Электроника кремниевых детекторов и система контроля кремниевого адрон-электронного сепаратора установки ЗЕВС на коллайдере ГЕРА тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Введение.

Глава 1. Адрон-электронный сепаратор HES установки ZEUS.

Разработка FHES НИИЯФ МГУ.

1.1 Основные параметры установок ZEUS и HES.

1.2 Структурная схема HES.

1.3 Кремниевые детекторы и электроника считывания для HES.

1.4 Электроника проекта АТИК. Микросхема CR-1.

Глава 2. Формирование сигналов, шумовые и помеховые свойства канала считывания данных с кремниевыми детекторами.

2.1 Упрощённая схема аналоговой части канала. Усилитель.

2.2 Формирователи.

2.3 Виды шумов в аналоговой части канала считывания данных с кремниевого детектора.

2.4 Шумовая полоса формирователей.

2.5 Эквивалентная электрическая схема аналоговой части канала считывания данных с кремниевого детектора с учётом паразитных и технологических элементов.

2.6 Требования к источникам питания. Расчет шумовых и помеховых параметров канала считывания данных с кремниевого детектора.

2.7 Прохождение сигнала детектора и соотношение «сигнал-шум» в канале считывания данных.

Глава 3. Тестирующая и калибровочная система HES. Тестирование компонентов. Экспериментальные результаты проверок компонентов.

3.1 Общие принципы построения тестирующих систем физических установок с кремниевыми детекторами.

3.2 Общая схема тестирования и калибровки HES.

3.3 Вычислительная и программная часть тестирующей системы. Факторы, влияющие на точность измерений параметров в HES.

3.4 Тестирование и калибровка плат с детекторами.

3.5 Тестирование специальных многослойных печатных плат.

3.6 Тестирование формирователей и линейных драйверов.

3.7 Проверка распределителей питания PDC.

Глава 4. Базовый блок тестирующей системы HES. Экспериментальные результаты проверок блоков HES.

4.1 Назначение и состав блока. Линии связи между частями блока и центральным компьютером.

4.2 Тестирование плат аналоговой обработки сигнала АС 109 4.3. Тестирование системы управления детектирующими блоками

SCS).

4.4 Тестирование управляющей электроники АС и детектирующих блоков.

4.5 Развитие идеи тестирующей и калибрующей системы HES для других применений (АТИК).

Актуальность темы. Кремниевые полупроводниковые детекторы - микростриповые и падовые (сплошные) детекторы стали широко применяться в установках, регистрирующих взаимодействия или распад частиц высоких энергий. Системы кремниевых детекторов позволяют с высокой точностью (до 3-5 мкм) определить координаты заряженных частиц, динамический диапазон систем детекторов может достигать 2000 m.i.p. и более. Они позволяют проводить ионизационные измерения заряженных частиц в широком диапазоне ионизации, за счет своих малых размеров улучшают координатное разрешение калориметра. Рабочая площадь таких детекторов практически совпадает с их геометрическими размерами. Они работают при относительно невысоких напряжениях и позволяют легко организовать считывание информации.

Практически большинство важнейших физических исследований в области физики высоких энергий, по крайней мере в 90-х годах, выполнены на больших экспериментальных установках, использующих на ряду с другими детекторами, микростриповые или падовые детекторы.

В 90-х годах XX века в лаборатории ДЭЗИ (ФРГ) был введен в действие уникальный электрон - протонный коллайдер ГЕРА с энергией 314 Гэв в с.ц.м., на котором работают две крупно-масштабные установки - HI и ЗЕВС. НИИЯФ МГУ участвует в эксперименте ЗЕВС и в частности, в создании адрон-электронного сепаратора HES на основе падовых кремниевых детекторов. Одной из важных задач при исследовании физических процессов на коллайдере ГЕРА является разделение электромагнитной и адронной компонент, рождающихся в процессе взаимодействия. Особую актуальность данная задача приобретает при работе на адрон-электронном коллайдере, так как в составе конечных продуктов взаимодействия всегда присутствуют лептоны.

Выделение одиночных электронов и особенно электронов в струях в установке ЗЕВС решается по методике разделения электронов и адронов при помощи встроенного в электромагнитный калориметр адрон-электронном сепаратора (HES), выполненного на базе кремниевых детекторов.

