Mechanical Study of Silicon Strip Detector Modules During Quality Control for the ATLAS Phase-II Detector Upgrade

Abstract

Suite à la détection du très attendu boson de Higgs, le Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) ainsi que le détecteur ATLAS se prépare pour une importante mise à niveau. Prévu pour le LHC à Haute Luminosité (HL-LHC), le ITk (Inner TracKer), un trajectomètre pour particules chargées fait de silicium, est la mise à niveau du détecteur interne du détecteur ATLAS. Une phase de test des modules de détecteur du ITk est cruciale puisque le détecteur sera inaccessible pour environ 10 ans suite à l’installation. Ce mémoire se concentrera sur les tests effectués sur un sous-ensemble du détecteur ITk, soit le détecteur ITk Strip. Pour détecter les bris prématurés sur les 20 000 modules qui seront produits, une procédure de cyclage thermique sera mise en oeuvre, où les modules seront refroidis et réchauffés pour recréer les 10 ans d’opération. Ces tests seront effectués dans une enceinte appelé coldbox. Le thème de ce mémoire est le calcul du stress mécanique dans les modules ITk Strip induit par la procédure de cyclage thermique à l’aide de la méthode des éléments finis. Le premier résultat obtenu est que le stress induit dans le module installé dans le coldbox est causé par le vide appliqué sous le module pour le tenir en place. De plus, le stress maximal durant le cyclage thermique est grandement dépendant de l’épaisseur du joint sous-vide utilisé. Ainsi, un joint plus mince cause un stress plus faible. Finalement, le stress dans le coldbox est entre 20 MPa et 100 MPa variant avec l’épaisseur du joint, ce qui est en accord avec le stress calculé pour une disposition semblable au détecteur final, donnant un stress de 64.8MPa. Il est donc possible de conclure que le coldbox est un bon candidat pour effectuer le cyclage thermique.

Following the great achievement by the ATLAS experiment at the Large Hadron Col- lider (LHC) that is the detection of the long-awaited Higgs boson, an upgrade of the LHC is planned, requiring an upgrade of ATLAS. Planned for the High-Luminosity LHC, the ITk (Inner TracKer), an all-silicon charged particle tracker, is the upgrade of the current ATLAS Inner Detector. Testing of the detector modules comprised in the ITk is crucial because the detector will be inaccessible for approximately 10 years following the installation. In this thesis, the focus will be kept on a subset of the ITk detector, namely the ITk Strip detector. To detect premature failure in the 20 000 Strip modules that will be produced, a series of tests will be performed, one of which will be the thermal cycling, where modules are monitored while being thermally cycled to replicate 10 years of operating conditions. These tests will occur in a special enclosure known as a coldbox. The subject of this work is to study the induced mechanical stress in future ITk Strip detector modules due to thermal cycling using Finite Element Analysis. Our first result is that the stress created in the module is mostly due to the vacuum applied to hold the module. Moreover, the maximum stress felt during thermal cycling is highly dependent on the thickness of the vacuum seal used: A thinner seal causes a lower stress. Finally, the stress in the module in our thermal cycling setup is between ∼ 20 MPa and ∼ 100 MPa depend- ing on the selected seal thickness, which is consistent with the stress expected in the final detector design which is approximately 64.8MPa. We can then conclude that the proposed design for the coldbox is a good candidate to perform thermal cycling.