Создание прототипа кремниевого вершинного детектора эксперимента CLAS12 тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.16, кандидат физико-математических наук Рогожин, Станислав Вадимович

• Рогожин, Станислав Вадимович
• кандидат физико-математических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Рогожин, Станислав Вадимович

Оглавление

Введение

Глава 1. Применение кремниевых детекторов в современных экспериментах. Jefferson Lab и эксперимент CLAS12

1 Кремниевые детекторы в современных экспериментах

1.1 Эксперименты с фиксированной мишенью

1.2 Эксперименты на встречных пучках

1.3 Резюме

2 Модернизация комплекса Jefferson Lab

2.1 Зал А

2.2 Зал В

2.3 Зал С

2.4 Зал D

3 Научная программа и модернизация эксперимента CLAS12

3.1 Обобщенные партонные распределения

3.2 Spin puzzle

3.3 Структура возбуждённых состояний нуклона

3.4 Резюме экспериментальных требований

3.5 Модернизация детекторного комплекса CLAS12

Глава 2. Конструкция кремниевого вершинного детектора

1 Геометрия детектора

2 Число детектирующих плоскостей и расположение сенсоров

3 Шаг стрипов и разрешение сенсоров

4 Выводы

Глава 3. Кремниевые сенсоры для SVT

1 Разработка и изготовление сенсоров

1.1 Общий вид шаблонов для изготовления сенсоров

1.2 Элементы сенсоров

2 Тестирование сенсоров

2.1 Напряжение полного обеднения

2.2 Общий ток утечки сенсора

2.3 Токи утечки отдельных стрипов

2.4 Дефекты конденсаторов развязки

2.5 Результаты испытаний сенсоров

3 Сенсоры для трековой системы CLAS12

4 Выводы

Глава 4. Микросхема FSSR2

1 Описание микросхемы FSSR2

1.1 Аналоговая часть

1.2 Цифровая часть

2 Тестовый стенд для работы с FSSR2

2.1 Programmable Mezzanine Card

2.2 PCI Test Adapter

2.3 Платы для монтажа микросхем FSSR2

3 Испытания FSSR2

3.1 Шумовые характеристики микросхемы

3.2 Моделирование производительности FSSR2

4 Выводы

Глава 5. Создание прототипа модуля кремниевого вершинного детектора

1 Прототип 1

2 Прототип 2

3 Прототип 3

3.1 Измерения шума

3.2 Испытания на пучке

4 Выводы

Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Создание прототипа кремниевого вершинного детектора эксперимента CLAS12»

Введение

Национальная Ускорительная Лаборатория им. Т. Джефферсона (TJNAF, США) является одним из научных центров, исследующих кварковую структуру нуклонов, динамику кварков и глюонов. В настоящий момент лаборатория проходит масштабную модернизацию. В ходе модернизации энергия пучка Ускорительной установки на непрерывном электронном пучке (Continuous Electron Beam Accelerator Facility - CEBAF) увеличивается с 6 до 12 ГэВ. Повышение энергии пучка позволит наблюдать реакции в уникальном динамическом диапазоне больших значений виртуальности Q2 и скейлинговой переменной х; для обеспечения регистрации продуктов реакций соответствующие изменения претерпевают и три экспериментальных зала лаборатории: А, В и С; также строится четвёртый экспериментальный зал D.

На основе действующего в зале В детектора CLAS (CEBAF Large Acceptance Spectrometer) создаётся новый детекторный комплекс CLAS12. Ключевым элементом комплекса CLAS12 является новый кремниевый вершинный детектор (Silicon Vertex Tracker, SVT). SVT расширяет доступный диапазон телесных углов детектора почти до 4л в системе центра масс, что позволяет наблюдать эксклюзивные процессы. Высокий ток (90 мкА) пучка ускорителя CEBAF и, как следствие, высокая светимость (1035 1/с-см2), а также его непрерывный характер ставят особые требования к электронике считывания. В кремниевом вершинном детекторе используется микросхема FSSR2 архитектуры нового поколения «data-driven», не требующая внешнего триггера для считывания. Уникальность детекторного комплекса CLAS12 и важная роль кремниевого детектора определяют актуальность диссертационной работы. В настоящей работе рассмотрены все аспекты разработки прототипа кремниевого детектора: разработка конструкции детектора, создание и испытания сенсоров, испытания считывающей электроники, сборка и тестирование прототипов модулей детектора.

