Разработка и исследование лавинных фотодиодов для электромагнитного калориметра эксперимента "Компактный мюонный соленоид" тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

ии3452391

Но правах рукописи

МУСИЕНКО Юрий Васильевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЛАВИННЫХ ФОТОДИОДОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КАЛОРИМЕТРА ЭКСПЕРИМЕНТА "КОМПАКТНЫЙ МЮОННЫЙ СОЛЕНОИД"

01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2008

1 з ло:2::з

003452391

На правах рукописи

МУСИЕНКО Юрий Васильевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЛАВИННЫХ ФОТОДИОДОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КАЛОРИМЕТРА ЭКСПЕРИМЕНТА "КОМПАКТНЫЙ МЮОННЫЙ СОЛЕНОИД"

01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2008

Работа выполнена в Институте ядерных исследований Российской академии наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Ю.Г. Куденко

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Г.М. Гуревич доктор физико-математических наук В.В. Куликов

Ведущая организация:

Институт ядерной физики им Г.И Будкера СО РАН (г. Новосибирск).

Защита состоится ь (, 1 1.2008 _года в -ООчасоъ

на заседании диссертационного совета Д 002.119.01 Института ядерных исследований РАН по адресу: 117312, Москва, проспект 60-летия Октября, 7а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института ядерных исследований РАН.

2 7. 1 0.2008

Автореферат разослан _.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 002.119.01

кандидат физико-математических наук Б.А.Тулупов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

Лавинные фотодиоды (ЛФД), разработанные и исследованные в данной работе, предназначены для использования в качестве фотоприемников электромагнитного калориметра (ECAL) эксперимента Compact Muon Solenoid (CMS) на ускорителе Large Hadron Collider (LHC) (The CMS experiment at the CERN LHC. 2008 JINST 3 S08004). Одной из основных задач эксперимента CMS является исследование процессов, нарушающих электрослабую симметрию, в частности, поиск бозона Хиггса, предсказанного Стандартной Моделью (СМ) элементарных частиц. В случае малой массы Хиггса (Мц<150 ГэВ), его основной модой распада является распад H —» уу. Если же масса Хиггса лежит в пределах 140< Мц <700 ГэВ, он в основном должен распадаться (через W и Z бозоны) на лептоны, в том числе, на электроны и позитроны И в первом, и во втором случае роль ECAL для обнаружения и изучения бозона Хиггса является определяющей. Кроме того, ECAL будет играть важную роль в поиске процессов, связанных с новой физикой (новые калибровочные бозоны W' и Z', дополнительные размерности и т.д.), а также при детектировании суперсимметричных частиц (например, глюино и скварков, через их каскадные распады) (Н.В. Красников, В.А. Матвеев. Поиск новой физики на большом адронном коллайдере. УФН174 697 (2004)).

Для выполнения этих задач ECAL должен обладать высоким энергетическим разрешением (<Г//А'<0.6% при Е>100 ГэВ), стабильно работать в течение длительного времени (>10 лет) при при высоких дозах радиации Условия проведения эксперимента CMS предъявляют жесткие требования к фотоприемникам, которые должны обладать высокой радиационной стойкостью, способностью работать в сильных магнитных полях (до 4 Тл), слабой чувствительностью к заряженным частицам, низким шум-фактором, высоким быстродействием (время нарастания сигнала <10 нсек, частота срабатывания >40 МГц) Они также должны обладать широким динамическим диапазоном чувствительности к входным световым сигналам (>105), высокой квантовой эффективностью в области спектра высвечивания кристаллов PI3WO4 (400500 нм), слабой чувствительностью к изменениям температуры и напряжения, а также высокой надежностью и стабильностью работы в течение всего эксперимента CMS (>10 лет). Сильное магнитное поле (4 Тл) в области CMS ECAL делает невозможным использование там вакуумных фотоумножителей, которые широко используются в калориметрах многих физических экспериментов. Кремниевые фотодиоды, хотя и способны работать в сильных магнитных полях, не усиливают принимаемый сигнал, что приводит к низкому энергетическому разрешению калориметра, особенно в области малых энергий частиц. К отрицательным свойствам кремниевых фотодиодов можно отнести их высокую чувствительность к заряженным частицам ("nuclear counter effect"), а также их относительно низкую радиационную стойкость. Лавинные

фотодиоды усиливают фотоэлектрический сигнал и, также как и кремниевые фотодиоды, способны работать в сильных магнитных полях. Однако на момент начала работ по созданию ECAL CMS не существовало ЛФД по своим параметрам удовлетворяющим условиям проведения эксперимента CMS. Существующие на тот момент ЛФД были оптимизированы, в основном, для регистрации красного и инфракрасного света, имели малую чувствительную площадь и не обладали высокой радиационной стойкостью.

В результате проведённой работы была предложена и разработана структура кремниевого лавинного фотодиода (ЛФД), оптимизированная для применения в электромагнитном калориметре эксперимента CMS.

Основные цели работы

Основными целями настоящей работы явились разработка структуры кремниевого лавинного фотодиода (ЛФД), оптимизированной для применения в электромагнитном калориметре эксперимента CMS; разработка методики измерения параметров ЛФД, особенно тех, которые влияют на характеристики ECAL; изучение радиационной стойкости ЛФД на пучках нейтронов, протонов и гамма-квантов, разработка методики отбора радиационно-стойких ЛФД; изучение супермодуля ECAL, оснащенного ЛФД, на пучке электронов ускорителя ЦЕРН.

Научная новизна диссертационной работы

Впервые предложена и разработана структура ЛФД, оптимизированная для применения в калориметрах физики элементарных частиц. Данная структура обладает пониженной чувствительностью к заряженным частицам и радиации. Предложена и разработана новая методика измерения параметров лавинных фотодиодов, в том числе таких, как коэффициент усиления, квантовая эффективность, шум-фактор, эффективная толщина ЛФД для заряженных частиц. Продемонстрирована универсальность данной методики на примере измерения параметров ЛФД, имеющих разную внутреннюю структуру Впервые проведены комплексные исследования радиационной стойкости ЛФД на пучках нейтронов, протонов и гамма-квантов. Результаты радиационных исследований впервые показали, что разработанные коллаборацией CMS и Hamamatsu ЛФД сохраняют работоспособность при интегральных потоках нейтронов, по крайней мере, до 2><1013 нейтронов/см2. Разработана совершенно новая методика отбора радиационно-стойких ЛФД, позволившая отбраковать потенциально ненадежные фотоприёмники.

Практическая ценность

ЛФД, разработанные в данной работе, могут найти широкое применение не только в качестве фотоприёмников электромагнитных или адронных калориметров, но и использоваться при построении трековых детекторов, например, на основе тонких сцинтилляционных волокон. Высокая чувствительность данных ЛФД в широкой области светового спектра, компактность, на-

4

дежность, нечувствительность к магнитным полям, высокое быстродействие делают возможным использование данных фотоприёмников в различных областях науки, техники и медицины. Весьма привлекательным, например, выглядит использование разработанных ЛФД в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) и особенно в комбинированных установках, где ПЭТ проводится одновременно с МРТ (Магнитно-резонансная томография) сканированием.

Разработанная в данной работе методика измерения параметров ЛФД была использована для тестирования лавинных микропиксельных фотодиодов используемых в ближнем нейтринном детекторе эксперимента Т2К. Методика измерений и разработанные критерии отбора радиационно-стойких ЛФД, а также результаты изучения их радиационной стойкости могут быть использованы при построении экспериментальных установок физики элементарных частиц в которых планируется использование лавинных фотодиодов (в первую очередь таких детекторов, как ALICE (ЦЕРН), NOvA (Fermilab) и PANDA (GSI)).

Личный вклад

Автор принимал активное участие на всех этапах разработки, изучения свойств, оптимизации параметров лавинных фотодиодов ECAL CMS. Им была предложена и разработана методика измерения параметров ЛФД, важных с точки зрения их использования в электромагнитных калориметрах. Продемонстрирована универсальность данной методики на примере измерения параметров ЛФД, имеющих разную внутреннюю структуру. Предложена и разработана модель для расчета параметров лавинных фотодиодов (в том числе -после облучения ЛФД нейтронами) С помощью разработанной модели проведена оптимизация структуры ЛФД по уменьшению чувствительности ЛФД к заряженным частицам и радиации. Проведены исследования радиационной стойкости ЛФД на пучках нейтронов, протонов и гамма-квантов. Автором предложена, разработана и проверена на большом количестве (~1000) ЛФД методика отбора радиационно-стойких ЛФД. Автор участвовал в подготовке и тестах модуля электромагнитного калориметра CMS на пучке электронов ускорителя ЦЕРН

Положения, выносимые на защиту:

1. Методика измерения параметров лавинных фотодиодов (ЛФД).

