Исследования пиксельных детекторов для новой внутренней трековой системы эксперимента ALICE на Большом Адронном Коллайдере

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный университет»

(СПбГУ)

Кафедра Ядерно-физических методов исследования

Направление «Экспериментальная физика»

Исследования пиксельных детекторов для новой внутренней трековой системы эксперимента ALICE на Большом Адронном Коллайдере

Нестеров Дмитрий Геннадьевич

Научный руководитель:

К.ф.-м.н., доцент Жеребчевский В.И.

Санкт-Петербург

2018

Содержание

Введение

1. Эксперимент ALICE на Большом Адронном Коллайдере

1.1 Физические задачи эксперимента ALICE

1.2 Новая внутренняя трековая система эксперимента ALICE

2. Экспериментальная часть

2.1 Пиксельные детекторы

2.2 Результаты экспериментальных исследований пиксельных детекторов

2.2.1 Исследование характеристик пиксельных детекторов после их облучения

2.2.2 Исследование срабатываний пиксельной матрицы монолитных активных пиксельных детекторов при их дополнительном облучении источником ионизирующего излучения. Анализ кластеров

Заключение

Список литературы

Введение

В современной ядерной физике и физике высоких энергий ключевую роль играют ускорители заряженных частиц. Большой Адронный Коллайдер (БАК) - самый большой ускоритель заряженных частиц на встречных пучках в мире. Длина окружности его основного ускорительного кольца составляет 26,7 км, суммарная энергия в системе центра масс столкновения протонов составляет 13 ТэВ, ядер свинца - 2,65 ТэВ/нуклон, и на сегодняшний день его светимость в протон-протонных соударениях составляет [1].

На коллайдере существует несколько точек, в которых происходит пересечение и взаимодействие пучков ускоряемых частиц, движущихся в противоположных направлениях. В местах пересечения пучков (столкновения сгустков ускоряемых ионов) располагаются детекторные комплексы, которые регистрируют частицы, образующиеся в результате столкновения, и в данном случае важно собрать как можно больше информации о характеристиках частиц, образовавшихся в результате таких столкновений. Для этого место столкновения пучков окружают слоями различных типов детекторов, каждый из которых служит для восстановления треков, регистрации разных типов частиц, определения их импульсов и энергий. Каждый детекторный комплекс рассчитан на решение конкретных физических задач. На данный момент существует четыре больших эксперимента на БАК: ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), CMS (Compact Muon Solenoid), LHCb (Large Hadron Collider beauty) и ALICE (A Large Ion Collider Experiment) [1].

ALICE - это детекторный комплекс, предназначенный для изучения свойств кварк-глюонной плазмы (КГП), образующейся в результате столкновений ядер свинца. КГП - состояния материи, при котором кварки и глюоны из-за высокой температуры и высокой плотности пребывают в состоянии асимптотической свободы [2].

Одной из актуальных задач для эксперимента ALICE является построение фазовой диаграммы для адронной материи. В этой диаграмме параметрами являются температура адронной материи и - её барионный химический потенциал (термодинамическая функция, применяемая при описании состояния систем с переменным числом частиц). Решёточная квантовая хромодинамика предсказывает, что переход между КГП и барионной материей при нулевом барионном химическом потенциале будет происходить плавно. Для более высоких значений барионного химического потенциала характер фазового перехода между адронным веществом и КГП неизвестен. Это может быть термодинамический фазовый переход первого или второго рода. Также из вышесказанного следует, что существует критическая конечная точка, в которой изменяются свойства фазового перехода. Столкновение тяжёлых ядер на БАК создаёт системы с высокой температурой и с малыми конечными барионными плотностями - сгустки КГП. Ожидается, что в этих системах микроскопические степени свободы будут достаточно сильно взаимодействовать, чтобы образовать систему в локальном термодинамическом равновесии. Сразу после столкновения () система находится в предравновесном состоянии и быстро термализуется локально. Дальнейшее расширение может быть хорошо описано гидродинамической моделью. Когда температура и плотность падают, происходит фазовый переход из КГП в барионную материю. При температуре химического вымораживания (chemical freeze-out) прекращаются неупругие реакции и образуются адроны. Статистические модели могут хорошо описывать это состояние в широком диапазоне энергий столкновений в системе центра масс, используя лишь значения температуры и барионного химического потенциала [2].

Состояние материи, подобное КГП, вероятно, существовало сразу после Большого взрыва в течение около секунд. В результате изучения КГП могут быть получены ответы на множество фундаментальных вопросов, а именно объяснено явление конфайнмента и многие другие [2].

Из-за эффекта конфайнмента только нейтральные в смысле цветового заряда частицы долетают до детекторов и регистрируются ими. Из-за малого времени жизни, КГП может быть изучена только посредством регистрации образовавшихся в результате адронизации частиц, а так же посредством изучения частиц, не участвующих в сильном взаимодействии [2,3].

В данный момент реализуется программа модернизации БАК (The High-Luminosity Large Hadron Collider - HL-LHC), а именно предполагается увеличить светимость в столкновении протонов на порядок, до и в столкновении ионов до . Светимость - важный показатель эффективности ускорителя: с увеличением светимости увеличивается число сталкивающихся частиц. Она пропорциональна количеству столкновений, которые происходят в единицу времени и обратно пропорциональна поперечному сечению сгустков. Чем выше светимость, тем больше данных смогут получить эксперименты, тем больше шанс наблюдать редкие процессы [4,5].

В связи с увеличением светимости и для решения новых физических задач появилась необходимость модернизировать и детекторные комплексы экспериментов. Модернизация детекторного комплекса ALICE будет проходить в 2019-2020гг., одновременно с модернизацией БАК [6].

Текущий детекторный комплекс эксперимента ALICE состоит из следующих основных детекторов [6].

Внутренняя трековая система (Inner Tracking System - ITS). Внутренняя трековая система (ВТС) - вершинный детектор, окружающий место столкновения ускоряемых коллайдером частиц. Основные задачи внутренней трековой системы: реконструкция вторичных вершин, идентификация частиц, отслеживание частиц с низкими поперечными импульсами, а при определении импульсов частиц - увеличение разрешающей способности. Нынешняя ВТС включает в себя шесть цилиндрических слоев кремниевых детекторов (рисунок 1). Два самых близких слоя к точке столкновения пучков коллайдера (к ионопроводу) состоят из гибридных пиксельных детекторов (для определения треков частиц), два средних слоя из кремниевых дрейфовых детекторов (для определения треков частиц и идентификации типа частиц) и два внешних слоя из двухсторонних микро-стриповых детекторов (для определения треков частиц и идентификации типа частиц) [2,6].