Целью диссертационной работы являются:

1. Разработка конструкции кремниевого вершинного детектора, обеспечивающего регистрацию продуктов реакции в большом диапазоне телесных углов, определение оптимального расположения и параметров используемых сенсоров.

2. Разработка, изготовление и испытания кремниевых сенсоров.

3. Создание программно-аппаратного комплекса для работы со считывающей микросхемой FSSR2, демонстрация её применимости в эксперименте CLAS12 и определение оптимальных параметров микросхемы.

4. Разработка рабочего прототипа кремниевого вершинного детектора и изготовление полной системы считывания.

Научная новизна работы определяется как особенностями эксперимента CLAS12, так и характеристиками считывающей электроники.

1. Впервые кремниевый детектор используется на непрерывном пучке в отсутствие внешнего сигнала запуска. Непрерывный электронный пучок ускорителя CEBAF обладает уникальными параметрами и позволит наблюдать реакции в ранее недоступной области импульсов и энергий.

2. Впервые требуется обеспечение близкого к 4л аксептанса в эксперименте с фиксированной мишенью. По этой причине конструкция SVT нетипична для экспериментов такого рода и ближе к кремниевым детекторным системам экспериментов на встречных пучках.

ЗТЛ о V/ U U о

. Кремниевыи вершинныи детектор является первой установкой, в которой считывание осуществляется в реальном времени микросхемами архитектуры «data-driven».

Практическая ценность работы:

1. Расчёты многократного рассеяния определили оптимальную конструкцию детектора, количество детектирующих плоскостей и параметры сенсоров.

2. Проведённые испытания доказали, что микросхема FSSR2 удовлетворяет требованиям эксперимента CLAS12, вследствие чего именно она была выбрана для кремниевого вершинного детектора.

3. Впервые в России создана система считывания на основе микросхемы архитектуры «data-driven». Полученный опыт работы с микросхемами такой архитектуры может быть использован в других экспериментах физики высоких энергий: так, например, в настоящий момент изучается возможность использования её в эксперименте СВМ (GSI, Германия).

Личный вклад автора:

Все результаты, представленные в диссертации, получены автором лично или при его непосредственном участии:

• Автор принимал участие в разработке и оптимизации конструкции трекера. С учётом эффектов многократного рассеяния было показано, что при заданной кинематике детектор может обеспечить координатное разрешение не лучше 40 мкм, вследствие чего был выбран шаг стрипов 150 мкм. Также было определено оптимальное количество детектирующих плоскостей: три в передней части детектора и четыре в центральной.

• При участии автора разработан комплект фотошаблонов и изготовлены кремниевые сенсоры. Изготовленные сенсоры протестированы и удовлетворяют требованиям.

• Разработан комплекс программ для испытаний микросхемы FSSR2. Изучение шумовых характеристик показало, что микросхема может обеспечить соотношение сигнал:шум 8:1 при длине стрипа 30 см. Создана программа, моделирующая работу логики микросхемы, на основе результатов программы показано, что быстродействие микросхемы достаточно для ожидаемых в эксперименте загрузок. Изучение различных режимов работы микросхемы позволило определить оптимальный.

