Разработка и исследование характеристик фотонного спектрометра на основе кристаллов вольфрамата свинца для эксперимента ALICE на Большом адронном коллайдере(ЦЕРН) тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

90461413

На правах рукописи УДК 539.17

СИБИРЯК Юрий Григорьевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ФОТОННОГО СПЕКТРОМЕТРА НА ОСНОВЕ

КРИСТАЛЛОВ ВОЛЬФРАМАТА СВИНЦА ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТА ALICE НА БОЛЬШОМ АДРОННОМ КОЛЛАЙДЕРЕ (ЦЕРН)

Специальность: 01.04.16 - «Физика атомного ядра и элементарных частиц»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 5 НОЯ 2010

Москва — 2010

004614131

Работа выполнена в Российском научном центре «Курчатовский Институт».

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Ипполитов Михаил Сергеевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Григорьев Владислав Анатольевич

доктор физико-математических наук, профессор Самсонов Владимир Михайлович

Ведущая организация: ГНЦ РФ «Институт теоретической и

экспериментальной физики» (г. Москва)

Защита состоится «8» декабря 2010 г. в 15:00 часов на заседании диссертационного совета Д 520.009.03 в Российском научном центре «Курчатовский институт» по адресу: Москва, 123182, шт. академика Курчатова, дом 1. (¿/¡.^ ~ Г

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РНЦ «Курчатовский институт».

Автореферат разослан «_»_2010 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета _ .

доктор физико-математических наук А.Л.Барабанов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Эксперимент ALICE (A Large Ion Collider Experiment - большой ионный эксперимент на коллайдере) на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРН осуществляется для исследования столкновений тяжелых ионов при сверхвысоких энергиях. Эти исследования направлены на решение фундаментальной научной задачи современной физики - объяснить структуру, происхождение и эволюцию барионной материи Вселенной.

Прямые фотоны являются уникальным сигналом, позволяющим исследовать свойства образующегося в ядро-ядерном столкновении экстремально возбуждённого сгустка ядерного вещества на всех этапах его эволюции, включая самые ранние.

Для извлечения сигнала прямых фотонов требуются измерения с высокой точностью инклюзивных спектров фотонов и нейтральных мезонов, прежде всего пионов, в широком диапазоне поперечных импульсов от ~ 0.5 ГэВ/с до 100 ГэВ/с.

Эксперименты на БАК потребовали создания фотонных спектрометров нового поколения, основанных на новых материалах, имеющих существенно меньшие значения радиуса Мольер и радиационной длины. В настоящее время наиболее перспективным материалом являются кристаллы вольфрамата свинца (PWO), впервые выращенные и производимые в России. На их основе создан прецизионный фотонный спектрометр для эксперимента ALICE - PHOS. Основной задачей PHOS является идентификация

и измерение энергии прямых фотонов, излучаемых при столкновении ядер сверх высоких энергий. Ожидаемый сигнал прямых фотонов представляет собой разность двух распределений: измеренного спектра частиц, идентифицированных как фотоны, и расчетного спектра фотонов, рожденных в процессах распада других частиц, прежде всего я0- мезонов.

Цель и задачи диссертационной работы.

Целью диссертационной работы является разработка многоканального прецизионного фотонного спектрометра и исследование его характеристик.

Решаемыми задачами являются:

1. Выбор типа фотодетектора, удовлетворяющего физическим требованиям к PHOS и определение его рабочих характеристик.

2. Анализ зависимости энергетического разрешения фотонного спектрометра от шумов электроники, параметров фотодетектора и температуры кристаллов. Исследование энергетического разрешения прототипов и модуля PHOS на пучках заряженных частиц.

3. Анализ возможности подавления фона антинейтронов путём измерения времени пролёта с помощью PHOS. Оценка временного

разрешения PHOS при измерении времени пролёта методом «старт -стоп». Оценка временного разрешения при цифровой обработке сигналов детектора. Исследование временного разрешения PHOS на пучках заряженных частиц. 4. Разработка считывающей электроники PHOS реализующей аналоговый и цифровой методы обработки сигналов. Разработка методики расчёта эквивалентного шумового заряда (ENC) измерительного канала состоящего из фотодетектора, зарядово-чувствительного предусилителя (ЗЧП) и фильтра. Исследование влияния шумов 1/f и конкретной схемы ЗЧП на ENC. Разработка алгоритма цифровой обработки сигнала фотодетектора с целью увеличения отношения сигнал - шум и восстановления постоянной составляющей

Разработка системы подачи индивидуальных напряжений смещения на фотодетекторы с целью выравнивания коэффициентов преобразования отдельных каналов.

Научная новизна работы.

1. Впервые разработан многоканальный фотонный спектрометр на основе кристаллов PWO с лавинным фотодиодом в качестве фотодетектора и рабочей температурой - 25°С.

2. Впервые проведены всесторонние исследования характеристик фотонного спектрометра на основе кристаллов PWO с лавинным фотодиодом в качестве фотодетектора и рабочей температурой -25°С:

• Впервые, на нескольких прототипах, в экспериментах на пучках заряженных частиц измерена кривая энергетического разрешения многоканального фотонного спектрометра на основе кристаллов PWO и лавинного фотодиода (ЛФД) при температуре -25 °С в диапазоне энергий 0,6 - 150 ГэВ.

• Впервые в экспериментах на пучках заряженных частиц измерено временное разрешение многоканального фотонного спектрометра.

3. Впервые разработана и реализована многоканальная считывающая электроника для фотонного спектрометра на основе детектирующих каналов из кристаллов PWO и ЛФД.

4. Впервые предложен и реализован метод цифровой обработки сигналов для измерения энергии и времени пролёта регистрируемых частиц.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

Проведённые исследования и разработки внесли вклад в создание прецизионного фотонного спектрометра нового поколения на основе

кристаллов PWO для тяжелоионного эксперимента ALICE на Большом адроном коллайдере в ЦЕРН. В настоящее время PHOS в пусковой конфигурации из 3-х модулей участвует в сеансах физических измерений на пучках Большого адронного коллайдера в ЦЕРН в составе супердетектора ALICE.

Апробация работы.

Результаты диссертационной работы докладывались на международных конференциях. По теме диссертации опубликовано 12 статей, получено одно авторское свидетельство на изобретение. Список статей и конференций приведен в конце автореферата.

Основные положения, выносимые автором на защиту.

1. Результаты исследований эффекта прямого детектирования (nuclear counter effect) для PIN-диодов и ЛФД. Обоснование выбора ЛФД в качестве фотодетектора для фотонного спектрометра PHOS.

2. Результаты расчётных оценок зависимости энергетического разрешения фотонного спектрометра PHOS от температуры матрицы кристаллов и параметров ЛФД. Результаты расчётных оценок возможности подавления фона антинейтронов путём измерения времени пролёта с помощью PHOS.

3. Результаты исследований характеристик прототипов фотонного спектрометра PHOS на пучках заряженных частиц ускорителей ЦЕРН

• Результаты измерений энергетического разрешения на пучках электронов в диапазоне энергий 0,6-450 ГэВ.

• Результаты измерений на пучках заряженных пионов спектра инвариантных масс фотонных пар от распадов нейтральных пионов.

• Результаты измерений на пучках электронов временного разрешения методом «старт - стоп».

4. Результаты компьютерного моделирования цифровой обработки сигналов с детекторных каналов спектрометра PHOS с целью получения временной отметки. Результаты лабораторных измерений временного разрешения на макете считывающей электроники, реализующей цифровой метод.

5. Результаты исследования возможностей цифрового метода для улучшения отношения сигнал - шум и восстановления базового уровня.

6. Результаты разработок основных компонентов считывающей электроники фотонного спектрометра PHOS.

Структура и объём диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 87 наименований, содержит 151 страницу, в том числе 97 рисунков и 9 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко рассматриваются цели и задачи эксперимента ALICE, указана актуальность темы диссертации, её цель, научная и практическая значимость работы и описана последовательность изложения материала. Описываются физические требования к PHOS.

В первой главе кратко описываются Большой адронный коллайдер (БАК), тяжелоионный эксперимент ALICE на БАК, фотонный спектрометр PHOS эксперимента ALICE. Задачей эксперимента ALICE, одного из четырёх экспериментов проводимых на БАК, является изучение столкновений Pb+Pb. Ожидается, что температура и плотность энергии возникающей при этом ядерной материи будет достаточной для рождения кварк-глюонной плазмы.

Приводится схема расположения детекторов эксперимента ALICE, на которой показано положение PHOS в магните L3. Расстояние от точки взаимодействия до поверхности кристаллов модуля PHOS равно 4,6 метра.

PHOS имеет модульную структуру: по проекту он состоит из пяти одинаковых модулей. Разбиение PHOS на пять модулей, а также размер модуля обусловлены максимально допустимым углом падения частиц на торец кристалла ±13°. При этом в пределах одного модуля торцы кристаллов лежат в одной плоскости.

Высокие множественности вторичных частиц (-8000 заряженных частиц на единицу быстроты) и ограниченные геометрические размеры требуют применения детектирующего материала с малыми значениями радиационной длины и радиуса Мольер. В качестве такого материала для фотонного спектрометра был выбран сцинтиллятор на основе кристаллов вольфрамата свинца PbW04 (PWO), с радиационной длиной 0.89 см и величиной радиуса Мольер 2.19 см. Световыход кристалла имеет температурную зависимость 1,9°/о/°С и растёт с понижением температуры. Для увеличения световыхода кристаллы охлаждают до температуры - 25°С.

