Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Структура и принципы работы кремниевых детекторов . 7
1.1 Ионизационные потери заряженных частиц в кремнии и создаваемая ими ионизация 7
1.2 Физические принципы работы кремниевых детекторов 11
1.3 Технология производства кремниевых детекторов 18
1.4 Основные параметры кремниевых детекторов 21
Глава 2. Выбор дизайна кремниевых детекторов и метода считывания информации . 25
2.1 Размер и форма детектора 25
2.2 Односторонние и двусторонние детекторы 26
2.3 Детекторы с гальваническим и емкостным съемом сигнала (DC и АС детекторы) 29
2.4 Бинарный и аналоговый методы считывания 33
2.5 Минимизация числа каналов регистрации при аналоговом считывании 33
Глава 3. Моделирование внутренних процессов в микростриповых детекторах с емкостным делением заряда . 35
3.1 Моделирование емкостного деления и сбора заряда в кремниевых микростриповых детекторах 35
3.2 Моделирование диффузионно-дрейфового переноса носителей заряда 44
3.3 Моделирование флуктуации ионизации и шума считывающей электроники 50
Глава 4. Моделирование пространственного разрешения микростриповых детекторов . 52
4.1 Зависимость разрешения от расстояния между считывающими стрипами и числа промежуточных стрипов 52
4.2 Роль межстриповой емкости и пути ее увеличения... 61
4.3 Влияние шумов считывающей электроники на разрешающую способность микростриповых детекторов 73
4.4 Зависимость разрешения от угла, под которым частица пересекает детектор 76
Глава 5. Алгоритмы определения координаты частицы при аналоговом считывании . 86
5.1 Алгоритмы поиска кластера внутри системы микростриповых детекторов 86
5.2 Алгоритмы для определения координаты частицы 93
5.3 Выбор оптимального алгоритма для разных диапазонов углов 103
Глава 6. Экспериментальные результаты. 114
6.1 Установка ZEUS на коллайдере HERA 114
6.2 Вершинный детектор установки ZEUS 117
6.3 Результаты моделирования и выбор структуры микростриповых детекторов для вершинного детектора установки ZEUS 123
6.4 Результаты эксперимента и их сопоставление с результатами моделирования 129
Заключение. 136
Литература. 138
- Ионизационные потери заряженных частиц в кремнии и создаваемая ими ионизация
- Детекторы с гальваническим и емкостным съемом сигнала (DC и АС детекторы)
- Моделирование емкостного деления и сбора заряда в кремниевых микростриповых детекторах
- Влияние шумов считывающей электроники на разрешающую способность микростриповых детекторов
Введение к работе
Актуальность темы
Применение кремниевых микростриповых детекторов (КМД) в физике высоких энергий расширяется с каждым годом. Если 10-15 лет назад общая площадь таких детекторов в больших установках составляла порядка 1 м2 (DELPHY, ALEPH), то в современных она достигает сотен, а в проектируемых - тысяч квадратных метров.
Популярность КМД объясняется их неоспоримыми достоинствами: малой толщиной, удобством применения и возможностью регистрировать заряженные частицы с пространственным разрешением, доходящим до 1 микрона. Эти преимущества столь существенны, что компенсируют сравнительно высокую стоимость КМД - порядка 10 Евро за 1 см2. Но затраты на производство самих КМД являются лишь частью общей стоимости системы. В настоящее время главная статья расхода - электроника. Стоимость используемых вместе с КМД многоканальных электронных чипов составляет около 1 Евро на канал регистрации. В то же время при средней длине 10 см и шаге стрипов 50 мкм на 1 см2 КМД приходится 20 каналов регистрации или около 20 Евро. Если к этому добавить высокую стоимость соединений КМД - чип, то оказывается, что стоимость самих КМД составляет лишь 25-30% в системе КМД - чип. В этих условиях оптимизация КМД и, прежде всего, увеличение шага считывания дает огромную экономию и резко упрощает всю систему.
Основными целями диссертационной работы являются:
Оптимизация структуры КМД и системы считывания информации в зависимости от условий и задач конкретного эксперимента.
Оптимизация алгоритма определения координаты ионизирующей частицы в КМД.
Оптимизация дизайна КМД для нового вершинного детектора MVD. Моделирование КМД в рамках разработки нового вершинного детектора MVD установки ZEUS (DESY, Гамбург), позволившее оценить пространственное разрешение и эффективность работы КМД различного дизайна и с разными параметрами и выбрать уникальный вариант КМД с пятью промежуточными пассивными стрипами.
Научная новизна.
