der Akzeptanz des Detektors und deren Operation bei Temperaturen von unter 0 °C. Die außerhalb der Akzeptanz positionierten aktiv gekühlten Aluminium-Kühlsenken gestatten das Abführen der von den Sensoren und der in deren Nähe positionierten Ausleseelektronik erzeugten Verlustleistung. Anhand dieser Anforderungen wurde in der vorliegenden Arbeit eine detaillierte Geometrie des MVDs entwickelt. Diese Geometrie wurde in eine Darstellung übertragen, die es ermöglicht, das mechanische und thermische Verhalten des MVDs zu simulieren und zu optimieren, und die in differenzierten Physiksimulationen eingesetzt werden kann. Mit dieser Darstellung konnte das Material-Budget der einzelnen MVD-Stationen untersucht werden und die extrahierten und über die definierte Akzeptanz gemittelten Werte des Material-Budgets zeigen, dass die festgelegten Zielwerte für die jeweiligen MVD-Stationen unterboten werden konnten. Das thermische Verhalten der durch die Sensoren, den Kleber und die Sensorenträger gebildeten Einheit wurde für jede MVD-Station simuliert. Dabei konnten die Temperaturgradienten entlang der Pixelspalten und Pixelzeilen der Sensoren zu je weniger als 5 K bestimmt werden; diese liegen in einem akzeptablen Bereich. Die Differenz zwischen der maximalen Sensortemperatur und der an der thermischen Kontaktfläche gemessenen Temperatur (-20 °C) betrug auf der ersten MVD Station 5 K und auf der vierten Station 40 K; die Notwendigkeit zur Optimierung der Temperaturübergänge zwischen den Materialien sowie der Verlustleistung der Sensoren ist somit gegeben. Die Realisierung von wichtigen Kriterien für die Konstruktionsphase des MVDs wurde im Rahmen des MVD Prototyp-Projektes untersucht. Die Konstruktion des MVD Prototypen ermöglichte die Erprobung der Handhabung und der doppelseitigen Integration von dünnen Sensoren, deren Verklebung sowie deren Betrieb im Labor und während einer Teststrahlzeit mit minimal ionisierenden Teilchen (Pionen) am CERN-SPS. Die thermische Charakterisierung des MVD Prototypen während dessen Betriebs – in einem Temperaturbereich von [5 °C; 25 °C], nicht im Vakuum – bestätigte die durchgeführten thermischen Simulationen während der Planungsphase und bekräftigte die Ergebnisse der thermischen Simulationen für das Design des MVDs. Das Material-Budget-Ziel des MVD Prototypen von nur maximal x/X0 = 0,3% konnte erreicht werden. Die Analyse der in der Teststrahlzeit gewonnenen Daten zeigte, dass die intrinsische Auflösung der Sensoren reproduziert werden konnte. Dabei konnte kein Einfluss des angewendeten Integrationsprozesses auf die Funktionstüchtigkeit der Sensoren festgestellt und die mechanische Stabilität der Halterung der Sensoren bestätigt werden. Basierend auf dem MVD Prototypen und den durchgeführten Simulationen des thermischen Managements und des Material-Budgets wurden in dieser Arbeit wichtige Arbeitsschritte, Prozeduren und Qualitätssicherungsaspekte, die für die Konstruktion des MVDs am SIS100 von entscheidender Bedeutung sind, diskutiert und wichtige Fragen wie zum Beispiel die notwendige Evaluierung des Kühlkonzeptes im Vakuum sowie der Integrationsprozess von Sensoren in Leiterstrukturen auf beiden Seiten der Quadranten der MVD-Stationen beleuchtet.