Рисунок 1 - Детекторный комплекс ALICE [7].

Время-проекционная камера (Time Projection Chamber - TPC). Данный детектор является следующей после ВТС трековой системой в эксперименте ALICE. Этот детектор представляет собой газонаполненную дрейфовую многопроволочную камеру объёмом , разделённую перпендикулярно пучку центральным электродом. Считывание сигналов от электронов, образовавшихся в результате ионизации газа в камере, происходит за счёт многопроволочных пропорциональных камер, расположенных на торцах время-проекционной камеры. Напряжение дрейфа составляет 100 кВ, время дрейфа - около 100 мкс для электронов. Детектор предоставляет информацию о траектории движения частиц, образовавшихся в результате столкновения, и об их энергетических потерях, что позволяет проводить идентификацию частиц [1,7].

Время-пролётный детектор (Time Of Flight detector - TOF). Позволяет проводить идентификацию частиц на основе измерения времени пролёта частицы от точки столкновения ионов (стартовый сигнал получают за счёт использования Черенковских счётчиков T0) до точки взаимодействия этой частицы с время-пролётным детектором. Время-пролётный детектор состоит из большого массива газовых счетчиков с малыми межэлектродными промежутками (Multi-gap Resistive Plate Chambers). Временное разрешение составляет около 80 пс для пионов с поперечным импульсом 1 в центральных соударениях тяжёлых ионов [7];

Детектор переходного излучения (Transition radiation detector - TDR);

Детектор для идентификации частиц с большими импульсами (High-Momentum Particle Identificaton Detector - HMPID)

Фотонный спектрометр (PHOton Spectrometer - PHOS);

Электромагнитный калориметр (Electro-Magnetic Calorimeter - EMCal);

Мюонный спектрометр (Muon spectrometer);

Калориметры ZDC (Zero Degree Calorimeters);

Детектор множественности фотонов (Photon Multiplicity Detector - PMD).

Для работы в условиях повышенной светимости БАК общая стратегия модернизации детекторного комплекса ALICE будет включать в себя:

Замену ионопровода внутри установки на новый, с меньшим диаметром;

Установку внутренней трековой системы с улучшенным разрешением, с уменьшенным количеством используемого материала;

Обновление время-проекционной камеры, включающее в себя замену многопроволочных пропорциональных камер и замену считывающей электроники;

Обновление считывающей электроники детекторов переходного излучения (Transition Radiation Detector - TRD), времяпролётных детекторов и мюонных спектрометров для работы в условиях повышенной частоты регистрации частиц;

Модернизацию онлайн и офлайн системы реконструкции и анализа данных [7].

Одним из ключевых элементов, который будет обновлён в детекторном комплексе эксперимента ALICE, является внутренняя трековая система (ВТС). Применение в качестве базовых элементов ВТС пиксельных детекторов является наиболее оптимальным решением на сегодняшний день. Это связано с тем, что пиксельные детекторы позволяют с большим пространственным разрешением регистрировать частицы с малыми временами жизни, могут детектировать редкие процессы и распады, обладают значительной эффективностью при регистрации огромного числа частиц, устойчивы к жёсткому радиационному излучению [6].

В работающей сейчас ВТС в качестве пиксельных детекторов применяются детекторы на основе гибридной технологии. Суть гибридных пиксельных детекторов заключается в том, что сенсорную часть и часть, содержащую электронику для обработки сигнала с пикселей, производят отдельно и затем соединяют (рисунок 2). Соединение происходит с помощью технологии «bump bonding», т.е. контактные площадки каждого пикселя сенсорной матрицы соединяются с соответствующими контактными площадками электронного чипа с помощью маленьких металлических шариков. При разработке гибридных пиксельных детекторов контактные площадки чипа с электроникой и сами пиксели делают одинаковых размеров. Таким образом, очень важной характеристикой для гибридных пиксельных детекторов является плотность пикселей. Кроме того, электронный чип должен располагаться как можно ближе (10-20 мкм) к сенсорной панели, чтобы уменьшить ёмкость и увеличить отношение сигнал/шум [8].

Использование гибридных пиксельных детекторов во внутренней трековой системе во многом оправдано: за счёт малых размеров пикселей удалось достичь хорошего пространственного разрешения и лучшего отношения сигнал/шум, по сравнению с другими типами детекторов; за счёт высокой интеграции электроники удалось достигнуть малой потребляемой мощности, малого тепловыделения и рекордно низкого количества вещества - радиационная длина составила 1.1% . Кроме того, данные детекторы обладают высокой степенью радиационной стойкости [9].

Рисунок 2 - Гибридный пиксельный детектор. Слева - схематичное устройство одного пикселя гибридного пиксельного детектора [8], справа - фотография гибридного пиксельного детектора, полученная с помощью электронного микроскопа.

Однако в рамках предстоящей программы исследований на эксперименте ALICE данный тип детекторов не удовлетворяет ряду требований. Такие детекторы не обладают достаточным быстродействием - максимальная загрузка (частота считываний) у нынешних детекторов составляет 1 кГц для столкновения ядер свинца, тогда как требуется частота более 100 кГц для столкновения ядер свинца и более 400 кГц для столкновения протонов. Кроме того, размер пикселей используемых гибридных пиксельных детекторов составляет , тогда как для более прецизионной регистрации распадов образующихся в процессе соударения частиц и определении их первичных и вторичных вершин, а также для увеличения разрешающей способности детектора при регистрации треков этих частиц требуется большее пространственное разрешение и, соответственно, меньшие размеры пикселей. Помимо прочего, для увеличения разрешения по прицельному параметру требуется уменьшить количество вещества в ближайших к ионопроводу слоях детекторов с существующих 1.14% до 0.3% [2,9].

