Оптимизация параметров кремниевых микростриповых детекторов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.23, кандидат физико-математических наук Короткова, Наталья Александровна

• Короткова, Наталья Александровна
• кандидат физико-математических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Короткова, Наталья Александровна

Введение.

Глава 1. Структура и принципы работы кремниевых детекторов.

1.1 Ионизационные потери заряженных частиц в кремнии и создаваемая ими ионизация.

1.2 Физические принципы работы кремниевых детекторов.

1.3 Технология производства кремниевых детекторов.

1.4 Основные параметры кремниевых детекторов.

Глава 2. Выбор дизайна кремниевых детекторов и метода считывания информации.

2.1 Размер и форма детектора.

2.2 Односторонние и двусторонние детекторы.

2.3 Детекторы с гальваническим и емкостным съемом сигнала (DC и АС детекторы).

2.4 Бинарный и аналоговый методы считывания.

2.5 Минимизация числа каналов регистрации при аналоговом считывании.

Глава 3. Моделирование внутренних процессов в микростриповых детекторах с емкостным делением заряда.

3.1 Моделирование емкостного деления и сбора заряда в кремниевых микростриповых детекторах.

3.2 Моделирование диффузионно-дрейфового переноса носителей заряда.

3.3 Моделирование флуктуаций ионизации и шума считывающей электроники.

Глава 4. Моделирование пространственного разрешения микростриповых детекторов.

4.1 Зависимость разрешения от расстояния между считывающими стрипами и числа промежуточных стрипов.

4.2 Роль межстриповой емкости и пути ее увеличения.

4.3 Влияние шумов считывающей электроники на разрешающую способность микростриповых детекторов.

4.4 Зависимость разрешения от угла, под которым частица пересекает детектор.

Глава 5. Алгоритмы определения координаты частицы при аналоговом считывании.

5.1 Алгоритмы поиска кластера внутри системы микростриповых детекторов.

5.2 Алгоритмы для определения координаты частицы.

5.3 Выбор оптимального алгоритма для разных диапазонов углов.

Глава 6. Экспериментальные результаты.

6.1 Установка ZEUS на коллайдере HERA.

6.2 Вершинный детектор установки ZEUS.

6.3 Результаты моделирования и выбор структуры микростриповых детекторов для вершинного детектора установки ZEUS.

6.4 Результаты эксперимента и их сопоставление с результатами моделирования.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптимизация параметров кремниевых микростриповых детекторов»

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:

1. Оптимизация структуры КМД и системы считывания информации в зависимости от условий и задач конкретного эксперимента.

2. Оптимизация алгоритма определения координаты ионизирующей частицы в КМД.

3. 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 5-10 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 «head-tail» 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°<8<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 5-10 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., па 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.

Заключение диссертации по теме «Физика высоких энергий», Короткова, Наталья Александровна

Основные результаты и выводы диссертационной работы можно сформулировать следующим образом:

1. Проведенный анализ различных вариантов КМД и методов считывания информации показал, что применение КМД с емкостным делением заряда и аналоговым считыванием является перспективным путем снижения затрат на системы с КМД. Использование методики съема информации, когда между активными, т. е. подключенными к каналу регистрации, стрипами располагается несколько (до 10) пассивных стрипов, позволяет резко сократить число электронных каналов прибора практически без потерь в разрешении, что в свою очередь дает возможность значительно упростить и удешевить системы, используемые в физике высоких энергий для определения траектории заряженной частицы (трековые установки, вершинные детекторы).

2. Разработана программа моделирования работы детектора, учитывающая все параметры, влияющие на его разрешение: 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, угол наклона трека ионизирующей частицы. Программа позволяет моделировать основные физические процессы: емкостное деление и сбор заряда, диффузионно-дрейфовый перенос носителей, флуктуации ионизации и шумы считывающей электроники.

При моделировании процессов диффузии и дрейфа образовавшихся в кремнии носителей заряда удалось учесть эффект нагрева носителей заряда в электрическом поле детектора, что позволяет избежать применения подгоночных параметров. Получено хорошее совпадение с экспериментальными данными.

