Разработка и создание передней части трекера эксперимента D0 (FNAL) тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.23, кандидат физико-математических наук Карманов, Дмитрий Евгеньевич

• Карманов, Дмитрий Евгеньевич
• кандидат физико-математических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Карманов, Дмитрий Евгеньевич

Оглавление.

Введение.

Глава 1. Экспериментальная установка РО.

1.1. Краткое описание экспериментальной установки 00.

1.2. Трековая система эксперимента 00.

1.3 Точность восстановления параметров в трековой системе эксперимента при малых |т]|.

Глава 2. Особенности трековой системы в передне-заднем направлении.

2.1. Проблема регистрации треков с |"п|>2.

2.1.1. Точности определения "промахов" и импульсов пологих треков с \ т]\>2.

2.1.2. Основные размеры и полоэ!сение торцевых дисков, выбор типа детекторов.

2.1.3. Радиационные загрузки трековой системы в области \ >2.

2.2. Оптимизация геометрии торцевых дисков, исходя из перспектив их использования для физического анализа.

2.3. Основные элементы механической конструкции торцевых дисков.

Глава 3. Кремниевые детекторы торцевых дисков.

3.1. Кремниевые односторонние микростриповые детекторы (КМСД) с емкостным съёмом сигнала.

3.2. Требования к параметрам детекторов торцевых дисков.

3.2.1. Основные эффекты радиационной деградации.

3.2.2. Шумовые свойства КМСД.

3.2.3. Координатное разрешение.

3.2.4 Отношение сигнал к шуму в системе торцевых дисков, эффективность регистрации и подавление шумовых срабатываний.

3.2.5. Быстродействие детектора.

3.2.6. Дефектные каналы.

3.3. Спецификация детекторов торцевых дисков.

Глава 4. Особенности изготовления детекторов торцевых дисков, методика их испытаний и результаты.

4.1 Основные этапы изготовления микростриповых детекторов торцевых дисков.

4.2 Особенности технологии и конструкции микростриповых детекторов торцевых дисков.

4.2.1. Минимизация токов утечки стрипов.

4.2.2. Реализация переходного конденсатора.

4.2.3. Реализация поликремниевого резистора и сопротивление имплантации empuña.

4.2.4. Межстриповая емкость и полная ёмкость empuña.

4.2.5. Повышение рабочего напряжения р-п переходов.

4.3. Задача испытаний детекторов.

4.4. Общие требования к измерительному оборудованию и программному обеспечению.

4.5. Схемы измерений и методы расчета некоторых величин.

4.5.1. Измерение общего тока утечки детектора и токов стрипов.

4.5.2. Определение дефектов переходных конденсаторов стрипов.

4.5.3. Сопротивления поликремниевых резисторов.

4.5.4. Измерение межстрипового сопротивления.

4.5.5. Измерение напряжения полного обеднения.

4.5.6. Ёмкость переходного конденсатора.

4.5.7. Меэ/сстриповая емкость.

4.5.8. Измерение тотности поверхностного заряда в окисле.

4.5.9. Измерение потенциалов на системе охранных колец.

4.6. Основные результаты контроля качества детекторов торцевых дисков.

4.7. Радиационные испытания детекторов.

Глава 5. Сборка торцевых дисков, их испытания и некоторые результаты работы.

5.1. Точность сборки торцевых дисков и методика контроля точности.

5.2. Основные задачи и методика тестирования частей трекера D0.

5.2.1. Функциональный тест.

5.2.2. Тест надёжности.

5.2.3. Лазерный тест.

5.3. Анализ результатов тестирования детекторов и частей торцевых дисков трекера DO.

5.3.1. Сравнение общих токов утечки детекторов.

5.3.2. Сравнение напряжений обеднения измеренных на тестовых структурах и на лазерном стенде.

5.3.3. Корреляция мертвых каналов, найденных в лазерном тесте, с результатами измерений токов утечки конденсаторов.

5.4. Некоторые методические результаты работы торцевых дисков в составе трековой системы эксперимента DO.

5.4.1. Отношение сигнал к шуму в системе.

5.4.2. Восстановление масс частиц по информации из различных частей трековой системы DO.

5.4.3. Эффективность выделения событий с В-мезоном ("Ъ tagging").

