Адрон-электронная сепарация с помощью кремниевых детекторов в калориметре установки Цойс тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.23 ВАК РФ

п о им

I 0к1 1=3-6

Московский ордена Лешша, ордена Октябрьской революции и ордена Трудового Красного Знамени Государственный Университет имени М.В.Ломоносова

Научно - исследовательский институт ядерной физики

На правах рукописи УДК 539.1.074

Савин Александр Анатольевич АДРОН - ЭЛЕКТРОННАЯ СЕПАРАЦИЯ С ПОМОЩЬЮ КРЕМНИЕВЫХ ДЕТЕКТОР В КАЛОРИМЕТРЕ УСТАНОВКИ ЦОЙС ( 01.04.23 - физика высоких энергий )

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1993

»

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте ядерно физики МГУ им.М.В.Ломоносова

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

Башнджагян Г.Л. (НИИ® МГУ)

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Грамэницкий И.М. ( ОИЯИ, г.Дубна) кандидат физико-математических наук Семенов A.B. ( Институт экспериментальной и теоретаческиой физики, г.Москва )

Ji 4

Ведущая организация: Московский инженерно-физический

институт

Защита состоится ' 1Э93 года в 15 часов на

заседании Специализированного совета К-053.05.24 в Московском государственном университете

¿дрес: 119899, г.Москва, Ленинские горн, НИИЯФ МГУ, 19-нй корпус, аудитория 2-15

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке НИИЯФ МГУ. Автореферат разослан "/Т "¿^/Л^^ИЭЭЗ г.

Ученый секретарь

Специализированного совета са^с.__

доктор физико-математический наук Dri.Фомин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш.

В 1992 г. в лаборатории ДЭЗИ (ФРГ) был введен в действие уникальный и единственный в мире электрон - протонный коллайдер ГЕРА с анергией 314 ГэВ в с.ц.м., представляющий исключительные возможности для исследования глубоконеупругих процессрв, новых свойств элементарных частиц и их взаимодействий на расстояниях до ЗхПГ18 смЛ11

Важной задачей при исследовании физических процессов на коллайдере ГЕРА является разделение электромагнитной и адронной компонент, роздающихся в процессе взаимодействия. Особую актуальность данная задача приобретает при работе на электрон-протонном коллайдере;т.к. в составе конечных продуктов взаимодействия всегда присутствуют лептоны (е, ц, V) .

Выделение одиночных электронов, и особенно электронов в

струях? является сложной методической задачей . Принятая в установке ЦОЙС, расположенной на коллайдаре ГЕРА, методика сепарации основана на применении электромагнитного калориметра и адрон-алектронного сепаратора на базе кремниевых детекторов.

Кремниевые детекторы позволят1 проводить ионизационные измерения заряженных частиц в широком диапазоне ионизаций, за счет своих малых размеров улучшают координатное разрешение калориметра. Рабочая площадь таких детекторов практически совпадает с их геометрическими размерами ( 10 см2 ). Они работают при относительно невысоких напряжениях (100 в) и позволяют легко организовывать считывание информации.

Небольшая толщина кремниевых детекторов (вместе с электроникой около 3 мм), позволяет установить слой таких детекторов в электромагнитную часть калориметра установки ЦОЙС практически без изменения его свойств , в то время как возможности установки по сепарации электродов и адронов улучшаются на порядок . Одновременно, адрон - электронный сепаратор позволяет использовать независимый алгоритм поиска кластеров и исследования струй.

В рамках участия НИИЯФ МГУ в коллаборации ЦОЙС на коллайдере ГЕРА, в НИИЯФ МГУ была проведена большая работа по созданию технологии и внедрению в производство кремниевых полупроводниковых детекторов большой площади, разработана методика и аппаратура для испытаний детекторов и электроники адрон - электронного сепаратора установки ЦОЙС. Автор данной работы принимал активное участие в создании методик и аппаратуры как в НИИ® МГУ, так и непосредственно в лаборатории

ДЭЗИ, занимался разработкой программного обеспечения для всех тестирующих систем адрон - электронного сепаратора, участвовал в проведении испытаний и эксперимента на электрон - протонном коллайдере ГЕРА..

Цель работа.

Целью данной работа были: .

1. Разработка на основе отечественной техники и внедрение в производство в России кремниевых падовых детекторов большой площади для адрон-электронного сепаратора установки ЦОЙС.

2. Разработка и изготовление аппаратуры для тестирования детекторов и электроники сепаратора в НИИНФ МГУ в Москве и в Лаборатории ДЭЗИ (г.Гамбург, ФРГ).