В корпусе модуля размером 1734x1590x757 мм содержится матрица из 3584 детекторных каналов, панели охлаждения матрицы кристаллов, считывающая электроника и мониторная система.

В PHOS используются кристаллы с размерами 22x22x180 мм, ориентированные торцами 22x22 мм к потоку регистрируемого излучения. К противоположному торцу кристалла, с помощью специального оптического клея, приклеен фотодетектор. Единичная механическая сборка детекторных каналов представляет собой соты 2x8 ячеек.

Приведен обзор фотонных спектрометров, которые можно считать близкими к PHOS по решаемым задачам. Сделан вывод, что они не могли служить прототипом при разработке PHOS, что привело к необходимости исследования характеристик фотонного спектрометра на основе PWO.

Описаны методы идентификации частиц, регистрируемых спектрометром: по форме ливня (ширине ливня, распределение ливня), по времени пролёта частиц от точки взаимодействия до поверхности кристаллов, с помощью CPV - детектора для идентификации заряженных частиц, который будет установлен перед PHOS. Дискриминация осуществляется по реконструкции положения заряженной части цы зарегистрированной в CPV и PHOS.

В диссертации рассматривается метод идентификации по времени пролёта.

Наиболее сильно спектр фотонов искажается антинейтронами, благодаря их аннигиляции в детекторе, которая добавляет 2 ГэВ к выделяемой в спектрометре кинетической энергии антинейтрона. Эффективность дискриминации по времени пролёта зависит от временного разрешения фотонного спектрометра. Согласно симуляции, выполненной в рамках применяемого в ALICE пакета программ ALIROOT, при изучении влияния временного разрешения на подавление нейтронов и антинейтронов при измерении спектра фотонов получено, что наибольший засев наблюдается для энергий 1,5 - 2ГэВ. Если не использовать идентификацию, то фон антинейтронов и нейтронов в спектре фотонов составит 5-10%. Использование временной идентификации с разрешением 2 и 1 не уменьшает искажение спектра до уровня 1-2% и 0,5% соответственно.

Приведен обзор работ по измерению временных характеристик для отдельных детектирующих каналов, состоящих из кристалла PWO и фотоумножителя или лавинного фотодиода. Однако необходимо отметить, что все эти измерения были проведены с лабораторным оборудованием, которое не может быть использовано в модуле PHOS из-за больших габаритов и стоимости. Приведённые значения временного разрешения показывают минимальное значение этой величины для кристаллов PWO. Оба измерения были выполнены с помощью аналоговой электроники. Другой возможностью для получения временной информации является цифровая обработка отсчётов аналогового сигнала.

Таким образом, существует необходимость в проведении исследований временного разрешения многоканального фотонного спектрометра для различных методов получения временной информации и измерения временного разрешения прототипов PHOS на пучках заряженных частиц.

Рассматриваются структурные схемы построения измерительного канала, реализующие аналоговый и цифровой методы получения измерительной информации.

Так как PHOS работает в магнитном поле, то в качестве фотодетекторов могут быть использованы только PIN-диоды или ЛФД. Приведен обзор литературы, в которой описаны принципы работы этих приборов и даны их характеристики.

Считывающая электроника фотонного спектрометра должна включать следующие устройства: зарядово-чувствительный предусилитель (ЗЧП),

фильтр, а также время-амплитудный преобразователь, если используется аналоговый метод измерения времени пролёта. Кроме считывающей электроники, для обеспечения возможности создания собственного триггера PHOS требуется устройство, позволяющее установить индивидуальное напряжение смещения на каждый фотодетектор.

Описан принцип работы ЗЧП и определены его характеристики для использования в PHOS. Приведён обзор выпускаемых промышленностью ЗЧП и их схемотехнических решений. Выявлено два противоречия и сформулированы задачи, которые необходимо решить при разработке ЗЧП:

• Исследовать влияние эффекта Миллера в схемах с емкостной обратной связью на шумы и частотную характеристику ЗЧП

• Исследовать вклад шумов 1/f на величину ENC системы фотодетектор -

Во второй главе приводятся расчёты энергетического разрешения спектрометра PHOS при поглощении энергии фотона в матрице кристаллов с размером 3x3, с ЛФД в качестве фотодетектора в зависимости от энергии, температуры кристаллов, коэффициента усиления ЛФД и шумов электроники. Получено расчётное выражение для энергетического разрешения, в котором учтены все параметры компонентов детектирующего канала. Сформулированы критерии выбора величины коэффициента усиления ЛФД.

Классическая формула, применяемая для вычисления энергетического разрешения, содержит три члена, первый из которых определяется шумами электроники, второй - стохастический и третий член - константа. Флуктуация электромагнитного ливня и фотостатистика вносят свой вклад в величину второго члена, а разного рода геометрические эффекты и неточности калибровки вносят свой вклад в третий член. При использовании PIN-диода в качестве фотодетектора, его параметры вносят вклад только в первый член. Однако, если в качестве фотодетектора используется ЛФД, то его параметры вносят вклад уже во все члены формулы энергетического разрешения. В величину первого члена входят шумы от паразитной ёмкости ЛФД, темнового тока и резистора смещения. В величину второго члена входят фотостатистика, определяемая площадью и квантовой эффективностью ЛФД, а также флуктуация коэффициента умножения, которая учитывается с помощью коэффициента избыточного шума F (excess noise factor). В третий член ЛФД вносит вклад из-за зависимости коэффициента усиления от температуры и напряжения смещения.

Расчётное выражение для вычисления энергетического разрешения при полном поглощении энергии в матрице 3x3:

ЗЧП.

где: <7Ш- электронные шумы системы ЛФД - ЗЧП, выраженные в эквивалентных шумовых зарядах, сгп~ радиочастотные шумы и наводки, выраженные в эквивалентных шумовых зарядах, М-коэффициент усиления ЛФД, X - стохастический член определяемый характеристиками PWO, с -константа, Nx—количество фотонов, образующихся в PWO при регистрации частицы с энергией 1 ГэВ, QE - квантовая эффективность ЛФД, 5д - площадь светочувствительного окна ЛФД, SK- площадь поперечного сечения PWO.

Значение Nx было получено в результате измерений световыхода кристаллов с использованием в качестве фотодетектора ФЭУ в одноэлектронном режиме. Величина Nx зависит от температуры PWO и для Т=250°К приблизительно равна 30 е/МэВ.

Значения X и с были получены фитированием кривой энергетического разрешения, измеренного на пучке заряженных частиц с многоканальным прототипом PHOS, в котором в качестве фотодетекторов использовались PIN-фотодиоды. PIN-фотодиод не обладает внутренним усилением и его светочувствительное окно практически полностью перекрывало торец кристалла, поэтому можно считать, что стохастический член 6=0,03, найденный в этих измерениях, полностью определялся характеристиками кристалла.

Для расчета энергетического разрешения по полученной формуле необходимо знать величину ENC системы детектор - ЗЧП. Для этого определены источники шума. Показано различие в определении параллельного источника шума для PIN-диода и ЛФД. Разработана методика расчета шумовой постоянной времени и ENC для фильтров 1, 2, 4 порядка реализуемых в многоканальных спектрометрах, при этом учитывалось влияние схемотехники ЗЧП на величину последовательного шумового сопротивления. Приведен пример расчета весовых коэффициентов фильтра 4-ого порядка.

Предложен алгоритм цифровой обработки сигнала - цифрового фильтра (ЦФ), который осуществляет фильтрацию и восстановление постоянной составляющей (ВПС). Фильтрация достигается суммированием отсчетов формы сигнала с последующим усреднением полученного кода. ВПС осуществляется за счёт вычитания из кода, который соответствует оцифровке сигнала и базовой линии, кода, соответствующего оцифровке только базовой линии. Проведен анализ ЦФ с учетом корреляционной связи между значениями шума в моменты выборки и параметров предварительного фильтра. Получена формула для расчета отношения сигнал/шум на выходе ЦФ и коэффициента превышения шума (КПШ).

Проведённый анализ позволяют сделать вывод, что при предложенном алгоритме обработки кодов, можно получить КПШ ЦФ всего лишь на 11% хуже, чем у идеального фильтра. Время обработки импульса (суммарное время оцифровки и получения обработанного кода) составляет около 2

шумовых постоянных времени (т0), тогда как во время-вариантных фильтрах, наиболее быстродействующих в настоящее время, время обработки составляет около бто, при равных значениях КПШ, без учёта времени необходимого для преобразования амплитуды импульса в код.

Исследовалось влияние шумов вида 1/f на величину ENC. С помощью сравнения расчетных и измеренных значений ENC доказана необходимость учёта шума вида 1/f. Показано, что вклад шума 1/f в ENC возрастает с ростом величины ёмкости детектора. Вычислены весовые коэффициенты фильтра 1, 2, 4-ого порядков для данного вида шума. Отмечено слабое влияние порядка фильтра на величину шума 1/f

Получена формула для расчёта ENC. Проведены вычисления т0 и ENC с параметрами используемого в PHOS ЛФД S8148 (HAMAMATSU) и разработанного ЗЧП. Получены значения т0 = 1,88мкс и ENC = 510е для фильтра 2-ого порядка с постоянной формирования 1,1 мкс. Среднее значение по измерению ENC для 9 экземпляров ЛФД равно 513е, что хорошо совпадает с расчётным значением.