2. Модель для расчета параметров лавинных фотодиодов (в том числе -после облучения ЛФД нейтронами).

3. Разработка оптимизированной структуры ЛФД для применения в электромагнитных калориметрах (в частности для электромагнитного калориметра CMS).

4. Исследование радиационной стойкости ЛФД в интенсивных потоках нейтронов (Е=1 МэВ), протонов (70 МэВ), а также гамма-квантов с энергией 1 МэВ

5. Методика отбора радиационно-стойких ЛФД.

6. Измерение супермодуля электромагнитного калориметра CMS на пучках электронов с энергией 20-250 ГэВ.

Апробация работы

Результаты исследований неоднократно докладывались автором на различных международных конференциях, в том числе:

1. The 1st Workshop on Electronics for LHC Experiments, Лиссабон, Португалия, сентябрь 1995 г.

2. 2nd International Conference on New developments in Photodetection, Бон, Франция, июнь, 1999 г

3. The 8th Pisa Meeting on Advanced Detectors, Ла Биодола, Эльба, Италия, май 2000 г.

4. VIII Международной конференции по методике экспериментов на встречных пучках, Новосибирск, Россия, февраль-март 2002 г.

5. The 42nd Workshop of the INFN ELOISATRON Project "Innovative Detectors for Supercolliders", Эриче, Италия, сентябрь 2003 г.

Публикации

Диссертация основана на результатах работ, опубликованных в период с 1996 по 2008 год в журналах "Приборы и Техника Эксперимента", "Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A", "European Physical Journal C", в трудах международных конференций Всего по теме диссертации опубликовано 20 работ из них 18 в реферируемых журналах.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Диссертация изложена на 122 страницах, включая 83 рисунка, 4 таблицы и список литературы, который включает 87 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во Введении излагаются цель и методы исследования; раскрываются актуальность, научная новизна и практическая ценность диссертации; перечисляются положения, выносимые на защиту, и приводятся фактические данные о работе и её апробации.

В Главе 1 приводится описание конструкции электромагнитного калориметра (ECAL) установки CMS, расположенного внутри сверхпроводящего соленоида, в области сильного магнитного поля (В=4 Тл). Для достижения высокого энергетического разрешения, кристалл вольфрамата свинца (PbW04) был выбран в качестве активной среды электромагнитного калори-

метра. Этот кристалл является быстрым сцинтиллятором - 90% света излучается в течение первых 100 нсек, прошедших после начала вспышки. Спектр излучения PbW04 достигает максимума на длинах волн 420-430 нм. Малая радиационная длина (0.89 см) и малый мольеровский радиус (2.19 см) кристаллов PbW04 позволяет сделать ECAL очень компактным. Однако, PbW04 имеет низкий световыход (~50 фотонов/МэВ) и довольно сильную температурную зависимость (-2%/°С). ECAL установки CMS - герметичный калориметр полного поглощения, состоящий из цилиндрической и двух торцевых частей (2x7324 кристалла). Цилиндрическая часть ECAL (61 200 кристаллов PbW04) имеет внутренний радиус 1.24 м и изготовлена из кристаллов длиной 23 см (26 радиационных длин) и поперечным сечением -22x22 мм. Торцевые части калориметра состоят из 14 648 кристаллов, имеющих длину 22 см и поперечное сечение -28 6x28.6 см2. Перед торцевыми калориметрами расположен предливневый детектор, состоящий из двух плоскостей свинцового поглотителя (толщиной в 3 радиационной длины), за каждой из которых следуют плоскости стриповых кремниевых детекторов (шаг чувствительных стрипов 1.8 мм). Водяная система термостабилизации, имеющая два контура охлаждения, поддерживает весь ECAL при температуре 18 °С с точностью 0.1 °С.

Подробно рассмотрены свойства фотоприемников ECAL, которые должны удовлетворять физическими требованиям к электромагнитному калориметру и условиям проведения эксперимента CMS. Эти требования включают в себя"

- способность работать в сильных магнитных полях (В=4 Тл);

- высокая квантовая эффективность в области спектра высвечивания PbW04 (QE>65%, >.=400-550 нм);

- слабая чувствительность к заряженным частицам;

- низкий шум-фактор (F<2.5);

- высокое быстродействие (время нарастания сигнала <10 нсек, частота срабатывания >40 МГЦ);

- широкий динамический диапазон по отношению к входным сигналам (Е=30 МэВ-2 ТэВ);

- слабая чувствительность к изменениям температуры и напряжения;

- высокая радиационная стойкость (слабая зависимость параметров ЛФД от накопленной радиационной дозы: 200 кРад и 2x1013 нейтронов/см2);

- высокая надежность и стабильность работы в течение всего эксперимента CMS (>10 лет). Не более 0 5 % ЛФД может выйти из строя в течение 10 лет работы в условиях LHC.

В конце первой главы кратко описаны электроника считывания, системы лазерного мониторирования, охлаждения и температурного контроля ECAL CMS.

В Главе 2 рассматриваются физические принципы работы кремниевых лавинных фотодиодов, описан процесс лавинного умножения. Обсуждаются

параметры лавинных фотодиодов и их влияние на энергетическое разрешение ECAL.

Зависимость энергетического разрешения калориметра, используемого в экспериментах на ускорителях, от энергии регистрируемых частиц может быть выражена в виде уравнения:

а ^ b ^

— = -т=Ф —Фс (1)

Е 4Ê Е '

где Е - энергия частиц в ГэВ, а коэффициенты а, Ь, с - так называемые "стохастический", "шумовой" и "постоянный' параметры этого уравнения. Знак ® означает квадратичное сложение членов этого уравнения

В кристаллических электромагнитных калориметрах величину стохастического параметра "а" уравнения (1) определяют в основном флуктуации числа фотоэлектронов, зарегистрированных в калориметре.

Показано, что в случае фотоприемника, обладающего средним коэффициентом умножения M и шум-фактором F, "стохастическую" часть уравнения (1) можно записать в виде:

=M.JNjLF.e_ IF

Е), N0 -M -Е \N0-E ]N,-QE-f-E JË ' U

где N - число фотонов, образовавшихся в кристалле при выделении в нем энергии равной 1 ГэВ, / - доля излученного кристаллом света, попавшая на чувствительную область фотоприёмника, QE - его квантовая эффективность и, наконец, N0 - число первичных фотоэлектронов, зарегистрированных фотодетектором.

Второй, "шумовой", член в уравнении (1) обычно определяет разрешение калориметра при низких энергиях частиц. В общем случае его вклад в разрешение можно записать в виде.

(3)

Ы0-М-Е Иг-дЕ-/-М-Е '

где £7„ - так называемый эквивалентный шумовой заряд, т.е. среднеквадратичное отклонение шумовых сигналов, выраженное в электронах и приведенное к входу усилителя.

В электронике принято представлять шум в виде суммы двух частей, так называемых параллельного (ар) и последовательного (ст,) шума, так как источники этих шумов независимы и могут быть рассмотрены по отдельности:

(4)

В случае, когда усилитель имеет НС,-СИ формировку, а для измерения сигналов используется метод "пикового детектора", эквивалентный шумовой заряд последовательного и параллельного шума можно выразить уравнениями

т

1

(6)

где г- время RC-CR формировки, q - заряд электрона, k¡¡ - постоянная Больц-мана, Т - температура, Rs - последовательное сопротивление ЛФД, Cj - емкость ЛФД С, - полная ёмкость на входе усилителя, включая емкость ЛФД входную емкость усилителя и паразитные емкости соединительных контактов, gm - крутизна входного транзистора, ls - поверхностный темновой ток ЛФД, h - начальный внутренний темновой ток ЛФД, М - средний коэффициент умножения ЛФД, F - шум-фактор.

"Постоянный" член в уравнении энергетического разрешения возникает в результате ряда причин. В случае CMS ECAL наибольший вклад в постоянный член даёт неоднородность продольного сбора света из кристалла, утечка части ливня через заднюю стенку кристалла, ошибки в энергетической калибровке отклика кристаллов, нестабильности сигнала калориметра в результате радиационных повреждений, "старения" кристаллов и фотоприемников, нестабильности температуры. Очевидно, что нестабильность коэффициента умножения и квантовой эффективности ЛФД или их дрейф со временем, могут привести к увеличению "постоянного" члена уравнения (1) и ухудшению энергетического разрешения калориметра. Поэтому уменьшение зависимости параметров ЛФД от напряжения смещения, температуры и радиации является важной задачей опытно-конструкторской разработки этих приборов для применения в физике высоких энергий.