3. В результате проведенного моделирования получены зависимости пространственного разрешения от основных параметров КМД:

- Шага считывания (расстояния между активными стрипами) и шага стрипов (расстояния между пассивными стрипами).

Показано, что пространственное разрешение КМД с промежуточными пассивными стрипами определяется в основном расстоянием между пассивными стрипами.

- Величины межстриповой емкости.

Если в КМД без промежуточных стрипов или с одним промежуточным стрипом большая межстриповая емкость может ухудшить разрешение, то в системе КМД с двумя и более промежуточными стрипами координатная точность возрастает с ее увеличением. Рассмотрены методы увеличения межстриповой емкости.

- Уровня шумов электроники и самого детектора.

- Угла, под которым частица пересекает плоскость детектора.

4. Совокупность полученных зависимостей и распределений позволяет оптимизировать структуру КМД и систему считывания, исходя из условий и задач конкретного эксперимента.

5. Анализ различных алгоритмов определения координаты частицы позволил выработать ряд практических рекомендаций по выбору оптимального алгоритма или комбинации алгоритмов, исходя из конкретной геометрии и параметров прибора, а также физических задач эксперимента. Показано, что оптимальным является алгоритм, в котором используются данные измерений лишь наиболее информативных каналов, т. е. наиболее чувствительных к изменению координаты, и с хорошим отношением сигнал/шум.

6. В рамках разработки конкретного прибора - нового вершинного детектора MVD установки ZEUS (DESY) проведен анализ физических аспектов проблемы и выполнен большой объем моделирования работы КМД на основе оригинальных программ. Основной задачей физического анализа и моделирования являлась оптимизация структуры кремниевых микростриповых детекторов с целью достижения требуемого пространственного разрешения MVD (не хуже 20 мкм) в широком диапазоне углов О°<0<7О° при минимальном числе каналов считывания электроники. В результате для нового вершинного детектора установки ZEUS была выбрана уникальная система КМД с пятью промежуточными стрипами. Результаты эксперимента подтвердили правильность разработанных методик и рекомендаций и доказали, что существенное сокращение числа электронных каналов (в 5 раз) может быть достигнуто практически без потерь в пространственном разрешении прибора. Новый вершинный детектор MVD был интегрирован в установку ZEUS в 2001 году и успешно эксплуатируется.

Заключение.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Короткова, Наталья Александровна, 2006 год

1. D.E. Groom et al., Review of Particle Physics, The European Physical Journal C1.5 (2000), 1.

2. G. Lutz, Semiconductor Radiaton Detectors. Device Physics. (Springer, Berlin, 1999)

3. S. Ramo, Currents induced by electron motion, Proceedings of the I. R.E., 1939.

4. Ю.К. Акимов, O.B. Игнатьев, А.И. Калинин, В.Ф. Кушнирук, Полупроводниковые детекторы в экспериментальной физике (Энергоатомизат, Москва, 1989).

5. J. Kemmer, The planar process for detector fabrication, Nucl. Instr. and Meth. A 169 (1980), p. 449.

6. I. Hietanen, Design and characterization of a silicon microstrip radiation detector, Research Institute for High Energy Physics, University of Helsinki, Report Series HU-SEFT-1990-02 (1990).

7. K. Leinonen. Fabrication of radiation detectors on high purity silicon. Licentiate's thesis. Helsinki University of Technology, Department of Electrical Engineering.

8. С. Зи, Физика полупроводниковых приборов, т. 1,2. (Мир, Москва, 1984).

9. Ю.А. Будагов и др., Ионизационные измерения в физике высоких энергий (Энергоатомиздат, Москва, 1988).

10. А.И. Абрамов, Ю.А. Казанский, Е.С. Матусевич, Основы экспериментальных методов ядерной физики (Атомиздат, Москва, 1977).

11. Г.Л. Башинджагян, Д.Е. Карманов, Н.А. Короткова, В.М. Мананков, М.М. Меркин, Моделирование диффузионно-дрейфового переноса носителей заряда в кремниевых микростриповых детекторах, Приборы и Техника Эксперимента №2 т.42 (1999), с.200.

12. J. Straver, О. Toker, P. Weilhammer, С. Colledani, W. Dulinski, R. Turchetta, L. Bosisio, One micron spatial resolution with silicon strip detectors, Nucl. Instr. and Meth. A 348 (1994),p. 485.