Проанализировано влияние коэффициента усиления (М) ЛФД и температуры на энергетическое разрешение PHOS. Получено, что оптимальное значение М0 пропорционально ENC и обратно пропорционально энергии, т.е. Мо будет оптимально только для данной энергии и не оптимально для остальных энергий. В связи с этим возникает задача определения оптимального Мо для диапазона энергий, которая решается вычислением значения энергетического разрешения при изменении М в

заданном диапазоне. В расчётной формуле учитывались зависимости величины М, параллельного шума и ёмкости ЛФД от напряжения смещения. Результаты расчёта для Т=250°К показаны на рис. 1. Видно, что:

1.Для каждой энергии существует своё значение оптимального усиления ЛФД

2. С уменьшением величины " измеряемой энергии необходимо

Рис. 1. Зависимость энергетического увеличивать усиление ЛФД разрешения от усиления ЛФД для 3- После того> как а/Е Достигает энергий 0,1, 0,5, 1, ЮОГэВ. На своего минимума, далее с ростом М графиках нанесены минимальные оно меняется незначительно, что энергетические разрешения при позволяет выбрать Мп

оптимальном М0. удовлетворяющим не одной энергии,

а диапазону энергий. Даны рекомендации по выбору Мп в зависимости от диапазона измеряемых энергий и температуры.

N, : <.«* t!M>tff .

1.>Г4,1/,М2 s-isl.IW

Вычисления энергетического разрешения были выполнены для тока утечки в зоне умножения 4=0,1пА при Т=250°С, однако разброс токов утечки может составлять до 5 раз. Расчеты показывают, что увеличение параллельных шумов, из-за увеличения тока утечки, приводит к уменьшению величины оптимального усиления ЛФД. Обратная зависимость наблюдается при увеличении последовательных шумов (уменьшение крутизны полевого транзистора, увеличении ёмкости детектора). И в том и другом случае энергетическое разрешение ухудшается.

Принимая во внимание все вышеизложенные соображения, величина усиления ЛФД может быть выбрана равной 100, если спектрометр работает при температуре 250°К . Это значение удовлетворяет измерению энергии в широком диапазоне с наилучшим энергетическим разрешением и не предъявляет чрезмерных требований к стабильности температуры и напряжения смещения.

Проведён анализ вкладов фотостатистики кристаллов, электронных шумов и избыточного шума ЛФД в энергетическое разрешение в зависимости от энергии регистрируемой частицы. На рис. 2 представлены графики

Рис. 2. Графики отражающие вклад шумов электроники, избыточных шумов ЛФД, стохастического шума кристалла и постоянного члена в энергетическое разрешение спектрометра при М=100 и Т=250°К.

отражающие их вклады в энергетическое разрешение спектрометра при М=100 и Т=250°К. Вплоть до 6 ГэВ преобладающим является стохастический шум кристалла. После 6 ГэВ преобладающим становится вклад постоянного члена, который отражает различного рода нестабильности и неточность калибровки. Также на график нанесены величины энергетического разрешения, измеренные на пучках электронов при испытаниях прототипа PHOS, проведённых в ЦЕРН в период с 1999 по 2002 годы. Расчётная кривая

энергетического разрешения хорошо совпадает с экспериментальными данными.

В третьей главе описаны исследования методов измерения времени пролёта с использованием PHOS.

Для уверенной идентификации частиц необходимо, чтобы временное разрешение было меньше 1 не при энергии частицы 2 ГэВ. Данные физические требования к измерительной электронике PHOS можно выполнить двумя методами, аналоговым и цифровым, реализация которых определяет структурную схему считывающей электроники. Для проведения исследований этих методов было изготовлено два типа карт считывающей электроники.

Проведена теоретическая оценка временного разрешения при измерении времени пролёта с использованием «старт - стоп» метода для PHOS с учётом времени нарастания импульса на выходе ЗЧП и величины шума. Для частиц с энергией 2 ГэВ временное разрешение составило 0,09 + 0,12 не.

Описана схема и конструкция разработанной карты считывающей электроники, которая измеряет энергию и время пролёта частиц, и являлась прототипом считывающей электроники PHOS.

На пучке электронов ускорителя PS в ЦЕРН с использованием многоканального прототипа PHOS впервые были проведены измерения временного разрешения спектрометра на основе кристаллов вольфрамата свинца. Результаты показаны на рис. 3. Для энергии частицы 2 ГэВ

временное разрешение составило 0,51 не, что удовлетворяет физическим требованиям для PHOS.

Исследован цифровой метод измерения времени пролёта. Суть метода заключается в следующем. С помощью быстрого АЦП оцифровывается форма сигнала с выхода фильтра. С целью восстановления непрерывной формы сигнала и получения временной отметки, в нашем случае это момент достижения пикового значения, полученные коды подвергаются математической обработке.

Цифровой метод измерения времени пролёта на первом этапе был промоделирован с помощью компьютерной программы. На идеализированной модели формирователя импульса исследована зависимость временного и амплитудного разрешения PHOS от параметров фильтра, амплитуды сигнала и частоты выборки АЦП. Для фитирования модельного импульса использовался

Channel 14

4 5 6 Energy, GeV

Рис. 3. Временное разрешение, измеренное на широком пучке с энергиями 2 и 6 ГэВ.

пакет программ MINUIT с тремя разными наборами искомых параметров. Наилучшие результаты получены при фиксированных значениях постоянных времени фильтра Таи и пьедестала Ped. В этом случае временное разрешение фильтров 1-го и 2-го порядка одинаково при одинаковой величине произведения N * Таи ) где дг порядок фильтра> а амплитудное разрешение фильтра 1-го порядка приблизительно на 20% лучше, чем фильтра 2-го порядка.

Временное и амплитудное разрешение улучшается при снижении уровня шумов электроники, а также с ростом амплитуды импульса и частоты выборки сигнала, но по-разному зависит от Таи. Выбор Таи определяется конкретной целью: для улучшения временного разрешения нужно его уменьшать, а для улучшения амплитудного разрешения (например, при малых амплитудах импульса) - увеличивать. Оптимальным для PHOS можно считать фильтр 1 -го порядка с Таи = 0,5 - 1 мкс. При частоте выборки 10 МГц для фитирования можно использовать 30-60 точек гистограммы сигнала. Тогда для энергии 2 ГэВ временное разрешение составляет 0,3 не, что удовлетворяет требованиям к временному разрешению PHOS.

С использованием разработанной карты считывающей электроники исследовалось влияние величины коэффициента усиления ЛФД М, постоянной времени и порядка фильтра на временное и амплитудное разрешение. Наименьшее временное разрешение было достигнуто с параметрами фильтра, полученными при моделировании, т.е. фильтр 1-ого порядка с постоянной времени формирования 1 мкс и коэффициентом усиления согласованным с усилением ЛФД М=100. Измерение временного разрешения с помощью карты считывающей электроники дало 0,81 не для амплитуды сигнала эквивалентной 2 ГэВ.

Необходимо отметить, что в цифровом методе на величину временного разрешения влияет не только параметры измерительной электроники, но и программа обработки. В проведённых исследованиях использовался стандартный алгоритм фитирования с помощью гамма функции. Возможно использование и других алгоритмов. Исследование различных алгоритмов цифровой обработки является обширной областью, но выходит за рамки темы данной диссертации.

В четвёртой главе описываются разработанные автором компоненты измерительной системы фотонного спектрометра PHOS. Разработан ЗЧП с низким уровнем шумов и рассеиваемой мощности. Разработаны и исследованы два типа измерительной электроники, реализующие аналоговой и цифровой методы обработки сигналов для измерения энергии и времени пролёта. Разработаны восстановитель постоянной составляющей и устройство задания индивидуальных напряжений смещения на ЛФД.

Разработана методика расчета и конструкция ЗЧП для фотодетектора. Получены формулы для расчета коэффициента усиления без обратной связи,

температурной нестабильности ЗЧП и времени нарастания выходного импульса.

Выполнен анализ влияния эффекта Миллера на частотные и шумовые свойства для схем ЗЧП: общий исток - общая база (ОИ-ОБ) и общий исток -общий коллектор (ОИ-ОК). Показано, что для ёмкости детектора Сд > 40 пФ схема ЗЧП ОИ-ОК имеет меньшее время нарастания, чем схема ОИ-ОБ при равных шумовых характеристиках. В результате проведённых исследований в качестве схемы ЗЧП для PHOS была выбрана схема ОИ-ОК.

Внешний вид разработанного ЗЧП показан на рис. 4. Печатный монтаж выполнен на двух сторонах платы размером 18 х 18 мм, на которую припаяны компоненты для поверхностного монтажа с одной стороны платы и ЛФД с другой стороны.

Основные технические характеристики ЗЧП:

• Зарядовочуствительность = 1 В/пКл;

• Максимальный входной заряд = 8 пКл;

• Эквивалентный шумовой заряд = 200 е + 3,2 е/пФ • Сд{пФ);

• Время нарастания выходного импульса = 4нс + 0,05нс • Сд(пФ);

• Постоянный уровень на

Рис. 4. Внешний вид фотодетектора, выходе = 0 -0,5В;

• Питание = 12В (4,8мА), -6В

(2,8мА);

• Рассеиваемая мощность = 74 мВт.

Производство разработанного ЗЧП было осуществлено в университете Хиросимы в Японии. Всего к настоящему времени произведено 18000 штук фотодете кторо в.

Разработанный ЗЧП применяется также и в других детекторах. Например, в детекторе ALICE-EMCAL используется 13 000 таких фотодетекторов. Около 500 фотодетекторов используется в детекторе MPC эксперимента PHENIX (BNL, USA).