Рассмотрен эффект, связанный со свойствами ЛФД (известный в научной литературе, как "nuclear counter effect"), который может привести к увеличению "постоянного" члена. В процессе взаимодействия гамма-кванта (или электрона) высокой энергии с кристаллом образуется ливень заряженных частиц (электронов и позитронов) и гамма квантов более низкой энергии. Если энергия налетающей на кристалл частицы достаточно велика, а длина кристалла конечна, то часть частиц ливня может выйти из кристалла и провзаи-модействовать с фотодетектором. Ионизационные потери заряженных частиц в веществе сильно флуктуируют, что приводит и к увеличению флуктуаций суммарного сигнала от фотодетектора и к увеличению ошибки в определении энергии частицы. Уменьшение чувствительности ЛФД к заряженным частицам является важной задачей в процессе разработки ЛФД для калориметрии электронов и гамма-квантов высоких энергий.

В Главе 3 обсуждаются различные структуры лавинных фотодиодов, их достоинства и недостатки для применений в калориметрах. Рассматриваются различные методы измерения характеристик фотоприемников. Описы-

ваются стенды, использующие радиоактивные источники, постоянный и импульсный свет, для измерения основных параметров ЛФД: коэффициента усиления, квантовой эффективности, шум-фактора, темнового тока, чувствительности ЛФД к изменениям напряжения и температуры. Обсуждается методика измерения чувствительности ЛФД к сигналам, вызванным прохождением через них заряженных частиц.

В заключительной части третьей главы приводятся результаты измерения основных параметров трёх исследованных ЛФД. Эти параметры сравниваются с параметрами ЛФД, удовлетворяющего требованиям эксперимента CMS (см. Таблицу 1) и делается вывод, что ни один из исследованных ЛФД не удовлетворил полностью требованиям электромагнитного калориметра эксперимента CMS. Тем не менее, в результате проведённых исследований была разработана методика измерений наиболее важных параметров лавинных фотодиодов и определено их влияние на характеристики электромагнитного калориметра эксперимента CMS. По результатам этих исследований коллаборация CMS приняла решение о проведении опытно-конструкторской разработки (ОКР) ЛФД для электромагнитного калориметра CMS совместно с компаниями-разработчиками EG&G (Канада) и Hamamatsu (Япония).

Таблица 1. Основные параметры 3-х исследованных ЛФД и ЛФД, удовлетворяющего требованиям эксперимента CMS

Параметр ЛФД Hamamatsu НС Hamamatsu LC EG&G "ЛФД CMS"

Рабочее напряжение, У1( [В] -150 -270 -400 <500

Квантовая эффективность, 0»Е (450 нм) [%] 65 65 75 -80

Емкость, С [пФ] 320 90 35 <100

"Эффективная толщина", 1е£г [мкм| 3.5 15 86 -6

Последовательное сопротивление, Я5[Ом] <10 <10 -50 < 10

Темновой ток, 25 СС, 1а [нА] -50 -400 -100 <100

ку=1/м,ам/ау [% / в] 15 4 1 6 -2

кт=1/Т.с1М/с1Т [% / °С] -2 3 -2 5 -3 5 - - 2

Шум-фактор, Б 2 22 27 -2

В Главе 4 описывается модель для расчета параметров лавинных фотодиодов (в том числе - после облучения ЛФД нейтронами). В модели используется уравнение Пуассона, распределение концентрации легирующих примесей, зависимости коэффициентов ионизации электронов и дырок в кремнии от электрического поля. Поскольку по одному из своих измерений (толщине) структура ЛФД является тонкой, то трехмерная задача сводится к одномерной:

dE(x) dx

d'U Nd(x)~Na(x) Л 4

dx'

где: Ы,/х) - распределение концентрации доноров, М,/х) - распределение концентрации акцепторов, е - диэлектрическая постоянная кремния, е0 - диэлектрическая постоянная вакуума, ц - заряд электрона.

Т.к. для создания р-п перехода (области усиления) используется диффузия, то можно предположить, что примеси распределены по Гауссу:

ЛЧ,)-^,..,.,

= N0 ехр

х

а"

(8)

где: О - количество атомов примеси, п - диффузионная длина.

Для проверки работоспособности модели была выбрана структура, сходная со структурой ГО&О ЛФД. Параметры легирования ЛФД, использованные при расчётах представлены в таблице 2 (толщина структуры -120 мкм).

Таблица 2. Параметры легирования ЛФД, использованные при расчётах

Impurity type P+ P n 71 n

No[cm 3] 6.45x1018 7.0X1015 4.04X10'5 2.0ХЮ12 l.OxlO16

а[цт] 0.07 5.8 12.0 — 1.0

100 90 80 70 60

с

'5 50

СЗ

40 30 20

\..............................................................................................s..........:.............

•j ; { ♦ Gain (measured) j j Gain (calculated) ; « * /

-j i--..... ............ ■•!■■■■ 4 ; ❖ '' ■ *

• + . •1 *

330

380

0 ..............................................

130 180 230 280

Bias [V]

Рис. 1. Зависимости коэффициента умножения ЛФД от напряжения смещения, рассчитанная и измеренная

Зависимость ионизационных коэффициентов электронов а(Е) и дырок Р(Е) в кремнии от величины электрического поля была рассчитана по формулам (см. Noise Characteristics of Advanced Photonix Avalanche Photodiodes, Advanced Photonics Application Note API/NOlS/1291/B, 1991):

а(Е) = 2300ехр -6 78

' 2x10s ' KE\V I cm]

(9)

Р{Е) = 13exp -13.2

' 2х105 V KE[Vlcm\ I ■

(10)

Зная профиль электрического поля и используя выражения, можно рассчитать локальные значения коэффициентов ионизации электронов и дырок внутри ОПЗ ЛФД Зависимость коэффициента умножения от расстояния от светочувствительной поверхности ЛФД находится из выражения'

где х - расстояние от светочувствительной поверхности ЛФД, a L - ширина области пространственного заряда (ОПЗ) ЛФД

Приводятся результаты расчёта различных характеристик ЛФД: зависимости коэффициента умножения ЛФД от напряжения смещения, зависимости коэффициента умножения ЛФД от длины волны света, зависимости коэффициента умножения дырок от коэффициента умножения электронов, зависимости "эффективной толщины" от коэффициента умножения ЛФД. Приводится сравнение рассчитанных характеристик и характеристик одного из реально существующих EG&G ЛФД Продемонстрировано хорошее согласие характеристик реально существующего ЛФД и характеристик ЛФД, рассчитанных с использованием разработанной модели. Рассчитанная зависимость коэффициента умножения М от напряжения смещения U показана на рис. 1. На этом же рисунке показаны результаты измерения зависимости М от напряжения ЛФД, произведенного компанией EG&G. Измерения производились при освещении ЛФД синим светом (>=450 нм). Важно отметить хорошее совпадение (лучше 5 %) результатов вычисления зависимости М от U с результатами измерения реально существующего ЛФД.

Далее в четвёртой главе вычисляются изменения параметров ЛФД, облученных высокоэнергичными нейтронами На основе проведённых расчётов делается вывод, что структуры р+-р-п-р"-п+ и p+-p-n-n'-n+ являются оптимальными для применений в калориметрии В конце главы даются рекомендации по оптимизации структуры ЛФД для электромагнитного калориметра CMS: - "Главный" р-n переход ЛФД должен находиться на глубине 5-НО мкм. Это имеет большое значение для усиления всего света от PWO4. Более глубокое залегание р-n перехода нежелательно, т.к. приводит к увеличению "эффективной толщины" ЛФД и, как следствие, к большей чувствительности ЛФД как к заряженным частицам ("nuclear counter

М(х) =

(П)

effect"), так и к быстрым нейтронам, которые вызывают увеличение темнового тока и шума ЛФД.

- Область сильного электрического поля (ОСЭП) должна быть достаточно широкой (10-20 мкм). Чем шире ОСЭП, тем ниже шум-фактор Однако ОСЭП шире 20 мкм приводят к увеличению рабочего напряжения и имеют смысл только тогда, когда требуются высокие коэффициенты умножения (>500).