13. E. Koffeman, H. Tiecke, Mechanical Design and Construction of the ZEUS Microvertex Detector, ZEUS-Note-00-028 (2000).

14. E. Koffeman, A silicon Micro Vertex Detector for the ZEUS Experiment, Nucl. Instr. and Meth. A 453 (2000) p. 89.

15. ATLAS Collaboration, ATLAS Inner Detector Technical Design Report Vol.1 (1997).

16. DO Upgrade Collaboration, DO Silicon Tracker Technical Design Report (1994).

17. F. Lehner, The construction and performance of the 6-chip silicon ladders for the DO silicon main tracker, DO Note 3846 (2001).

18. Yu. Gershtein et al., SMT barrel assembly, DO Note 3849 (2001).

19. M. Caccia et al., A Si strip detector with integrated coupling capacitors, Nucl. Instr. and Meth. A 260 (1987) p.124.

20. J. Kemmer, G. Lutz, New structures for position sensitive semiconductor detectors, Nucl. Instr. and Meth. A 273 (1988) p. 588.

21. M. Krammer, Position resolution and charge collection efficiency, Nucl. Instr. and Meth. A 386 (1997), p. 193.

22. M. Krammer, H. Pernegger, Signal collection and position reconstruction of silicon strip detectors with 200 |im readout pitch, Nucl. Instr. and Meth. A 397 (1997) p. 232.

23. G. Hall, D. Vite, R. Wheadon, Calculation of the geometrical capacitance of silicon microstrip structures using a variational approach, Nucl. Instr. and Meth. A 326 (1993) p. 228.

24. W. Dabrowski, P. Grybos, M. Krammer, H. Pernegger, D. Rakoczy, Charge division in silicon strip detectors with a large strip pitch, Nucl. Instr. and Meth. A 349 (1994) p. 424.

25. H. Ikeda, S. Okuno, Characterization of the wide-pitch ohmic readout for a silicon micro-strip detector, Nucl. Instr. and Meth. A 365 (1995) p. 462.

26. U. K6tz, K.U. POsnecker, E. Gatti, E. Belau, D. Buchholz, R. Hofinann, R. Klanner, G. Lutz, E. Neugebauer, H.J. Seebrunner, A. Wylie, J. Kemmer, Silicon strip detectors with capacitive charge division, Nucl. Instr. and Meth. A 235 (1985) p. 451.

27. D. Passeri, P. Ciampolini, G.M. Bilei, L. Berta, Parasitic capacitances in thick-substrate silicon microstrip detectors, Nucl. Instr. and Meth. A 476 (2002) p. 751.

28. Г.Л. Башинджагян, Д.Е. Карманов, H.A. Короткова, M.M. Меркин, Моделирование и оптимизация кремниевых микростриповых детекторов для нового вершинного детектора установки ZEUS на коллайдере HERA, Препринт НИИЯФ МГУ 99-15/573 (1999).

29. G. Bashindzhagyan, N. Korotkova, Simulations of silicon microstrip detector resolution for ZEUS vertex upgrade, ZEUS-Note-99-023 (1999).

30. H. Hanai, J. Haba, N. Higashi, H. Ikeda, S. Koike, T. Matsuda, H. Ozaki, M. Tanaka,

31. T. Tsuboyama, M. Nakamura, K. Saito, S. Okuno, T. Kishida, Spatial resolution of silicon microstrip detector for particles with large incident angle, Nucl. Instr. and Meth. A 314 (1992), p. 455.

32. C. Troncon, Measurement of spatial resolution and charge collectiobn in double sided double metal silicon microstrip detectors, Nuclear Physics В (Proceedings Supplements) 44 (1995), pp. 287-291.

33. P. Chochula, V. Cindro, R. Jeraj, S. Macek, D. Zontar, M. Krammer, H. Pernegger, M. Pemicka, C. Mariotti, Readout of a Si strip detector with 200 цт pitch, Nucl. Instr. and Meth. A 377 (1996), pp. 409-411.

