Low power integrated system for a simultaneous time and energy measurement in the PANDA micro-strip detector

Abstract

The PANDA experiment is one of the main projects foreseen at the Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR). Its task is to measure the products of the reactions between an antiproton beam, with a beam momentum between 1.5 GeV/c and 15 GeV/c, and a proton or nucleon fixed target. In order to acquire data on many physics channels at the same time, it is necessary to have a trigger less experiment.The innermost detector of PANDA is the Micro Vertex Detector (MVD). The MVD has to distinguish secondary vertexes from the primary one. The detector is composed of two structures, the barrels and the disks, equipped with two types of sensors: silicon hybrid pixels and doublesidedsilicon micro strips.The main purpose of this thesis is the design and the first characterisation of PANDA STrip ASIC (PASTA). After a brief overview of the experiment, a complete description of the chip is given. In this part, the motivations that lead to the development of this prototype and the measurement concept are explained. Moreover, the behaviour of all the building blocks, with a particular attention on the analog structures, is shown. In the last part of the thesis the layout, with few details about the implementation of the channels and how the chip was assembled, is described. Finally, after an overview of the experimental setups, the first laboratory analysis of the chip and a preliminary characterisation of a typical channel are reported.

Das PANDAExperiment ist eines der Hauptprojekte an der im Aufbau befindlichen Beschleunigerzentrum FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research). Bei diesem Experiment werden die Reaktionsprodukte, die in Antiproton-Proton- bzw. Antiproton-Kern-Kollisionen mit ruhendem Target entstehen, vermessen. Der hierbei zum Einsatz kommende Antiprotonenstrahl deckt einen Impulsbereich von 1.5 GeV/c bis 15 GeV/c ab.Um Daten für möglichst viele physikalische Fragestellungen gleichzeitig aufnehmen zu können wird das Experiment mit freilaufendem Trigger durchgeführt. Der Micro Vertex Detektor (MVD) ist beim PANDAExperiment die strahlnächste Detektorkomponente. Seine Aufgabe ist es unter anderem, die Trennung sekundärer Vertices vom primären Interaktionspunkt zu ermöglichen. Der Detektor besteht aus zwei wesentlichen Teilen, den vier konzentrisch um die Strahlachse angebrachten, zylindrischen Barrels sowie den sechs in Vorwärtsrichtung angebrachten Discs (Scheiben). Hierbei kommen zwei Arten von Sensoren zum Einsatz, Silizium -Hybrid-Pixel und doppelseitige Silizium-Microstrips.Ziel dieser Arbeit ist das Design und erste Charakterisierungsmessungen des PANDA STrip ASIC (PASTA). Nach einem kurzen Überblick über das PANDA Experiment wird der Chip detailiert beschrieben. Hierbei wird auf die Motivation für die Entwicklung eines eigenen Chip-Prototyps sowie die prinzipiellen Messkonzepte eingegangen. Zudem wird das Verhalten der einzelnen Komponenten, mit besonderem Augenmerk auf den Analogteil, beschrieben.Im Weiteren wird auf das Layout und die Implementierung der Kanäle sowie die eigentliche Fertigung des Chips eingegangen. Abschließend, nach einer Beschreibung der relevanten experimentellen Aufbauten, werden die ersten Labormessungen sowie eine vorläufige Charakterisierung eines typischen Kanals gezeigt.