— Толщина ОПЗ 40+60 мкм является оптимальной. Меньшая толщина приводит к большой ёмкости ЛФД и сильной зависимости коэффициента усиления от напряжения. Коэффициент умножения ЛФД, имеющих более широкую ОПЗ, будет уменьшаться в результате радиационных повреждений кремния, вызванных большими потоками высокоэнергичных адронов.

Данные указания, результаты измерений параметров и радиационной стойкости различных ЛФД, а также требования к параметрам ЛФД, выработанные коллаборацией CMS, были использованы Hamamatsu при разработке и изготовлении ЛФД для электромагнитного калориметра эксперимента CMS.

В Главе 5 рассматривается структура ЛФД разработанного для ECAL CMS (см. рис. 2). Отмечены особенности данной структуры по отношению к другим ЛФД, произведённым Hamamatsu:

— толщина просветляющего покрытия S13N4 (-55 мкм) выбрана с целью увеличения QE в области спектра высвечивания кристалла PbW04 ,

— толщина слоя р++ (изготовленного при помощи ионной имплантации) <100 нм (для увеличения чувствительности ЛФД в "сине-фиолетовой" части спектра);

— р-n переход находится на глубине ~5 мкм, что обеспечивает эффективное усиление всего спектра PbW04 и низкий шум-фактор;

— слои п" и п изготавливаются при помощи эпитаксии. Слой п" имеет толщину ~40 мкм и относительно малое объемное сопротивление 50100 Ом-см;

— толщина ОПЗ равна 50 мкм, что обеспечивает умеренную ёмкость ЛФД (-80 пФ, S=25 мм2), сравнительно низкое рабочее напряжение (-400 В) и относительно слабую зависимость усиления от изменения напряжения на ЛФД

— "эффективная толщина" ЛФД равна -6 мкм;

— по периферии ЛФД протравлена канавка глубиной -50 мкм. Её назначение - уменьшить поверхностные токи утечки.

current

Рис. 2. Структура ЛФД, разработанного коллаборацней CMS совместно с Hamamatsu Photonics

Приводятся основные характеристики ЛФД CMS, измеренные с использованием методики и стендов, описанных в предыдущих главах. Типичные параметры ЛФД CMS для комнатной температуры и М=50 приведены в таблице 3.

Таблица 3. Основные параметры ЛФД CMS

Активная площадь, S 5x5 мм2

Рабочее напряжение, VR -380 В

Разность напряжений: пробоя и рабочего, VB - VR >40 В

Квантовая эффективность, QE (450 нм) -80 %

Ёмкость, С 80 пФ

"Эффективная толщина", leff 6 мкм

Последовательное сопротивление, Rs < 10 Ом

Темновой ток, ld - 3.5 нА

kv=1/M-dM/dV 3.1 %/В

кт=1Я.с1М/с1Т - 2.4 % / °С

Шум-фактор, F 2.1

Далее в пятой главе приводятся результаты измерений воздействия нейтронов, протонов и гамма-квантов на характеристики ЛФД CMS. Воздействие нейтронов на параметры ЛФД изучалось с использованием реакторных нейтронов (реакторы Tapiro (Италия) и Ullyse (Франция)), нейтронов, испускаемых радиоактивным источником 252Cf (университет Миннесоты, США), а также быстрых нейтронов, производимых импульсным нейтронным источником ISIS в RAL (Англия). При исследовании радиационной стойкости ЛФД по отношению к высокоэнергичным протонам использовались протоны с ки-

нетической энергией 72 МэВ, производимые инжектором циклотрона PSI (Швейцария). При облучении нейтронами и протонами, темновой ток ЛФД возрастал с увеличением количества частиц, прошедших через ЛФД, а после остановки облучения происходило его частичное восстановление.

На рис. 3 приведены результаты измерений изменения объёмного тем-нового тока ЛФД, под воздействием интенсивных потоков частиц, выполненных с использованием нейтронов и протонов от различных источников. Потоки частиц были пересчитаны в потоки нейтронов с энергией 1 МэВ, с учётом коэффициентов неионизирующих потерь соответствующих частиц. Измерения проведены при комнатной температуре через 8 дней после облучения с помощью нейтронов (Ullys, Tapiro, Oak Ridge, RAL) и протонов (PSI). _ ..................

% OAK КГПГ.Ь ВеШИЖ----------> !

" i ' V

i ::::::: /

юЧ /

:?/ ;

/^ PSI prótúas •

f ROME neutrons ./ ^ i --i—4/' SACUAY neutrons!

U) I. ' Á . j

|: , / siksk»

i -f-/

i ./■ . , '■ '■ !

> ---RAL nsUKOib

i У

j í ---------------i-:--;--

I 10 ¡o"

4>í.fO:Wíín")

Рис. 3. Зависимость изменения (увеличения) объёмного темнового тока ЛФД от потока частиц, эквивалентного потоку нейтронов с энергией 1 МэВ

Изучение характеристик ЛФД, облучённых нейтронами (протонами) показало, что зависимости коэффициента умножения (см. Рис. 4) и шум-фактора ЛФД от напряжения, квантовая эффективность ЛФД в области 400+600 нм не изменились после облучения интегральным потоком нейтронов (протонов) 2*1013 нейтронов/см'.

Для облучения ЛФД гамма-квантами использовался интенсивный источник 60Со (E¿ 1.17 и 1.33 МэВ) Института Пауля Шеррера (PSI, Швейцария). Измерение параметров лавинных фотодиодов, облучённых гамма-квантами, показало, что зависимости коэффициента умножения и шум-фактора ЛФД от напряжения, спектральная зависимость ЛФД в области 400+600 нм не изменились для большинства (-95%) облучённых ЛФД даже после поглощённой дозы 55 кГр. После облучения дозой 5 кГр темновой ток

ЛФД, измеренный при комнатной температуре и рабочем напряжении, вырос примерно на 200 - 300 нА. Гамма-квантами было облучено несколько сотен ЛФД. Было замечено, что у некоторых ЛФД (-5+7% от общего количества облучённых диодов) значительно, на 5+220 В, уменьшилось напряжения пробоя или наблюдался опережающий рост темнового тока и шума при увеличении коэффициента умножения ЛФД. Следует отметить, что ЛФД, у которых напряжение пробоя уменьшилось более чем на 40 В, не могут нормально функционировать при коэффициенте умножения 50 и считаются вышедшими из строя. Детальное изучение этих ЛФД показало, что изменения напряжения и темнового тока связаны с ранним пробоем пленки диэлектрика, происходящим на периферии чувствительной зоны ЛФД. Пробой диэлектрика происходил в местах, где диэлектрик имел повреждения или неоднородности, вызванные либо дефектами масок использовавшихся в фотолитографическом процессе, либо небольшими загрязнениями поверхности диэлектрика, произошедшими в ходе технологического процесса производства ЛФД. После смены масок количество "радиационно-слабых" ЛФД уменьшилось до 3+4%. Попытки инженеров Натат^и улучшить технологический процесс изготовления ЛФД не привели к существенному уменьшению этой цифры.

1000

100

с

¡5 10

О

1

0.1

0 100 200 300 400 500

Bias [V]

Рис. 4. Зависимость коэффициента умножения от напряжения до и после облучения нейтронами, измеренная при комнатной температуре для ЛФД CMS

На основе многочисленных измерений параметров ЛФД, облучённых нейтронами, протонами и гамма-квантами был сделан вывод о том, что только ионизирующее излучение (т.е. гамма-кванты и заряженные частицы) может привести к выходу ЛФД из строя. Нейтронное же излучение приводит к предсказуемому возрастанию темнового тока и шума в соответствии с потоком нейтронов, прошедших через ЛФД, но не оказывает существенного влияния (по крайней мере, до суммарного потока 2х1013 нейтронов/см2) на другие

параметры данных ЛФД и не приводит к выходу ЛФД из строя. Было также высказано предположение, что ЛФД, успешно про шедшие первое облучение гамма-квантами, не изменят свои параметры и при повторном облучении, т.е. не имеют дефектов в диэлектрическом слое и могут считаться потенциально радиационно-стойкими. Для проверки данной гипотезы >200 ЛФД были облучены гамма-квантами, затем эти ЛФД были подвергнуты ускоренному "восстановлению" (4 недели в нагревательной печи при Т=80 °С). После этого основные параметры ЛФД были измерены, а затем вся процедура была повторена. Результаты измерений ЛФД после повторного облучения и ускоренного восстановления подтвердили правильность сделанного предположения: ни у одного из -200 ЛФД, успешно прошедших первое облучение не изменилось напряжение пробоя более чем на 2 Вольта, ни сразу после облучения, ни после процедуры ускоренного восстановления.