• Создан работающий прототип модуля детектора, включающий в себя линейку кремниевых сенсоров, считывающие микросхемы, обрабатывающую электронику и управляющую программу. Прототип успешно испытан как на тестовом стенде, так и на пучке ускорителя.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на российских и международных конференциях:

• XII Международный Семинар по электромагнитным взаимодействиям ядер (EMIN-2009)

• X Межвузовская школа молодых специалистов "Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине" (Москва, 2009)

• XI Межвузовская школа молодых специалистов "Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине" (Москва, 2010)

а также на семинарах НИИЯФ МГУ и коллаборации CLAS12. Основные результаты опубликованы в 3 статьях в российских рецензируемых журналах, а также препринтах НИИЯФ МГУ и коллаборации CLAS12.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Разработанная оригинальная конструкция кремниевого вершинного детектора, обеспечивающая в эксперименте с фиксированной мишенью регистрацию продуктов реакции в углах от 5° до 135° в лабораторной системе координат с пространственным разрешением не хуже 40 мкм.

2. Разработанная топология кремниевых сенсоров, учитывающая

физические задачи и условия эксперимента CLAS12. Сенсоры имеют 256

каналов считывания с промежуточным стрипом, шаг стрипов 150 мкм,

что обеспечивает требуемое разрешение 50 мкм; угол относительно оси

8

детектора 1,5°. Параметры изготовленных сенсоров подтверждены испытаниями.

3. Созданная система тестирования для работы с микросхемой FSSR2 и результаты исследования микросхемы FSSR2. Полученные условия применимости микросхемы для задач CLAS12, практические соотношения сигнал:шум и быстродействие логики микросхемы.

4. Разработанные и изготовленные прототипы модуля кремниевого вершинного детектора.

Структура и объём диссертации:

Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, содержит 134 страницы, включая 108 рисунков, 11 таблиц и 54 библиографических ссылки. Содержание работы

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цели работы, показана новизна и практическая ценность диссертации. Приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены некоторые современные эксперименты, использующие кремниевые детекторы, продемонстрированы особенности экспериментов с фиксированной мишенью и на встречных пучках. Описан существующий экспериментальный комплекс TJNAF и элементы его модернизации, рассмотрены физические задачи эксперимента CLAS12, сформулированы основные требования к новому детекторному комплексу и описаны его компоненты.

Во второй главе на основе результатов моделирования и расчётов определена оптимальная конструкция кремниевого вершинного детектора, сформулированы требования к сенсорам.

Третья глава посвящена кремниевым сенсорам. Описываются разработка шаблонов, изготовление и методика тестирования сенсоров. Приведены результаты испытаний сенсоров.

В четвёртой главе рассказывается про микросхему Р88Ы2: приведено описание её работы, описан программно-аппаратный комплекс для работы с микросхемой и все проведённые с ней испытания. Приведённые результаты испытаний подтверждают возможность использования микросхемы Б 88112 в кремниевом вершинном детекторе.

В пятой главе описан процесс создания прототипа модуля. Приведены расчёты ожидаемого шума при подключённой линейке сенсоров, результаты испытаний модуля на стенде и пучковых испытаний.

В заключении сформулированы основные выводы диссертации.

Заключение диссертации по теме «Физика атомного ядра и элементарных частиц», Рогожин, Станислав Вадимович

Основные результаты диссертационной работы:

1. Разработана конструкция кремниевого вершинного детектора. Детектор состоит из цилиндрической (диапазон полярных углов 35°-125°) и дисковой (5°-35°) частей. Цилиндрическая часть включает в себя четыре вложенных друг в друга двухслойных цилиндра-барреля; в дисковой части находятся три двухслойных диска. Баррели состоят из 8, 12, 16, 24 секторов; каждый диск разделён на 15 секторов. Модули баррельной части составлены из трёх соединённых последовательно сенсоров; общая длина стрипа 30 см. Угол между стрипами двух сторон одного модуля 3°. Шаг стрипов на сенсорах составляет 150 мкм; точность определения координат и импульсов подтверждается моделированием.

2. Для создания прототипа кремниевого вершинного детектора разработаны шаблоны сенсоров. По разработанным шаблонам изготовлены две партии сенсоров на кремниевых пластинах толщиной 250 и 300 мкм. Все сенсоры протестированы; из 43 произведённых сенсоров требованиям удовлетворяют 29. Сенсоры из партии на пластинах 300 мкм использованы в дальнейшем для изготовления прототипов модуля детектора.