Небольшая толщина кремниевых детекторов (вместе с электроникой около 3 мм), позволяет установить слой таких детекторов в электромагнитную часть калориметра установки ЗЕВС, практически без изменения его свойств, при этом возможности установки по сепарации электронов и адронов улучшаются на порядок. Адрон-электронный сепаратор позволяет так же использовать независимый алгоритм поиска кластеров и исследования струй.

НИИЯФ МГУ также создавал совместно аппаратуру космофизического эксперимента АТИК, использующего кремниевые детекторы с большим динамическим диапазоном измерения ионизации ядер (от 1 до 2000 m.i.p).

Существенную часть кремниевых детектирующих систем составляет многоканальная электроника считывания, формирования, амплитудного анализа и регистрации сигналов с полупроводниковых сенсоров. При создании кремниевых детектирующих систем требуется анализ шумовых свойств различных электронных схем для считывания сигнала с сенсоров, способов формирования сигнала с целью получения максимального отношения сигнал/шум при заданном быстродействии. Для многоканальных систем с применением специализированных электронных схем, обладающих большим разбросом параметров и относительно низкой надежностью, определяющее значение приобретают тестирующие системы.

Анализ электроники кремниевых детекторов и принципы создания аппаратуры тестирующих систем использованы автором в основном при разработке аппаратуры установки ЗЕВС, а также аппаратуры эксперимента АТИК. Целью диссертационной работы являлось:

• анализ параметров измерительного канала с кремниевым детектором для получения критериев работоспособности канала, разработки процедуры тестирования и калибровки, набора тестов и тестируемых параметров с учетом компонентов реальной электрической схемы канала, в том числе паразитных или полученных при изготовлении электроники с использованием микроэлектронной технологии,

• создание тестовых и калибровочных систем для адрон-электронного сепаратора установки ЗЕВС, использующего кремниевые детекторы,

• разработка и создание электроники кремниевых детекторов установки АТИК. Научная новизна и практическая ценность работы заключается в том, что впервые проанализированы общие свойства электронного канала кремниевого детектора с учетом различных элементов, в том числе паразитных, впервые разработана аппаратура как для одновременного массового тестирования и калибровки электроники с кремниевыми детекторами, так и для исследований, позволяющих корректировать процесс изготовления и оптимизировать режимы работы электроники в процессе её работы в реальных условиях. Впервые разработана и реализована 16-ти канальная микросхема, обеспечивающая усиление и формирование сигналов кремниевого детектора в диапазоне сигналов от 1 до 2000 m.i.p .

Достоверность полученных результатов подтверждена долговременной работой адрон-электронного сепаратора в течении ряда лет и эксперимента АТИК и получаемыми физическими результатами.

Личный вклад автора заключается в активном участии в каждом из этапов проводимых работ по созданию адрон-электронного сепаратора: разработке электрических схем тестовых систем и основной электроники сепаратора, особенно его передней части, экспериментальных и настроечных работ на сепараторе, теоретическом обосновании работы электроники с кремниевыми детекторами и последующей работы и модернизации адрон-электронного сепаратора. Автор участвовал в испытаниях HES и эксперименте на коллайдере ГЕРА.

Модульный метод построения систем тестирования и калибровки электроники адрон-электронного сепаратора был предложен автором и реализован в НИИЯФ МГУ и на DESY в г. Гамбурге, где находится установка ЗЕВС. С использованием созданной тестовой аппаратуры были подготовлены, установлены и с успехом работают -20 ООО кремниевых детекторов, имеющие площадь -20 м2, а также считывающая электроника детекторов, составляющая около 90% HES и кремниевые детекторы эксперимента АТИК. К основным результатам работы над диссертацией следует отнести:

• обоснованы общие закономерности изменения шумовых характеристик аналогового канала с кремниевыми детекторами в зависимости от применяемых схем и технологии подключения детектора к усилителю.

• Установлена зависимость формы сигнала на выходе усилителя и формирователя в зависимости от применяемых схем и технологии подключения детектора к усилителю.

• Получены условия максимизации отношения «сигнал-шум» аналогового канала с кремниевыми детекторами для реальных схем.

• Полученные зависимости поведения шума усилителей с кремниевыми детекторами позволили разработать технологию монтажа детекторов с минимизацией шумовых свойств детекторных плат.

• Созданы тестовые и калибровочные системы адрон-электронного сепаратора. Созданы базы данных параметров электронной аппаратуры адрон-электронного сепаратора.

• Повышена надёжность электроники за счёт используемых процедур проверок, в том числе долговременных массовых испытаний (до 42 считывающих плат одновременно), которые позволяют выявить дефектные элементы до установки их в состав сепаратора.