Далее подробно описывается предложенная методика отбора радиаци-онно-стойких ЛФД, включающая в себя облучение ЛФД гамма-квантами, отжиг ЛФД при повышенной температуре и измерения напряжения пробоя, темнового тока и шума ЛФД. Обосновывается процедура и критерии отбора. Процедуре отбора были подвергнуты около 140000 ЛФД. Из них 122400 ЛФД были отобраны в качестве фотоприёмников электромагнитного калориметра CMS.

1.4 1 ,2t

0.80.6-0.4^ 0.20,г-

OJ/SM.' 704 ' 2. S3 +/- С.."

> л: ,'Wev'i

- - /i ■' l

50

_L_

100 150

200 250 E (GeV)

1.4 1.2 1

0.3 0.6 0.4

0.2

0,

50

- fkf'.a'aUo:) '>) ix?. -

crystal 1 V}4

- I 2.4$ +,- 0.4 fM.l -

* [•

0- ;<r>2 + 003 iSfi _

i " 1 I I 1 I . , > I - ■•••...........i.....

100

150

200 250 E (GeV)

Pvc. 5. Зависимость энергетического разрешения калориметра от энергии.

Пучок попадал в центр кристаллов 704 (а) и 1104 (б) (суммировался сигнал матрицы кристаллов 3x3)

В заключительной части пятой главы приводятся результаты испытаний супермодуля ECAL на пучках электронов с энергиями 20-250 ГэВ. Супермодуль SM10, содержащий 1700 кристаллов PWO4, был закреплён на подвижном столе, перемещение которого контролировалось при помощи компьютера. При исследовании различных кристаллов положение SM10 по отно-

шению к пучку выбиралось таким образом, чтобы пучок попадал в выбранный кристалл под углом 3° по отношению к оси кристалла. SM10 был полностью оснащён фотоприёмниками (2 ЛФД/кристалл), электроникой считывания, системой высоковольтного и низковольтного питания, системой охлаждения и температурного контроля, а также системой лазерного мониториро-вания. Система температурного контроля обеспечивала среднюю температуру калориметра 18.0 °С Сигналы ЛФД усиливались быстрыми усилителями и оцифровывались при помощи АЦП с частотой оцифровки 40 МГц. На рис. 5 а) и б) показана измеренная зависимость энергетического разрешения калориметра от энергии, когда пучок попадал в центр кристаллов 704 (а) и 1104 (б) (суммировался сигнал матрицы кристаллов 3x3). На этих же рисунках также показан результат фита экспериментальных данных формулой (1), в которой энергетическое разрешение калориметра выражено через 3 параметра: шумовой, стохастический и постоянный. Данный результат демонстрирует высокий потенциал электромагнитного калориметра CMS по поиску бозона Хиггса, а также открывает широкие возможности по изучению новой физики в эксперименте CMS.

В Заключении приводятся основные результаты и выводы, а так же выражается благодарность тем, кто оказывал помощь и содействие при проведении работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В работе были получены следующие основные результаты:

1. Предложена и разработана методика измерения основных параметров лавинных фотодиодов при помощи постоянного и импульсного света различных длин волн, а также источников альфа-, бета - и гамма-излучения. Подробно описаны экспериментальные стенды, используемые для измерения параметров ЛФД. Разработанная методика позволяет с хорошей точностью измерять такие параметры ЛФД, как коэффициент усиления, температурный коэффициент, квантовая эффективность, шум-фактор, эффективная толщина ЛФД для заряженных частиц. Продемонстрирована универсальность данной методики на примере измерения параметров ЛФД имеющих разную внутреннюю структуру.

2. Предложена и разработана компьютерная модель для расчета основных параметров лавинных фотодиодов (в том числе - после облучения ЛФД нейтронами). Для расчёта параметров ЛФД модель использует уравнение Пуассона, распределение концентрации легирующих примесей, зависимости коэффициентов ионизации электронов и дырок в кремнии от электрического поля. Продемонстрировано хорошее согласие (лучше 5 %) параметров реально существующего ЛФД и параметров ЛФД, рассчитанных с использованием разработанной модели. Предложенная и разработанная простая модель работы ЛФД позволила сделать вывод, что структуры р+-р-п-р"-п+ и p+-p-n-n"-n+ являются оптимальными для

применений в калориметрии. На основе предложенной модели были получены важные рекомендации по оптимизации структуры ЛФД для электромагнитного калориметра CMS.

3. В результате исследований, проведенных совместно с Hamamatsu Photonics (Япония), разработаны ЛФД для электромагнитного калориметра CMS. Они обладают чувствительной площадью 5x5 мм2, способны работать при усилениях до 400 (при сравнительно низких напряжениях смещения <450 В) и имеют квантовую эффективность 70-80% в области спектра излучения кристаллов PbW04 (400-500 нм). Разработанные ЛФД имеют низкий шум-фактор (-2 при усилении 50), малую эффективную толщину для заряженных частиц (~6 мкм) и умеренную чувствительность коэффициента усиления к изменениям температуры (-2.4%/°С при усилении 50).

4. Проведены исследования радиационной стойкости ЛФД в интенсивных потоках нейтронов (Е=1 МэВ), протонов (Е=70 МэВ) и гамма-квантов (Е=1 МэВ). Полученные результаты позволяют сделать вывод, что такие параметры ЛФД, как усиление и квантовая эффективность не ухудшаются после облучения потоком нейтронов (Е=1 МэВ) до 21013 нейтронов/см2 и гамма-квантами до 0 5 Мрад, что соответствует 10-ти годам работы в условиях эксперимента CMS. Показано также, что увеличение темнового тока ЛФД, вызванное объемными повреждениями кремния нейтронами и заряженными адронами, не приводит к существенному ухудшению энергетического разрешения электромагнитного калориметра CMS.

5. Разработана методика отбора радиационно-стойких ЛФД включающая в себя облучение ЛФД гамма-квантами (доза 5 кГр), отжиг ЛФД в нагревательной печи при температуре 80 °С в течение 4 недель, а также измерения напряжения пробоя и темнового тока каждого ЛФД после облучения и отжига. Процедуре отбора были подвергнуты около 140000 ЛФД. Из них примерно 7 000 ЛФД не удовлетворили критериям отбора и были возвращены Hamamatsu, а 122400 ЛФД были отобраны в качестве фотоприемников электромагнитного калориметра CMS. Результаты двойного облучения/отжига ЛФД позволяют надеяться, что количество вышедших из строя из-за радиации ЛФД не превысит 1 % за 10 лет их работы в условиях LHC.

6 Проведены измерения супермодуля электромагнитного калориметра CMS на пучках электронов с энергиями 20-250 ГэВ. Для сборки, состоящей из 9 кристаллов, было получено энергетическое разрешение ое/Е<0 6% при энергиях электронов 120-250 ГэВ. Данный результат полностью удовлетворяет физическим требованиям к электромагнитному калориметру установки CMS, демонстрирует высокий потенциал эксперимента CMS по поиску бозона Хштса, а также открывает широкие возможности по изучению новой физики на ускорителе LHC.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1 Y Benhammou, Р Dépassé, M. Goyot, В Ille, E Linard, F. Martin, Y. Musienko, D Si Mohand Investigation of Avalanche Photodiodes. CMS TN/96-052

2 G. Alexeev, .., Yu. Musienko et al Studies of lead tungstate crystal matrices in high-energy beams for the CMS electromagnetic calonmeter at the LHC. Nucl. Instrum. Meth. A385:425-434,1997.

3 T. Kirn, Yu Musienko, T. Flugel and D Renker Properties of the most recent Hamamatsu avalanche photodiode Nucl.InstrumMeth.A387:199-201,1997.

4 E. Auffray,. , Yu Musienko et al Beam tests of lead tungstate crystal matrices and a silicon stnp preshower. Nucl.InstrtimMeth.A412:223-237,1998.

5 S Baccaro, ..., Yu Musienko et al. Radiation damage effect on avalanche photodiodes. Nucl. Instnim Meth.A426:206-211,1999.

6 A Karar, Yu. Musienko and J.C Vanel. Characterization of avalanche photodiodes for calorimetry applications Nucl.InstrumMeth A428:413-431,1999.

7. Yu Musienko, S Reucroft and J. Swain A simple model of EG&G reverse reach-through APDs Nucl.InstrumMeth.A442:179-186, 2000.

8 K. Deiters, ..., Yu Musienko et al Properties of the most recent avalanche photodiodes for the CMS electromagnetic calonmeter. Nucl.InstrumMeth.A442:193-197, 2000.