Разработка считывающей электроники для PHOS состояла из двух этапов. На первом этапе считывающая электроника разрабатывалась для проведения исследовательских работ по изучению характеристик кристаллов и фотодетекторов в лаборатории и на пучках заряженных частиц. На этом этапе к электронике и её разработке предъявлялись следующие требования: измерение только энергии частицы в широком динамическом диапазоне с высокой точностью, работа при высоких входных загрузках, характерных для пучковых испытаний, минимальное время и стоимость разработки. Поставленная задача решалась с использованием «аналогового» метода измерений. В основу аналоговой измерительной части была положена схема

время-вариантного фильтра, основными частями которого являются ВПС ключевого типа и активный интегратор.

На втором этапе, после окончательного определения физических требований и определения типа фотодетектора, проводилась разработка считывающей электроники с учётом механической конструкции модуля и особенности работы PHOS в эксперименте ALICE. Для проведения сравнительных испытаний разработаны карты считывающей электроники, реализующие аналоговый и цифровой методы измерения.

Блок схема аналоговой карты считывающей электроники показана на рис. 5. На карте расположены 8 каналов для измерения амплитуды импульсов, 8 каналов для измерения времени пролёта, схемы суммирования сигналов,

схемы формирования

индивидуальных напряжений

смещения для ЛФД и блок управления. Для проведения измерений в широком

динамическом диапазоне энергий от 5 МэВ до 80 ГэВ, используются два усилительных канала - с низким усилением LG и высоким усилением HG.

Было произведено 3 платы, которые участвовали в измерении энергетического и временного

разрешения прототипа PHOS на 256 каналов на пучках линии Т10 вЦЕРН.

Для подтверждения правильности расчетов отношения с/ш ЦФ, описанных в главе 2, был изготовлен и испытан макет ЦФ реализующий предложенный алгоритм обработки сигналов. Измерялось отношение с/ш для разных постоянных времени шума в зависимости от числа обрабатываемых выборок сигнала N. Получено хорошее совпадение расчётных и измеренных данных.

Проведено измерение отношения с/ш и мёртвого времени с разработанным ЦФ и лабораторных фильтров БУС-А9 (RC фильтр) и POLON-llOl (квазигауссовский фильтр). Получено, что при N= 32 ЦФ имеет минимальную FWHM, по сравнению с этими фильтрами, причем мертвое время для ЦФ равно 5,3 мкс, для БУС-А9 - 15,2 мкс и для POLON-1101 - 12.2 мкс.

Была измерена загрузочная характеристика ЦФ и смещение пика при изменении входной загрузки от 10 до 2-105 имп/сек.

На структурную схему и алгоритм работы ЦФ получено авторское свидетельство на изобретение SU 1610445.

Рис. 5. Блок схема «аналоговой» карты измерительной электроники.

Данные исследования и результаты моделирования явились основой для разработки карты считывающей электроники, реализующая цифровой метод обработки сигналов для измерения энергии и времени пролёта. Вид печатной платы и расположение основных функциональных элементов показан на рис. 6. Плата подключается к 32

соШго) СП <!ша 1)и$

П ОШри15 Ьи$

Рис. 6. Карта измерительной электроники на 32 детектирующих канала.

16* Н\'

ИТНИ?!

1при1 «Г ((опЫе

- м=:со

- Т=250'Ч

_ Дзз измерительны» м-и/а НС/16 - 16 ЕПЗХ;К| = 5Г9Б

N

детектирующим каналам. Она содержит 64 фильтра с высоким и низким усилениями, 32 канальный блок формирования индивидуальных напряжений смещения ЛФД, 4 многофункциональные микросхемы АЬТШЭ, 8 суммирующих усилителей формирующих сигналы для триггера, блок управления и источники стабилизированного питания. Плата имеет размер 210 х359 мм2 и содержит 10 слоев печатных проводников. Рассеиваемая мощность всех схем расположенных на плате равна 5,6 Вт. Для охлаждения

карты используется водяное охлаждение.

Расчетная кривая

энергетического разрешения,

построенная на основе данных из главы 2, с учётом двух каналов усиления и разрядности АЦП, показана на рис. 7. Для сравнения на график нанесены измеренные значения энергетического разрешения в виде крупных (синих) точек. В основном измеренные значения лежат на расчётной кривой, но видно ухудшение

энергетического разрешения в

«4.

Рис. 7. Кривая энергетического разрешения с учётом двух каналов усиления и 10 бит АЦП.

диапазоне энергий 5+11 ГэВ, т.е. в начале диапазона LG.

Проведён сравнительный анализ применимости аналоговой и цифровой измерительной электроники в фотонных спектрометрах. Для измерения энергии (амплитуды сигнала) оба метода измерений удовлетворяют физическим требованиям PHOS. Это видно по результатам измерения энергетического разрешения с помощью «аналоговой» и «цифровой» электроники.

Что касается временных измерений, то с «аналоговой» электроникой получены лучшие результаты, чем с «цифровой», как показано в главе 3, хотя оба результата удовлетворяют требованиям PHOS.

Таким образом, применительно к измерительной электронике PHOS преимущество «цифрового» метода является исключение из аппаратной части временного канала. Вторым преимуществом является использование буферной памяти ALTRO в качестве цифровой задержки, что позволяет программным образом изменять момент считывания данных при изменении времени прихода триггера L0.

К недостаткам «цифрового» метода относится сложность его реализации: конструкция печатной платы содержит 10 слоев печатных проводников и для питание аналоговой и цифровой частей используется 6 номиналов напряжения. «Аналоговая» плата содержит 4 слоя и два номинала напряжения.

Однако, стремление снизить расходы на производство считывающей электроники за счёт её унификации с другими детекторами эксперимента ALICE явилось веским аргументом для принятия «цифровой» считывающей электроники в качестве окончательного варианта электроники для PHOS. На основе данной разработки в университете Центрального Китая (г. Ухань) было изготовлено 350 карт для PHOS и 400 карт для EMCAL.

Разработана система формирования индивидуальных напряжений смещения для ЛФД, которая позволяет согласовать коэффициенты преобразования измерительных каналов PHOS с точностью не хуже 4%. Согласование коэффициентов преобразования достигается за счет изменения коэффициентов усиления ЛФД, которые зависят от поданного на ЛФД напряжения смещения. Такое согласование возможно провести только на пучке, когда все элементы детектирующего канала принимают участие в образовании сигнала. Процедура согласования (калибровки) описана в главе 5. Наличие этой системы обеспечивает возможность организации собственного триггера PHOS, который позволяет отбирать события с рождением фотона или нейтрального мезона с высокими поперечными импульсами и, тем самым, во много раз повысить набираемую статистику таких событий, представляющих большой физический интерес.

В пятой главе описываются результаты исследования характеристик многоканальных прототипов (на 64 и 256 детекторных каналов на основе кристалла вольфрамата свинца и либо PIN-фотодиода, либо ЛФД в качестве

фотодетектора) и полномасштабного модуля PHOS на пучках заряженных частиц в ЦЕРН.

Описана организация измерений на вторичном пучке Т10 ускорителя PS и пучке Х5 ускорителя SPS в ЦЕРН (Швейцария). Показана эффективность разработанного режектора наложенных импульсов.

Исследовалась пригодность PIN-диодов и ЛФД для измерения энергий вплоть до 100 ГэВ. Получено, что PIN-диоды могут быть использованы для измерения энергий до ~ 10 ГэВ. Для энергий выше 10 ГэВ утечки электромагнитного ливня через заднюю стенку кристалла вызывают дополнительный, к световому, сигнал в PIN-диоде, т.н. эффект прямого детектирования (nuclear counter effect), что приводит к искажению спектров и уменьшению эффективности установки. ЛФД сравнительно малочувствителен к утечкам электромагнитных ливней из-за существенно меньшей толщины чувствительной области PN-перехода равной 5 мкм по сравнению с 280 мкм у PIN-диода. Результаты измерений показаны на рис. 8.

100 GeV unions

ГГ" .—, ------г-------- !

; J \ _____¡2|\-

ч-Ц

i v/ "

i'"

; п i

: [ 4 I

: ! л - Л«&Д

. . \ : 1 In 7ПТ Г Ъъ Г.....I" "

;ч L. 1,

30 GeV electrons

«f fM

Ctunnel

W «I л*

Channel

1 .........1М11Ш

---- ■ Д...........нет» is«»

;— ЛФД............ П 1RMS « ?4И

/ 1 .........................f......

......... ........jy ........... ...................

Рис. 8. Энергетические спектры ¡00 ГэВ мюонов и 30 ГэВ электронов, измеренные с PIN-диодом и ЛФД. Сцинтиллятор - кристалл PWO длиной

180 мм.

В результате проведённых измерений в качестве фотодетектора для PHOS был выбран ЛФД S8664 - 55 (HAMAMATSU).

Выполнены измерения энергетического разрешения прототипов PHOS, оборудованных лавинными фотодиодами фирмы Hamamatsu S8664 с размерами чувствительной области 5x5 мм2. В прототипах использовались кристаллы, полученные от двух российских поставщиков - ОАО Богородицкий Завод Технохимических Изделий (БЗТХИ) г.Богородицк, Тульская обл. и ОАО «Северные Кристаллы» (CK) г.Апатиты, Мурманская обл.

На рис. 9 показаны средние значения энергетического разрешения PHOS, полученные по 16 матрицам кристаллов с размером 3x3. Сплошная кривая

показывает расчетные значения энергетического разрешения, полученные в

главе 2. Видно хорошее совпадение расчетных и экспериментальных данных.