Кремниевые микростриповые детекторы с одним промежуточным (пассивным) стрипом используются во многих экспериментах, позволяя вдвое уменьшить число электронных каналов. В данной работе впервые проведен физический анализ работы детектора с любым числом промежуточных стрипов. Разработанные на его основе программы позволяют моделировать функционирование и пространственное разрешение детектора при любом шаге и числе промежуточных стрипов, любом расстоянии между считывающими стрипами. Кроме того, учитываются практически все параметры, влияющие на пространственное разрешение: флуктуации ионизации, шумы электроники и самих детекторов, углы, под которыми частица пересекает детектор и т. д. Для правильного учета диффузии носителей в объеме детектора было проведено специальное исследование, позволившее рассчитать влияние нагрева носителей в электрическом поле на процесс диффузии.
Практическая ценность.
Применение разработанного пакета программ и полученных зависимостей позволяет выбрать оптимальную структуру детектора, исходя из условий конкретного эксперимента, и в 5-Ю раз уменьшить число каналов электроники. Этот фактор исключительно важен в экспериментах физики высоких энергий, где число регистрирующих каналов достигает десятков миллионов при стоимости 1-2 Евро за 1 канал.
Одновременно со стоимостью снижается потребляемая и, что очень важно, рассеиваемая электроникой мощность. Это позволяет упростить и удешевить систему охлаждения электроники. Уменьшение числа каналов регистрации ведет к соответствующему сокращению числа соединений, являющихся одним из самых слабых мест системы. Снижается её стоимость и резко возрастает надежность.
Совокупность всех этих факторов позволяет говорить о важности данной работы для новых экспериментов физики высоких энергий.
На защиту выносятся следующие основные результаты:
Методика съема информации с кремниевых микростриповых детекторов, в рамках которой между активными, подключенными к каналу регистрации стрипами расположено большое количество (2-10) пассивных стрипов. В этом случае пространственное разрешение прибора определяется в основном расстоянием между пассивными стрипами, а число активных стрипов и электронных каналов регистрации резко сокращается.
Программа моделирования работы детектора, учитывающая практически все его параметры: толщину детектора, удельное сопротивление кремния, способ считывания информации (AC/DC, бинарный/аналоговый), коэффициент диффузии и дрейфовую подвижность носителей заряда, шаг стрипов, шаг считывания, межстриповые емкости, емкости стрипов на обратную сторону, переходные емкости, флуктуации ионизации, шумы детектора и электроники, а также угол наклона трека ионизирующей частицы.
Учет эффекта нагрева носителей заряда в электрическом поле детектора при моделировании процессов диффузии и дрейфа носителей заряда.
Полученные в результате моделирования зависимости пространственного разрешения от: шага считывания (расстояния между активными стрипами), числа промежуточных (пассивных) стрипов и расстояния (шага) между ними, величины межстриповой емкости, уровня шумов электроники и самого детектора, угла наклона трека ионизирующей частицы.
Зависимости пространственного разрешения КМД от алгоритмов, используемых для определения координаты частицы. Показано, что наилучшим алгоритмом для малых углов прихода частицы является //-алгоритм, а при больших углах оптимальным является так называемый «head-tail» алгоритм, в котором используется информация только из крайних каналов кластера.
Результаты детального моделирования КМД в рамках разработки нового вершинного детектора (MVD) установки ZEUS (DESY) с целью достижения требуемого пространственного разрешения MVD (не хуже 20 мкм в широком диапазоне углов 0<9<70) при минимальном числе каналов считывающей электроники. На основе моделирования были выбраны и применены в эксперименте ZEUS уникальные КМД с пятью промежуточными стрипами.
Достоверность полученных результатов подтверждена испытаниями новых кремниевых микростриповых детекторов на ускорителе и успешной эксплуатацией нового вершинного детектора MVD установки ZEUS. Полученные в ходе эксперимента физические данные находятся в полном соответствии с результатами проведенного автором моделирования и доказывают, что система КМД может успешно работать даже в том случае, когда информация считывается лишь с каждого шестого стрипа.
Личный вклад автора. Все перечисленные в работе результаты были получены при личном участии автора. Автор являлся основным исполнителем в разработке и физическом обосновании методики съема информации с КМД, позволяющей увеличить шаг считывания в 5-Ю раз практически без ущерба для пространственного разрешения детектора. Лично автором было исследовано влияние всех основных параметров на работу КМД с промежуточными стрипами. Им была разработана программа и проведено моделирование пространственного разрешения детектора с произвольным числом промежуточных стрипов для разных углов падения ионизирующих частиц. Автор лично участвовал в проведении моделирования и оптимизации структуры КМД в рамках разработки нового вершинного детектора (MVD) установки ZEUS (DESY).