9 Yu. Musienko, S Reucroft, D Ruuska and J. Swain Studies of neutron irradiation of avalanche photodiodes using Cf-252 Nucl.InstrumMeth.A447:437-458, 2000.

10. K. Deiters, . , Yu Musienko et al. Properties of the avalanche photodiodes for the CMS electromagnetic calorimeter Nucl.InstrumMeth.A453:223-226, 2000.

11 Y. Musienko The CMS electromagnetic calorimeter Nucl.InstrumMeth. A 494: 308-312, 2002.

12. J Grahl, . , Yu Musienko et al Radiation hard avalanche photodiodes for CMS ECAL. Nucl InstrumMeth.A504:44-47, 2003.

13. D Bailleux, , Yu Musienko et al Hamamatsu APD for CMS ECAL Quality insurance Nucl.lnstrumMeth.A518:622-625, 2004.

14. I Bntvich, .., Yu Musienko et al. Avalanche photodiodes now and possible developments Nucl InstrumMeth.A535:523-527, 2004.

15 Y. Musienko. Advances in avalanche photodiodes Proceedings of the 42nd Workshop of the INFN ELOISATRON Project "Innovative detectors for supercolliders", World Scientific, 2004

16 Z Antunovic, ,Yu Musienko et al Radiation hard avalanche photodiodes for the CMS detector Nucl.InstrumMeth.A537:379-382, 2005.

17 К Deiters,. ., Yu Musienko et al. Double screening tests of the CMS ECAL avalanche photodiodes Nucl.InstrumMeth.A543:549-558, 2005.

18 P Adzic,. ., Yu Musienko et al Results of the first performance tests of the CMS electromagnetic calorimeter Eur.PhysJ.C44Sl:l-10, 2006.

19 P. Adzic, ..., Yu Musienko et al Reconstruction of the signal amplitude of the CMS electromagnetic calorimeter Eur. Phys. J. С 46S01:23-35, 2006.

20. Ю. В. Мусиенко, E В Ахромеев, А Ю Афанасьев и др "Высокочувствительные микропиксельные лавинные фотодиоды для сцинтилляционных счетчиков ближнего детектора эксперимента Т2К" Приборы и техника эксперимента, 2008. № 51. С. 101-107.

Ф-т 60x84/8. Уч.-нзд.л. 1,0 Зак. Ха 21937 Тираж 100 экз. Бесплатно

Отпечатано на компьютерной издательской системе Издательский отдел Института ядерных исследований Российской академии наук 117312, Москва, проспект 60-летия Октября, 7а

Введение.

Глава 1. Электромагнитный калориметр установки CMS на ускорителе LHC

1.1. Эксперимент CMS.

1.2. Конструкция ECAL. Радиационные условия.

1.3. Фотоприёмники. Требования к фотоприёмникам ECAL CMS.

1.4. Электроника считывания.

1.5. Системы лазерного мониторирования, охлаждения и температурного контроля.

3.1. Изучение комерческих ЛФД с целью их использования в ECAL CMS.

3.2. Стенды для измерения параметров ЛФД.

3.3. Измерение основных параметров ЛФД.

3.4. Чувствительность отклика ЛФД к изменениям напряжения и температуры.

3.5. Чувствительность ЛФД к заряженным частицам ("nuclear counter effect").

3.6. Выводы по результатам исследования Hamamatsu и EG&G ЛФД.

Глава 4. Модель для расчёта основных параметров лавинных фотодиодов.

4.1. Описание модели. Расчёт параметров ЛФД.

4.2. Вычисление параметров ЛФД, облучённого высокоэнергичными нейтронами.

4.3. Рекомендации по оптимизации структуры ЛФД для ECAL CMS.

Глава 5. ЛФД электромагнитного калориметра CMS.

5.1. Структура и основные характеристики ЛФД CMS.

5.2. Изучение воздействия нейтронов и протонов на основные параметры ЛФД.

5.3. Изучение воздействия гамма-квантов на основные параметры ЛФД.

5.4. Разработка методики отбора радиационно-стойких ЛФД.

5.5. Испытания супермодуля ECAL на пучках электронов.

Актуальность темы исследования

Лавинные фотодиоды, разработанные и исследованные в данной работе, предназначены для использования в качестве фотоприёмников электромагнитного калориметра (ECAL) эксперимента Compact Muon Solenoid (CMS) на ускорителе Large Hadron Collider (LHC) [1-3]. Одной из основных задач эксперимента CMS является исследование процессов, нарушающих электрослабую симметрию, в частности, поиск бозона Хиггса, предсказанного Стандартной Моделью (СМ) элементарных частиц. В случае малой массы Хиггса (Мн<150 ГэВ), его основной модой распада является распад H —> уу. Если же масса Хиггса лежит в пределах 140< Мн <700 ГэВ, он в основном должен распадаться (через W и Z бозоны) на лептоны, в том числе, на электроны и позитроны. И в первом и во втором случае роль ECAL для обнаружения и изучения бозона Хиггса является определяющей. Кроме того, ECAL будет играть важную роль в поиске процессов, связанных с новой физикой (новые калибровочные бозоны W' и Z', дополнительные размерности и т.д.), а также при детектировании суперсимметричных частиц (например, глюино и скварков, через их каскадные распады) [4,5].

Для выполнения этих задач ECAL должен обладать высоким энергетическим разрешением (<7е/Е<0.6% при Е>100 ГэВ) [б], стабильно работать в течение длительного времени (> 10 лет) при интенсивных потоках радиации. Условия проведения эксперимента CMS накладывают жёсткие требования к фотоприёмникам, которые должны обладать высокой радиационной стойкостью, способностью работать в сильных магнитных полях (до 4 Тл), слабой чувствительностью к заряженным частицам, низким шум-фактором, высоким быстродействием (время нарастания сигнала <10 нсек, частота срабатывания >40 МГц). Они также должны обладать широким динамическим диапазоном по отношению к входным световым сигналам (>105), высокой квантовой эффективностью в области спектра высвечивания кристаллов PbW04 (400-500 нм), слабой чувствительностью к изменениям температуры и напряжения, а также высокой надёжностью и стабильностью работы в течение всего эксперимента CMS (>10 лет). Сильное магнитное поле (4 Тл) в области CMS ECAL делает невозможным использование там вакуумных фотоумножителей, которые широко используются в калориметрах многих физических экспериментов

7,8]. Кремниевые фотодиоды, хотя и способны работать в сильных магнитных полях, не усиливают принимаемый сигнал, что приводит к низкому энергетическому разрешению калориметра, особенно в области малых энергий частиц. К отрицательным свойствам кремниевых фотодиодов можно отнести их высокую чувствительность к заряженным частицам ("nuclear counter effect"), а также их относительно низкую радиационную стойкость. Лавинные фотодиоды (ЛФД) усиливают фотоэлектрический сигнал и также как и кремниевые фотодиоды, способны работать в сильных магнитных полях. Однако на момент начала работ по созданию CMS ECAL не существовало ЛФД по своим параметрам удовлетворяющим условиям проведения эксперимента CMS. Существующие на тот момент ЛФД были оптимизированы, в основном, для регистрации красного и инфракрасного света, имели малую чувствительную площадь (~1 мм") и не обладали высокой радиационной стойкостью.

В результате проведённой работы была предложена и разработана структура кремниевого лавинного фотодиода (ЛФД), оптимизированная для применения в электромагнитном калориметре эксперимента CMS.

Основные цели работы

Основными целями настоящей работы явились разработка структуры кремниевого лавинного фотодиода (ЛФД), оптимизированной для применения в электромагнитном калориметре эксперимента CMS; разработка методики измерения параметров ЛФД, особенно тех, которые влияют на характеристики ECAL; изучение радиационной стойкости ЛФД на пучках нейтронов, протонов и гамма-квантов, разработка методики отбора радиационно-стойких ЛФД; изучение супермодуля ECAL, оснащённого ЛФД, на пучке электронов ускорителя ЦЕРН.

Научная новизна работы

Впервые предложена и разработана структура ЛФД, оптимизированная для применения в калориметрах физики элементарных частиц. Данная структура обладает пониженной чувствительностью к заряженным частицам и радиации. Предложена и разработана новая методика измерения параметров лавинных фотодиодов, в том числе таких, как коэффициент усиления, квантовая эффективность, шум-фактор, эффективная толщина ЛФД для заряженных частиц. Продемонстрирована универсальность данной методики на примере измерения параметров ЛФД, имеющих разную внутреннюю структуру. Впервые проведены комплексные исследования радиационной стойкости ЛФД на пучках нейтронов, протонов и гамма-квантов. Результаты радиационных исследований впервые показали, что разработанные коллаборацией CMS и Hamamatsu ЛФД сохраняют работоспособность при >> л интегральных потоках нейтронов по крайней мере, до 2*10 н/см . Разработана совершенно новая методика отбора радиационно-стойких ЛФД, позволившая отбраковать потенциально ненадежные фотоприёмники.