• Создан электрический макет одного модуля сепаратора, на котором можно моделировать поведение электроники при изменении внутренних и внешних условий. Разработана методика основных электронных тестов мониторинга адрон-электронного сепаратора. Разработана по предложенным принципам электроника и тестовая система следующего поколения для проекта ATIC.

Апробация работы . Результаты диссертации докладывались на ежегодных научных заседаниях коллаборации ЗЕВС, на семинарах проводимых DESY и НИИЯФ МГУ, а также опубликованы в трудах международных конференций.

Структура диссертации. Диссертация состоит из Введения, 4-х глав, Заключения, рисунков, таблиц и списка литературы.

Основные результаты и выводы диссертационной работы можно кратко выразить следующим образом:

1. В НИИЯФ МГУ разработаны и изготовлены основные компоненты FHES совместно с отечественными научно-производственными предприятиями, включая системы предусилителей, формирователей (шейперов), линейных драйверов, блоки считывания аналоговых сигналов с управлением, многослойные платы для считывания информации с кремниевых детекторов. Все эти элементы в настоящее время используются и в RHES, поскольку их параметры не уступают, а в ряде случаев превосходят аналогичные элементы RHES.

2. Исследование и экспериментальные результаты тестирования всех компонентов RHES и FHES показывают их соответствие требованиям эксперимента. Шумовые параметры детекторных плат, составляющие величины 0,65-0,83 фК, обеспечивают соотношение сигнал/шум равный 6-7 для одиночных релятивистских частиц.

3. Впервые совместно разработана 16-ти канальная считывающая микросхема для кремниевых детекторов с широким динамическим диапазоном (2000 m.i.p).

4. Автором на основе полученных данных на реальных установках, в первую очередь ЗЕВС, а также космофизической установки АТИК, отечественного эксперимента СВД-2 и других, проведено детальное аналитически-расчетное исследование формирования сигналов, шумовых и помеховых свойств аналогового тракта считывания данных с кремниевых детекторов. Получен ряд практических рекомендаций для получения оптимального отношения сигнал/шум, таких как необходимость снижения сопротивления контактов кремниевого детектора, фильтрация напряжения смещения и повышение фильтрующих свойств в области низких частот. Данный анализ выполнен впервые и может быть использован при проектировании любых установок с кремниевыми полупроводниковыми детекторами.

5. Разработана концепция и методика тестирования больших многоканальных систем с применением кремниевых детекторов, основанная на модульном принципе построения тестирующей аппаратуры.

6. Разработаны стенды тестирования и определения параметров для детекторных плат, формирователей (шейперов), линейных драйверов и других схем FHES. Разработана измерительная система и методика детальной проверки уникальных многослойных плат FHES с количеством слоев до 18-ти и длиной до 4,5 метров, полученные параметры, например, удельные сопротивление и емкость сигнальных линий равные 1,4 Ом /м, 0,25 нФ/м, импеданс калибровочных линий 30 Ом, удовлетворяют заданным условиям.

-129В заключение автор хотел бы выразить глубокую признательность научным руководителям П.Ф. Ермолову и Г.Л. Башинджагяну за огромную помощь в работе над диссертацией и возможность участвовать в работах, связанных с электроникой кремниевых детекторов. Хочется поблагодарить, Д.Хейзела, Р.Кланнера, В.Цойнера, Д.Е.Карманова, М.М. Меркина, А.А. Савина, Е.Н. Кузнецова, М.И.Панасюка, В,И,Зацепина, Д.Адамса, Д.Вагнера, Д.Ампе и других участников совместных экспериментов, без помощи которых эта работа не смогла бы быть выполнена. Особо благодарен жене Татьяне за поддержку и огромную помощь в работе над рукописью.

130

Заключение.

Часть адронно-электронного сепаратора (RHES), расположенного в направлении пролета электронов, основанного на использовании кремниевых детекторов и современной электроники, разработана с участием автора диссертации в DES Y, начала работать в реальном эксперименте и 1995 г., а передняя часть (FHES), основные элементы которой были выполнены НИИЯФ МГУ совместно с рядом научно-производственных предприятий России, была введена в эксплуатацию в 1997 г., адроно-электронный сепаратор продолжает непрерывно работать в настоящее время. С его помощью проведены важные исследования и с увеличением светимости ускорителя ГЕРА планируется получить новые результаты по изучению структуры частиц в глубоконеупругих взаимодействиях и провести поиск новых частиц и взаимодействий. Разработанная аппаратура электроники кремниевых детекторов успешно работает в эксперименте АТИК.