Таким образом, коллаборация эксперимента ALICE проводила поиск альтернативных пиксельных детекторов. После многолетних исследований выбор пал на монолитные активные пиксельные сенсоры семейства ALPIDE (ALICE PIxel DEtector). МАПС обладают рядом преимуществ по сравнению с гибридными пиксельными детекторами: они надёжнее, обладают лучшими шумовыми характеристиками, в большей степени радиационно прозрачны, имеют пиксели меньших размеров. В связи с необходимостью использования нового типа детекторов, возникла необходимость исследовании их рабочих характеристик. В России на данный момент только в Санкт-Петербургском государственном университете проводятся соответствующие исследования с такими детекторами.

Цели работы:

Провести исследования облучённых монолитных активных пиксельных детекторов ALPIDE в различных режимах работы при различных внешних условиях для определения ключевых рабочих характеристик, а также исследовать изменения этих характеристик после дополнительных облучений.

Задачи:

1) Исследовать изменение характеристик детекторов после их облучения различными дозами;

2) Провести продолжительные измерения для наблюдения низкотемпературного эффекта отжига облучённых детекторов;

3) Изучить возможность восстановления характеристик облучённых детекторов в результате их нагревания и охлаждения;

4) Исследовать влияние на характеристики детекторов приложения напряжения обратного смещения к подложке;

5) Провести исследования пиксельной матрицы после дополнительного ее облучения с использованием источника ионизирующего излучения.

Актуальность:

Данная работа представляет высокую значимость для детекторных комплексов коллайдерных экспериментов. Результаты исследований лягут в основу создания монолитных активных пиксельных детекторов будущих поколений и их модификаций. Данные, полученные в результате выполнения работы, будут использованы и учтены при создании внутренней трековой системы эксперимента ALICE и трековой системы эксперимента NA61/SHINE на Большом Адронном Коллайдере, внутренней трековой системы детектора MPD на коллайдере NICA и на других экспериментальных установках.

Новизна:

Монолитные активные пиксельные детекторы - новый класс пиксельных детекторов. В связи с этим их реальные физико-технические свойства недостаточно изучены.

Практическая значимость:

Результаты данной работы используются коллаборацией ALICE при создании внутренней трековой системы на основе монолитных активных пиксельных детекторов ALPIDE. Кроме того, данные результаты имеют практическую значимость при создании внутренней трековой системы для эксперимента MPD на отечественном коллайдере NICA и ряда других существующих и планируемых коллайдерных экспериментов. Результаты данной работы могут быть использованы при создании детекторных систем на основе МАПС для их применения в различных областях деятельности человека: медицине, материаловедении, военной промышленности и космонавтике.

1. Эксперимент ALICE на Большом Адронном Коллайдере

1.1 Физические задачи эксперимента ALICE

В связи с тем, что при столкновениях ядер свинца на БАК температура КГП может достигать порядка нескольких сотен мегаэлектронвольт, основная часть пар лёгких кварков () при низких значениях поперечного импульса рождается в результате термализации КГП. Тогда как рождение тяжелых кварков, таких как очарованный кварк (c) и прелестный кварк (b), за счёт термализации сильно подавлено из-за их больших масс (около 1,3 и 4,5 соответственно). Рождение тяжёлых кварков преобладает в самом начале столкновения, в жёстком взаимодействии нуклонов, до образования КГП. Эти жёсткие процессы происходят на масштабах времени для c-кварка и для b-кварка [2]. Согласно оценкам, основанным на существующих моделях, время формирования КГП аналогично или немного больше и составляет около [10]. Кроме того, массы c и b кварков и соответствующие (переданный импульс) велики, по сравнению с (энергетический масштаб квантовой хромодинамики), что позволяет вычислять сечения рассеяния продуктов с использованием теории возмущений. Таким образом, тяжёлые кварки чувствительны к свойствам окружающей их КГП [2,10].

Высокоточные измерения параметров очарованных и прелестных частиц в столкновениях тяжёлых ионов на БАК является одной из наиболее принципиальных физических мотиваций для модернизации детекторного комплекса ALICE и увеличения светимости коллайдера. Измерения выходов частиц с тяжёлым ароматом (частицы, содержащие с и b кварки) сделают возможным точное определение таких важных параметров сильновзаимодействующей материи, как начальную температуру КГП и коэффициенты переноса. Для ответа на следующие два вопроса требуется проведение высокоточных измерений с высокой статистикой [6,9]:

Как происходит термализация и адронизация тяжёлых кварков в среде. Может быть изучено в результате проведения следующих измерений:

Отношения числа барионов к мезонам для очарованных частиц () и для прелестных частиц ();

Отношение выхода странных очарованных частиц к очарованным частицам, не содержащим странного кварка ();

Азимутальной анизотропии для очарованных и прелестных мезонов (где - коэффициент второго порядка в разложении Фурье азимутального распределения частиц по отношению к плоскости реакции);

Возможности рождения очарованных кварков в среде КГП в процессе термализации [6,9].

Каковы энергетические потери и их зависимость от массы для тяжёлых кварков в среде КГП. Может быть изучено при измерении фактора ядерной модификации распределения поперечных импульсов D и B мезонов по-отдельности в широком диапазоне импульсов. Здесь фактор ядерной модификации - отношение числа частиц, родившихся в ядро-ядерном столкновении к числу частиц, родившихся в результате протон-протонного столкновения, нормированное на среднее число ядро-ядерных столкновений (формула 1) [6,9].

(1)

где - число частиц, родившихся в ядро-ядерном столкновении;

- число частиц, родившихся в результате протон-протонного столкновения;

- среднее число ядро-ядерных столкновений.

Эти два вопроса тесно связаны между собой: энергетические потери тяжелых кварков в среде КГП уменьшают импульсы этих тяжелых кварков, они могут термализоваться в системе и, таким образом, участвовать в динамике коллективного потока. Одновременное наблюдение этих двух явлений открывает возможность для определения коэффициентов переноса для тяжелых ароматов. Тяжелые ароматы являются отличными объектами для исследования, несущими в себе информацию о взаимодействиях внутри КГП. Частицы с тяжёлыми кварками, в этом смысле, выступают в роли маркеров «броуновского движения», их кинематическое распределение в области малых и средних поперечных импульсов отражает историю их перерассеяний [9].