Практическая ценность

ЛФД, разработанные в данной работе, могут найти широкое применение не только в качестве фотоприёмников электромагнитных или адронных калориметров, но и использоваться при построении трековых детекторов, например, на основе тонких сцинтиллирующих волокон. Высокая чувствительность данных ЛФД в широкой области светового спектра, компактность, надёжность, нечувствительность к магнитным полям, высокое быстродействие делают возможным использование данных фотоприёмников в различных областях науки, техники и медицины. Весьма привлекательным, например, выглядит использование разработанных ЛФД в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) и особенно в комбинированных установках, где ПЭТ проводится одновременно с МРТ (Магнитно-резонансная томография) сканированием [9].

Разработанные в данной работе методика измерения параметров ЛФД, методика отбора радиационно-стойких ЛФД, а также результаты изучения их радиационной стойкости могут быть использованы при построении экспериментальных установок физики элементарных частиц, в которых планируется использование лавинных фотодиодов (в первую очередь таких детекторов, как ALICE (ЦЕРН), NOvA (Fermilab) и PANDA (GSI) [10-12]).

Личный вклад

Автор принимал активное участие на всех этапах разработки, изучения свойств, оптимизации параметров лавинных фотодиодов ЕС AL CMS. Им была предложена и разработана методика измерения параметров ЛФД, важных с точки зрения их использования в электромагнитных калориметрах. Продемонстрирована универсальность данной методики на примере измерения параметров ЛФД, имеющих разную внутреннюю структуру. Предложена и разработана модель для расчёта параметров лавинных фотодиодов (в том числе - после облучения ЛФД нейтронами). С помощью разработанной модели проведена оптимизация структуры ЛФД по уменьшению чувствительности ЛФД к заряженным частицам и радиации. Проведены исследования радиационной стойкости ЛФД на пучках нейтронов, протонов и гамма-квантов. Автором предложена, разработана и проверена на большом количестве (-1000) ЛФД методика отбора радиационно-стойких ЛФД. Автор участвовал в подготовке и тестах модуля электромагнитного калориметра CMS на пучке электронов ускорителя ЦЕРН.

Положения, выносимые на защиту

На защиту выносятся следующие положения:

1. Методика измерения параметров лавинных фотодиодов (ЛФД).

2. Модель для расчёта параметров лавинных фотодиодов (в том числе - после облучения ЛФД нейтронами).

3. Разработка оптимизированной структуры ЛФД для применения в электромагнитных калориметрах (в частности для электромагнитного калориметра CMS).

4. Исследование радиационной стойкости ЛФД в интенсивных потоках нейтронов (Е=1 МэВ), протонов (70 МэВ), а также гамма-квантов с энергией 1 МэВ.

5. Методика отбора радиационно-стойких ЛФД.

6. Измерение супермодуля электромагнитного калориметра CMS на пучках электронов с энергией 20-250 ГэВ.

Апробация работы

Результаты исследований были неоднократно представлены в виде докладов, в том числе:

1. The 1st Workshop on Electronics for LHC Experiments, Лиссабон, Португалия, сентябрь 1995 г.

2. 2nd International Conference on New developments in Photodetection, Бон, Франция, июнь, 1999 г.

3. The 8th Pisa Meeting on Advanced Detectors, Ла Биодола, Эльба, Италия, май 2000 г.

4. VIII Международной конференции по методике экспериментов на встречных пучках, Новосибирск, Россия, февраль-март 2002 г.

5. The 42nd Workshop of the INFN ELOISATRON Project "Innovative Detectors for Supercolliders", Эриче, Италия, сентябрь 2003 г.

По результатам работы опубликованы 20 печатных работ, из них 18 в реферируемых журналах:

1. G. Alexeev,., Yu. Musienko et al. Studies of lead tungstate crystal matrices in high-energy beams for the CMS electromagnetic calorimeter at the LHC. Nucl.Instnmi.Meth.A385.-425-434, 1997.

1. T. Kirn, Yu. Musienko, T. Flugel and D. Renker. Properties of the most recent Hamamatsu avalanche photodiode. Nucl.Instrum.Meth.A387:199-201, 1997.

3. E. Auffray, ., Yu. Musienko et al. Beam tests of lead tungstate crystal matrices and a silicon strip preshower. Nucl.lnstrum.Meth.A412:223-237, 1998.

4. S. Baccaro, ., Yu. Musienko et al. Radiation damage effect on avalanche photodiodes. Nucl.Instrum.Meth.A426:206-211,1999.

5. A. Karar, Yu. Musienko and J.C. Vanel. Characterization of avalanche photodiodes for calorimetry applications. Nucl.Instrum.Meth.A428:413-431, 1999.

6. Yu. Musienko, S. Reucroft and J. Swain. A simple model of EG&G reverse reach-through APDs. Nucl.lnstrum.Meth.A442:179-186, 2000.

I. K. Deiters, ., Yu. Musienko et al. Properties of the most recent avalanche photodiodes for the CMS electromagnetic calorimeter. Nucl.Instrum.Meth.A442:193-197, 2000.

8. Yu. Musienko, S. Reucroft, D. Ruuska and J. Swain. Studies of neutron irradiation of avalanche photodiodes using Cf-252. Nucl.Instrum.Meth.A447:437-458, 2000.

9. K. Deiters, ., Yu. Musienko et al. Properties of the avalanche photodiodes for the CMS electromagnetic calorimeter. Nucl.Instrum.Meth.A453:223-226, 2000.

10. Y. Musienko. The CMS electromagnetic calorimeter. Nucl.Instrum.Meth. A 494: 308-312, 2002.

II. J. Grahl, ., Yu. Musienko et al. Radiation hard avalanche photodiodes for CMS ECAL. Nucl.Instrum.Meth.A504:44-47, 2003.

12. D. Bailleux.Yu. Musienko et al. Hamamatsu APD for CMS ECAL: Quality insurance. Nucl.Instrum.Meth.A518:622-625, 2004.

13.1. Britvich, ., Yu. Musienko et al. Avalanche photodiodes now and possible developments. Nucl.Instrum.Meth.A535:523-527, 2004.

14. Z. Antunovic, ., Yu. Musienko et al. Radiation hard avalanche photodiodes for the CMS detector. Nucl.Instrum.Meth.A537:379-382, 2005.

15. K. Deiters,., Yu. Musienko et al. Double screening tests of the CMS ECAL avalanche photodiodes. Nucl.Instrum.Meth.A543:549-558, 2005.

16. P. Adzic, ., Yu. Musienko et al. Results of the first performance tests of the CMS electromagnetic calorimeter. Eur.Phys.J.C44Sl:l-10, 2006.

17. P. Adzic, ., Yu. Musienko et al. Reconstruction of the signal amplitude of the CMS electromagnetic calorimeter. Eur. Phys. J. С 46S01:23-35, 2006.

18. Ю. В. Мусиенко, E. В. Ахромеев, А. Ю. Афанасьев, Г. Б. Бондаренко, В. M. Головин, E. Н. Гущин, Н. В. Ершов, А. О. Измайлов, Ю. Г. Куденко, Б. К. Лубсандоржиев, В. А. Маяцкий, О. В. Минеев, M. М. Хабибуллин, А. Н. Хотянцев, А. Т. Шайхиев "Высокочувствительные микропиксельные лавинные фотодиоды для сцинтилляционных счетчиков ближнего детектора эксперимента Т2К" Приборы и техника эксперимента, 2008. № 51. С. 101-107.

Структура и объём работы:

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Во Введении излагаются цель и методы исследования; раскрываются актуальность, научная новизна и практическая ценность диссертации; перечисляются положения, выносимые на защиту, и приводятся фактические данные о работе и её апробации.

3.6 Выводы по результатам исследования Hamamatsu и EG&G ЛФД.

Малая эффективная толщина и низкий шум-фактор Hamamatsu НС ЛФД делают эти фотоприёмники весьма привлекательными с точки зрения их применений в калориметрии. Однако, большая ёмкость (-320 пФ) и высокий коэффициент kv (~15%/В, при М=50) приводят к большим электронным шумам и к очень жестким требованиям к стабильности высоковольтного питания этих ЛФД.