1. А.А.Савин, "Адрон-электронная сепарация с помощью кремниевых детекторов в калориметре установки ZEUS." Диссертация на соискание ученой степени кандидата физ.-мат. наук.1. НИИЯФ МГУ, 1993.

2. E.Kouznetsov, "SKI Control System for the Rear Plane of Hadron-Electron Separator", ZEUS Note 95-156, 1995.

3. V.Radeka "Low Noise technique in detectors." Rev.Nucleare Particles Science 1988- 38, p.217-277.

4. J.Moschen et al. "High speed CMOS Pipeline system " NIM A288(1990) p. 180

5. Башинджагян Г.Л., Воронин А.Г., Карманов Д.Е., Кузнецов Е.Н., Меркин М.М., Савин.А.А. "Формирование аналоговых сигналов с кремниевых детекторов адрон-электронного сепаратора эксперимента ZEUS (DESY)",

6. Препринт НИИЯФ МГУ 2000-3/606.

7. R.Bam et al. "Front-end electronics for the CERES TPC-detector", NIM A409 (1998)p.278-285.

8. P.O'Connor et al., "Ultra low noise CMOS preamplifier-shaper for x-ray spectroscopy", NIM A409 (1998) p.315-321.

9. R.L. Chasecal et al. "8 channel CMOS preamplifier and shaper with adjustable peacking time and automation of pole-zero cancellation", NIM A409 (1998) p.328-331.

10. F.Antotz et al., "FILTERS: a 128 channel VLSI mixed front-end electronic development for microstripe detectors", NIM A412 (1998) p.123-134.

11. Scott D. Kravis et al., "A multichannel readout electronic for nuclear application (RENA) chip developed for position sensitive solid state detectors", NIM A482 (1999)p.352-356.

12. S. Cadeddu et al. "A VLSI chip for digital radiology with energy selection", NIM A422 (1999) p.357-362.

13. Y.Hu et al., "Design of a low noise , low power consumption CMOS preamplifier-shaper for redout of microstripe detectors in the DMILL radiation hardened process and irradiation measurement", NIM A378 (1996) p589-593.

14. Bonnacorso et al., "Beam test of APV5 chip", NIM A382 (1996 p. 533-544.

15. Y.HU et al., "Design of low noise, self triggered, monolithic preamplifier dedicated to silicon trackers and x-p-imaging", NIM A361 (1995) p.568-573.

16. Y.Hu, E. Nygard et al., "A new design of a low noise, low power consumption CMOS charge amplifier ", NIM A365 (1995) p. 193-197.

17. W. Brucker et al. "Silicon microstrip detectors with SVX chip redout", NIM 357 (1995) p.274-282.

18. L.M. Barbier et al., "XA readout chip characteristics and CdZnFe spectral measurement", IEEE TRANS. Vol.NS45-4 1998.

19. N. Randazzo et al. "Integrated front-end for a large strip detector with E, ДЕ and position measurement"(OSCAR, AFRICA, CA SMOG chips),

20. EE TRANS. Vol.NS-46-5 1999.

21. Tocker et al. "Viking. A CMOS low noise monolitic 128 channel front-end for Si-strip detector readout", NIM A340 (1994) p.572-579.

22. A.Czemak "A new 2-dimentional high resolution Si-detector for (i and у radiography"131chip Viking-5), NIM A360 (1995) p. 290-296.

23. G.Georginis "A low noise preamplifier system", NIM A294 (1990) p.564-574.

24. E. Beuville et. al., "Amplex A low noise, low power, analog CMOS signal processor for multielement silicon particle detectors", NIM A 288 (1990) p.157-167.

25. J. Vandenbussche "A fully Integrated low power CMOS particle detector front-end for space application", IEEE TRANS. Vol.NS-45-4 1998.

26. J.C. Santigard et al., "GASPLEX A low noise analog signal processor for readout of gaseous detectors", CERN-ECP-94-17.

27. G.Gramegna et al., "Low noise CMOS preamplifier shaper for silicon drift detectors", IEEE TRANS vol.NS-44-3 (1997).

28. R.Baner et al., "Low noise readout chip with self-triggering signal using silicon strip detector for p-imaging", NIM A376 (1998) p. 443-450.