3. Исследование возможностей сепаратора при разделении частиц, приходящих под различными углами.- ,

Научная новизна.

Впервые в физике высоких энергий в установке ЦОЙС используется около 20 тысяч кремниевых .. детекторов общей площадью 20 м2. Половина от общего количества детекторов (более 10 тысяч штук) должна стать вкладом НИИЯФ МГУ в создание установки ЦОЙС. Для изготовления этих детекторов была разработана специальная технология, проведены многочисленные эксперименты и испытания, позволившие освоить массовое производство детекторов на нескольких предприятиях России. Применение кремниевых детекторов большой площади приводит к резкому возрастанию шумов , что потребовало тщательного анализа

совместной работы детектора и считывающей электроники,

исследования их совместных характеристик, разработки

специальной тестирующей аппаратуры и программного обеспечения.

На защиту выносятся:

1. Участие в разработке технологии производства и методов тестирования кремниевых детекторов для адрон - электронного сепаратора установки ЦОЙС.

2. Создание оригинальной аппаратуры для исследования свойств кремниевых детекторов с токами утечки менее I нА. и емкостями меннее 10 пФ и аппаратуры для тестирования электроники системы считывания адрон-электронного сепаратора.

3. Модернизация и адаптация системы считывания калориметра установки ЦОЙС для работы с адрон - электронным сепаратором, создание прототипа системы считывания и пакета прикладных программ, управляющих набором данных.

4. Разработка алгоритма калибровки системы считывания адрон-электронного сепаратора.

5. Исследование возможностей адрон-электронного сепаратора по идентификации частиц приходящих под различными углами и вывод о том, что величина адронной примеси может быть ограничена на уровне 4-5% для всех углов и позиций входа частиц в калориметр при эффективности регистрации электронов 9055.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанные методики и аппаратура используется в настоящий

момент в НЙИНФ ИГУ и в лаборатории ДЭЗИ, 8 также могут быть применены на любой из строящихся или планируемых экспериментальных установок. Отдельные блоки и предлагаемые решения по схемотехнике системы считывания сепаратора могут быть использованы и уже применяются в других экспериментах

Апробация работы.

Материалы, изложенные в диссертации, докладывались на конференциях: International Conference on Instrumentation for colliding beam physics (Novosibirsk, 1990), International conference on Advansed technology and particle physics (Coino, Italy,1990), International Conference on High Energy Physics (Dallas, USA, 1993), на регулярных совещаниях коллаборации ЦОйС (1990 - 1993), а так же на семинарах, проводимых ЖД ОЭФВЭ и группой адрон-электроняого сепаратора (лаборатория ДЭЗИ, ФРГ).

Структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, содержит 140 страниц, включая 63 рисунка, II таблиц и 64 библиографические ссылки.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность изучения проблемы, указывается цель работы, показана новизна и практическая ценность диссертации. Сформулированы основные положения,

выносящеюся на защиту.

В первой главе приводятся основные характеристики электрон - протонного коллайдера ГЕРА (энергия в системе центра масс 314 ГэВ) и установки ЦОЙС 11, 21. Рассматриваются основные физические процессы, которые могут исследоваться при таких энергиях и для которых уровень сепарации электронов и адронов оказывается существенным: процессы с рождением тяжелых кварков, с появлением очарованных частиц, исследование "внутреннего очарования" протона и др. Рассматривается вопрос об улучшении сегментации калориметра благодаря адрон - электронному сепаратору и возникахдив в связи с этим возможности по изучению структурной функции для малых х и О2 [3, 41.

Два параграфа посвящены описанию физических принципов работы адрон - электронного сепаратора , даются краткие сведения о развитие электромагнитного и адрошюго каскадов в веществе калориметра, данные исследований Монте - Карло по оптимальноиу положению слоя кремниевых детекторов в калориметре [51. Описывается конструкция сепаратора, который должен состоять из двух сдоев кремниевых детекторов, кэадый площадью около 10 м2. Слои располагается на глубине ЗХд в электромагнитных частях переднего (по направлению протона) и заднего калориметров.

Вторая глава посвящена кремниевым детекторам.

В §2.1 приводятся необходимые сведения об ионизационных потерях частиц в кремнии.

- з -

В 5 2.2 кратко описываются физические принципы работы кремниевых двтекторов и основные источники увеличения обратного тока детекторов: за счет увеличения объемного заряда, за счет поверхностных утечек и диффузии зарядов появляющихся в необедгаиной области.