Проведены эксперименты на пучках заряженных пионов по идентификации нейтральных

г

■ Hu« рмга* 2002г. * Ппириш 2 00ЛГ

пионов

и

IM

т1-мезонов в инклюзивных реакциях к ' + |2С—> +Х и зг " + С-> г| +Х. Получен спектр инвариантных масс всех пар фотонов в таких Разрешение по

событиях, инвариантным массам составило для л:0 8,39±0,21МэВ/с2 , а для 1] -17,6±2,ЗМэВ/с2.

Результаты этих исследований

Рчк Poiltlon from 1826 Ch«nn«li

Рис. 9. Средние значения энергетического разрешения PHOS для электронов с энергиями 0,6 - 150 ГэВ. явились основой для создания модулей PHOS-ALICE. Проведена калибровка модуля PHOS, которая заключалась в определении коэффициентов, связывающих измеряемую в каналах детектора амплитуду сигналов с выделенной в этих каналах энергией. На первом этапе проводилась предварительная калибровка, которая заключалась в облучении каждого канала электронами с энергией 2 ГэВ при 3-х значениях напряжения смещения ЛФД. По данным предварительной калибровки для каждого канала была определена зависимость коэффициента усиления лавинного фотодиода, который пропорционален среднему значению положения пика, от

напряжения смещения. По полученным данным предварительной калибровки были рассчитаны рабочие напряжения смещения для всех ЛФД модуля, которые были записаны в специальный файл. Этот файл считывался программой APD GUI, которая управляет установкой индивидуальных напряжений смещения на ЛФД детекторных каналов. В результате применения такого способа подбора напряжений смещения удалось выровнять коэффициенты усиления различных каналов с разбросом в 4% (рис. 10).

Для измерения энергетического разрешения проводилось облучение модуля пучками электронов с

J

t ' ndl 1GB.1 / 39

Canalant За9.В±19Л

Иван 297.1*0.3

Sigma 12.1B±0.2t

-К I_I_I_I_L.

О 100 200 300 400 ООО вОО 700 900 900 1000

Рис. Ю. Распределение положений пиков от электронов с энергией 2 ГэВ в откалиброванных каналов.

энергиями 1, 2, 3, 4, 5 ГэВ. Измерялась выделенная энергия в матрице 3x3 канала. Полученные значения относительного энергетического разрешения модуля совпадают с аналогичными значениями' -дая^256- канального прототипа PHOS и удовлетворяет требованиям эксперимента ALICE.

Проведённые исследования и разработки позволили собрать три модуля PHOS, которые были установлены в шахту на глубине 60 м экспериментальной зоны ALICE в августе 2009 года.

PHOS успешно интегрирован в инфраструктуру эксперимента ALICE и участвует в сеансах физических измерений на пучках Большого адронного коллайдера в ЦЕРН. На рис. 11 показан спектр инвариантных масс пар фотонов, зарегистрированных

|рт=>2 GeV/c|

2500

1500

X11 ndf 91.6/40

А 2187 ±37.7

"Ъ 0.1351 ± 0.0001

а 0.00735 ± 0.00012

ао 402.9 ± 25.1

а, 1627 ±290.5

а2 -7007 ± 767.7

Рис. 11. Спектр инвариантных масс, измеренный PHOS на рр столкновениях

с энергией 7 ТэВ.

в PHOS, с поперечным импульсом рт>2 ГэВ/с, полученные на 2-107 рр столкновений при энергии 7 ТэВ. Более широкой (красной) линией показан результат фитирования спектра инвариантных масс суммой Гауссового распределения и полинома 2-й степени. При этом Гауссова функция описывает инвариантные массы фотонов от распада тс° мезона, а полином 2-й степени описывает комбинаторный фон от некоррелированных пар фотонов. Ширина а Гауссового распределения равна примерно 7 МэВ/с2, а его среднее значение, равное 135 МэВ/с2, соответствует табличной массе я0 мезона.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. Проведены измерения эффекта прямого детектирования (nuclear counter effect) для PIN-диодов и ЛФД, по результатам которых в качестве фотодетектора для PHOS выбран ЛФД.

2. Исследована зависимость энергетического разрешения PHOS от энергии, температуры кристаллов и усиления ЛФД. Получена формула для расчета относительного энергетического разрешения PHOS при

суммировании сигналов в матрице размером 3x3 кристаллов и использовании ЛФД в качестве фотодетектора. Показано улучшение энергетического разрешения с понижением температуры для энергий < 10 ГэВ и слабая его зависимость от М= 50 + 100. Проведены измерения относительного энергетического разрешения прототипов и модуля PHOS на пучках заряженных частиц ЦЕРН для диапазона энергий 0,6 150 ГэВ. Получено хорошее совпадение измеренных и расчётных значений относительного энергетического разрешения.

3. Проведена расчетная оценка временного разрешения PHOS. Измерено временное разрешение прототипа PHOS методом «старт-стоп» на пучках заряженных частиц ЦЕРН.

Проведено компьютерное моделирование цифровой обработки сигналов с целью получения временной отметки. Получены зависимости временного разрешения от периода выборки, постоянной времени формирования фильтра и амплитуды импульса. Измерено временное разрешение на макете считывающей электроники PHOS, реализующей цифровой метод.

4. Разработан и испытан алгоритм для цифровой обработки сигнала с целью повышения отношения сигнал-шум, восстановления базового уровня и получения временной информации. На предложенный алгоритм и устройство получено авторское свидетельство на изобретение.

5. Разработаны и созданы различные электронные схемы как для прототипов фотонного спектрометра, так и для полномасштабного модуля. Они включают следующее:

■ Зарядово-чувствительный предусилитель с низким уровнем шумов.

■ Считывающая электроника для проведения исследований кристаллов PWO и фотодетекторов на тестовых пучках.

■ Аналоговая считывающая электроника, измеряющая энергию и время пролёта частицы.

■ Считывающая электроника, реализующая цифровой метод обработки сигналов для измерения энергии и времени пролёта частицы.

■ Система формирования индивидуальных напряжений смещения для ЛФД.

Проведенные исследования и разработки позволили создать считывающую электронику для модулей PHOS и EMCAL, которые участвуют в эксперименте ALICE на БАК.

В августе 2009 г. PHOS в пусковой конфигурации из 3-х модулей был установлен в подземном зале эксперимента ALICE на глубине 60 м и успешно интегрирован в инфраструктуру ALICE. В настоящее время PHOS

участвует в сеансах физических измерений на пучках Большого адронного коллайдера в ЦЕРН в составе супердетектора ALICE.

ПУБЛИКАЦИИ И ССЫЛКИ

Основное содержание диссертации отражено в публикациях:

1. Сибиряк Ю.Г. Перспективы цифровой обработки сигналов в амплитудной спектрометрии. «Вопросы атомной науки и техники», серия: «Ядерно-физические исследования (теория и эксперимент)», выпуск 2, 1988, с.74.

2. Сибиряк Ю.Г. Цифровой процессор спектрометрических импульсов. Авторское свидетельство на изобретение № 1610445, Бюл.№44, 30.11.90.

3. V.I. Manko,..., I. Sibiriak et al. Photodiode read-out of the ALICE Photon Spectrometer PbW04 crystals. CERN/LHCC/99-33, 29 October 1999, pp. 232-236.

4. I. Sibiriak, R. Rongved, A. Klovning, O. Maeland. Preamplifier for ALICE-PHOS project (CERN), calculation and design. ALICE-INT-1999-11 v.10.

5. M.Ippolitov, ..., Yu.Sibiriak et al. Studies of lead tungstate crystals for the ALICE electromagnetic calorimeter PHOS. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 486 (2002) 121-125.

6. Д.А. Александров,..., Ю.Г. Сибиряк и др. Изучение свойств прототипов фотонного спектрометра PHOS для эксперимента ALICE ВАНТ, Серия: Физика ядерных реакторов, Вып. 1/2(2002), с.20

7. В.Ф.Басманов,..., Ю.Г.Сибиряк и др. Испытания 64-канального прототипа фотонного спектрометра для эксперимента ALICE. ВАНТ, Серия: Физика ядерных реакторов, Вып. 1/2 (2002), 204-207.

8. Hans Muller,Iouri Sibiriak et al. Trigger electronics for the ALICE PHOS detector. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 518 (2004) 525-528.

9. I.Sibiriak, A. Tsvetkov, A. Vinogradov. APD Power Control for the ALICE PHOS Prototype. ALICE-INT-2005-013.

10. D.V. Aleksandrov, ..., I.G. Sibiriak et al. A high resolution electromagnetic calorimeter based on lead-tungstate crystals. Nuclear Instruments and Methods in Physical Research A 550 (2005) 169-184.

11. H. Muller,..., I. Sibiryak et al. Front-end electronics for PWO-based PHOS calorimeter of ALICE. Nuclear Instruments and Methods in Physical Research A 567 (2006) 264-267.

12. A.B. Курякин, Ю.А. Кучеряев, Ю.Г. Сибиряк. Исследование амплитудного и временного разрешения фотонного спектрометра PHOS с помощью моделирования. Препринт ИАЭ - 6417/2, Москва, 2006.

13. М. Bogolyubsky.....I. Sibiriak et al. Time of Flight resolution of the

protopype of the electromagnetic calorimeter PHOS. Nuclear Instruments and Methods in Physical Research A 598 (2009) 702-709.

Результаты работ докладывались на международных конференциях:

1. I. Sibiriak, R. Rongved, A. Klovning, О. Maeland. Preamplifier for AL1CE-PHOS project (CERN), calculation and design, inter. Workshop on Tungstate Crystals, Roma, Italy, 12-14 Oct. 1998, pp. 359-364.