Для ответа на два приведённых ранее вопроса исследуют следующие каналы распадов [6]:

Выход очарованных частиц из распада D мезона

;

;

.

облученный пиксельный детектор

Выход прелестных частиц

;

;

.

Выход барионов с тяжёлыми ароматами

;

.

Тяжёлые ароматы и струи

Функция фрагментации в струи [6].

Коллаборация ALICE уже представляла первые результаты, связанные с измерением выходов D мезонов в столкновениях ионов свинца в области больших поперечных импульсов. Текущая ВТС хорошо работает для изучения распадов очарованных и прелестных мезонов в определенные каналы (например, D0 >K- р+ и D+ > K- р+ р+) при поперечных импульсах . Однако для ответа на вопросы, представленные выше, требуется проводить измерения в области малых поперечных импульсов, в том числе и для измерений, связанных с выходом очарованных барионов и прелестных частиц. Для проведения измерений выходов и спектров частиц, содержащих очарованные и прелестные кварки в области малых поперечных импульсов необходимо, в первую очередь, улучшить качество восстановления треков этих частиц и определения вторичных вершин. Существующая на данный момент ВТС не способна проводить измерения в области малых поперечных импульсов, так как эффективность регистрации частиц с поперечным импульсом ниже 2 резко падает (рисунок 3), что не позволяет набрать необходимую статистику для данных процессов [6,9,11].



Рисунок 3 - Зависимость эффективности регистрации частиц от их поперечного импульса для существующей внутренней трековой системы, для комбинации существующих внутренней трековой системы + время-проекционной камеры и результат моделирования будущей внутренней трековой системы на основе МАПС [11].

Кроме того, существующий детекторный комплекс не способен обрабатывать события с частотой, превышающей 1 кГц для столкновений ядер свинца. В таблице 1 приведены статистические погрешности определения физических величин из каналов распадов, представленных ранее, для текущей интегральной светимости и светимости после обновления Большого Адронного Коллайдера, вычисленные в результате моделирования соответствующих процессов коллаборацией ALICE [2,6].

Таблица 1 - Минимальное значение поперечного импульса и соответствующая статистическая погрешность физических величин, получаемых в результате столкновения ионов свинца при светимостях БАК до и после модернизации.

Получаемая из распада величина	Текущая интегральная светимость (0.1 нб-1)	Интегральная светимость после обновления (10 нб-1)
	Минимальный поперечный импульс частицы (ГэВ/с)	Статистическая погрешность	Минимальный поперечный импульс частицы (ГэВ/с)	Статистическая погрешность
D мезона	1	10%	0	0.3%
Ds мезона	4	15%	<2	3%
из распада B	1.5	15%	1	5%
Выход	Неизмеримо	3	10%
бариона	Неизмеримо	2	15%
D мезона ()	1	10%	0	0.2%
Ds мезона ()	Неизмеримо	<2	8%
из распада B ()	Неизмеримо	1	60%
бариона ()	Неизмеримо	3	20%

Статистическая погрешность приведена для максимума между значениями поперечных импульсов 2 ГэВ/с и минимальным поперечным импульсом частицы, приведённым в таблице [6].

Таким образом, большинство новых физических задач, связанных с изучением кварк-глюонной плазмы, неразрешимо с использованием существующего детекторного комплекса. В связи с этим возникла необходимость в модернизации детекторов эксперимента ALICE. В частности, в ходе модернизации будет установлена новая внутренняя трековая система, в основе которой лежат монолитные активные пиксельные детекторы.

1.2 Новая внутренняя трековая система эксперимента ALICE

Основные задачи модернизации внутренней трековой системы [6,9]:

Требуется расположить первый детекторный слой ближе к ионопроводу. Решение этой задачи является ключевым моментом в модернизации, и её решение позволит улучшить разрешение по прицельному параметру. Предполагается расположить первый слой детекторов на расстоянии 23 мм от центра ионопровода, тогда как в текущей ВТС первый слой расположен на расстоянии 39 мм от центра;

Необходимо уменьшить количество вещества, используемого при создании ВТС. Количество вещества сильно влияет на разрешение по прицельному параметру при малых поперечных импульсах, так как в этом случае разрешение в основном определяется многократным кулоновским рассеянием. Кроме того, уменьшение количества вещества во ВТС позволит улучшить разрешение по импульсу и увеличить точность восстановления треков. Это связано с тем, что чем с меньшим количеством вещества частица будет взаимодействовать на своём пути, тем в меньшей степени она будет перерассеиваться и изменять свою траекторию;

Увеличение плотности пикселей на единицу площади, увеличение числа детекторных слоев вокруг точки столкновения пучков БАК и использование во всех слоях пиксельных детекторов тоже необходимо для повышения пространственного разрешения детекторного комплекса;

Увеличение скорости считывания обработки событий. На данный момент максимальная частота считывания ВТС составляет 1 кГц, тогда как после увеличения светимости будет требоваться 100 кГц для столкновения ядер свинца и 400 кГц для столкновения протонов [6,9].

В результате многолетних исследований, моделирований и обсуждений в коллаборации ALICE была принята единая концепция модернизации. Её часть, связанная с внутренней трековой системой, представлена в Technical Design Report for the Upgrade of the ALICE Inner Tracking System. Новая ВТС будет состоять из семи слоёв монолитных активных пиксельных детекторов, окружающих место столкновения (рисунок 4) [6].

Рисунок 4 - Модель новой внутренней трековой системы эксперимента ALICE [6].

Ближе всего к месту пересечения пучков (ионопроводу) расположены три слоя детекторов (внутренние слои). Радиус цилиндра самого близкого к ионопроводу слоя составляет 23 мм, следующего за ним - 31 мм и третьего цилиндра во внутреннем слое - 38 мм. Затем следуют два средних и два внешних слоя детекторов, имеющие диаметры от 196 мм до 393 мм [6].

Каждый слой состоит из набора гибридных интегральных сборок (рисунок 5).



Рисунок 5 - Устройство гибридной интегральной сборки для внутренних слоёв ВТС эксперимента ALICE [6].

