Fabrication and characterization of silicon position sensitive particle detectors

Position sensitive particle detectors are needed in high energy physics research. This thesis describes the development of fabrication processes and characterization techniques of silicon microstrip detectors used in the work for searching elementary particles in the European center for nuclear research, CERN. The detectors give an electrical signal along the particles trajectory after a collision in the particle accelerator. The trajectories give information about the nature of the particle in the struggle to reveal the structure of the matter and the universe. Detectors made of semiconductors have a better position resolution than conventional wire chamber detectors. Silicon semiconductor is overwhelmingly used as a detector material because of its cheapness and standard usage in integrated circuit industry. After a short spread sheet analysis of the basic building block of radiation detectors, the pn junction, the operation of a silicon radiation detector is discussed in general. The microstrip detector is then introduced and the detailed structure of a double-sided ac-coupled strip detector revealed. The fabrication aspects of strip detectors are discussedstarting from the process development and general principles ending up to the description of the double-sided ac-coupled strip detector process. Recombination and generation lifetime measurements in radiation detectors are discussed shortly. The results of electrical tests, ie. measuring the leakage currents and bias resistors, are displayed. The beam test setups and the results, the signal to noise ratio and the position accuracy, are then described. It was found out in earlier research that a heavy irradiation changes the properties of radiation detectors dramatically. A scanning electron microscope method was developed to measure the electric potential and field inside irradiated detectorsto see how a high radiation fluence changes them. The method and the most important results are discussed shortly.

Mikroliuskarakenteisen T-resonaattorin käyttö piirilevyn eristeominaisuuksien määrityksessä

Tässä diplomityössä tutkittiin ja kehitettiin edelleen mikroliuskarakenteisen T-resonaattorin käyttöä laajakaistaisessa piirilevylaminaattien dielektrisyysvakion ja häviökertoimen määrityksessä. Työssä perehdyttiin eristeominaisuuksien määrityksessä tarvittaviin laskentamenetelmiin sekä T-resonaattorin toimintaan. T-resonaattorin suunnittelu ja käyttöä varten valitut laskentamenetelmät on esitelty. Työssä suunniteltiin ja valmistettiin mikroliuskarakenteinen T-resonaattorimittausrakenne, jolla määritettiin erään FR-4 -tyyppisen piirilevylaminaattimateriaalin dielektrisyysvakio sekä häviökerroin mittausten ja laskennan avulla taajuuskaistalla 0,5 - 10 GHz. Tuloksia verrattiin muilla käytössä olevilla menetelmillä määritettyihin tuloksiin. Tulosten perusteella voitiin osoittaa, että mikroliuskarakenteinen T-resonaattori soveltuu hyvin piirilevylaminaattien eristeominaisuuksien määritykseen, ja käytetyt laskenta-menetelmät antavat realistisia tuloksia.

Kalibrointimenetelmä planaaristen siirtojohtojen mittaamiseen

Tässä diplomityössä tutkittiin TRL-kalibroinnin käyttämistä tasomaisten siirtojohtojen sähköisten parametrien määrittämisessä taajuusalueella 0,3 – 12 GHz. Työssä perehdyttiin TRL-kalibroinnin käyttämiseen piirianalysaattorilla toteutettujen mittauksien mittauskalibrointiin sekä kalibrointiin tarvittavien kalibrointistandardien mitoittamiseen. Kalibrointistandardit suunniteltiin ja toteutettiin sekä mikroliuska- että liuskajohdoille, joiden toiminnallisuutta tarkasteltiin sekä taajuustason että aikatason mittausten avulla. Työssä perehdyttiin myös kalibrointistandardien liityntärajapinnan suunniteluun ja toteuttamiseen. Saatujen tulosten perusteella voitiin osoittaa mikroliuskajohtokitin soveltuvan hyvin mittauskalibroinnin toteuttamiseen tarkoissa mittaussovelluksissa.

Johdinhäviöiden määrittäminen mikroliuskarakenteessa

Tässä diplomityössä on käsitelty mikroliuskarakenteen johdinhäviöiden määrittämistä kokeellisin ja analyyttisin menetelmin. Työssä on käyty läpi mikroliuskarakenteen ominaisuudet sekä esitetty tärkeimmät kirjallisuudessa esitellyt menetelmät johdinhäviöiden laskemiseksi. Mikroliuskarakenteen häviöitä mallinnettiin modernilla momenttimenetelmään perustuvalla kenttälaskentasimulaattorilla. Simulaattorin toimintaperiaate on esitelty ja sen soveltaminen mikroliuskarakenteen simuloimiseen on käyty läpi. Eräs mikroliuskarakenne mallinnettiin taajuusalueella 1-10 GHz ja simuloituja johdinhäviöitä verrattiin analyyttisesti määritettyihin. Mikroliuskarakenteen vaste mitattiin ja sitä verrattiin mallinnetun mikroliuskarakenteen vasteeseen. Tulosten perusteella on pohdittu simulaattorin soveltuvuutta mikroliuskarakenteen johdinhäviöiden mallintamiseen. Mikroliuskarakenteen johdinhäviöiden määrittämiseen mittausten avulla on esitetty ideoita jatkotutkimusta varten.

Modeling of fractal antennas

In this Master Thesis the characteristics of the chosen fractal microstrip antennas are investigated. For modeling has been used the structure of the square Serpinsky fractal curves. During the elaboration of this Master thesis the following steps were undertaken: 1) calculation and simulation of square microstrip antennа, 2) optimizing for obtaining the required characteristics on the frequency 2.5 GHz, 3) simulation and calculation of the second and third iteration of the Serpinsky fractal curves, 4) radiation patterns and intensity distribution of these antennas. In this Master’s Thesis the search for the optimal position of the port and fractal elements was conducted. These structures can be used in perspective for creation of antennas working at the same time in different frequency range.