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и создание передней части трекера эксперимента D0 (FNAL)»

С 1993 г. НИИЯФ МГУ сотрудничает в коллаборации эксперимента БО на протон-антипротонном коллайдере "Тэватрон" (США) где, в частности, участвовал в создании части трековой системы этого эксперимента, т.н. торцевых дисков. Торцевые диски служат для регистрации треков частиц вблизи оси пучка ускорителя. Требования к координатному разрешению, эффективности регистрации и быстродействию детекторов торцевых дисков основываются на соответствующих требованиях ко всей трековой системе эксперимента ЭО в целом. Кроме того, к торцевым дискам предъявляются специфические требования, связанные с высокой светимостью ускорителя (Ь>10 "см" /с) и, соответственно, высоким радиационным фоном в области расположения дисков (интегральные потоки адронпой

13 2 радиации - до 5x10 см" ). Эти требования определяют актуальность диссертационной работы, в которой, па примере разработки и создания детекторов для торцевых дисков трековой системы установки БО, представлен комплексный подход к оптимизации конструкции кремниевых микростриповых детекторов, учитывающий эффекты радиационной деградации и свойства конкретной считывающей электроники, в сочетании с методиками испытаний детекторов, обеспечивающими полный контроль их дефектности на всех этапах создания экспериментальной установки.

Целью работы автора являлась разработка оригинальных кремниевых микростриповых детекторов с координатным разрешением не хуже 12мкм, способных обеспечить высокую эффективность регистрации однозарядных релятивистских частиц (не хуже 98%) при работе

13 ^ в условиях высоких радиационных загрузок-до 5x10 см"" и частоте считывания до 10МГц.

Научная новизна диссертации определяется новым - комплексным подходом к оптимизации конструкции кремниевого микрострипового детектора, учитывающим сложные условия его работы в составе экспериментальной установки, в особенности: высокие интегральные потоки адронпой радиации - до 1014см'2, когда на работу детектора влияет эффект инверсии типа проводимости п-кремния; высокую частоту считывания данных, к тому же, повышающуюся в процессе работы ускорителя (период считывания данных меняется от 396нс до 132нс) и соответствующий рост шумов считывающей электроники; шумовые свойства многоканальной считывающей электроники на основе быстрого зарядочуствительного усилителя 8УХ-2Е, в частности, шум усилителя, связанный с ёмкостной нагрузкой па его входе, при значительной длине стрипов детектора. Также автором в диссертации предложен ряд оригинальных методик испытаний многоканальных кремниевых детекторов, позволяющих получить достоверную и достаточно полную информацию о качестве всех каналов детекторов без подключения штатной считывающей электроники.

Практическая ценность работы по созданию торцевых дисков для эксперимента D0:

• К 2008 году с использованием информации торцевых дисков коллаборацией D0 получен ряд важных результатов, в том числе, впервые зарегестрирован процесс одиночного рождения ¿-кварка, открыт новый барион Нь" (dsb) и впервые наблюдались осцилляции

• Впервые в России разработана оригинальная технология изготовления кремниевых микростриповых детекторов. По этой технологии впервые в России изготовлены кремниевые микростриповые детекторы для крупного физического эксперимента. В дальнейшем полученный опыт позволил с минимальными изменениями технологии изготовить в России детекторы для других экспериментов (ATIC, СВД-2, НУКЛОН) и планировать создание детекторов для новых проектов (СВМ, PANDA, CLAS12 и др.).

• Реализованы достаточно универсальные методики испытаний детекторов, которые позднее полностью или частично применялись в других экспериментах, использовавших кремниевые детекторы (ATIC, ATLAS, AMS, СВД-2, НУКЛОН) и могут использоваться в будущем при работе в новых проектах (СВМ, PANDA, CLAS12 и др.).

Личный вклад автора в рамках работ по созданию торцевых дисков:

• Автором проведено моделирование точности восстановления треков и поперечных импульсов частиц с участием торцевых дисков. Моделирование позволило выбрать оптимальное с точки зрения физических задач эксперимента и возможностей технической реализации координатное разрешение детекторов дисков - 12мкм.

• Автором проведена комплексная оптимизация конструкции микрострипового детектора торцевых дисков. В том числе:

С помощью расчетов и моделирования конкретной конструкции детекторов и считывающей электроники показано, что необходимое координатное разрешение детекторов - 12мкм достигается при шаге стрипов 40мкм и считывании данных с каждого второго empuña (шаг считывания 80мкм). Этот результат позволяет получить необходимое координатное разрешение при вдвое меньшем числе каналов считывающей электроники.

Проведены расчеты шумовых свойств системы "микростриповый детектор-усилитель SVX-2E", в том числе, под действием радиации, позволившие выбрать оптимальные размеры стрипов: полная длина <140мм, ширина аллюминия - 14мкм. При этом обеспечивается отношение "сигнал/шум">5 в самых жестких условиях работы

13 2 системы: эффективный интегральный поток нейтронов 5x10 см' , период считывания 132нс и сигнал от однозарядной релятивистской частицы делится между двумя соседними стрипами.