Гибридная интегральная сборка представляет собой конструкцию, состоящую из:

Поддерживающей монолитной конструкции из углепластика [12]. Служит для крепления и позиционирования детекторных модулей ВТС. Обеспечивает жёсткость конструкции и постоянство положения детекторов в пространстве, относительно точки столкновения;

Охлаждающей панели (служат для отведения тепла от детекторов). Состоит из охлаждающей плоскости из углепластика и углеволокна с высоким коэффициентом теплопроводности и тонких полиамидных трубок для жидкостного охлаждения. Охлаждающая панель крепится к поддерживающей конструкции, а к охлаждающей панели крепятся пиксельные детекторы [12];

Монолитных активных пиксельных детекторов;

Гибкой шины. Гибкая шина представляет собой набор тонких проводников, с которыми соединяются детекторы на гибридной интегральной сборке. Служит для обмена данными с детекторами и их питания [6].

Размеры и геометрическая конфигурация гибридных интегральных схем разнятся в разных слоях. Длина гибридной интегральной сборки для внутренних слоёв составляет 290 мм, для средних слоёв - 900 мм, для внешних слоёв - 1500 мм [6].

В таблице 2 приведён ряд ключевых характеристик, которыми должны обладать детекторы во внутренних и внешних слоях ВТС [13]. ВТС, созданная на основе таких детекторов будет способна решить перечисленные ранее физические задачи.

Таблица 2 - Требуемые технические характеристики детекторов, используемых во внешнем и внутреннем слоях внутренней трековой системе [13].

Параметр	Внутренние слои	Внешние слои
Толщина кремния	50 мкм	100 мкм
Размеры детектора	15 мм x 30 мм	15 мм x 30 мм
Пространственное разрешение	5 мкм	10 мкм
Потребляемая мощность	< 300 мВт/см2	< 100 мВт/см2
Максимальное время интегрирования	30 мкс	30 мкс
Эффективность регистрации	>99%	>99%
Fake-hit rate	<10-6 /событие/пиксель
Полная ионизационная доза	270 крад 2.7 Мрад*	10 крад, 100 крад*
Неионизационные энергетические потери (1 МэВ neq/см2)	>1.7 x 1012 (TDR), 1.7 x 1013*	>1.7 x 1011 (TDR), 1.7 x 1012*

Technical Design Report эксперимента ALICE закладывается наработка на отказ (фактор 10), при этом остальные приведённые в таблице дозы - интегральные, за весь период эксплуатации новой ВТС (~ 6 лет непрерывного облучения).

Параметр FHR - fake hit rate - задаётся следующим образом [5]:

(2)

где - число срабатываний всех пикселей в отсутствии источников ионизирующих излучений за весь цикл опросов;

- число пикселей в матрице;

- число опросов всей матрицы.

2. Экспериментальная часть

2.1 Пиксельные детекторы

Пиксельные детекторы семейства ALPIDE (ALICE PIxel DEtector) - монолитные активные пиксельные сенсоры (МАПС) на основе технологии КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник), которые будут использоваться в модернизированной ВТС эксперимента ALICE. Ключевые характеристики этих детекторов представлены в таблице 3 [6,13].

Таблица 3 - Основные характеристики монолитного активного пиксельного детектора ALPIDE [13].

Толщина кремния	0,18 мкм
Радиационная длина	0.3% X0
Размеры детектора	15 мм x 30 мм
Размеры пикселя	28 мкм x 28 мкм
Пространственное разрешение	5 мкм
Потребляемая мощность	40 мВт/см2
Максимальное время интегрирования	10 мкс
Эффективность регистрации	>99%
Fake-hit rate	<<<10-6
Полная ионизационная доза	>500 крад
Неионизационные энергетические потери (1 МэВ neq/см2)	>1.7 x 1013

Особенность МАПС заключается в том, что, в отличие от гибридных пиксельных детекторов, чувствительная матрица пикселей и электронная часть производятся в одном технологическом процессе, на одном кристалле кремния (рисунок 6).



Рисунок 6 - Структура одного пикселя монолитного активного пиксельного детектора ALPIDE [6].

Благодаря монолитности конструкции детектор обладает рядом преимуществ по сравнению с гибридными пиксельными детекторами. Так, пропадает необходимость в сложной и ненадёжной технологии соединении сенсорной части и микроэлектроники, детектор получается более надёжным в плане механического воздействия. Благодаря монолитности удаётся достичь большей степени интеграции электронной составляющей, в результате размер пикселей можно сделать меньше (гранулярность выше); потребляемая детектором мощность и выделяемое тепло уменьшаются; происходит меньше потерь аналогового сигнала на пути от собирающего заряд электрода к предусилителю; применяется меньше вещества в детекторе и, следовательно, уменьшается радиационная длина; МАПС являются более стойкими к непрерывному облучению и обладают большим быстродействием. Помимо прочего, стоимость производства таких детекторов ниже за счёт использования уже существующих технологий КМОП [6,9,14].

Детекторы ALPIDE производятся по 180 нм КМОП технологии TowerJazz. В первом слое содержится электроника для предварительного усиления и формирования сигнала с собирающего заряд диода. Диод, собирающий заряд, реализован как переход между эпитаксиальным слоем и карманом n - типа (n-well). Сам собирающий заряд диод имеет малый размер - 2-3 мкм в диаметре. За счёт малых размеров (приблизительно в 100 раз меньше размеров самого пикселя) достигается малая ёмкость, что, в свою очередь, приводит к улучшению такого важного параметра, как соотношение сигнала к шуму. В качестве базовых элементов электронной схемы используются полевые транзисторы с изолированным затвором (затвор электрически изолирован от канала слоем диэлектрика - оксида кремния) различного типа проводимости. Толщина изолятора составляет 4 нм, что обеспечивает большую стойкость к полной ионизационной дозе (total ionising dose - TID), чем технологии с большей толщиной (например, технологии с толщиной 0,35 мкм). Электронная схема, встроенная в один пиксель, представлена на рисунке 7 [6,15].

Рисунок 7 - Принципиальная электронная схема усиления и формирования сигнала с одного пикселя [6].

Собирающий заряд диод схематично изображён на рисунке 7 как D1. Сигнал, получающийся в результате пролёта частицы через чувствительный объём детектора, попадает на вход предусилителя и дискриминатора. В дальнейшем сформированный сигнал считывается и обрабатывается в периферийной логике и данные передаются по сигнальной шине.