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на научных семинарах в международном исследовательском центре DESY (Гамбург, Германия) и в НИИЯФ МГУ, на 7-ом и 8-ом Международных рабочих совещаниях по вершинным детекторам (International Workshop On Vertex Detectors) в 1998 и 1999 гг., на Международных конференциях по физике высоких энергий (International Europhysics Conference on High-Energy Physics) в 1999 и 2001 гг., на 7-ой Международной конференции по аппаратуре для физики на сталкивающихся пучках (International Conference On Instrumentation For Colliding Beam Physics) в 1999, 8-ом Совещании по современным детекторам в Пизе (Pisa Meeting On Advanced Detector: Frontier Detectors For Frontier Physics) в 2000 г., были опубликованы в журналах «Приборы и Техника Эксперимента» [11,56,57], «Nuclear Instruments and Methods in Physics Research (Section A)» [43-46,50], а также в виде препринтов НИИЯФ МГУ [28] и коллаборации ZEUS (DESY, Германия) [29].
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Она содержит 141 страницу с 71 рисунком, 3 таблицами. Список цитируемой литературы состоит из 57 наименований.
Во введении обосновывается актуальность темы, её научная новизна и практическая ценность, формулируется цель и основные результаты работы.
В первой главе рассматриваются структура и физические принципы работы кремниевых детекторов, их основные параметры и технология их производства.
Во второй главе описываются и сопоставляются различные виды кремниевых детекторов, отличающиеся по размеру и форме, структуре и методу считывания информации.
Третья глава посвящена моделированию процессов, происходящих в КМД, а именно, моделированию емкостного деления и сбора заряда, диффузионно-дрейфового переноса носителей заряда, флуктуации ионизации и шума считывающей электроники.
Полученные результаты используются в четвертой главе для моделирования пространственного разрешения КМД. Исследуется зависимость пространственного разрешения КМД от расстояния между считывающими стрипами, числа промежуточных стрипов, величины межстриповой емкости, уровня шумов считывающей электроники и угла, под которым частица пересекает детектор.
В пятой главе анализируются различные алгоритмы определения координаты частицы, включая алгоритмы поиска кластера внутри системы микростриповых детекторов. Приводятся основные приемы по выбору оптимального алгоритма для большого диапазона углов.
В шестой главе проводится моделировапние микрострипового детектора в рамках конкретного эксперимента - нового вершинного детектора MVD установки ZEUS на коллайдере HERA (DESY, Германия). Проведенное моделирование позволило определить пространственное разрешение прибора для различных шагов считывания информации, различного числа промежуточных пассивных стрипов и выбрать в качестве рабочей уникальную систему с пятью промежуточными стрипами. Здесь же проводится сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными, полученными в ходе тестирования готовых модулей вершинного детектора MVD.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертации.
Ионизационные потери заряженных частиц в кремнии и создаваемая ими ионизация
Применение разработанного пакета программ и полученных зависимостей позволяет выбрать оптимальную структуру детектора, исходя из условий конкретного эксперимента, и в 5-Ю раз уменьшить число каналов электроники. Этот фактор исключительно важен в экспериментах физики высоких энергий, где число регистрирующих каналов достигает десятков миллионов при стоимости 1-2 Евро за 1 канал.
Одновременно со стоимостью снижается потребляемая и, что очень важно, рассеиваемая электроникой мощность. Это позволяет упростить и удешевить систему охлаждения электроники. Уменьшение числа каналов регистрации ведет к соответствующему сокращению числа соединений, являющихся одним из самых слабых мест системы. Снижается её стоимость и резко возрастает надежность.