По результатам радиационных испытаний прототипов детекторов определены оптимальные параметры кремния для изготовления детекторов торцевых дисков —

11 3 кремний п-типа с концентраций донорной примеси Л^=(3.2ч-15)х10 см" . Такой выбор позволяет работать с постоянным напряжением смещения детекторов <100В в течении

13 2 всего периода эксплуатации (до эффективных интегральных потоков -5x10 см" ). Выполнены расчеты и проведены испытания по исследованию устойчивости конструкции микрострипового детектора к высоковольтному пробою. Полученные результаты использованы при оптимизации технологии изготовления детекторов торцевых дисков, в частности, оптимизированы дозы и профили легирования рп-переходов стрипов, охранных колец и блокирующего контакта задней стороны детектора.

• Автором была предложена и реализована оригинальная методика массового тестирования кремниевых детекторов. Её применение позволило быстро и полно проверять все детекторы для торцевых дисков и, в результате, изготовить в запланированные сроки диски с низким числом дефектных каналов - <2%.

• С участием автора разработаны и реализованы методики контроля точности сборки торцевых дисков, позволившие собрать диски с точностью лучше 20 мкм по критическим направлениям.

Основные результаты полученные в диссертации:

1. Разработаны оригинальные микростриповые детекторы для торцевых дисков трековой системы установки Детекторы способны эффективно работать в условиях высоких

13 2 радиационных загрузок - до 5x10 см" при частоте считывания до 10МГц и обеспечивают в этих условиях эффективность регистрации однозарядных релятивистских частиц не хуже 98% и координатное разрешение не хуже 12мкм.

2. В России разработана оригинальная технология и изготовлены кремниевые микростриповые детекторы для крупного физического эксперимента, полностью удовлетворяющие его требованиям. В диссертации разработаны оригинальные методики массового тестирования микростриповых детекторов, позволяющие быстро и достоверно оценивать качество приборов до подключения считывающей электроники. Проведено тестирование более 1500 детекторов для торцевой части трекера в соответствии с предложенными методиками. Полученные результаты позволили, в частности, скорректировать технологию изготовления детекторов, для лучшего соответствия их характеристик требованиям эксперимента. 3. Создана часть трековой системы установки DO - торцевые диски. Диски позволяют регистрировать пологие треки частиц (2<|г||<3.2), что повышает "аксептанс" установки. Информация торцевых дисков используется, в частности, в алгоритмах "мечения" событий с рождением ô-кварка (¿-tagging), это позволило коллаборации DO получить ряд важных физических результатов, в том числе, впервые наблюдались осцилляции В°5.

Достоверность результатов, полученных автором при разработке, оптимизации и испытаниях кремниевых микростриповых детекторов для торцевых дисков трековой системы эксперимента DO, подтверждается успешной работой этих детекторов в составе трекера эксперимента DO и соответствием их рабочих характеристик параметрам, заложенным при разработке. Апробация работы:

Основные результаты диссертационной работы обсуждались на семинарах, проводимых коллаборацией DO, и на рабочем совещании в ОИЯИ (г.Дубна). Кроме того, по методам измерений параметров кремниевых детекторов, и по результатам их массового тестирования для эксперимента DO был сделан доклад на рабочем совещании в CERN: 1-st Workshop on Quality Assurance Issues in Silicon Detectors, CERN, Geneva, 17-18 May 2001. "Quality assurance for the DO silicon main tracker." DO Collaboration. Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. V.M Abazov, . D. Karmanov et al. (DO collaboration)1 , "The upgraded DO detector." Nuel. Instr. Meth., 2006 Vol. A565, p.463.

2. П.Ф. Ермолов, Д.Е. Карманов, B.M. Мапанков.

Нейтронно-наведенные эффекты в зонном кремнии, обусловленные дивакансионными кластерами с тетравакансионным ядром." ФТП, 2002г. №Ю, том 36, стр. 1194.

3. П.Ф. Ермолов, А.Г. Воронин, Е.Г. Зверев, Д.Е. Карманов, E.H. Кузнецов, А.К. Лефлат, М.М. Меркин, Е.К. Шабалина.

Методика массового тестирования односторонних микростриповых детекторов." ПТЭ, 2002 г. №2, стр.54.