2. V.l. Manko,..., I. Sibiriak et al. Photodiode read-out of the ALICE Photon Spectrometer PbW04 crystals. LEB99 Fifth Workshop on Electronics for LHC Experiments - Snowmass, Colorado, 20-24 Sep. 1999.

3. I.Sibiriak, A. Tsvetkov, A. Vinogradov. APD Power Control for the ALICE PHOS Prototype. Instrumentation and Measurement Technology Conference (IMTC), Como, Italy, 18-20 May 2004.

Подписано в печать 30.09.2010. Формат 60x90/16 Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,25 Тираж 65. Заказ 89

Отпечатано в РНЦ «Курчатовский институт» 123182, Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1

Список сокращений.

Введение.

Глава 1. Фотонный спектрометр PHOS эксперимента ALICE на БАК

ЦЕРН).

1.1 Эксперименты на Большом адронном коллайдере.

1.2 Эксперимент ALICE.

1.3 Описание PHOS.

1.4 Обзор электромагнитных калориметров.

1.5 Идентификация частиц с помощью измерения времени пролёта.

1.6 Структурные схемы считывающей электроники

1.7 Фото детекторы.

1.7.1 PIN-диоды.

1.7.2 Лавинные фотодиоды.

1.8 Зарядово-чувствительный предусилитель.

Глава 2. Исследования энергетического разрешения PHOS.

2.1 Определение энергетического разрешения спектрометра.

2.2 Методика расчёта эквивалентного шумового заряда для аналогового и цифрового фильтров.

2.2.1 Источники электронных шумов системы детектор - ЗЧП.

2.2.2 Расчёт эквивалентного шумового заряда для аналогового фильтра.

2.2.3 Цифровая обработка сигналов детектора - цифровой фильтр.

2.2.4 Влияние схемотехники предусилителя на величину последовательного шумового сопротивления.

2.2.5 Анализ влияния шумов 1/f на величину эквивалентного

-—шумового-заряда-. — . .—:53~

2.2.6 Практический расчёт эквивалентного шумового заряда и сравнение с экспериментальными данными.

2.3 Исследование влияния усиления лавинного фотодиода и температуры на энергетическое разрешение спектрометра.

2.4 Сравнение расчётных и экспериментальных данных.

Глава 3. Исследование методов измерения времени пролёта с использованием PHOS.

3.1 Оценка временного разрешения PHOS.

3.2 Измерение времени пролёта методом «старт-стоп» на пучке заряженных частиц в ЦЕРН.

3.3 Измерение времени пролёта с помощью цифровой обработки формы импульса.

3.3.¡Описание компьютерной модели.

3.3.2 Основные результаты моделирования.

3.3.3 Экспериментальная проверка результатов моделирования.

Глава 4. Разработка и исследование считывающей электроники PHOS.

4.1 Методика проектирование зарядово-чувствительного предусилителя.

4.2 Этапы разработки считывающей электроники PHOS.

4.2.1 Считывающая электроника для проведения исследований на тестовых пучках.

4.2.2 Считывающая электроника ~ «аналоговый» метод измерения.

4.2.3 Считывающая электроника — «цифровой» метод измерения.

4.2.4 Сравнение «аналогового» и «цифрового» методов на основе разработанной считывающей электроники для PHOS.

4.3 Формирование индивидуальных напряжений смещения для ЛФД.

Глава 5. Исследование характеристик PHOS на ускорителях ЦЕРН.

5.1 Организация измерений.

5.2 Рсжекция наложенных импульсов.

5.3 Измерение эффекта прямого детектирования в PIN и лавинных фотодиодах.

5.4 Измерение относительного энергетического разрешения.

5.5 Измерение спектра инвариантных масс.

5.6 Калибровка детекторных каналов модуля PHOS.

5.7 Интеграция трёх модулей PHOS в эксперимент ALICE.

Фундаментальная научная задача современной физики - объяснить структуру, происхождение и эволюцию барионной материи Вселенной, которая составляет основу вещества звёзд, планет и живых существ. Квантовая хромодинамика, являющаяся на сегодня теоретической основой ядерной физики, предсказывает, что материя из сильно взаимодействующих частиц при экстремальной плотности энергии, когда последняя превышает критическую величину ~ 1 ГэВ/фм3, состоит не из адронов, а из кварков и глюонов. Именно таким первичным морем кварков и глюонов являлась Вселенная в первые мгновения (~1(Г5 сек) после Большого Взрыва. В этом состоянии, названном кварк-глюонной плазмой (КГП), её температура была значительно выше критической, которая равна приблизительно 200 МэВ. По мере охлаждения Вселенной в процессе её расширения, произошёл фазовый переход из КГП в адронное вещество, в котором кварки и глюоны пленены внутри адронов. Возможно, что обратный переход в КГП происходит и в наше время в ядрах нейтронных звёзд в момент их коллапса, однако на Земле он никогда не наблюдался.

Возможность исследования КГП в земных условиях дают столкновения ядер сверхвысоких энергий. Это новое направление ядерной физики испытывает стремительное развитие за последние десятилетия. В экспериментах на пучках тяжёлых ядер ускорителя SPS ЦЕРН и ядерного коллайдера RHIC Брукхейвенской национальной лаборатории США получены убедительные свидетельства в пользу того, что в центральных столкновениях тяжёлых ядер сверхвысоких энергий реализуются чрезвычайные условия, в результате чего образуются макроскопические сгустки вещества при плотности энергии, превышающей критическую плотность перехода в КГП.

В 2009 году в ЦЕРН (Швейцария) был запущен Large Hadron Collider (LHC), на котором будут получены пучки протонов с рекордно высокими энергиями 14 ТэВ в системе центра масс двух сталкивающихся протонов, что более чем в 300 раз превышает энергию, достигнутую на ускорителе SPS и почти в 30 раз на коллайдере RHIC. Всесторонним исследованиям КГП на LHC посвящен крупный эксперимент ALICE (A Large Ion Collider Experiment - большой ионный эксперимент на коллайдере), объединяющий усилия научных учреждений многих 6 стран. Исследования проводятся по следующим направлениям: физика заряженных частиц, физика мюонных пар и физика фотонов и нейтральных мезонов.

Наиболее интересные результаты могут быть получены в физике фотонов и нейтральных мезонов. Фотоны являются уникальным сигналом, позволяющим исследовать свойства образующегося в ядро-ядерном столкновении экстремально возбуждённого сгустка ядерного вещества (файрболл) на всех этапах его эволюции, включая самые ранние. В плотной высоковозбуждённой материи сгустка сильно взаимодействующих частицы - кварки, глюоны, адроны имеют длину свободного пробега во много раз меньшую его размеров. По этой причине сильно взаимодействующие частицы остаются в сгустке до конца его эволюции, в ходе которой их характеристики постоянно меняются в соответствии с изменением его состояния. Следовательно, характеристики этих частиц определяются, в основном, состоянием сгустка на завершающем этапе его эволюции и могут быть лишь косвенно связаны с его свойствами на более ранних этапах. Фотоны же, испытывающие только электромагнитное взаимодействие, имеют длину свободного пробега, во много раз превышающую размеры сгустка. Поэтому они покидают сгусток сразу после момента своего образования и их характеристики определяются свойствами сгустка именно в этот момент. Поскольку интенсивность рождения фотонов растёт с температурой, значительное их количество испускается на самых ранних этапах эволюции сгустка, что позволяет по характеристикам фотонов судить о его состоянии на этих этапах. Важную информацию о гидродинамических характеристиках сгустка на ранних этапах его эволюции несут исследования коллективных потоков прямых фотонов. Для извлечения сигнала прямых фотонов требуются измерения с высокой точностью инклюзивных спектров фотонов и нейтральных мезонов, прежде всего пионов, в широком диапазоне поперечных импульсов от ~ 0.5 ГэВ/с до 100 ГэВ/с. Измерение п° имеет и большое самостоятельное значение, поскольку, сравнение их выхода в ядерно-ядерном и р-р столкновениях может определить потери энергии партонами в горячей и плотной цветной среде.

В последние 20 лет в РНЦ «Курчатовский Институт» были разработаны и созданы два крупных электромагнитных калориметра на основе свинцовых стекол для экспериментов на пучках тяжёлых ядер - на 2500 каналов для экспериментов WA80 и WA93 , а затем на 10080 каналов для эксперимента WA98 в ЦЕРН. По завершении исследовательской программы эксперимента WA98 последний был интегрирован в эксперимент PHENIX в БЫЛ (США), став одним из его ключевых детекторов. С помощью этих калориметров как в ЦЕРН, так и в БНЛ, был получен ряд результатов фундаментального научного значения.

Однако, эксперименты на LHC потребовали создания фотонных спектрометров нового поколения, основанных на новых материалах, имеющих существенно меньшие значения радиуса Мольер и радиационной длины. В настоящее время наиболее перспективным материалом для спектрометров нового поколения являются кристаллы вольфрамата свинца (PWO), массовое производство которых было налажено в России. На их основе был создан прецизионный фотонный спектрометр для эксперимента ALICE, PHOS. С помощью PHOS будут проведены следующие исследования:

- Исследования начальной, наиболее горячей, фазы столкновения путём измерений прямых одиночных фотонов и прямых дифотонов.

- Определение начальной температуры образующегося в столкновении сгустка горячей и плотной материи путём измерения спектра теплового фотонного излучения.

- Определение пространственно-временных размеров сгустка путём измерения корреляций Ханберри-Брауна и Твисса для прямых фотонов и нейтральных пионов.

- Исследования явления гашения струй путём измерения одиночных фотонов и нейтральных пионов с высокими поперечными импульсами.