34. W. Dabrowski, P. Grybos, M. Idzik, Study of spatial resolution and efficiency of silicon strip detectors with different readout schemes, Nucl. Instr. and Meth. A 356 (1995), pp. 241-254.

35. T. Kawasaki, M. Hazumi, Y. Nagashima, K. Senyo, K. Sumisawa, T. Takegai, J. Haba,

36. T. Matsuda, H. Ozaki, T. Tsuboyama, Measurement of the spatial resolution of wide-pitch silicon strip detectors with large incident angle, IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. 44 No. 3 (1997).

37. R. Turchetta, Spatial resolution of silicon microstrip detectors, Nucl. Instr. and Meth. A 335 (1993), pp.44-58.

38. Y.-H. Chang, A.E. Chen, S.R. Hou, W.T. Lin, A study of the charge cluster characteristics and spatial resolution of a silicon microstrip detector, Nucl. Instr. and Meth. A 363 (1995) pp. 538544

39. E. Belau, R. Klanner, G. Lutz, E. Neugebauer, HJ. Seebrunner, A. Wylie, T. Boehringer, L. Hubbeling, P. Weilhammer, J. Kemmer, U. Koets, M. Riebesell, Charge collection in silicon strip detectors, Nucl. Instr. and Meth. A 214 (1983) pp. 253-260.

40. The DELPHY Collaboration. DELPHY 92-142 GEN 235 (1992).

41. The ZEUS Collaboration, The ZEUS Detector Status Report 1993 (DESY, Hamburg, Germany, 1993).

42. R. Klanner (for the ZEUS-Microvertex Group), The ZEUS Microvertex Detector, Proceedings of EPS-HEP 99, Tampere, Finland (1999) p. 988.

43. The ZEUS Collaboration, A Microvertex Detector for ZEUS, ZEUS-Note 97-006 (1997).

44. A. Garfagnini (for the ZEUS MVD group), The ZEUS microvertex detector, Nucl. Instr. and Meth. A 435 (1999) pp. 34-43.

45. C. Coldewey (for the ZEUS MVD group), The ZEUS microvertex detector, Nucl. Instr. and Meth. A 447 (2000) pp. 44-54.

46. U. Koetz (for the ZEUS MVD group), Test of silicon strip detectors for the ZEUS microvertex detector, Nucl. Instr. and Meth. A 461 (2001) pp. 210-212.

47. V. Chiochia (for the ZEUS MVD group), The ZEUS Micro Vertex Detector, Nucl. Instr. and Meth. A 501 (2003) pp.60-64.

48. M. Milite, Ph.D. Thesis, University of Hamburg.

49. E.N. Koffeman (for the ZEUS MVD group), The construction of the ZEUS micro vertex detector, Nucl. Instr. and Meth. A 473 (2001) pp. 26-30.

50. U. Koetz (for the ZEUS Microvertex Group), The ZEUS Microvertex Detector, Proc. of International Europhysics Conference on High-Energy Physics (HEP 2001), Budapest, Hungary (2001).

51. C. Coldewey (on behalf of the ZEUS microvertex group), Test of silicon strip detectors for the ZEUS microvertex detector, Nucl. Instr. and Meth. A 453 (2000) p. 149.

52. V. Radeka, Low-noise techniques in detectors, Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. vol.38 (1998) p. 217.

53. Л.Д. Ландау, Собрание трудов, т. 1 (Наука, Москва, 1969).

54. П.В. Вавилов, ЖЭТФ т. 32 (1957).

55. J.F. Bak, A. Burenkov et al., Large departures from Landau distributions for high-energy particles traversing thin Si and Ge targets, Nucl. Phys. В 288 (1987) pp.681-716.

56. M.T. Roco, Silicon Micro-strip Tracker Beam Tests Results, DO-Note 3405 (1998).

57. Г.Л. Башинджагян, H.A. Короткова, Применение емкостного деления заряда в кремниевых микростриповых детекторах, Приборы и Техника Эксперимента №3 т. 49 (2006), с. 27.

58. Г.Л. Башинджагян, Н.А. Короткова, Определение координаты ионизирующей частицы в системе кроемниевых микростриповых детекторов, Приборы и Техника Эксперимента №3 т. 49(2006), с. 41.