Neutron irradiation and electrical characterisation of the first 8” silicon pad sensor prototypes for the CMS calorimeter endcap upgrade

Journal Article · Thu Aug 24 00:00:00 UTC 2023 · JINST

DOI: https://doi.org/10.1088/1748-0221/18/08/P08024 · OSTI ID:2217198

Acar, B.  ^[1]; Adamov, G. ^[2]; Afanasiev, S.  ^[3]; Akchurin, N.  ^[4]; Akgün, B.  ^[1]; Alhusseini, M.  ^[5]; Alison, J.  ^[6]; Figueiredo de sa Sousa de Almeida, J. P. ^[7]; Dias de Almeida, P. G. ^[7]; Alpana, A. ^[8]; Alyari, M.  ^[9]; Andreev, I. ^[3]; Aras, U. ^[1]; Aspell, P. ^[7]; Atakisi, I. O. ^[1]; Bach, O. ^[10]; Baden, A. ^[11]; Bakas, G.  ^[12]; Bakshi, A. ^[9]; Banerjee, S.  ^[13] ; DeBarbaro, P.  ^[14]; Bargassa, P.  ^[15]; Barney, D.  ^[7]; Beaudette, F.  ^[15]; Beaujean, F. ^[15]; Becheva, E. ^[15]; Becker, A. ^[7]; Behera, P.  ^[16]; Belloni, A.  ^[11]; Bergauer, T.  ^[17]; El Berni, M. ^[18]; Besancon, M.  ^[19]; Bhattacharya, S.  ^[20]; Bhattacharya, S.  ^[21]; Bhowmik, D. ^[21]; Bilki, B.  ^[5]; Blekman, F.  ^[10]; Bloch, P.  ^[22]; Bodek, A.  ^[14]; Bonanomi, M.  ^[23]; Bonnemaison, A. ^[15]; Bonomally, S. ^[22]; Borg, J.  ^[22]; Bouyjou, F. ^[19]; Bower, N.  ^[24]; Braga, D.  ^[9]; Brennan, L. ^[25]; Brondolin, E.  ^[7]; Bryant, P.  ^[6]; Butler-Nalin, A. ^[25]; Bychkova, O. ^[3]; Callier, S. ^[18]; Calvet, D. ^[19]; Canderan, K. ^[7]; Cankocak, K.  ^[26]; Cao, X. ^[27]; Cappati, A.  ^[15]; Caraway, B.  ^[28]; Caregari, S. ^[29]; Cauchois, A. ^[15]; Ceard, L. ^[30]; Sunar Cerci, D.  ^[26]; Cerci, S.  ^[26]; Cerminara, G.  ^[7]; Chadeeva, M.  ^[3]; Charitonidis, N. ^[7]; Chatterjee, R. ^[31]; Chen, J. A. ^[30]; Chen, Y. M.  ^[11]; Cheng, H. J.  ^[30]; Cheng, K. Y. ^[29]; Cheung, H.  ^[9]; Chokheli, D.  ^[2]; Cipriani, M.  ^[7]; Čoko, D.  ^[32]; Couderc, F.  ^[19]; Cuba, E. ^[7]; Danilov, M.  ^[3]; Dannheim, D.  ^[7]; Daoud, W. ^[15]; Das, I.  ^[33]; Dauncey, P.  ^[22]; Davies, G.  ^[22]; Davignon, O.  ^[15]; Day, E. ^[6]; Debbins, P.  ^[5]; Defranchis, M. M.  ^[7]; Delagnes, E. ^[19]; Demiragli, Z.  ^[34]; Demirbas, U. ^[1]; Derylo, G. ^[9]; Diaz, D.  ^[24]; Diehl, L.  ^[7]; Dinaucourt, P. ^[18]; Dincer, G. G. ^[26]; Dittmann, J.  ^[28]; Dragicevic, M.  ^[17]; Dugad, S. ^[33]; Dulucq, F. ^[18]; Dumanoglu, I. ^[35]; Dünser, M. ^[7]; Dutta, S.  ^[21]; Dutta, V.  ^[25]; Edberg, T. K. ^[11]; Elias, F. ^[36]; Ershov, Yu.  ^[3]; Extier, S.  ^[18]; Fahim, F.  ^[9]; Fedi, G.  ^[22]; Ferragina, L. ^[7]; Forthomme, L.  ^[7]; Frahm, E. ^[31]; Franzoni, G.  ^[7]; Freeman, J.  ^[9]; French, T. ^[7]; Gandhi, P. ^[9]; Ganjour, S.  ^[19]; Gao, X.  ^[37]; Ramos Garcia, M. T. ^[7]; Garcia-Bellido, A.  ^[14]; Gastaldi, F. ^[15]; Gastler, D.  ^[34]; Gecse, Z.  ^[9]; Germer, A. ^[6]; Gerwig, H. ^[7]; Gevin, O. ^[19]; Ghosh, S.  ^[15]; Gilbert, A.  ^[20]; Gilbert, W. ^[31]; Gill, K.  ^[7]; Gninenko, S.  ^[3]; Golunov, A. ^[3]; Golutvin, I.  ^[3]; Gonultas, B. ^[1]; Gorbounov, N. ^[3]; Gouskos, L.  ^[7]; Gray, A. B. ^[7]; Grönroos, S.  ^[7]; Gu, Y. ^[27]; Guilloux, F.  ^[19]; Gurpinar Guler, E. ^[35]; Guler, Y. ^[35]; Gülmez, E.  ^[1]; Guo, J. ^[27]; Gutti, H. ^[9]; Hakimi, A.  ^[15]; Hammer, M.  ^[9]; Hassanshahi, H. M.  ^[22]; Hatakeyama, K.  ^[28]; Hazen, E. ^[34]; Heering, A. ^[38]; Hegde, V.  ^[4]; Heintz, U.  ^[39]; Hinton, N. ^[39]; Hirschauer, J.  ^[9]; Hoff, J.  ^[9]; Hou, W. S. ^[30]; Hou, X. ^[27]; Hua, H. ^[27]; Hussain, A.  ^[4]; Incandela, J. ^[25]; Irshad, A. ^[7]; Jain, S.  ^[31]; Jaroslavceva, J. ^[7]; Jheng, H. R.  ^[29]; Joshi, U.  ^[9]; Kaadze, K.  ^[40]; Kachanov, V. ^[3]; Kalipoliti, L.  ^[15]; Kaminskiy, A. ^[3]; Kanuganti, A. R.  ^[28]; Kao, Y. W. ^[30]; Kapoor, A.  ^[27]; Kara, O. ^[35]; Karneyeu, A.  ^[3]; Kałuzińska, O.  ^[7]; Kaya, M.  ^[1]; Kaya, O.  ^[1]; Kazhykharim, Y. ^[4]; Khan, F. A.  ^[7]; Khukhunaishvili, A.  ^[14]; Kieseler, J.  ^[7]; Kilpatrick, M.  ^[25]; Kim, S.  ^[24]; Koetz, K. ^[24]; Kolberg, T.  ^[24]; Komm, M.  ^[10]; Köseyan, O. K. ^[5]; Kraus, V. ^[17]; Krawczyk, M.  ^[7]; Kristiansen, K. ^[25]; Kristić, A.  ^[32]; Krohn, M.  ^[31]; Kronheim, B. ^[11]; Krüger, K. ^[10]; Kulis, S.  ^[7]; Kumar, M.  ^[33]; Kunori, S. ^[4]; Kuryatkov, V. ^[4]; Kyre, S. ^[25]; Lai, Y.  ^[11]; Lamichhane, K.  ^[4]; Landsberg, G.  ^[39]; Langford, J.  ^[22]; Lee, M. Y. ^[29]; Lee, S. W. ^[4]; Stahl Leiton, A. G.  ^[7]; Levin, A. ^[3]; Li, A.  ^[25]; Li, J. H. ^[10]; Li, Y. Y. ^[30]; Liang, Z. ^[41]; Liao, H.  ^[27]; Lin, Z.  ^[42]; Lincoln, D.  ^[9]; Linssen, L.  ^[7]; Lipton, R.  ^[9]; Liu, G.  ^[15]; Liu, Y.  ^[27]; Lobanov, A.  ^[23]; Lohezic, V. ^[19]; Lomidze, D.  ^[2]; Lu, R. S.  ^[30]; Lupi, M.  ^[7]; Lysova, I. ^[3]; Magnan, A. M.  ^[22]; Magniette, F. ^[15]; Mahjoub, A. ^[15]; Meier, B.  ^[7]; Malakhov, A.  ^[3]; Mallios, S. ^[7]; Mandjavize, I. ^[19]; Mannelli, M.  ^[7]; Mans, J.  ^[31]; Marchioro, A. ^[7]; Martelli, A.  ^[22]; Martinez, G. ^[24]; Masterson, P.  ^[25]; Matthewman, M. ^[7]; Mayekar, S. N. ^[33]; David, A.  ^[7]; Coco Mendez, S. ^[7]; Meng, B. ^[27]; Menkel, A.. ^[4]; Mestvirishvili, A.  ^[5]; Milella, G.  ^[10]; Mirza, I. ^[33]; Moccia, S. ^[7]; Mohanty, G. B.  ^[33]; Monti, F.  ^[27]; Moortgat, F. W.  ^[7]; Morrissey, I. ^[31]; Motta, J.  ^[15]; Murthy, S.  ^[6]; Musić, J.  ^[32]; Musienko, Y.  ^[38]; Nabili, S.  ^[11]; Nguyen, M.  ^[15]; Nikitenko, A.  ^[3]; Noonan, D.  ^[43]; Noonan, D. ^[9]; Noy, M. ^[7]; Nurdan, K. ^[1]; Wulansatiti Nursanto, M. ^[24]; Odell, N.  ^[20]; Okawa, H.  ^[37]; Onel, Y.  ^[5]; Ortez, W. ^[25]; Ozegović, J.  ^[32]; Ozkorucuklu, S.  ^[26]; Paganis, E.  ^[30]; Pandey, S.  ^[8]; Pantaleo, F.  ^[7]; Papakrivopoulos, I.  ^[12]; Paranjpe, M. ^[11]; Parshook, J. ^[6]; Pastika, N.  ^[9]; Paulini, M.  ^[6]; Peltola, T.  ^[4]; Peng, N. ^[27]; Buchot Perraguin, A.  ^[15]; Petiot, P. ^[7]; Pierre-Emile, T. ^[15]; Vicente Barreto Pinto, M.  ^[7]; Popova, E.  ^[3]; Prosper, H.  ^[24]; Prvan, M.  ^[32]; Puljak, I.  ^[32]; Qasim, S. R. ^[7]; Qu, H.  ^[7]; Quast, Thorben  ^[7]; Quinn, R.  ^[31]; Quinnan, M.  ^[25]; Rao, K. K. ^[33]; Rapacz, K. ^[7]; Raux, L. ^[18]; Redjeb, W.  ^[7]; Reinecke, M. ^[10]; Revering, M.  ^[31]; Roberts, A.  ^[6]; Sanchez Rodriguez, A. M. ^[7]; Rohlf, J.  ^[34]; Romanteau, T. ^[15]; Rosado, M. ^[7]; Rose, A.  ^[22]; Rovere, M.  ^[7]; Roy, A.  ^[29]; Rubinov, P.  ^[9]; Rusack, R.  ^[31]; Rusinov, V. ^[3]; Ryjov, V. ^[7]; Sahin, O. M. ^[19]; Salerno, R.  ^[15]; Saradhy, R.  ^[31]; Sarbandi, K.  ^[7]; Sarkar, T.  ^[29]; Sarkisla, M. A.  ^[1]; Sauvan, J. B.  ^[15]; Schmidt, I. ^[5]; Schmitt, M.  ^[20]; Scott, E.  ^[22]; Sefkow, F. ^[10]; Selivanova, D.  ^[10]; Sharma, S.  ^[8]; Shelake, M. ^[33]; Shenai, A.  ^[9]; Shukla, R.  ^[22]; Sicking, E.  ^[7]; De Silva, M.  ^[10]; Silva, P.  ^[7]; Simkina, P.  ^[19]; Simsek, A. E. ^[35]; Sirois, Y.  ^[15]; Smirnov, V.  ^[3]; Sobering, T. J. ^[40]; Spencer, E. ^[39]; Srimanobhas, N.  ^[44]; Steen, A.  ^[30]; Strait, J.  ^[9]; Strobbe, N.  ^[31]; Su, X. F. ^[30]; Sukhov, E. ^[3]; Sulak, L. ^[34]; Sun, L. ^[27]; Suryadevara, P. ^[33]; Tali, B. ^[35]; Tao, J.  ^[27]; Tarabini, A.  ^[15]; Tatli, T. ^[1]; Thaus, R.  ^[14]; Taylor, R. D. ^[40]; Tekten, S.  ^[1]; Thienpont, D. ^[18]; Tiras, E.  ^[5]; Titov, M. ^[19]; Tlisov, D.  ^[3]; Tok, U. G. ^[35]; Kayis Topaksu, A. ^[35]; Troska, J.  ^[7]; Tsai, L. S. ^[30]; Tsamalaidze, Z.  ^[2]; Tsipolitis, G. ^[12]; Tsirou, A. ^[7]; Undleeb, S.  ^[4]; Urbanski, D. ^[31]; Uslan, E. ^[35]; Ustinov, V. ^[3]; Uzunian, A. ^[3]; Varela, J.  ^[15]; Velasco, M. ^[20]; Vernazza, E.  ^[15]; Viazlo, O.  ^[24]; Vichoudis, P. ^[7]; Virdee, T.  ^[22]; Voirin, E. ^[9]; Vojinoviç, M.  ^[7]; Vojinovic, M.  ^[22]; Wade, A. ^[24]; Wang, D.  ^[41]; Wang, F. ^[27]; Wang, X. ^[9]; Wang, X.  ^[41]; Wang, Z. ^[27]; Wayne, M.  ^[38]; Webb, S. N.  ^[22]; Whitbeck, A.  ^[4]; Wickwire, R.  ^[9]; Wilson, J. S.  ^[28]; Wu, H. Y. ^[30]; Wu, L.  ^[27]; Xiao, M.  ^[42]; Yang, J. ^[25]; Yohay, R.  ^[24]; Yu, D.  ^[39]; Yu, S. S.  ^[29]; Miao, Y. ^[20]; Yumiceva, F.  ^[43]; Yusuff, I.  ^[36]; Zabi, A.  ^[15]; Zacharopoulou, A. ^[12]; Zamiatin, N. ^[3]; Zarubin, A.  ^[3]; Zehetner, P.  ^[7]; Zhang, H.  ^[27]; Zhang, J. ^[24]; Zhang, Y.  ^[37]; Zhang, Z. ^[27]; Zhao, X. ^[27]