Совокупность всех этих факторов позволяет говорить о важности данной работы для новых экспериментов физики высоких энергий. На защиту выносятся следующие основные результаты: 1. Методика съема информации с кремниевых микростриповых детекторов, в рамках которой между активными, подключенными к каналу регистрации стрипами расположено большое количество (2-10) пассивных стрипов. В этом случае пространственное разрешение прибора определяется в основном расстоянием между пассивными стрипами, а число активных стрипов и электронных каналов регистрации резко сокращается. 2. Программа моделирования работы детектора, учитывающая практически все его параметры: толщину детектора, удельное сопротивление кремния, способ считывания информации (AC/DC, бинарный/аналоговый), коэффициент диффузии и дрейфовую подвижность носителей заряда, шаг стрипов, шаг считывания, межстриповые емкости, емкости стрипов на обратную сторону, переходные емкости, флуктуации ионизации, шумы детектора и электроники, а также угол наклона трека ионизирующей частицы. 3. Учет эффекта нагрева носителей заряда в электрическом поле детектора при моделировании процессов диффузии и дрейфа носителей заряда. 4. Полученные в результате моделирования зависимости пространственного разрешения от: - шага считывания (расстояния между активными стрипами), числа промежуточных (пассивных) стрипов и расстояния (шага) между ними, - величины межстриповой емкости, - уровня шумов электроники и самого детектора, - угла наклона трека ионизирующей частицы. 5. Зависимости пространственного разрешения КМД от алгоритмов, используемых для определения координаты частицы. Показано, что наилучшим алгоритмом для малых углов прихода частицы является //-алгоритм, а при больших углах оптимальным является так называемый «headail» алгоритм, в котором используется информация только из крайних каналов кластера. 6. Результаты детального моделирования КМД в рамках разработки нового вершинного детектора (MVD) установки ZEUS (DESY) с целью достижения требуемого пространственного разрешения MVD (не хуже 20 мкм в широком диапазоне углов 0 9 70) при минимальном числе каналов считывающей электроники. На основе моделирования были выбраны и применены в эксперименте ZEUS уникальные КМД с пятью промежуточными стрипами. Достоверность полученных результатов подтверждена испытаниями новых кремниевых микростриповых детекторов на ускорителе и успешной эксплуатацией нового вершинного детектора MVD установки ZEUS. Полученные в ходе эксперимента физические данные находятся в полном соответствии с результатами проведенного автором моделирования и доказывают, что система КМД может успешно работать даже в том случае, когда информация считывается лишь с каждого шестого стрипа. Личный вклад автора. Все перечисленные в работе результаты были получены при личном участии автора. Автор являлся основным исполнителем в разработке и физическом обосновании методики съема информации с КМД, позволяющей увеличить шаг считывания в 5-Ю раз практически без ущерба для пространственного разрешения детектора. Лично автором было исследовано влияние всех основных параметров на работу КМД с промежуточными стрипами. Им была разработана программа и проведено моделирование пространственного разрешения детектора с произвольным числом промежуточных стрипов для разных углов падения ионизирующих частиц. Автор лично участвовал в проведении моделирования и оптимизации структуры КМД в рамках разработки нового вершинного детектора (MVD) установки ZEUS (DESY). Основные результаты работы докладывались на научных семинарах в международном исследовательском центре DESY (Гамбург, Германия) и в НИИЯФ МГУ, на 7-ом и 8-ом Международных рабочих совещаниях по вершинным детекторам (International Workshop On Vertex Detectors) в 1998 и 1999 гг., на Международных конференциях по физике высоких энергий (International Europhysics Conference on High-Energy Physics) в 1999 и 2001 гг., на 7-ой Международной конференции по аппаратуре для физики на сталкивающихся пучках (International Conference On Instrumentation For Colliding Beam Physics) в 1999, 8-ом Совещании по современным детекторам в Пизе (Pisa Meeting On Advanced Detector: Frontier Detectors For Frontier Physics) в 2000 г., были опубликованы в журналах «Приборы и Техника Эксперимента» [11,56,57], «Nuclear Instruments and Methods in Physics Research (Section A)» [43-46,50], а также в виде препринтов НИИЯФ МГУ [28] и коллаборации ZEUS (DESY, Германия) [29]. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Она содержит 141 страницу с 71 рисунком, 3 таблицами. Список цитируемой литературы состоит из 57 наименований. Во введении обосновывается актуальность темы, её научная новизна и практическая ценность, формулируется цель и основные результаты работы. В первой главе рассматриваются структура и физические принципы работы кремниевых детекторов, их основные параметры и технология их производства. Во второй главе описываются и сопоставляются различные виды кремниевых детекторов, отличающиеся по размеру и форме, структуре и методу считывания информации. Третья глава посвящена моделированию процессов, происходящих в КМД, а именно, моделированию емкостного деления и сбора заряда, диффузионно-дрейфового переноса носителей заряда, флуктуации ионизации и шума считывающей электроники. Полученные результаты используются в четвертой главе для моделирования пространственного разрешения КМД. Исследуется зависимость пространственного разрешения КМД от расстояния между считывающими стрипами, числа промежуточных стрипов, величины межстриповой емкости, уровня шумов считывающей электроники и угла, под которым частица пересекает детектор. В пятой главе анализируются различные алгоритмы определения координаты частицы, включая алгоритмы поиска кластера внутри системы микростриповых детекторов. Приводятся основные приемы по выбору оптимального алгоритма для большого диапазона углов.