4. П.Ф. Ермолов, Е.Г. Зверев, Д.Е. Карманов, А.К. Лефлат, М.М. Меркип, Е.К. Шабалина. "Методика и сравнительный анализ результатов тестирования модулей кремниевого трекера для коллайдерного эксперимента DO (FNAL)."

ПТЭ, 2002г. №2, стр.42.

1 См. список соавторов "DO collaboration" от российских институтов в Приложении. 8

Структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, 5-ти глав и заключения, содержит 155 страниц, включая 76 рисунков, 14 таблиц и 64 библиографические ссылки. Содержание работы.

Заключение диссертации по теме «Физика высоких энергий», Карманов, Дмитрий Евгеньевич

Основные результаты диссертационной работы:

1. Основываясь на физических задачах и условиях работы торцевых дисков трековой системы эксперимента БО, разработаны оригинальные микростриповые детекторы для этой части трекера. В том числе:

• разработаны требования к конструкции и электрическим параметрам этих детекторов;

• проведена комплексная оптимизация конструкции детектора по координатному разрешению и минимизации шумов с учетом радиационной деградации детектора.

2. Впервые в России разработана оригинальная технология изготовления кремниевых микростриповых детекторов. По этой технологии впервые в России изготовлены кремниевые микростриповые детекторы для крупного физического эксперимента, полностью удовлетворяющие сформулированным выше требованиям.

3. Разработаны оригинальные методики массового тестирования микростриповых детекторов, позволяющие быстро и достоверно оценивать качество приборов до подключения считывающей электропики. Проведено тестирования более 1500 детекторов для торцевой части трекера Б0 в соответствии с предложенными методиками. Полученные результаты позволили, в частности, скорректировать технологию изготовления детекторов, для лучшего соответствия их характеристик требованиям эксперимента. Также в рамках тестирования изготовленных детекторов были проведены их радиационные испытания, которые подтвердили

13 2 работоспособность детекторов до интегальных потоков 3x10 п/см .

4. Создана успешно работающая часть трековой системы установки Б0 с характеристиками, удовлетворяющими требованиям поставленных физических задач. В рамках этой работы были разработаны, собраны и испытаны основные элементы торцевой части трекера Б0. Получена высокая точность сборки - лучше 20 мкм по критическим направлениям.

Торцевые диски повышают возможности регистрирующей аппаратуры ("аксептанс" установки ЭО) для ряда направлений исследований. В частности, с участием информации торцевых дисков реализованы алгоритмы "мечения" событий с рождением ¿-кварка (¿-tagging), которые используются в настоящее время при поиске ¿-кварка, бозопа Хиггса и исследовании Д$-осциляций. К 2008 году с использованием информации торцевых дисков получен ряд важных результатов, в том числе, впервые зарегестрирован процесс одиночного рождения /-кварка, открыт новый барион Еь (с^Ь) и впервые наблюдались осцилляции В°5.

В заключении мне хотелось бы выразить благодарность тем, кто помогал мне в этой работе, и без чьего участия эта работа не была бы выполнена.

Чувство искренней признательности я испытываю к моему научному руководителю М.М. Меркину, с которым я начал работать ещё будучи студентом и у которого научился многому, что и сейчас помогает мне в работе.

Я хотел бы сказать большое спасибо сотрудникам ОЭФВЭ, вместе с которыми участвовал в создании новой кремниевой трековой системы для эксперимента D0: Е.Г. Зверева, А.К. Лефлата, В.М. Мананкова и Е.К. Шабалину за помощь и многочисленные обсуждения сложных моментов, как в этой работе, так и в совместной работе по трекеру D0 в целом. Хотелось бы также поблагодарить всех сотрудников лаборатории калориметрических детекторов, и особо: А.Г. Воронина, E.H. Кузнецова за помощь в работе по созданию тестового оборудования для кремниевых детекторов, а Н.В. Баранову и Н.В. Петрусевич за помощь в работе по тестированию детекторов. И отдельная благодарность П.Ф. Ермолову за предоставленную возможность работать в составе коллаборации D0.

Кроме того, хотелось бы поблагодарить сотрудников ОАО "НИИ

Материаловедения"(Зеленоград, Москва), без их заинтересованности, желения сотрудничать и творческого участия в создании кремниевых детекторов, эта работа была бы просто невозможна.