Технический Проект фотонного спектрометра PHOS, разработанный под руководством РНЦ «Курчатовский Институт», одобрен в 1999 г. Научным Советом ЦЕРН и утверждён дирекцией ЦЕРН. Согласно этому Техническому Проекту, конструкция спектрометра PHOS представляет собой пять одинаковых модулей, каждый из которых содержит 3584 (64x56) детекторных каналов. Модули располагаются в магните L3 с напряжённостью ~ 0,5 Тесла. Более подробно описание конструкции модуля PHOS и его расположение в ALICE дано в главе 1.

Основной задачей PHOS является идентификация и измерение энергии прямых фотонов, излучаемых сгустком КГП. Ожидаемый сигнал прямых фотонов представляет собой малую разность двух распределений: измеренного спектра частиц, идентифицированных как фотоны, и расчетного спектра фотонов, рожденных в процессах распада других частиц. Для достижения статистической достоверности каждый спектр должен быть получен с максимально высокой точностью. Основной вклад в спектр распада дает процесс ж0 -» 2у, но существенны также распад ^-мезона и аннигиляция антинейтрона. Если для выделения тг° и 77-мезонов можно использовать метод инвариантных масс фотонных пар, то для более тяжелых антинейтронов может оказаться более эффективным другой способ, использующий различие времен пролета фотона и антинейтрона от точки взаимодействия до передней поверхности спектрометра PHOS на расстоянии 4,6м. Точность измерения времени пролёта должна быть не хуже 1 не при энергии регистрируемых частиц ' 1 -2 ГэВ.

Не менее важной задачей PHOS является формирование триггерного сигнала нулевого уровня L0, измеряя суммарную выделенную энергию. Для повышения точности измерения необходимо, чтобы ошибка согласования коэффициентов преобразования всех измерительных каналов не превышала 4%.

Указанные 4 требования формируют цель проводимых исследований и определяют подход к решению задач по их реализации.

Цель диссертационной работы: разработка и исследование характеристик многоканального прецизионного фотонного спектрометра PHOS эксперимента ALICE на LHC (ЦЕРН).

Решаемыми задачами являются:

• Исследование энергетического и временного разрешений PHOS на пучках заряженных частиц

• Выбор типа фотодетектора, удовлетворяющего физическим требованиям к PHOS и определение его рабочих характеристик

• Анализ влияния шумов фотодетектора и считывающей электроники, фотостатистики и температуры кристалла на энергетическое и временное разрешение PHOS

• Анализ принципов построения считывающей электроники PHOS с использованием аналогового и цифрового методов обработки сигналов фотодетектора

• Разработка методики расчёта эквивалентного шумового заряда (ENC) измерительного канала состоящего из фото детектор а, зарядочувствительного предусилителя (ЗЧП) и фильтра. Исследование влияния шумов 1/f и конкретной схемы ЗЧП на ENC.

• Разработка алгоритма цифровой обработки сигнала фотодетектора и вывод формулы коэффициента превышения шума (КПШ)

• Исследование влияния параметров фильтра на временное и энергетическое разрешения спектрометра при цифровой обработке сигнала. Определение оптимальной конструкции фильтра.

• Исследования влияния эффекта Миллера на частотные и шумовые характеристики ЗЧП. Разработка оптимальной схемы ЗЧП для PHOS

• Разработка системы подачи индивидуальных напряжений смещения на фотодетекторы

• Разработка и сравнительный анализ считывающей электроники PHOS реализующей аналоговый и цифровой методы обработки сигналов.

Диссертация состоит из Введения, пяти глав и Заключения. В первой главе описываются конструкция спектрометра PHOS и единичного модуля, структурная схема считывающей электроники. Приводятся обзоры основных элементов считывающей электроники. Рассматриваются физические основы идентификации частиц по времени пролета для спектрометра PHOS. Сформулированы основные требования к считывающей электронике фотонного спектрометра.

Заключение

Результаты проведённых исследований и разработок:

1. Проведены измерения эффекта прямого детектирования (nuclear counter effect) для PIN-диодов и ЛФД, по результатам которых в качестве фотодетектора для PHOS выбран ЛФД.

2. Исследована зависимость энергетического разрешения PHOS от энергии, температуры кристаллов и усиления ЛФД. Получена формула для расчета относительного энергетического разрешения PHOS при суммирования сигналов в матрице размером 3x3 кристаллов. Показано улучшение энергетического разрешения с понижением температуры для энергий <10 ГэВ и слабая его зависимость от М= 50 100.

Проведены измерения относительного энергетического разрешения прототипов и модуля PHOS на пучках заряженных частиц ЦЕРН для диапазона энергий 0,6 -М50 ГэВ. Получено хорошее совпадение измеренных и расчётных значений относительного энергетического разрешения.

3. Проведена теоретическая оценка временного разрешения PHOS. Измерено временное разрешение прототипа PHOS методом «старт-стоп» на пучках заряженных частиц ЦЕРН, которое составило 0,51 не для частиц с энергией 2 ГэВ.

Проведено компьютерное моделирование цифрового метода измерения времени пролёта. Получены оптимальные значения постоянной времени формирования и порядка фильтра, частоты выборки и количества обрабатываемых отсчетов сигнала, при которых временное разрешение составило минимальное значение 0,3 не для 2 ГэВ. Измерение временного разрешения с помощью разработанной карты считывающей электроники дало 0,81 не для 2 ГэВ. При этом наименьшее временное разрешение было достигнуто с параметрами фильтра, полученными при моделировании.

4. Разработана методика выравнивания коэффициентов преобразования детекторных каналов. С использованием данной методики проведена калибровка модуля PHOS на пучках заряженных частиц.

5. Предложен алгоритм работы и функциональная схема устройства для цифровой обработки сигнала (фильтрация и восстановление постоянной составляющей) и получены оптимальные параметры для его реализации. Алгоритм работы и функциональная схема устройства защищены авторским свидетельством на изобретение. Разработано устройство для цифровой обработки сигнала и проведены измерения его характеристик, которые совпадают с расчётными значениями.

6. Проведен анализ шумов системы фотодетектор - ЗЧП. Разработана методика расчета ENC для фильтров 1, 2, 4-ого порядка. Проведён анализ влияния шума 1/f на величину ENC. С помощью расчетов и измерений доказана необходимость учета шума 1/f при определении ENC. Для данного вида шума вычислены весовые коэффициенты для фильтра 1, 2, 4-ого порядка. Вычислены шумовая постоянная времени и ENC для используемых в PHOS ЛФД и ЗЧП. Полученные величины совпадают с измеренными значениями.

7. Разработаны и созданы различные электронные схемы как для прототипов фотонного спектрометра, так и для полномасштабного модуля. Они включают следующее:

Зарядово-чувствительный предусилитель с низким уровнем шумов.

Считывающая электроника для проведения исследований кристаллов PWO и фотодетекторов на тестовых пучках.

Аналоговая считывающая электроника, измеряющая энергию и время пролёта частицы.

Считывающая электроника, реализующая цифровой метод обработки сигналов для измерения энергии и времени пролёта частицы.

Система формирования индивидуальных напряжений смещения для ЛФД.

Проведенные исследования и разработки позволили создать считывающую электронику для модулей PHOS и EMCAL, которые участвуют в эксперименте ALICE на БАК.

В августе 2009 г. PHOS в пусковой конфигурации из 3-х модулей был установлен в подземном зале эксперимента ALICE на глубине 60 м и успешно интегрирован в инфраструктуру ALICE. В настоящее время PHOS участвует в сеансах физических измерений на пучках Большого адронного коллайдера в ЦЕРН в составе супердетектора ALICE.

Благодарности

Хочу выразить искрению благодарность всей коллаборации PHOS за помощь в проведении исследований и пучковых измерений.

Особая благодарность д.ф.-м.н. В.И. Манько, без научного и организационного талантов которого данная диссертационная работа могла бы не состояться.

Благодарю к.ф.-м.н. М.С. Ипполитова за организацию пучковых измерений в ЦЕРН и научное руководство моей диссертационной работой.

1. LHC Design Report (CERN-2004-003).

2. ALICE Collaboration Technical Proposal for a large ion collider experiment at the CERN LHC, CERN/LHCC/95-71.

3. ALICE Collaboration Technical Design Report of the PI IOS, CERN/LHCC 994.

4. К. Клайнкнехт. Детекторы корпускулярных излучений: Пер. с нем. М.: Мир, 1990.-224с., с. 161.

5. J.A . Bakken et al., L3 Collaboration, Nucl. Instr. and Meth .1. A 280 (1989) 25.

6. C. Bebek. Nucl. Instr. and Meth . A 265 (1988) 258.

7. Marco Paganoni. The CMS electromagnetic calorimeter. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 535 (2004) 461-465.

8. ALICE PPR Volume II, CERN-LHCC 2005-030, 5 December 2005. See chapter 6, Probes and observables: photons.

9. Y.Kyarlov, M.Ippolilov, D.Peresunko. Requirements on Timing Resolution of the ALICE/PHOS Detector. ALICE Internal Note 2006-009, URL: http://cdsweb.cern.ch/record/976625

10. M.Ippolitov, A.Vasiliev, in Proc. of 9th ICATPP Conference on Astroparticles, Particles, Space Physics, Detectors and Medical Physics Applications, Como, Italy, 17-21 October 2005.

11. R.Novotny, et al, "High Resolution Calorimetry With PWO-II,"Nuclear Science Symposium Conference Record, 2005 IEEE Publication Date: October 23 29, 2005, Volume: 1, On page(s): 244-248.