В шестой главе проводится моделировапние микрострипового детектора в рамках конкретного эксперимента - нового вершинного детектора MVD установки ZEUS на коллайдере HERA (DESY, Германия). Проведенное моделирование позволило определить пространственное разрешение прибора для различных шагов считывания информации, различного числа промежуточных пассивных стрипов и выбрать в качестве рабочей уникальную систему с пятью промежуточными стрипами. Здесь же проводится сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными, полученными в ходе тестирования готовых модулей вершинного детектора MVD.
Детекторы с гальваническим и емкостным съемом сигнала (DC и АС детекторы)
Зонная структура полупроводника схематически изображена на рис. 1.2.1. При абсолютном нуле в полупроводнике есть полностью заполненные и полностью свободные зоны. Наивысшая заполненная зона называется валентной, наинизшая свободная - зоной проводимости. Они разделены запрещенной зоной AEg ( 1 эВ). При повышении температуры часть электронов из валентной зоны может перейти в зону проводимости за счет тепловой энергии, если она станет больше AEg . При этом в валентной зоне остаются незаполненные места - дырки, которые так же, как и ушедшие электроны, могут перемещаться по кристаллу, т. е. участвовать в проводимости. Полупроводники, у которых электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне появляются только за счет теплового движения, и число дырок равно числу электронов проводимости, называются собственными полупроводниками или полупроводниками /-типа.
В реальном кристалле всегда есть дефекты и примеси чужеродных атомов (последних, как правило, больше). Зонная структура идеального кристалла (рис. 1.2.1) искажается, и в запрещенной зоне появляются дополнительные уровни, связанные с этими дефектами или примесями. Уровни, расположенные вблизи верхнего края запрещенной зоны, электроны с которых сравнительно легко переходят зону проводимости, называются донорными (рис. 1.2.2(a) ). Уровни, расположенные вблизи нижнего края запрещенной зоны, называются акцепторными (рис. 1.2.2 (б) ). Они принимают электроны из валентной зоны, что означает появление дырок. Вероятность теплового переброса электронов с примесных уровней много больше, чем из валентной зоны в зону проводимости. Поэтому даже при малых температурах примесные уровни остаются ионизованными.
Полупроводник, у которого электроны в зоне проводимости возникают, в основном, в результате переходов с донорных уровней, называют электронным или полупроводником и-типа. Полупроводник, у которого проводимость обусловлена, в основном, переходом электронов из валентной зоны на акцепторные уровни, называют дырочным или полупроводником р-тит. Электронные или дырочные полупроводники называются примесными.
Ионизирующая частица, проходя через полупроводник, переводит электроны из валентной зоны или из более глубоких зон в зону проводимости или в вышерасположенные незаполненные зоны. Затем, в результате взаимодействий электронов с решеткой кристалла, электроны «падают» на дно зоны проводимости, а дырки «поднимаются» к верхнему краю валентной зоны. После этого распределение скоростей носителей, созданных заряженной частицей становится тепловым. Оба процесса, генерация и замедление носителей до тепловых скоростей, длятся 10 12 с.
Средняя энергия е, расходуемая частицей на образование одной пары носителей, примерно в 3 раза больше, чем величина зазора AEg между энергетическими зонами полупроводника. Так, у кремния AEg = 1.1 эВ, а е 3.6 эВ. Избыточная энергия &-AEg идет на возбуждение атомов решетки и повышение кинетической энергии носителей.
Внешнее напряжение U создает внутри кристалла электрическое поле. Электроны и дырки движутся под действием этого поля к электродам. По мере того, как носители смещаются, они индуцируют на электродах заряд, пропорциональный пройденной ими разности потенциалов [3]. Следовательно, для хорошей работы детектора в полупроводнике необходимо иметь достаточно протяженную область сильного электрического поля.
Конечной стадией процесса взаимодействия заряженной частицы с полупроводником является рекомбинация созданных этой частицей неравновесных носителей. Время рекомбинации носителей зависит от многих факторов. В частности, оно сильно зависит от вида и концентрации примесей в кристалле. Например, у высококачественного германия тг 5СИ-200 мкс при максимально возможном значении для беспримесного материала 1000 мкс. Очевидно, что для хорошей работы детектора необходимо, чтобы время сбора носителей на электроды было много меньше тг.