29. G.Gomes et al., "CASTOR a VLSI CMOS mixed analog-digital circuit for low noise multichannel counting application", NIM A377 (1996) p.440-445.

30. E.Beuville et al., "A low noise amplifier-shaper with tail correction for STAR detector", IEEE TRANS vol. NS-43-3 1996.

31. J.H.Adams, Jr.,J.Ampe, G.L.Bashidzhagyan, V. Bonvicini, R.Kroeger, K. Marent, A. Voronin, D. Wagner, G. Zampa, N. Zampa "The CR-1 Chip: Custom VLSI Circuitry for Cosmic Rays" 26th ICRC, Contributed Papers, Salt Lake Sity, Utah. 1999, OG 4.1.18

32. J.C. Stanton et al., "A low power noise amplifier for 128 channel detector read-out integrated circuit", IEEE TRANS. Vol. NS-36-1 1989.

33. D.Dannheim "The silicon strip detectors of the ZEUS Microvertex detector"(chip HELIX), DESY-note DESY-THESIS-1999-027, p.29-30.

34. B.Alpat et al., "The AMS silicon tracker readout: performance results with minimum ionizing particles"(chip VAhdr), NIM A439 (2000) p.53-54.

35. J Helt-Hansen et al., "Portable triple silicon detector telescope spectrometer for skin dosimetry", NIM A438 (1999) p.523-539.

36. C.Bozzi et al., "The BaBar silicon vertex tracker"(chip AtoM), NIM A435 (1999) p.25-33.

37. H.Kagan et al., "Low noise electronics for CLEO III silicon detector", NIM A383 (1996) p. 189-192 (chip for CLEO).

38. E.Gatti, P.F. Manfredi "Present trends and realisation in readout electronics for semiconductor detectors for high energy physics", NIM A226 (1984) p.142-155.

39. L.B. Levit and W.D. Farr "The phenomenology of low noise charge sensitive amplifier", NIM A235 (1985).

40. F.S. Goulding and D.A. Landis "Signal processing for semiconductor detectors", IEEE TRANS vol.NS-29-3 (1985).

41. T.Ohsugi, Y.Iwata, et al., "Micro-discharge at strip edge of silicon microstrip sensors", NIM A383, 1996, pp.116-122.

42. Богданова Г.А., Волков В.Ю., Воронин А.Г., Ежов В.Б., Карманов Д.Е., Кузнецов Е.Н., Савин.А.А. "Тестовая система адрон-электронного сепаратора установки ZEUS (DESY)."

43. Препринт НИИЯФ МГУ 2001-3/643.

44. Воронин А.Г., Карманов Д.Е. "Шумовая полоса и формирование сигналов в системе "кремниевый детектор-предусилитель-формирователь."

45. Препринт НИИЯФ МГУ 2000-22/626 44 . Богданова Г.А., Волков В.Ю., Воронин А.Г., Ежов В.Б., Карманов Д.Е, Савин.А.А. «Тестирование считывающей электроники кремниевых детекторов адрон-электронного сепаратора эксперимента ZEUS (DESY)».

46. Препринт НИИЯФ МГУ 2001-11/651 45. Башинджагян Г.Л., Воронин А.Г., Ермолов П.Ф., Карманов Д.Е., Короткова Н.А., Кузнецов Е.Н., Меркин М.М, Савин А.А.

47. Аналоговый тракт адрон-электронного сепаратора эксперимента ZEUS (DESY)». Принято к печати в ПТЭ.132

48. Ермолов П.Ф., Воронин А.Г., Зверев Е.Г., Карманов Д.Е., Лефрат А.К., Манадков В.М., Меркин М.М., Шабалина Е.К.

49. Методика тестирования односторонних микростриповых детекторов для эксперимента DO (FNAL)». Принято к печати в ПТЭ.

50. G.L.Bashidzhagyan, P.F.Ermolov, N.B.Sinev, A.G. Voronin "Proposal for a uranium-silicon precision calorimeter for the UNK 6 Tev hadron collader" NIM A288 (1990) p.265-266

51. A.A. Arodzero, G.L.Bashidzhagyan, P.F.Ermolov, E.A.Khlynov, E.N.Kuznetsov, A.A. Savin, A.G. Voronin "Electromagnetic silicon module calorimeter" Nucl.Phys.B (Proc.Suppl.) 23A p.45-50

52. The ZEUS Detector Technical proposal 1986 DESY/Hamburg