Электронную часть от чувствительного слоя отделяют вставки из сильно легированного акцепторами кремния p-типа (на рисунке 6 обозначено как «deep pwell»). Эти вставки предотвращают влияние носителей зарядов от ионизации частицей чувствительного слоя на работу транзисторов [6].

За слоем с электронной частью следует чувствительный слой (рисунок 6). Он представляет из себя эпитаксиальный слой полупроводника p-типа толщиной 25 мкм с высоким удельным сопротивлением (). При приложении напряжения смещения к собирающему заряды диоду в эпитаксиальном слое образуется обеднённая зона. Пролетающая через этот слой заряженная частица рождает в кремнии носители заряда - электроны и дырки. Носители заряда вне обеднённой зоны диффундируют в кремнии, а попадая в обеднённую зону, дрейфуют под действием электрического поля к катоду собирающего заряд диода. В результате сбора заряда образуется сигнал. Этот сигнал далее следует на вход электронной схемы, встроенной в пиксель (рисунок 7) [6].

До создания финальной версии детекторов ALPIDE существовало несколько поколений полномасштабных прототипов этих детекторов pALPIDE. Эти прототипы были созданы для исследования новой детекторной технологии, подбора оптимальных параметров работы, анализа шумовых характеристик, радиационной стойкости и других характеристик [12,14].

Детекторы pALPIDE первого и второго поколений (далее pALPIDE-1 и pALPIDE-2, соответственно) имеют размеры 15,3 мм на 30 мм и содержат в себе матрицу, состоящую из чувствительных пикселей (рисунок 8).



Рисунок 8 - Структура пиксельной матрицы детектора первых двух поколений: pALPIDE-1,2 [14].

Каждый пиксель имеет размер . Периферийная электроника так же представлена и занимает область . Колонки пикселей нумеруются от 0 до 1023 (слева направо, как показано на рисунке 8). Пиксельные строки пронумерованы от 0 до 511 (снизу-вверх). Матрица состоит из 32 зон (от 0 до 31), каждая из которых содержит 16 двойных колонок. Матрица поделена на четыре сектора 512Ч256 пикселей для исследования свойств и работоспособности находящихся в них пикселей. Четыре сектора детекторов pALPIDE-1,2 функционально идентичны. Отличаются они только размерами собирающих заряд диодов (разный зазор между диодом и электронной частью) и реализацией способа обнуления сенсоров (рисунок 9 и таблицы 4, 5) [14,15,16].



Рисунок 9 - a) Пиксель детектора pALPIDE-1, b) схематическое изображение собирающего диода, c) электрическая схема сброса. Рисунки a), b) и c) слева относятся к пикселям с транзисторным сбросом, справа - к пикселям с диодным сбросом [16].

Таблица 4 - Характеристики пикселей по секторам для детектора pALPIDE-1 [16].

Сектор	Зазор (Spacing), мкм	Метод сброса
0	1	Транзисторный
1	2	Транзисторный
2	2	Диодный
3	4	Транзисторный

Таблица 5 - Характеристики пикселей по секторам для детектора pALPIDE-2 [16].

Сектор	Зазор (Spacing), мкм	Метод сброса
0	2	Транзисторный
1	2	Транзисторный
2	4	Транзисторный
3	4	Диодный

Важным отличием pALPIDE-2 от pALPIDE-1 является то, что появилась возможность приложить напряжение обратного смещения к подложке (V back bias - Vbb). Приложение напряжения обратного смещения позволяет в значительной степени увеличить обедненную зону вокруг собирающего заряд диода и понизить входную емкость пикселя, что приводит к более эффективному сбору заряда и уменьшению шумов [11,13].

В третьем поколении детекторов pALPIDE-3 реализовано уже восемь секторов для исследования. Каждый сектор содержит пикселей, ширина составляет 3,74 мм. Характеристики пикселей для каждого сектора представлены в таблице 6 [13].

Таблица 6 - Характеристики пикселей по секторам для детектора pALPIDE-3 [13].

Сектор	Зазор, мкм	Метод сброса	М3, М5, М6, М8	Наличие Vcasn 2
0	2	Диодный	Оптимизированный размер	Есть
1	2	Диодный	Оптимизированный размер	Нет
2	2	Диодный	Аналогичны pALPIDE 1,2	Нет
3	2	Диодный	Оптимизированный размер	Есть
4	2	Диодный	Оптимизированный размер	Есть
5	3	Диодный	Оптимизированный размер	Есть
6	2	Транзисторный	Аналогичны pALPIDE 1,2	Нет
7	2	Транзисторный	Оптимизированный размер	Есть

После создания трёх поколений прототипов детекторов pALPIDE-1,2,3 была создана финальная версия данных МАПС - ALPIDE. Данный детектор уже не имеет деления на сектора и представляет собой матрицу, состоящую из одинаковых пикселей с характеристиками 5-го сектора детектора pALPIDE-3 (таблица 6). Именно этот тип детекторов исследовался в рамках данной работы.

2.2 Результаты экспериментальных исследований пиксельных детекторов

2.2.1 Исследование характеристик пиксельных детекторов после их облучения

В связи с различными радиационными повреждениями от постоянного облучения в кремниевых детекторах наблюдается изменение и ухудшение их технических характеристик: возрастает темновой ток, изменяется рабочая точка напряжения смещения, уменьшается эффективность собирания неравновесных носителей заряда и т.д. [17,18,19]. В монолитных активных пиксельных сенсорах в каждом пикселе содержится электронная схема предусилителя, формирователя и дискриминатора. Элементы этой электроники так же подвержены радиационному воздействию: разрушаются оксидные изоляторы в полевых МОП (метал-оксид-полупроводник) транзисторах, ухудшается качество омических контактов метал-полупроводник в различных частях детектора и т.д. [20,21]. Таким образом, исследование детекторов, получивших различные дозы, представляет большой практический интерес, позволяет оценить надёжность детекторов в условиях реального использования и даёт возможность найти пути частичного или полного восстановления работоспособности детекторов после сильного облучения.

Одними из возможных путей восстановления рабочих характеристик полупроводникового детектора являются его нагревание (например, эффект отжига) или его охлаждение (например, эффект Лазаря) [22-24].