Сформулируем основные требования, которым должен удовлетворять полупроводниковый материал, чтобы его можно было успешно использовать в качестве твердотельного наполнителя ионизационного детектора. 1) Средняя энергия, расходуемая заряженной частицей на образование одной пары носителей, должна быть мала. Чем меньше ее значение, тем больше число носителей, больше сигнал, снимаемый с детектора, и тем меньше относительная флуктуация этого сигнала. 2) Носители должны достаточно быстро перемещаться под действием внешнего электрического поля, приложенного к детектору. Скорость перемещения носителей к электродам (скорость дрейфа v) пропорциональна их подвижности ц и напряженности электрического поля в детекторе Е: v = цЕ. Подвижности носителей обоих знаков и напряженность электрического поля должны быть достаточно велики, чтобы время сбора сигнала xs d / v (d - толщина чувствительного объема детектора) было много меньше времени рекомбинации тг. 3) Неравновесные заряды, генерированные частицей, должны полностью собираться на электроды. Это обеспечивает максимально возможную величину сигнала, его стабильность и пропорциональность поглощенной энергии. 4) Для регистрации небольшого заряда, создаваемого частицей в детекторе, необходимо, чтобы ток утечки детектора был минимальным. При подаче на электроды разности потенциалов через детектор течет постоянный ток, пропорциональный электропроводности материала (ток утечки). Число носителей заряда, перемещающихся между электродами и создающими ток, испытывает статистические флуктуации, абсолютное значение которых тем больше, чем больше ток. Если флуктуации тока Лі за время сбора заряда rs сравнимы с зарядом q, образованным в камере заряженной частицей, то ухудшается отношение сигнал / Совокупности требований 1-4 лучше всего удовлетворяют высокоомные кремний и германий. Однако их удельное сопротивление при комнатной температуре много меньше требуемого значения ( 1010 Ом-см). Теоретически возможно получить кремний с удельным сопротивлением 2.4-105 Ом-см, а на практике не более, чем 1.5-104 Ом-см. Существует два способа уменьшения тока утечки через полупроводник. 1) Создать тем или иным способом компенсированный полупроводник (в котором концентрации донорных и акцепторных примесей одинаковы), а затем работать с ним при пониженной температуре ( 50 -100 К). Однако на практике это не всегда удобно, а также неэффективно, т.к. некоторые примеси остаются ионизованными вплоть до 10 К. 2) Использовать свойства переходной области между полупроводниками с различными типами проводимости (р-л-переход) или между полупроводником и металлом (поверхностно-барьерный переход). При этом переход запирается обратным напряжением.
Моделирование емкостного деления и сбора заряда в кремниевых микростриповых детекторах
Решение о выборе размера и формы кремниевого микрострипового детектора принимается исходя из требований конкретной физической задачи и геометрии установки. Кроме того, при проектировании детекторов стараются эффективно использовать площадь кремниевых пластин. Сейчас пластины для производства детекторов нарезаются из круглого слитка монокристаллического кремния диаметром 100 или 150 мм. Внешний край пластины имеет многочисленные микротрещины и не используется. Поэтому размер и форму детектора подгоняют таким образом, чтобы он вписывался в круг диаметром около 90 или 140 мм. Иногда на одной пластине размещают несколько детекторов меньшей площади. В этом случае они должны быть разделены промежутками шириной 1.5-2 мм для последующей резки с помощью алмазного диска.
Если для решения физической задачи требуются длинные стрипы (12-15 см и более), то прибегают к соединению соответствующих стрипов нескольких последовательно расположенных детекторов с помощью микросварки.
Часто в пределах одной установки используются детекторы различных размеров и форм. Рассмотрим распространенный вариант применения кремниевых микростриповых детекторов в физике высоких энергий - вершинные детекторы. Новый вершинный детектор (MicroVertex Detector - MVD) для установки ZEUS на коллайдере HERA (Гамбург, Германия) состоит из цилиндрической части (Barrel MVD), в которой плоскости детекторов ориентированы параллельно оси пучка, и передней части (Forward MVD), состоящей из четырех дисков, расположенных перпендикулярно к пучку (рис. 6.2.1 из гл. 6) [13,14,48]. Цилиндрическая часть BMVD состоит из двух внешних концентрических слоев диаметрами 172.7 и 246.8 мм и внутреннего слоя, который покрывает только 120 по азимуту и повторяет эллиптическую форму вакуумной трубы ускорителя (рис. 6.2.3 из гл. 6). С целью унификации все микростриповые детекторы цилиндрической части имеют квадратную форму с длиной стороны 64.2 мм. Такой квадрат хорошо вписывается в круг диаметром 90 мм. Сдвоенные детекторы (в пару входят детекторы с взаимно перпендикулярными стрипами) расположены так, что перекрывают друг друга примерно на 5 мм, при этом рабочие площади перекрываются примерно на 2 мм. Такая конструкция позволяет избежать зазоров для частиц, летящих не только от оси пучка, но и из точек, смещенных по отношению к ней.
