Ensuring superior performance: Characterizations of novel silicon detectors for High-Luminosity LHC and beyond

Die moderne Teilchenphysik ist in hohem Maße auf fortschrittliche Messgeräte, insbesondere Detektoren, angewiesen. Eine der Schlüsseltechnologien für aktuelle und zukünftige Experimente sind Halbleiterdetektoren. Da die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit dieser Detektoren stetig steigen, ist kontinuierliche Forschung und Entwicklung notwendig, um deren Designs zu optimieren und die Sensoreigenschaften zu verbessern.\sloppy Die vorliegende Arbeit umfasst verschiedene Themen innerhalb der Forschung und Entwicklung zu neuartigen Siliziumdetektoren und diskutiert spezifische Charakterisierungsmethoden. Die beiden Hauptschwerpunkte liegen zum einen auf der Entwicklung von Sensorkarakterisierungstechniken mittels gepulster Laser und zum anderen auf Beiträgen zum Phase-2-Upgrade des CMS-Experiments am LHC.\sloppy Der erste Teil der Arbeit behandelt die zuvor genannten Lasertechniken. Es wird die Inbetriebnahme und Aufrüstung der Laserbox, einer Versuchsanordnung zur Charakterisierung von Siliziumsensoren mittels Ladungsinjektion mit gepulsten Lasern, vorgestellt. Darüber hinaus wurde ein Ansatz zur Monte-Carlo-Simulation solcher Laserinjektionsexperimente mit dem Allpix$^2$-Framework entwickelt. Diese Simulationen wurden durch den Vergleich mit Messdaten aus der Laserbox validiert. Es konnte gezeigt werden, dass die Simulation die unter diesen Bedingungen in Siliziumsensoren induzierten Signalformen präzise reproduziert.Die Laserbox wurde weiterhin zur Charakterisierung des digitalen Silizium-Photomultiplier-Prototyps (dSiPM) von DESY eingesetzt, einem neuartigen monolithischen, pixelierten Photonendetektor mit CMOS-SPADs als empfindliche Zellen. Eine Charakterisierung des Detektorprototyps zeigte, dass die zeitliche Auflösung des dSiPM unter optimalen Bedingungen 53$\pm4$~\si{\pico\second} beträgt. Gleichzeitig ermöglicht die lokalisierte Deposition von Ladungsträgern mittels Laser die örtliche Auflösung von Sensormerkmalen im Mikrometerbereich, wodurch Abweichungen der Eigenschaften des dSiPM innerhalb eines Pixels aufgezeigt und mit dem Layout einzelner Pixelzellen korreliert werden konnten.\sloppyDer zweite Teil der Arbeit befasst sich mit dem Upgrade des CMS-Experiments und behandelt insbesondere die zwei Aspekte der Produktion und der Prüfung von PS-Modulen für den Spurdetektor. Zunächst wird die Entwicklung von mechanischen Montageverfahren sowie der Aufbau einer robotergestützten Montagelinie beschrieben. Diese Verfahren erreichen bei der relativen Ausrichtung einzelner Komponenten eine Präzision im Mikrometerbereich, was für die neuartige Funktion dieser Module zur $\pt$\nobreakdash-Diskriminierung entscheidend ist. Anschließend wird die Qualifizierung der Module mit Messungen am DESY~II Teststrahl vorgestellt, mit Fokus auf der Messung der Effizienz der einzelnen Sensoren und der $\pt$\nobreakdash-Diskriminierung. Es wurde gezeigt, dass das Modul Spuren oberhalb einer definierten $\pt$-Schwelle mit einer Effizienz von 98$\pm$0,2\% selektiert, während diese Effizienz außerhalb des gewählten $\pt$-Bereichs auf unter 1\% abfällt. Diese Messungen belegen die Produktionsreife des aktuellen Moduldesigns im Hinblick auf die Teilchendetektion.