Эффект отжига заключается в том, что при кратковременном нагревании кремниевого детектора до высокой температуры (порядка 100 0C и выше) за счёт тепловых колебаний частично восстанавливается кристаллическая структура кремния (уменьшается число точечных, линейных и объёмных дефектов, образовавшихся в результате облучения). При этом в меньшей степени проявляют себя ловушки, обусловленные появлением после облучения радиационно-индуцированных уровней, которыми захватываются носители заряда [20,22].

В рамках данной работы проводились эксперименты для исследования влияния облучения на детекторы ALPIDE в случае получения ими малой (60 крад) и большой (300 крад) доз. Кроме того, исследовалось проявления эффекта отжига в этих детекторах при температурах 20-500C.

Эксперименты по исследованию влияния облучения на МАПС ALPIDE проводились в учебной лаборатории ядерных процессов СПбГУ на стенде испытаний и аттестации монолитных кремниевых пиксельных детекторов детекторного устройства ВТС: ВТС-3, изображённом на рисунке 10.

Рисунок 10 - Экспериментальный стенд ВТС-3.

Экспериментальный стенд ВТС-3 состоит из:

Корпус, защищающий детектор от света с электростатическим заземлённым экраном. Электростатический экран предназначен для исключения воздействия электромагнитных помех на расположенные в корпусе электронные платы сопряжения и модули с детекторами;

Интерфейсная плата сопряжения модуля с детектором с компьютером. Предназначена для осуществления двунаправленного обмена данными между модулем с детектором и ЭВМ. Обеспечивает управление детектором, задаёт режимы тестирования и считывание данных с детектора и передачи накопленной информации на ЭВМ;

Модуль с детектором. Предназначен для исследования свойств и получения основных характеристик детекторов;

Система позиционирования источника ионизирующего излучения относительно детектора. Предназначена для установки источника ионизирующего излучения и его последующего позиционирования относительно детектора. Включает систему визуализации (подсветка) центра области облучения на детекторе во время настройки положения источника ионизирующего излучения относительно детектора;

Источник электропитания с ограничением максимального тока нагрузки. Предназначен для электропитания интерфейсной платы сопряжения и модуля с детектором, а также для обеспечения контроля тока в нагрузке;

Источник электропитания системы позиционирования источника ионизирующего излучения. Предназначен для обеспечения электропитания системы визуализации (подсветка) центра области облучения на детекторе;

Алюминиевый модуль для отвода тепла с контуром для жидкостного охлаждения. Предназначен для установки и поддержания постоянной температуры детектора за счёт циркуляции жидкости внутри контура;

Холодильная установка. Предназначена для установки и поддержания постоянной температуры жидкости в контуре охлаждения.

Управление детектором, задание режимов его работы и считывание данных производилось посредством интерфейсной платы с помощью электронно-вычислительной машины (ЭВМ).

В рамках данного исследования изучались два детектора финальной модификации ALPIDE. Оба детектора были облучены на рентгеновской установке (рентгеновская трубка с использованием вольфрамовой мишени (пик - 10 кэВ)) в Европейском Центре ядерных исследований (ЦЕРН). Первый детектор с серийным номером W8R22 получил дозу 60 крад, второй детектор с серийным номером W7R12 получил дозу 300 крад. Для детектора W7R12 имеются результаты измерения характеристик до облучения (точки 12.10.2016 во всех дальнейших результатах), для детектора W8R22 измерения проводились лишь после облучения.

В данной части работы исследовалось влияния радиационных эффектов на детекторы ALPIDE при получении малой дозы (60 крад) и дозы, соответствующей предполагаемой интегральной дозе, которую получит внутренний слой детекторов за весь период эксплуатации ВТС на эксперименте ALICE (270 крад за ~ 6 лет непрерывного облучения). Кроме того, проверялась возможность восстановления рабочих характеристик данных детекторов под действием продолжительного (на протяжении двух лет) низкотемпературного (при температурах 20-50 0C) отжига. Между измерениями детекторы хранились в комнатных условиях в футлярах, защищающих от попадания пыли и влаги, от статических разрядов.

Измерение тока, потребляемого микроэлектроникой в детекторе.

В ходе исследований автоматически изменялось напряжение обратного смещения Vbb от 0 до -1.5 вольт с шагом 0.1 вольта. Для каждого значения Vbb измерялись ток, потребляемый цифровой частью детектора и ток, потребляемый аналоговой частью детектора.

В результате данных тестов были получены зависимости, приведённые на рисунках 11-14. На рисунках 11 и 12 изображены зависимости тока, потребляемого аналоговой частью электроники, от напряжения обратного смещения для сильно облучённого и слабо облучённого детекторов. На рисунках 13 и 14 изображены зависимости тока, потребляемого цифровой частью электроники, от напряжения обратного смещения для сильно облучённого и слабо облучённого детекторов.



Рисунок 11 - Зависимость тока, потребляемого аналоговой электроникой детектора W7R12, от напряжения обратного смещения.

Рисунок 12 - Зависимость тока, потребляемого аналоговой электроникой детектора W8R22, от напряжения обратного смещения.



Рисунок 13 - Зависимость тока, потребляемого цифровой электроникой детектора W7R12, от напряжения обратного смещения.

Рисунок 14 - Зависимость тока, потребляемого цифровой электроникой детектора W8R22, от напряжения обратного смещения.

По представленным результатам сделаны следующие выводы:

Облучение не повлияло на зависимость тока, потребляемого аналоговой электроникой от напряжения обратного смещения исследуемых детекторов. Приложение напряжения обратного смещения не влияет на ток, потребляемый аналоговой электроникой детектора;

Сразу после облучения ток, потребляемый цифровой частью электроники сильно облучённого детектора, резко возрос при измерениях с малым напряжением смещения. Сразу после облучения при отсутствии напряжения обратного смещения детектор потреблял ток, превышающий максимально допустимое значение в 700 мА. При эффект не наблюдается. Этот результат подтверждает оправданность применения напряжения обратного смещения в качестве стабилизирующего фактора работы МАПС в условиях большого радиационного облучения;

Со временем ток, потребляемый цифровой частью электроники детектора W7R12 при падает, стремясь к значению до облучения;

Для слабо облучённого детектора эффект роста тока, потребляемого цифровой частью электроники, не наблюдается.

