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Development, Characterization and Operation of the DCDB, the Front-End Readout Chip for the Pixel Vertex Detector of the Future BELLE-II Experiment

Knopf, Jochen

German Title: Entwicklung, Charakterisierung und Betrieb des DCDB, dem Auslesechip des Pixel Vertex Detektors (PXD) im geplanten BELLE-II Experiment

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Abstract

The BELLE-II detector is the upgrade of its predecessor named BELLE at KEK research centre in Tsukuba, Japan, which was successfully used in the past to find evidence for CP violating decays. The upgraded SuperKEKB accelerator is specified to produce a luminosity of 8*10^35 cm^-2 s^-1. Consequently, the BELLE-II detector and particularly the innermost pixel vertex detector (PXD) suffers from enormous occupancy due to background events. Coping with this harsh environment while providing the required physics performance results in tough specifications for the front-end readout electronics. The PXD pixel detector system is based on the DEPFET technology. DEPFET transistors combine particle detection and signal amplification within one device. The DCDB chip is developed to sample and digitize signals from these transistors while complying with the specifications of BELLE-II. The presented work illustrates the chip’s features and describes its implementation process. The device is comprehensively characterized using an individually developed test environment. The obtained results are presented. The DCDB’s ability to serve as a readout device for particle physics applications is demonstrated by its successful operation within a DEPFET detector prototype system. Highlights are a decay spectrum measurement using Cd-109 and the successful operation in a beam test experiment at CERN.

Translation of abstract (German)

Der BELLE-II Detektor ist eine Weiterentwicklung des BELLE Detektors am Forschungszentrum KEK im japanischen Tsukuba. Mit Letzerem konnte in der Vergangenheit die Existenz CP-verletzender Zerfälle erfolgreich nachgewiesen werden. Der ebenfalls weiterentwickelte Teilchenbeschleuniger SuperKEKB erzeugt eine Luminosität von 8*10^35 cm^-2 s^-1. Die damit einhergehenden Sekundärereignisse führen zu einer erheblichen Auslastung des Detektors, insbesondere des innersten Pixel Vertex Detektors (PXD). Um die geforderten physikalischen Leistungsmerkmale in diesem Umfeld erfüllen zu können, müssen höchste Anforderungen an die jeweilige Ausleseelektronik gestellt werden. Das PXD Pixel Detektor System basiert auf der sogenannten DEPFET Technologie. DEPFET Transistoren vereinen die Teilchendetektion und die Verstärkung des resultierenden Signals in einem Element. Der DCDB Chip wurde entwickelt, um die Signale dieser Transistoren den Bedingungen im BELLE-II Detektor entsprechend zu messen und zu digitalisieren. Die vorliegende Ausarbeitung beschreibt die Fähigkeiten dieses Chips sowie dessen Implementierungsprozess. Mit Hilfe eines eigens entwickelten Testaufbaus wurde der DCDB umfassend charakterisiert. Die entsprechenden Ergebnisse werden hier dargelegt. Die Einsetzbarkeit dieses Chips in einem teilchenphysikalischen Messinstrument wird anhand eines DEPFET Detektor Prototyp Systems eindrucksvoll unter Beweis gestellt. Die Höhepunkte sind die Messung eines Zerfallsspektrums von Cd-109 sowie die erfolgreiche Durchführung eines Teilchenstrahlexperiments am CERN.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Fischer, Prof. Dr. Peter
Date of thesis defense: 9 November 2011
Date Deposited: 17 Nov 2011 10:34
Date: 2011
Faculties / Institutes: Service facilities > Institut f. Technische Informatik (ZITI)
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Elementarteilchenphysik, CP-Parität, Pixeldetektor, Kundenspezifische Schaltung, Chip
Uncontrolled Keywords: Particle Physics , CP-Parity , Pixel Detector , ASIC , Chip
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