Первое подробное описание технология производства ионно -имплантированных детекторов для физики высоких энергий было приведено Кеммером (61 .В настоящее время такие детекторы производятся фирмами Англии, Франки, Японии. В России, до недавнего времени, не существовало технологии промышленного изготовления кремниевых детекторов большой шюшади, хотя отдельные группы вели исследования в. этом направлении. 171.

§2.3 посвящен,разработанной с участием автора } технологии производства конно-имплантированных кремниевых двтекторов для установки ЦОЙС. Приводятся схемы фотомасок и описание основных этапов технологического процесса: диффузии обратной стороны ионами фосфора, создание р-п перехода с помощью имплантирования кремния ионами бора с энергией 30 кЭв, создание контактных окон к р-п переходу, напыление алюминия.

В §2.4 содержатся схемы, созданной с участием автора^ установки для тестирования детекторов. Установка бала создана на основе автоматического зонда "Радар I" и ЭВМ ГВМ РС, с использованием отечественной измерительной аппаратуры. Разработанная методика измерений базируется на снятии вольт -амперной и емкостной характеристик р-п перехода с обратным I током диода до I нА и емкостью перехода до 10 пФ при

прикладываемом обратном напряжении до 300 В.

В третьей главе рассматриваются основные особенности системы считывания адрон-электронного сепаратора. Рассматривается проблема выбора первого транзистора предусилителя, показывается что применение полевого транзистора типа JfM позволяет добится соотношения сигнал/шум порядка 8 для миншально-ионизирующей частицы для данного типа детектора. Приводится пример расчета шумов системы считывания.

Важной особенностью системы считывания является применение специальных микросхем - аналоговых задержек ( pipeline ). В §3.3 и 3.4 приведены основные отличия системы считывания адрон - электронного сепаратора от системы считявадая калориметра установки ЦОЙС, описываются узлы?разработанные.с участем автора^ дня адаптации существупцей электроники. Приводится общая схема измененного канала считывания.

В системе считывания информации широко применяются процессоры: для управления оцифровкой информации применяется процессор DSP5600, для последуицего набора информации, ее накопления и передачи - транспьютеры. Кратко описывается система интерфейсов и созданный автором пакет прикладных программ.

§3.5 посвящен описании, созданной с участием автора^ аппаратуры для тестирования элементов электроники системы считывания. Аппаратура состоит из двух частей. Первая предназначена для измерения шумов электроники вместе с детекторами, снятия спектров радаоктивных источников с помощью кремниевых детекторов. Вторая служит для наладки и проверки

всех элементов тракта считывания и служила прототипом системы считывания адрон - электронного- сепаратора, которая работает в настоящее время в эксперименте.

В §3.6 описывается процедура калибровки тракта считывания.

Четвертая глава посвящена анализу, полученных с участием автора,экспериментальных результатов.

В §4.1 приводятся результаты измерения электрических параметров кремниевых детекторов, распре деления, полученные при работе с радиоактивными источниками, результаты анализа проблемы механических повреждений детекторов и изменения их параметров. Из приведенных данных видно, что разработанная технология производства позволяет получать кремниевые детекторы, удовлетворяющие требования адрон-электронного сепаратора, с токами утечки менее 200 нА при напряжении полного обеднения. Выход годных оцэнивается на уровне 67%.

В §4.2 показаны результата по комплексной проверке системы считывания адрон - электронного сепаратора. Приводятся шумовые характеристики и анализируется линейность тракта съема информации. Из приведенных результатов видно, что при регистрации реальных частиц флуктуация сигналов определяется

как: ^сагн. = ^ион.потерь^собир.заряда^злектроншш » и для минимально - ионизирующих частиц, где величина сигнала

составляет около 30 ООО электронов : аион.потерь э 4500 электронов , асобир.заряда ~ 200 электронов ,

Электроники = 4500 электронов .

Таким образом, суммарные флуктации заряда, в основному определится флуктуациями ионизационных потерь и шумами электроники. Дальнейшее уменьшение уровня шумов электроники не приведет к значительному уменьшению флуктуаций сигнала от реальных частиц.

В §4.3 рассматриваются результаты тестовых испытаний адрон - электронного сепаратора совместно с прототипом калориметра установки ЦОЙС с использованием электронного и адронного пучков с энергией 5 ГэВ/с. • Исследуется уровень сепарация для различных углов и. позиций входа частиц в калориметр. Рассматриваются различные метода анализа данных. В заключение делается вывод о том, что адрон-электронный сепаратор позволяет достичь величины адронной примеси , т.е. числа адронов принимаемых за электроны, отнесенное к полному числу адронов, 4-5% при эффективности регистрации электронов 90% во всем диапазоне углов прихода частиц. Совместный анализ информации от сепаратора кп. калориметрической информацией, позволяет снизить эту величину до 0.3-0.6 %.