Пороговый тест.

Исследовался порог срабатывания определённого набора пикселей МАПС в зависимости от инжектированного заряда на определённые пиксели. В ходе данного исследования заряды инжектируются на выбранную группу пикселей (или на все пиксели) с последующим определением порога срабатывания данных пикселей. Порог срабатывания конкретных пикселей может меняться в зависимости от изменения электрических параметров порогового дискриминатора. Диапазон изменения амплитуды - величина инжектируемого заряда выбирается от 0 до 350 в единицах элементарного заряда, число инжектируемых зарядов - 50 на каждый пиксель. Строится распределение сработавших пикселей от величины инжектируемого заряда. Данное распределение аппроксимируется специальной функцией ошибок, параметрами которой являются: а) величина при которой инжектируемый заряд превышает определенный порог срабатывания - (таким образом, мы можем определить величину порога срабатывания); б) величина отклонения порога срабатывание от среднего значения - (формула 3, рисунок 15).

(3)

где - число инжекций заряда;

- величина порога;

- размытие порога (шум, temporal noise).

Рисунок 15 - Аппроксимация функцией ошибок зависимости отклика одного пикселя от величины поданного на него заряда.

Таким образом, аппроксимируя полученные зависимости для каждого пикселя можно определить величину порога срабатывания и ширину размытия порога (шум). В результате получаются гистограммы распределений порогов в пикселях и аналогичные гистограммы распределений шумов (ширин размытия порога), из которых определяется среднее значение порога и шума для всей пиксельной матрицы. Исследования проводились при фиксированных значениях электрических параметров порогового дискриминатора: порогового тока ITHR_PIX = 70 нА (рисунок 7) и порогового напряжения VCASN = 0.8В (рисунок 7) и при напряжении обратного смещения Vbb = -3В (указанные электрические параметры порогового дискриминатора и напряжении обратного смещения являются оптимальными, они были выбраны на основе комплексных исследований детекторов всех поколений).

Изменение среднего порога после облучения для исследуемых детекторов приведены на рисунках 16 и 17. Порог и его размытие далее в работе измеряются в единицах элементарного заряда e-.

Рисунок 16 - Изменение порога срабатывания пикселей для детектора W7R12 с течением времени.

Рисунок 17 - Изменение порога срабатывания пикселей для детектора W8R22 с течением времени.

На рисунках 18 и 19 можно видеть, как изменяется число шумовых зарядов со временем после облучения.

Рисунок 18 - Изменение шумовых зарядов для детектора W7R12 с течением времени.

Рисунок 19 - Изменение шумовых зарядов для детектора W8R22 с течением времени.

По представленным результатам сделаны следующие выводы:

После облучения детектора W7R12 дозой 300 крад порог срабатывания пикселей упал в 1.5 раза, а его размытие (шумы) выросло в 4 раза;

Изменение данной характеристики с течением времени после облучения не наблюдается ни для сильно облучённого детектора, ни для слабо облучённого детектора.

Исследование шумовых характеристик всей пиксельной матрицы.

Эти исследования предназначены для определения влияния облучения на шумовые характеристики детекторов ALPIDE. Исследование шумовых характеристик данных детекторов является важной составляющей их исследования. В соответствии с требованиями, представленными в таблице 2, параметр FHR (формула 2) не должен превышать максимально допустимое значение 10-6 /событие/пиксель. В рамках исследований производится проверка соответствия этому требованию. Кроме того, исследовалось влияние эффекта отжига на шумовые характеристики, такие как FHR и число шумящих пикселей.

С целью определения числа шумящих пикселей проводился циклический опрос всей пиксельной матрицы - 1 000 000 циклов опроса пиксельной матрицы при фиксированных значениях порогового тока ITHR_PIX = 70 нА (рисунок 7) и порогового напряжения VCASN = 0.8В (рисунок 7) для Vbb = -3В, и регистрировались пиксели, сработавших более одного раза. В результате работы системы сбора и обработки информации данные с пикселей записывались в файл, в котором для сработавших в ходе теста пикселей записаны координаты пикселей и число их срабатываний. В данном исследовании применялась маска, исключающая 50 пикселей с наибольшим числом срабатываний, так как считается, что эти 50 пикселей заведомо неработоспособны.

На рисунке 20 представлено изменение зависимости параметра FHR от числа сработавших пикселей с течением времени для сильно облучённого детектора W7R12. Точка на этом рисунке соответствует одному шумящему пикселю детектора W7R12 (измерение 12.10.16, до облучения). У слабо облучённого детектора W8R22 на всём протяжении исследований обнаруживается лишь один шумящий пиксель и аналогичная зависимость, соответственно, представляется лишь одной точкой.

Рисунок 20 - Изменение зависимости параметра FHR от числа шумящих пикселей с течением времени для детектора W7R12.

По представленным результатам сделаны следующие выводы:

С течением времени число шумовых срабатываний детекторов слабо изменяется. Число шумящих пикселей и шумовых срабатываний для слабо облучённого детектора также не изменяется. Однако для сильно облучённого детектора число шумящих пикселей с течением времени убывает;

После получения детектором ALPIDE дозы, сопоставимой с предполагаемой интегральной дозой, которую получит внутренний слой детекторов за весь период эксплуатации ВТС на эксперименте ALICE (~ 6 лет непрерывного облучения), параметр FHR превысил предельно допустимое значение 10-6 число срабатываний/пиксель•событие в пять раз. Однако число шумовых срабатываний для сильно облучённого детектора со временем снизилось.

Тест для проверки цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП), встроенных в детектор.

Были проведены исследования работы ЦАП и проверка линейности Аналого-цифровых преобразований для облученных детекторов. Выходные сигналы с исследуемых ЦАП соединялись с соответствующими мониторными разъемами детектора и затем обрабатывались соответствующими АЦП на плате сопряжения. Исследовались зависимости значений выходных токов и амплитуд сигналов как функция входных параметров ЦАП. Функциональные зависимости были линейно аппроксимированы. Наблюдаемая линейность сигналов с ЦАПов расположенных в детекторе с матрицей МАПС, свидетельствовала об исправности всех ЦАП данного детектора.

...