3. Создан программно-аппаратный комплекс для работы с микросхемой Б88К2. Проведённые испытания подтвердили, что микросхема соответствует требованиям, предъявляемым к электронике считывания кремниевого вершинного детектора, и позволили определить параметры, обеспечивающие наиболее эффективную работу микросхемы. Оптимальным режимом работы микросхемы Б Б 8112 является время формирования 125 не при отключённом восстановителе базовой линии: в этом режиме Р88Я2 может обеспечить соотношение сигнал:шум 8:1 при длине стрипа

30 см. Быстродействие микросхемы достаточно для того, чтобы потери событий составили менее 1% в регионе детектора с максимальной интенсивностью событий при пороге регистрации 0,4 м.и.ч.

4. Разработан, создан и успешно испытан прототип кремниевого вершинного детектора. Прототип включает в себя кремниевые сенсоры, микросхему FSSR2, считывающую электронику и программное обеспечение для работы с электроникой. При длине стрипа 30 см уровень шума в прототипе составляет 2800 ± 300 е~ , что обеспечивает соотношение сигнал:шум 8:1. Испытания прототипа с полной системой считывания проведены на протонном пучке ускорителя У-70 (ИФВЭ, Противно).

В заключении хотелось бы высказать благодарность тем, без чьего участия эта работа не могла бы быть выполнена.

Большое спасибо хочется сказать заведующему кафедрой Общей ядерной физики профессору Борису Саркисовичу Ишханову, моему учителю и наставнику.

Я благодарю своего научного руководителя Михаила Моисеевича Меркина и коллектив Лаборатории кремниевых детекторов ОЭФВЭ НИИЯФ МГУ: Александра Геннадиевича Воронина, Дмитрия Евгеньевича Карманова, Евгения Олеговича Курбатова за помощь в работе и их бесценные знания и опыт.

Кроме того, хотелось бы поблагодарить моих коллег из Jefferson Lab: Юрия Николаевича Готру, Амрита Йегнесварана, Брайана Инга и Марка МакМаллена за плодотворное сотрудничество.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Рогожин, Станислав Вадимович, 2012 год

Список литературы

[1] Чшингаров А.Г. Координатные полупроводниковые детекторы в физике элементарных частиц // ФЭЧАЯ. 1992. - Т. 23. - Вып. 3. - С. 785.

[2] Н. F-W. Sadrozinski. Applications of Silicon Detectors // IEEE Trans. Nucl. Sei. 2001. - V. 48. - No. 4. - Pp. 933-939.

[5] M. Keil et dl. Operation and performance of the NA60 pixel telescope //Nucl. Instr. and Meth. A. 2005. - V. 549. - Pp. 20-26.

[3] S. Masciocchi. Silicon microstrip detectors and the measurement of lifetimes of charmed hadrons: Inaugural-Dissertation zur Erlangung der Doktorwürde. -Heidelberg, 1996. - 190 p.

[4] С. Bauer et al. The HERA-B vertex detector system // Nucl. Instr. and Meth. A. 2000.-V. 453.-Pp. 103-108.

[6] V.M. Abazov et al. (The DO Collaboration). The Upgraded DO detector. // Nucl. Instr. and Meth. A. 2006. - V. 565. - Pp. 463-537.

[7] ATLAS Inner Detector Community. ATLAS Inner Detector Technical Design Report V. I, II. - CERN, 1997. (CERN/LHCC/97-16, CERN/LHCC/97-17)

[8] CMS Collaboration. CMS Physics Technical Design Report Volume I. - CERN, 2006. (CERN/LHCC 2006-001)

[9] The Hall В Collaboration. The Hall В 12 GeV Upgrade Preconceptual Design Report. Jefferson Lab, 2006.