В §4.4 приводятся результаты по работе сепаратора в установке ЦОЙС в сеансе 1992 года. Приводятся примеры зарегистрированных установкой ЦОЙС злектроп - протонных взаимодействий с участием адрон - электронного сепаратора. Приводятся данные по калибровке сепаратора минимально ионизирующими частицами ( мшнами ). В заключение показаны данные по измерению полного сечения фото рождения., выполненного на установке ЦОЙС в 1992 г.

В заключении приводятся основные выводы диссертации. Основные результаты и вывода диссертационной работы'можно сформулировать следующим образом:

1. С участием автора разработана технология производства на отечественном оборудовании и методы тестирования кремниевых детекторов для адрон - электронного сепаратора установки ЦОЙС.

2. Создана оригинальная аппаратура для исследования свойств кремниевых детекторов с токами утечки менее I нА и емкостями менее 10 пФ и аппаратура для тестирования электроники системы считывания адрон-злектронного сепаратора.

3. Проведена модернизация и адаптация системы считывания калориметра установки ЦОЙС для работы с адрон - электронным сепаратором, создан прототип системы считывания и пакет прикладных программ, управляющих набором данных. Измененная система считывания в данный момент успешно работает в

I

эксперименте.

4. Разработан алгоритм калибровки системы . считывания адрон-злектронного сепаратора.

5. Исследованы возможности адрон-электронного сепаратора по идентификации частиц приходящих под различными углами и сделан вывод о том, что величина адронной примеси может быть ограничена на уровне 4-535 для всех углов и позиций входа частиц в калориметр при эффективности регистрации электронов 9025.

По материалам изложенным в диссертации автор имеет I] печатных работ. Основные результаты опубликованы в следующих работах:

1. А.А. ArocLzero, G.L.Baahindyhagyan, P.F.Erroolov, E.A.Khlynov, E.N.Kuznetsov, A.A.Savin, A.G.Voronln, W.D.Nowak, K.Trutzschler

- Electromagnetic silicon module calorimeter. Proc. or the 5th Intern.Coni.on Instrum.ior Collid.Beam Ph., Novosibirsk, 1990, p. 355

2. A.A.Arodzero, G.L.Bashindyhagyan, P.F.Erroolov, E.A.Khlynov, E.N.Kuznetsov, A.A.Savin, A.G.Voronln, W.D.Nowak, K.Trutzschler

- Electromagnetic silicon module calorimeter. Proc. oi the Intern.Coni.on Advanced Techn.and Part.Ph., Como, Italy, 1990 -Nuclear Ph. В, 23A (1991) 45

3. А.А.Ародзеро, Г.Л.Башиндаагян, А.Г.Воронин, П.Ф.Ермолов, С.В.Кашигин, Е.Н.Кузнецов, А.А.Савин, Е.А.Хлынов - Кремниевые ионно-имплантированные детекторы площадью 25 см2 для физики высоких энергий. - НЙЙЯФ МГУ, 90-47/193, 1990

4. G.Jahnen, E.Kuzneteov, E.Kloth, K.-U.Poesnecker, A.Savin -The electrical perlomance oi lull size HES ski. ZEUS/HES-Note-91-10, 1991

5. A.Savin - Angular and positional dependence oi hadron -electron separation using the HES. - ZEUS-Note-92-114, 1992

6. ZEUS Collaboration*. A measurement oi ст^(тр) at -/~в = 210 GeV - DESY-92-127,1992 ; Phys.bett B293 (1992) 465

ЛИТЕРАТУРА.

1. Woll G. - НЕВА: Physics, Machine, and Experiment, Prepr.DESY-86-089, 1989

2. Wolï G. - The First Results Irora HERA. - Prepr.DESY-92-' 1992

3. A.All et al. - Heavy Quark Physics at HERA. - Proc.ol SERA Workshop, Vol.2, p.395, 1987

4. G.Ingelraan, L.Jotisson, M.Nyberg - Probing intrinsic c: quarks in the proton. - Proc.ol the HERA Workshop, Vo p.353, 1991

5. Eisenberg Y. et al. - Study of Optimal Position ol Sil Diode Planes. - ZEUS-tiote-88-030. 1988

6. Keirmer J. - The planar process for detector fabrication NIM A169 (1980) 499

7. Жиц M.M. и др. - Кремниевые полупроводниковые детеи ядерного излучения, изготовленные методом ионного легировг - ФИАН, M.I976