---

1. Bogazici U.
2. GTU, Tbilisi
3. Unlisted
4. Texas Tech.
5. Iowa U.
6. Carnegie Mellon U.
7. CERN
8. IISER, Pune
9. Fermilab
10. DESY
11. Maryland U.
12. Natl. Tech. U., Athens
13. Wisconsin U., Madison
14. Rochester U.
15. Ecole Polytechnique
16. Indian Inst. Tech., Madras
17. Vienna, OAW
18. Ec. Polytech., OMEGA
19. IRFU, Saclay
20. Northwestern U.
21. Calcutta, VECC
22. Imperial Coll., London
23. Hamburg U.
24. Florida State U., Tallahassee (main)
25. UC, Santa Barbara
26. Istanbul U.
27. Beijing, Inst. High Energy Phys.
28. Baylor U.
29. Taiwan, Natl. Central U.
30. IISER, Bhopal
31. Minnesota U.
32. Split Tech. U.
33. TIFR, Mumbai, DHEP
34. Boston U.
35. Cukurova U.
36. Malaya U.
37. Fudan U., Shanghai
38. Notre Dame U.
39. Brown U.
40. Kansas State U.
41. Tsinghua U., Beijing
42. Hangzhou, Zhejiang U.
43. Florida Inst. Tech.
44. Chulalongkorn U.

As part of its HL-LHC upgrade program, the CMS collaboration is replacing its existing endcap calorimeters with a high-granularity calorimeter (CE). The new calorimeter is a sampling calorimeter with unprecedented transverse and longitudinal readout for both electromagnetic and hadronic compartments. Due to its compactness, intrinsic time resolution, and radiation hardness, silicon has been chosen as active material for the regions exposed to higher radiation levels. The silicon sensors are fabricated as 20 cm (8”) wide hexagonal wafers and are segmented into several hundred pads which are read out individually. As part of the sensor qualification strategy, 8” sensor irradiation with neutrons has been conducted at the Rhode Island Nuclear Science Center (RINSC) and followed by their electrical characterisation in 2020-21. The completion of this important milestone in the CE's R&D program is documented in this paper and it provides detailed account of the associated infrastructure and procedures.The results on the electrical properties of the irradiated CE silicon sensors are presented.

• Research Organization: Baylor U.; Beijing, Inst. High Energy Phys.; Bogazici U.; Boston U.; Brown U.; CERN; Calcutta, VECC; Carnegie Mellon U.; Chulalongkorn U.; Cukurova U.; DESY; Ec. Polytech., OMEGA; Ecole Polytechnique; Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL), Batavia, IL (United States); Florida Inst. Tech.; Florida State U., Tallahassee (main); Florida State Univ., Tallahassee, FL (United States); Fudan U., Shanghai; GTU, Tbilisi; Hamburg U.; Hangzhou, Zhejiang U.; IISER, Bhopal; IISER, Pune; IRFU, Saclay; Imperial Coll., London; Indian Inst. Tech., Madras; Iowa U.; Istanbul U.; Kansas State U.; Malaya U.; Maryland U.; Minnesota U.; Natl. Tech. U., Athens; Northwestern U.; Notre Dame U.; Rochester U.; Split Tech. U.; TIFR, Mumbai, DHEP; Taiwan, Natl. Central U.; Texas Tech.; Tsinghua U., Beijing; UC, Santa Barbara; University of Rochester, NY (United States); Unlisted; Vienna, OAW; Wisconsin U., Madison
• Sponsoring Organization: US Department of Energy; USDOE Office of Science (SC), High Energy Physics (HEP)
• Contributing Organization: CMS Collaboration
• Grant/Contract Number: AC02-07CH11359; SC0008475; SC0019292
• OSTI ID: 2217198
• Report Number(s): FERMILAB-PUB-23-713-CMS; oai:inspirehep.net:2154750; arXiv:2209.10159
• Journal Information: JINST, Journal Name: JINST Journal Issue: 08 Vol. 18
• Country of Publication: United States
• Language: English