В вершинных приборах малого диаметра используют микростриповые детекторы меньшей ширины для того, чтобы они лучше вписывались в зазор между пучком и внешней системой. Так, например, в кремниевом трекере установки D0 на коллайдере Tevatron (FNAL, США) в цилиндрической части используются детекторы прямоугольной формы, имеющие размеры 2.1x6мм2 (минимальный радиус слоя 2.7 см) и 3.4x6 мм2 (минимальный радиус слоя 4.5 см) [16-18].
Детекторы дисковой части изготавливаются в форме трапеций, что позволяет лучше заполнить площадь диска между внешним и внутренним радиусом. Например, детекторы из передней части (FMVD) вершинного детектора установки ZEUS по форме являются трапециями двух видов, которые различаются по высоте (рис. 6.2.2 из гл. 6) [13,14,48]. Большие и малые трапеции геометрически являются частями одного и того же равнобедренного треугольника с основанием 64 мм и углом при вершине 180/7 (на каждом диске по периметру расположены 14 детекторов). Высота больших трапеций 73.5 мм выбрана так, чтобы расстояние между вершинами по диагонали составляло 90 мм, т. е. как раз вписывалось в стандартную пластину. Высота малых трапеций 48.5 мм диктуется эллиптической формой сечения трубы ускорителя. Каждая трапеция на диске состоит из двух детекторов. Стрипы в каждом из них направлены параллельно боковой стороне, а в паре детекторов расположены, соответственно, под углом 180/7. Такое расположение стрипов позволяет осуществлять измерение трека частицы по двум координатам. Боковые стороны соседних трапеций перекрываются на 4 мм, чтобы исключить зазоры.
Наряду с односторонними микростриповыми детекторами, у которых стрипы сформированы на одной (лицевой) стороне, образуя /?-и-переход (рис. 1.3.1), также находят применение двусторонние микростриповые детекторы, где стрипы формируются на обеих сторонах пластины. Тип проводимости стрипов в этом случае различен: с одной стороны -р-стрипы, а с другой - «-стрипы. При этом /7-я-переходы такого детектора по-прежнему располагаются лишь с одной лицевой стороны.
Положение трека ионизирующей частицы в односторонних детекторах реконструируется по пространственному распределению носителей одного типа, собранных только на лицевой стороне. Носители другого типа собираются на сплошной обратной стороне и не несут информации о положении трека. Двусторонние микростриповые детекторы позволяют использовать для определения координаты носители обоих типов: с /Лстрипов будет собрана информация о пространственном распределении дырок, а с и+-стрипов - о распределении электронов.
Несмотря на то, что двусторонние детекторы намного дороже, а их изготовление и монтаж существенно сложнее, они находят применение благодаря тому, что с их помощью можно получить вдвое большую информацию о положении трека ионизирующей частицы при том же количестве вещества. Это позволяет уменьшить многократное рассеяние частиц в веществе детектора, что очень важно в ряде экспериментов.
Если стрипы на двух сторонах расположены под углом друг к другу, то измеряются сразу две координаты частицы. Причем в случае аналогового считывания двусторонние детекторы в значительной степени позволяют избежать неоднозначности определения координаты в случае, когда несколько частиц одновременно пересекают детектор. Из-за флуктуации ионизации полное число генерированных электронно-дырочных пар неодинаково для разных частиц. В двустороннем детекторе, когда из одного зарядового облака определяются сразу две координаты, соответствие числа носителей, собранных на каждой из сторон, помогает идентифицировать отдельную частицу.
Влияние шумов считывающей электроники на разрешающую способность микростриповых детекторов
Как уже говорилось в главе 2, аналоговое считывание позволяет применить перспективную методику емкостного деления заряда. С ее помощью можно существенно улучшить координатное разрешение микрострипового детектора с большим шагом считывания (малым числом каналов электроники). Емкостное деление заряда между соседними каналами считывания реализуется с помощью пассивных стрипов и емкостной связи между стрипами. В результате появляется возможность получить координатное разрешение в несколько микрон при шаге считывания в сотни микрон.