[10] J. Alcorn et al. Basic Instrumentation for Hall A at Jefferson Lab // Nucl. Instr. and Meth. A. 2004. - V. 522. - Pp. 294-346.

[11] The Hall A Collaboration. Hall A 12 GeV Upgrade. Pre-Conceptual Design Report. Jefferson Lab, 2005.

[12] The Hall С Collaboration. Conceptual Design Report. Hall С 12 GeV/c Upgrade. Jefferson Lab, 2002.

[13] The Hall D Collaboration. Hall D Design Report and Notes. Jefferson Lab, 2000.

[14] D. Mueller et al. Wave Functions, Evolution Equations and Evolution Kernels from Light-Ray Operators of QCD // Fortschr. Phys. 1994. - V. 42. - P. 101.

[15] X. Ji. Gauge-Invariant Decomposition of Nucléon Spin // Phys. Rev. Lett. 1997. - V. 78.-Pp. 610-613.

[16] A. V. Radyushkin. Scaling limit of deeply virtual Compton scattering // Phys. Lett. B. 1996. - V. 380. - Pp. 417-425.

[17] M. Guidai, M. Vanderhaeghen. Double Deeply Virtual Compton Scattering off the Nucléon // Phys. Rev. Lett. 2003. - V. 90. - P. 012001.

[18] J.C. Collins, L. Frankfurt, M. Strikman. Factorization for hard exclusive electroproduction of mesons in QCD // Phys. Rev. D. 1997. - V. 56. - Pp. 29823006.

[19] A. Airapetian et al. Double-Spin Asymmetry in the Cross Section for Exclusive p° production in Lepton Proton Scattering. // Phys. Lett. B. 2001. - V. 513. - Pp. 301-310.

[20] P. E. Bos ted. Empirical fit to the nucléon electromagnetic form factors // Phys. Rev. C. 1995.- V. 51.-Pp. 409-411.

[21] J. Ellis, R.L. Jaffe. Sum rule for deep-inelastic electroproduction from polarized protons // Phys. Rev. D. 1974. - V. 9. - Pp. 1444-1446.

[22] Hai-Yang Cheng. The Proton Spin Puzzle: A Status Report // Chin. J. Phys. 2000. - V. 38. - No. 4. - Pp. 753-772.

[23] B.-Q. Ma, I. Schmidt, J.-J. Yang. Understanding the Proton Spin 'Puzzle' with a New 'Minimal' Quark Model // Eur. Phys. J. A. 2001. - V. 12. - Pp. 353-359.

[24] Буркерт В. Д., Мокеев В. И. Структура возбуждённых состояний нуклона. -М., 2009. - 15 с. (Препринт НИИЯФ МГУ № 11/855).

[25] S. Capstick, В. D. Keister. Baryon current matrix elements in a light-front framework // Phys. Rev. D. 1995. - V. 51. - Pp. 3598-3612.

[26] I. G. Aznauryan. Electroexcitation of the Roper resonance in relativistic quark models // Phys. Rev. C. 2007. - V. 76. - P. 025212.

[27] B. Julia-Diaz et al. Dynamical coupled-channels analysis of 1H(e,e'7i)N reactions // Phys. Rev. C. 2009. - V. 80. - P. 025207.

[28] P. Stoler et al (The CLAS12 Collaboration). Hard exclusive electroproduction of 7i° and ц with CLAS 12. - Jefferson Lab, 2006. - 65 pp. (Proposal to PAC30 E12-06-108).

[29] M. Battaglieri et al. (The CLAS 12 Collaboration). Meson Spectroscopy with low Q2 electron scattering in CLAS12. - Jefferson Lab, 2011. - 65 pp. (Proposal to PAC37E12-11-005).

[30] Мухин КН. Экспериментальная ядерная физика. - М.: Энергоатомиздат, 1993.

[31] A. Yegneswaran et al. CLAS 12 Silicon Vertex Tracker Quality Assurance/Quality Control. - Jefferson Lab, 2010. - 43 pp. (CLAS-Note 2010-016).