Заключение.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Карманов, Дмитрий Евгеньевич, 2008 год

1.1- DO Collaboration // DO Note 2542, 1995, "The DO Upgrade". 1.2.- DO Upgrade Collaboration // DO Note 2894, 1996, "The DO Upgrade" 1.3 - B. Abbot et al. // Physical Rev. D, 1998 Vol. 58, p. 012002,

2. Measurement of the tt Cross Section in pp Collisions at -Js = 1.96TeV using Secondary Vertex b-tagging".16.-V.M. Abazov et al.// Phys. Rev. Lett. {98}, 2007, p. 181802,

3. Evidence for Production of Single Top Quarks and First Direct Measurement of |Vtb|". 1.7- J. Ellison, J. Rha // DO Note 3756, 2000, "Measurement of the Forward-Backward

4. Assymetry in eV and ¡j.+jj." events with DO in Run II". 1.8 V.M Abazov et al. // Phys. Rev. Lett. {97}, 2006, p. 021802, "Direct Limit on the B° Oscillation Frequency."

5. A. Patwa //XLIst Rencontres de Moriond: EW Interactions and Unified Theories. La Thuile, Val d'Aoste, Italy, March 11-18, 2006,

6. П.Ф. Ермолов и др.// Физика и техника полупроводников, 2002 г. Том 36, вып. 10,стр.1194. "Нейтронпо-наведенные эффекты в зонном кремнии, обусловленные дивакансионными кластерами с тетравакансионным ядром."

7. J. Matheson et al. //Nucl. Instr. Meth., 1996. Vol. А 371, p. 575.

8. В. MacEvoy, G. Hall, K. Gill // Nucl. Instr. Meth., 1996. Vol. A374, p. 12.

9. G. Lindström, M. Moll, E. Fretwurst// Nucl. Instr. Meth., 1999. Vol. A 426, p.15.314.-R. Wunstorf et al. // Nucl. Instr. Meth., 1992. Vol. A315,p.l49.if 2

10. Results on radiation hardness of silicon detectors up to neutron fluences of 10 ' n/cm ."

11. P.F. Manfredi, V. Speziali // Nucl. Instr. Meth., 1989. Vol. A279, p.152.

12. High dencity monolithic front-end systems for detectors without charge multiplication."316.-P. Seller //Nucl. Instr. Meth., 1996. Vol. A376, p.229

13. Noise analysis in linear electronic circuits."

14. И.А. Квасников // "Теория флуктуаций, брауновское движение и вопросы теории случайных процессов." Москва: Московский университет, 1977.

15. С. Gerber // DO Engineering Note 3823.112-EN-477, 1997. "Measurement of Rise-time in a Single Sided Ladder Detector"

16. А.Г. Воронин, Д.Е. Карманов // Препринт НИИЯФ МГУ 22/626, 2000 г. "Шумовая полоса и формирование сигналов в системе "Шумовая полоса и формирование сигнала в системе "кремниевый детектор - предусилитель - формирователь".

17. А.Г. Воронин, Д.Е. Карманов, М.М. Меркин // Препринт НИИЯФ МГУ 18/658, 2001 г. "Шумовые свойства канала с кремниевым детектором".

18. R. Klanner //Nucl. Instr. Meth., 1985. Vol. A235, nmb. 2, p.209.

19. Е.Г. Зверев, Д.Е. Карманов, M.A. Кубанцев и др. // Препринт НИИЯФ МГУ 14/518, 1998 г. "Измерение межстриповой ёмкости односторонних микростриповых детекторов для эксперимента DO (FNAL)".

20. Yu.Fisyak, J.Womersley // DO note 3191, 1997. "DOgstar - DO GEANT simulation of thetotal apparatus response."

21. GEANT User's Guide. CERNDD/78/2/2

22. M. Roco // DO note 3405, 1998. "Analysis of the SMT beam tests data."326. -E. Belau, R. Klanner, G. Lutz et al.//Nucl. Instr. Meth., 1983. Vol. A214, p.253.

23. Signal collection and position reconstruction of silicon strip detectors with 200 цт pitch."44.- G. Hall, D. Vite, R Wheadon // Nucl. Instr. Meth., 1993. Vol. A326, p.228.

24. Calculation of the geometrical capacitance of silicon microstrip structures using a variational approach."4.5,- D. Husson // IEEE Trans, of Nuclear Science, 1994. Vol. 41, p.811.

25. Capacityance Modelling for Double-sided Si detectors with Double-Metal Readout."46.- F. Arfelli et al. // Nucl. Instr. Meth., 1997. Vol. A385, p.311.

26. Design and evaluation of AC-coupled, FOXFET-biased, "edge-on" silicon strip detectors for X-ray imaging."

27. H.M. Тугов, Б.А. Глебов, H.A. Чарыков // "Полупроводниковые приборы", Москва: Энергоатомиздат, 1990 г.

28. The upgraded DO detector."