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Abstract

Future particle physics experiments have to cope with increasing demands on particle detection concerning resolution and high rates. Particle detection is the key task of tracking detectors in particle physics experiments and in medical physics in the field of particle therapy. These detectors determine the trajectory of the particles, which allows the reconstruction of the vertices and the identification of the particles. Particle detection is also important for monitoring the particle beam used for medical applications in particle therapy centres. For this purpose, particle detectors are used to ensure safe and accurate treatment.

High Voltage Monolithic Active Pixel Sensors (HV-MAPS) are a new promising technology for smart particle detection sensors. They offer promising time and vertex resolution, are cost-effective to produce, are radiation hard and can be thinned down to 50 μm.

The focus of the thesis is to investigate the suitability of HV-MAPS sensors for tracking detectors and beam monitoring and to develop smart sensor chips for these applications. In the course of this thesis, two HV-MAPS sensor families with multiple generations, the MuPix and HitPix, were developed in HV-CMOS technology. The MuPix is a large HV-CMOS sensor, which is suitable as a tracking sensor and will be used in the Mu3e experiment. It offers a time resolution of less than 10 ns and an efficiency of more than 99.8 %. The HitPix implements in-pixel counting and fast projection readout. It can handle high rates and radiation levels. This makes it suitable as a beam monitor, especially for particle therapy centres.

With the MuPix and the HitPix, two HV-MAPS chips have been successfully designed for particle detection with the advantages of HV-CMOS technology. Therefore, this thesis provides an important contribution to the application and further development of a promising new technology, both in the field of medical and particle physics.

Translation of abstract (German)

Zukünftige Teilchenphysikexperimente müssen steigenden Anforderungen an die Teilchendetektion hinsichtlich Auflösung und hohen Raten gerecht werden. Der Teilchennachweis ist die Hauptaufgabe von Spurdetektoren in Teilchenphysikexperimenten und in der medizinischen Physik auf dem Gebiet der Ionenstrahltherapie. Mit Hilfe dieser Detektoren werden die Spuren von Teilchen bestimmt, wodurch der Ursprung und die Art der einzelnen Teilchen rekonstruiert werden können. Auch zur Überwachung des medizinisch genutzten Teilchenstrahls in Ionenstrahltherapiezentren ist die Teilchendetektion wichtig. Hierfür werden Teilchendetektoren eingesetzt, um eine sichere und genaue Behandlung zu gewährleisten.

Ein neues vielversprechendes Konzept für intelligente Sensoren zur Teilchendetektion sind High Voltage Monolithic Active Pixel Sensors (HV-MAPS). Sie bieten eine vielversprechende Zeit- und Ortsauflösung, sind kostengünstig in der Herstellung, strahlenhart und können auf 50 μm gedünnt werden.

Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Untersuchung der Eignung von HV-MAPS Sensoren für Spurdetektoren und Strahlüberwachung sowie auf der Entwicklung von Sensorchips für diese Anwendungen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei HV-MAPS Sensorfamilien mit mehreren Generationen, der MuPix und der HitPix, in HV-CMOS Technologie entwickelt. Der MuPix ist ein großer HV-CMOS Sensor, der sich als Spursensor eignet und im Mu3e Experiment eingesetzt werden wird. Er zeichnet sich durch eine Zeitauflösung unter 10 ns und eine Effizienz von über 99,8% aus. Der HitPix ermöglicht eine pixelinterne Zählfunktion und eine schnelle Projektionsauslese. Er kann hohe Teilchenraten verarbeiten und hält einer hohen Strahlungsbelastung stand. Dadurch eignet er sich als Strahlmonitor, insbesondere für Ionenstrahltherapiezentren.

Mit dem MuPix und dem HitPix wurden erfolgreich zwei HV-MAPS Chips für die Teilchendetektion mit den Vorteilen der HV-CMOS Technologie entwickelt. Damit leistet diese Arbeit einen wichtigen Beitrag zur Anwendung und Weiterentwicklung einer vielversprechenden neuen Technologie, sowohl im Bereich der Medizin- als auch der Teilchenphysik.