[32] Власов A.B., Стопани K.A. Компьютерное моделирование вершинного детектора установки CLAS 12 // ПТЭ. 2010. - №1. - С. 58-64.

[33] V.I. Mokeev et al. (The CLAS12 Collaboration). Nucleon Resonance Studies with CLAS 12. - Jefferson Lab, 2009. - 63 pp. (Proposal to PAC34 El2-09-003).

[34] S. Braibant et al. Investigation of design parameters for radiation hard silicon microstrip detectors // Nucl. Instrum. Meth. A. 2001. - V. 485. - Pp. 343-361.

[35] Башинджагян Г.Л., Короткова H.A. Применение ёмкостного деления заряда в кремниевых микростриповых детекторах // ПТЭ. 2006. - №3. - С. 2740.

[36] Никифорова-Денисова С.Н., Любушкин Е.Н. Технология полупроводниковых приборов и изделий микроэлектроники. Книга 5: Термические процессы. М.: Высшая школа, 1989.

[37] П.Ф. Ермолов и др. Методика массового тестирования односторонних микростриповых детекторов // ПТЭ. 2002. - №2 - С. 54-67.

[38] Зи С. Физика полупроводниковых приборов. М.: Мир, 1984.

[39] Тугое Н.М., Глебов Б.А., Чарыков Н.А. Полупроводниковые приборы. М.: Энергоатомиздат, 1990.

[40] V. Re et al. FSSR2, a self-triggered low noise readout chip for silicon strip detectors // IEEE Trans. Nucl. Sci. 2006. - V. 53. - № 4. - Pp. 2470-2476.

[41] L. Uplegger et al. First look at the beam test results of the FPIX2 readout chip for the BTeV silicon pixel detector // IEEE Trans. Nucl. Sei. 2006. - V. 53. - № 1. -Pp. 409-413.

[42] K. Honscheid. The BTeV experiment: Physics and detector // Eur. Phys. J. C. 2004.-V. 34. Pp. 375-377.

[43] Аткин Э.В. и др. Метод и интегральная микросхема для обработки нерегулярного во времени потока данных в многоканальной аппаратуре физического эксперимента // ПТЭ. 2010. - №4. - С. 61-67.

[44] Ideas ASA. The VA1 ' Specifications v0.92. 2004.

[45] M.E. Dinardo. A new micro-strip tracker for the new generation of experiments at hadron colliders: Tesi di Dottorato. - Milano, 2005. - 158 pp.

[46] P. Bonneau et al. Research and Development Status Report for Fiscal 2007. -Jefferson Lab, 2007. - 4 pp. (CLAS-Note 2007-014).

[47] P. Bonneau et al. FY06 R&D Status Report. - Jefferson Lab, 2006. - 2 pp. (CLAS-Note 2006-010).

[48] B. Eng et al. FSSR2 ASIC Test Board for the Silicon Vertex Tracker. - Jefferson Lab, 2008. - 2 pp. (CLAS-Note 2008-022).

[49] P. Bonneau et al. Design of the Hybrid Circuit Board for the Silicon Vertex Tracker. - Jefferson Lab, 2010. - 2 pp. (CLAS-Note 2010-004).

[50] Hartmann F. Evolution of Silicon Sensor Technology in Particle Physics. Berlin-Heidelberg: Springer, 2009.

[51] Курбатов E.O., Меркин M.M., Рогожин C.B. Расчёт быстродействия кремниевого вершинного детектора эксперимента CLAS12 // ВМУ. Серия 3. Физика и астрономия. 2012. - №3.

[52] Spieler H. Introduction to Radiation Detectors and Electronics. Lecture Notes -Physics 198, Spring Semester 1999.

[53] Акимов Ю. К. и др. Полупроводниковые детекторы в экспериментальной физике. М.: Энергоатомиздат, 1989.

[54] К. Nakamura et al. (Particle Data Group). The Review of Particle Physics I I J. Phys. G. 2010. - V. 37. - P. 075021.