12. Hans Muller, ., Iouri Sibiriak et al. Trigger electronics for the ALICE PIIOS detector. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 518 (2004) 525-528.

13. Gowar, John, Optical Communication Systems, 2 ed., Prentice-Hall, Hempstead UK, 1993.

14. A.Karar, Y.Musienko, J.Ch.Vanel. Characterization of avalanche photodiodes for calorimetry applications. Nucl. Instr. and Meth. A 428(1999) 413-431.

15. Characteristics and use of Si APD. Technical Information SD-28, HAMAMATSU, 2001.

16. P. Yuan et al. A new look at impact ionization—part II: gain and noise in short avalanche photodiodes. IEEE Trans. Electron Devices, vol. 46, pp. 1632-1639, Aug. 1999.

17. K. Deiters et al. Properties of the avalanche photodiodes for the CMS electromagnetic calorimeter. Nucl. Instr. and Meth. A 453 (2000) 223-226.

18. A. Dorokhov et al. Study of the Hamamatsu avalanche photodiode at liquid nitrogen temperatures. Nucl. Instr. and Meth. in Physics Research A 504 (2003) 58-61.

19. Духанов В.И., Жернов H.B., Мазуров И.Б. Широкополосный зарядово-чувствительный предусилитель // Вопросы атомной науки и техники. Общая и ядерная физика. 1988. - N 2/42. - С.87-88.

20. Зарядово-чувствительный предусилитель с истоковым повторителем на входе / Горев B.C., Фирсов Ь.Д., Кандыбин В.В., Шатило Н.И. // ПТЭ. -1977.-N3.-C.132-133.

21. Левченко В.Ф., Репин А.И. Зарядочувствительный предусилитель для полупроводниковых ядерных детекторов и фотоприемников большой емкости //ПТЭ. 1975. -N 5. - С. 123-124.

22. ALICE Technical Proposal for Large Ion Collider Experiment at the CERN LHC, CERN/LHCC/95-71, LHCC/P3 15 December 1995, p.94-95.

23. Gatti E., Manfredi P.F., Hrisoho A. IEEE Trans. Nucl. Sci. 1983. V. NS-30, N1. p 319- 323.

24. F.S. Goulding and D.A. Landis. IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. NS-29, No.3, June 1982, p.l 125-1141.

25. V.Radeka, Nucleonics 23: 7, p. 55, (July 1965).

26. Hanh G. Nucl. Instr. And Meth. 148 (1978) p. 591 599.

27. Полупроводниковые детекторы в экспериментальной физике. Под редакцией Ю. К. Акимова. М.: Энергоатомиздат, 1989г., с. 156.

28. Semiconductor detectors. Ed. By G. Bertolini and A. Coche. AMS. 1968, p. 214.

29. V. Radeka, Proc. Int. Symp. On Nuclear Electronics (1968) p.46.

30. J. Llacer, Proc. 2nd ISPRA Nuclear Electronics Symposium (1975) p.47.

31. M. H. Хачатурян, Физика элементарных частиц и атомного ядра, 2003. т.34 Вып. 5, стр. 1323.

32. A Large Ion Collider Experiment, Technical Proposal,CERN/LHCC 95- 71, LHCC/P3, 15 December 1995.

33. Lecomte, R, Martel, C. and Carrier, C. Status of BGO-avalanche Photodiode Detectors for spectroscopy and timing. Measurements. Nucl. Instr. and Meth. A278 (1989) 585.

34. D.V. Aleksandrov, ., I.G. Sibiriak et al. A high resolution electromagnetic calorimeter based on Iead-tungstate crystals. Nuclear Instruments and Methods in Physical Research A 550 (2005) 169-184.

35. P.W. Nicholson, Nuclear Electronics (Wilay, New York, 1973).

36. E. Baldingez and W. Franzen, Advances in Electronics and Electron Physics (Academic Press, New York, London, 1956) p.255.

37. A.B. Gillespie, Signal, Noise and Resolution in Nuclear Counter Amplifiers (Pergamon Press, London, New York, 1953).

38. F.S. Goulding and W.I. Hansen, Nucl. Instr. and Meth. 12(1961) p.249.

39. H. Murakami, Nucl. Instr. and Meth. A243(1985) p.132.

40. V.Radeka Proc.Int.Symp. on Nuclear Electronics, 1968, p.46.

41. Llacer J., Proc. 2nd ISPRA Nuclear Electronics Symposium, 1975.

42. I.Sibiriak et al. Preamplifier for ALICE-PHOS project (CERN). Calculation and Design. ALICE-INT-1999-11, v. 10.

43. И.С. Гоноровский. Радиотехнические цепи и сигналы, М., «Советское радио», 1977, стр.445.

44. Н. Den Hartog and F.A. Muller, Physica 13, No.9 (Nov. 1947).

45. G. Nowack and J.W. Klein, Proc. 2nd ISPRA Nuclear Electronics Symposium (1975) p.87.

46. Сибиряк Ю.Г. Исследование цифровой обработки аналоговых сигналов в спектрометрах заряженных частиц. Часть 1. ИАЭ-5243/14, Москва, 1990г.

47. Харкевич А.А. Борьба с помехами. М., Физматгиз, 1963 г., с.71.48. Там же, с.73.

48. Крашенинников И.С. и др. Современная ядерная электроника. Том 1. М., Атомиздат, 1974 г., с.64.

49. Kandiah К., Smith A.J., White G. IEEE Trans. Nucl. Sci. 1975, vol. NS-22, p. 2058-2065.

50. Bilotti A., Mariani E. IEEE J. Solid State Circuits. 1975, V. SC -10, N 6, p. 516-524.

51. М.Букингем «Шумы в электронных приборах и системах» Москва, Мир, 1986, стр.188.

52. Цитович А.П. Ядерная электроника. М.: Энергоатомиздат, 1984, с.202 -204.

53. М. Bogolyubsky, ., I. Sibiriak et al. Time of Flight resolution of the protopype of the electromagnetic calorimeter PHOS. Nuclear Instruments and Methods in Physical Research A 598 (2009) 702-709.

54. Y. Sibiryak et al. APD power control for the ALICE PHOS prototype. ALICE-INT-2005-013.

55. H. Muller, ., I. Sibiriak et al. Trigger electronics for the Alice PHOS detector. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A518 (2004) 525-528.

56. A.B. Курякин, Ю.А. Кучеряев, Ю.Г. Сибиряк. Исследование амплитудного и временного разрешения фотонного спектрометра PHOS с помощью моделирования. Препринт ИАЭ 6417/2, Москва, 2006.

57. MINUIT, Reference Manual. CERN Program Library Long Writeup D506, 1992.

58. ROOT Users Guide (Fitting Histograms). URL: http://root.cern.ch/root/doc/RootDoc.html.

59. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. M.: Радио и связь, 1982 г., с.271.

60. Титце У, Шенк К. Полупроводниковая схемотехника, Мир, 1982, с.227.

61. В Л. Шило. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре. М.: Сов. Радио, 1979, с. 26.

62. ALICE TDR of the EMCAL, CERN/LHCC 2006-014, p. 19-20.

63. J. Koster. The PHENIX Muon Piston Calorimeter. American Physical Society, Division of Nuclear Annual Meeting, October 25 -28, 2006.

64. В.Ф.Басманов,., Ю.Г.Сибиряк и др. Испытания 64-канального прототипа фотонного спектрометра для эксперимента ALICE. ВАНТ, Серия физика ядерных реакторов, вып. 1/2 (2002), 204-207.

65. Ron Mancini, OP Amp for Everyone, Texas Instruments, 2002, p 16-15.

66. Хорвиц П., Хилл У. Искуссство схемотехники: В 2-х томах, Мир, 1983. Т. 1. Стр. 248 -268.68. URL: www.analog.com.

67. Мазуров И.Б., Сибиряк Ю.Г. ПТЭ №4, 1983, с.98 101.

68. М.О. Deighton. Nucl. Instr. And Methods, vol.58(1968), No 2, p.201-212.

69. K. Kandiah. Active integrators in spectrometry with radiation detectors, Report No AERE-R 5439.

70. H. Murakami. On the equivalent noise charge (ENC) of CR-RC prefilter . Nucl. Instr. and Methods in Physics Research A234 (1985), p. 132-141.

71. И.Б.Мазуров, Ю.Г.Сибиряк. Генератор для настройки и проверки спектрометрических блоков. Вопросы атомной науки и техники. Выпуск 4(40), 1987, с.90.

72. И.Б.Мазуров, Ю.Г. Сибиряк. Генератор спектрометрических импульсов. Авторское свидетельство на изобретение № 1325671, Бюл.№27, 23.07.87.

73. Сибиряк Ю.Г. Исследование цифровой обработки аналоговых сигналов в спектрометрах заряженных частиц. Часть 2. ИАЭ-5243/14, Москва, 1990г.

74. Сибиряк Ю.Г. Цифровой процессор спектрометрических импульсов. Авторское свидетельство SU 1610445, Бюл.№44, 30.11.1990.

75. The ALTRO Chip: A 16-channel A/D Converter and Digital, Processor for Gas Detectors, R. Esteve Bosch et al. Proc. IEEE NSS/MIC, November 2002, Norfolk Virginia.

76. C. Gonzales Gutierres et al., The ALICE TPC readout control unit, IEEE Nucl. Sci. Symp. Conf. Rec. 1 (2005) 575.

77. TSA1001, 10-BIT, 25MSPS, 35mW A/D CONVERTER, Technical Data.81.