Рассмотрим процесс емкостного деления и передачи заряда в микростриповом детекторе, в котором регистрация осуществляется с помощью зарядочувствительного усилителя. Отметим, что именно зарядочувствительные усилители широко используются в сочетании с кремниевыми детекторами, т. к. экспериментаторов в основном интересует полный собранный заряд, а не его изменение во времени. Эквивалентная электрическая схема микрострипового детектора с пятью промежуточными стрипами показана на рис. 3.1.1. При одинаковой геометрии каждый стрип, как пассивный, так и считывающий, имеет одинаковую емкость сь по отношению к обратной стороне детектора. Емкость между двумя соседними стрипами обозначена как с,-. Межстриповая емкость по отношению ко второму соседу (через один стрип) имеет величину примерно на порядок меньшую по сравнению с СІ [23,24], и на рисунке не показана. Съем сигнала с активного стрипа обычно осуществляется через переходную емкость сс . Эта емкость обычно формируется в процессе изготовления детектора как емкость между самим стрипом и слоем металла, которые изолированы друг от друга слоем окисла кремния и/или нитрида кремния.
Эквивалентная входная емкость зарядочувствительного усилителя определяется как с1» =К с/ гДе с/ емкость обратной связи в зарядочувствительном усилителе, ка - его коэффициент усиления по напряжению. Емкость са , на которую нагружен активный стрип, определяется последовательным соединением переходной емкости сс и входной емкости Для обеспечения более полного сбора заряда важно, чтобы са (соответственно с,л и сс) была велика по сравнению с собственными емкостями стрипа. Это и реализуется в зарядочувствительном усилителе. Даже в случае, когда сигнал считывается с каждого стрипа, собранный на одном из них заряд q полностью не попадает на вход зарядочувствительного усилителя. Он делится на четыре части, пропорциональные емкостям са , съ и двум эквивалентным емкостям сц и с,д электрической цепи слева и справа от рассматриваемого стрипа (рис. 3.1.2 ). Каждая из Образуется ИЗ Последовательно Соединенных С/ И СаИ При С,«Са С/= Сщ С; . с, На входе усилителя оказывается заряд qa = - q, определяя уровень полезного са+сь+2с, С с сигнала и соотношение сигнал/шум. Часть заряда, пропорциональная —, са+сь+2с, са остается на стрипе и не регистрируется. Заряды, пропорциональные и , попадают на входы усилителей соседних каналов и теоретически са+сь+2с, са+сь+2с, (при низком уровне шума) могут быть зарегистрированы. Однако они будут, соответственно, в в с,- / са меньше, чем в основном канале. Поэтому при выполнении требований са» ct и са » сь практически весь заряд попадает на вход усилителя основного канала, а его величина не зависит от емкости стрипа на обратную сторону и паразитных емкостей (соединительные проводники и т. д.). Требования са » ct и са » съ важно соблюдать и в случае, когда между считывающими стрипами находится один или несколько пассивных (промежуточных) стрипов. Но, кроме того, появляется еще одно требование с,- » сь . Таким образом, для эффективной работы такого детектора необходимо, чтобы выполнялись условия са » с,-» сь. Рассмотрим микростриповый детектор с одним промежуточным стрипом (рис. 1.1.3 ). Собранный на промежуточном стрипе заряд q в соответствии с принципом емкостного деления поделится на три части. Две из них, пропорциональные эквивалентным емкостям сц, CtR и примерно равные q, = —q, попадают на соседние (левый и правый) активные стрипы. Третья часть заряда —q останется на стрипе. Чем меньше емкость сь по отношению к с/ , тем полнее происходит сбор заряда. Поэтому требование с,- » съ очень важно для детектора с промежуточными (пассивными) стрипами, особенно, если их несколько. Каждый из зарядов qx, пришедший на активный стрип, вновь испытывает деление между емкостью съ активного стрипа, емкостью са подсоединенного к нему усилителя и эквивалентной емкостью всей цепи, расположенной дальше за активным стрипом. В случае с одним промежуточным стрипом эта эквивалентная емкость равна —-—— = —. Таким с с образом, на вход каждого из двух ближайших каналов попадает заряд -—q, который при СЬ«СІ приблизительно равен ——. Заряд, уходящий за пределы рассматриваемого интервала считьшания (не регистрирующийся в двух ближайших каналах), определяется как 2 1-і— і—q = L— 2-. Чем контрастнее неравенство с,«са , тем меньше потери заряда из-за утечек через дальние каналы, и тем ближе заряд в каждом из ближайших каналов к величине —. Теперь рассмотрим процесс емкостного деления на примере микрострипового детектора с пятью промежуточными стрипами (рис. 3.1.4 (а) ). Допустим, что частица пересекла детектор в области пассивного стрипа п (и=1,2 5), и на нем был собран заряд q. Заряд q разделится на три части в соотношении, пропорциональном соотношению емкостей съ, с„ъ, C„R, где cnL и C„R обозначают эквивалентные емкости всей электрической цепи, расположенной соответственно слева и справа от данного стрипа и (рис. 3.1.4 (б)).