Hamamatsu LC ЛФД обладают меньшей ёмкостью (— 90 пФ) и сравнительно слабой чувствительностью к изменениям напряжения. Однако, их эффективная толщина весьма велика (-15 мкм), что делает их чувствительными к заряженным частицам, а также (как будет показано ниже) ухудшает их стойкость к радиации (особенно к повреждениям вызванным высокоэнергичными адронами).

EG&G ЛФД имеют наименьшие ёмкость (-35 пФ) и чувствительность к изменениям напряжения (-1.6 %/В при М=50) по сравнению с двумя другими ЛФД. Однако их шум-фактор и чувствительность к температуре весьма велики. Основные параметры 3-х исследованных ЛФД, а также параметры ЛФД, удовлетворяющие требованиям эксперимента CMS [2,3], приведены в таблице 3.1.

Заключение.

В работе были получены следующие основные результаты:

1. Предложена и разработана методика измерения основных параметров лавинных фотодиодов при помощи постоянного и импульсного света различных длин волн, а также источников альфа-, бета - и гамма-излучения. Подробно описаны экспериментальные стенды, используемые для измерения параметров ЛФД. Разработанная методика позволяет с хорошей точностью измерять такие параметры ЛФД, как коэффициент усиления, температурный коэффициент, квантовая эффективность, шум-фактор, эффективная толщина ЛФД для заряженных частиц. Продемонстрирована универсальность данной методики на примере измерения параметров ЛФД, имеющих разную внутреннюю структуру.

2. Предложена и разработана компьютерная модель для расчёта основных параметров лавинных фотодиодов (в том числе - после облучения ЛФД нейтронами). Для расчёта параметров ЛФД модель использует уравнение Пуассона, распределение концентрации легирующих примесей, зависимости коэффициентов ионизации электронов и дырок в кремнии от электрического поля. Продемонстрировано хорошее согласие (лучше 5 %) параметров реально существующего ЛФД и параметров ЛФД, рассчитанных с использованием разработанной модели. Предложенная и разработанная простая модель работы ЛФД позволила сделать вывод, что структуры р+-р-п-р"-п+ и p+-p-n-n~-n+ являются оптимальными для применений в калориметрии. На основе предложенной модели были получены важные рекомендации по оптимизации структуры ЛФД для электромагнитного калориметра CMS.

3. В результате исследований, проведенных совместно с Hamamatsu Photonics (Япония), разработаны ЛФД для электромагнитного калориметра CMS. Они обладают чувствительной площадью 5x5 мм2, способны работать при усилениях до 400 (при сравнительно низких напряжениях смещения <450 В) и имеют квантовую эффективность 7080% в области спектра излучения кристаллов PbW04 (400-500 нм). Разработанные ЛФД имеют низкий шум-фактор (~2 при усилении 50), малую эффективную толщину для заряженных частиц (~б мкм) и умеренную чувствительность коэффициента усиления к изменениям температуры (~2.4%/°С при усилении 50).

4. Проведены исследования радиационной стойкости ЛФД в интенсивных потоках нейтронов (Е=1 МэВ), протонов (Е=70 МэВ) и гамма-квантов (Е=1 МэВ). Полученные результаты позволяют сделать вывод, что такие параметры ЛФД, как усиление и квантовая эффективность не ухудшаются после облучения потоком нейтронов (Е=1 МэВ) до 2'1013 л нейтронов/см и гамма-квантами до 0.5 Мрад, что соответствует 10-ти годам работы в условиях эксперимента CMS. Показано также, что увеличение темнового тока ЛФД, вызванное объёмными повреждениями кремния нейтронами и заряженными адронами, не приводит к существенному ухудшению энергетического разрешения электромагнитного калориметра CMS.

5. Разработана методика отбора радиационно-стойких ЛФД, включающая в себя облучение ЛФД гамма-квантами (доза 5 кГр), отжиг ЛФД в нагревательной печи при температуре 80 °С в течение 4 недель, а также измерения напряжения пробоя и темнового тока каждого ЛФД после облучения и отжига. Процедуре отбора были подвергнуты около 140000 ЛФД. Из них примерно 7 000 ЛФД не удовлетворили критериям отбора и были возвращены Hamamatsu, а 122400 ЛФД были отобраны в качестве фотоприёмников электромагнитного калориметра CMS. Результаты двойного облучения/отжига ЛФД позволяют надеяться, что количество вышедших из строя из-за радиации ЛФД не превысит 1 % за 10 лет их работы в условиях LHC.

6. Проведены измерения супермодуля электромагнитного калориметра CMS на пучках электронов с энергиями 20-250 ГэВ. Для сборки, состоящей из 9 кристаллов, было получено энергетическое разрешение cje/E<0.6% при энергиях электронов 120-250 ГэВ. Данный результат полностью удовлетворяет физическим требованиям к электромагнитному калориметру установки CMS, демонстрирует высокий потенциал эксперимента CMS по поиску бозона Хиггса, а также открывает широкие возможности по изучению новой физики на ускорителе LHC.

Автор считает своим приятным долгом выразить глубокую признательность своему научному руководителю Ю.Г. Куденко за постановку задачи, полезные советы и критические замечания при подготовке диссертации, а также за создание творческой атмосферы в нашем научном коллективе.

Автор выражает особую благодарность Д. Ренкеру из института Пауля Шеррера (Швейцария), профессорам С. Ройкрофту и Д. Свэйну из Северо-восточного университета (США), Ж.-Ш. Ванелю, А. Карару из Политехнической Школы (Франция), И. Бритвичу из Политехнического Института (Швейцария), А. Кузнецову из Объединённого института ядерных исследованной (Россия), а также Б. Иллю из Университета Клода Бернара (Франция) за неоценимую помощь, интересные и стимулирующие обсуждения на всех этапах данной работы.

Выражаю свою глубокую признательность всем членам коллаборации CMS за многолетнее плодотворное сотрудничество, при создании описанных в данной работе детекторов.

Выражаю свою искреннюю благодарность E.H. Гущину, О.В. Минееву, Б.К. Лубсандоржиеву, М.М. Хабибуллину и другим сотрудникам ИЯИ РАН за поддержку и обсуждение результатов данной работы.

1. The Compact Muon Solenoid Technical Proposal, CERN/LHCC 94-38, 1994.

2. The CMS Electromagnetic Calorimeter Technical Proposal, CERN/LHCC 97-33, 1997.

3. CMS Collaboration. The CMS experiment at the CERN LHC. 2008 JINST 3 S08004.

4. CMS Physics TDR, vol. 1, CERN-LHCC-2006-001, 2006.

5. H.B. Красников, B.A. Матвеев. Поиск новой физики на большом адронном кол-лайдере. УФН174 697 (2004).

6. G. Bayatian, ., Y. Musienko et. al. CMS physics: Technical design report, volume П: Physics performance. J.Phys.G34:995-1579, 2007.

7. C. Fabjan and F. Gianotti. Calorimetry for particle physics. Rev. Mod. Phys, v.75 (2003) 1243.

8. R. Wigmans. Calorimetry: Energy Measurement in Particle Physics. Clarendon Press, Oxford, 2000.

9. P. Lecoq. Spin-off from particle detectors in the field of medicine and biology. Nucl. Instr. andMeth. A 581 (2007) 1.

10. ALICE Collaboration, Technical Design Report of the Photon Spectrometer (PHOS), CERN/LHCC 99-4, March 1999.

11. The NOvA Collaboration, D. Ayres, et al. NOvA Proposal to Build a 30 Kiloton Off-Axis Detector to Study Neutrino Oscillations in the Fermilab NuMI Beamline, arXiv:hep-ex/0503053vl.

12. L. Schmitt. The PANDA Detector at FAIR. Nucl. Instr. and Meth. A 581 (2007) 542.

13. Y. Musienko. The CMS electromagnetic calorimeter. Nucl. Instr. and Meth. A 494 (2002) 308.

14. P. Lecoq et al. Lead tungstate (PbW04) scintillators for LHC EM calorimetry. Nucl. Instrum. Meth. A 365 (1995) 291.

15. E. Auffray et al. Improvement of several properties of lead tungstate crystals with different doping ions. Nucl. Instrum. Meth. A 402 (1998) 75.

16. M. Kobayashi et al. Significant improvement of PbW04 scintillating crystals by doping with trivalent ions. Nucl. Instrum. Meth. A 434 (1999) 412.

17. A.A. Annenkov, M.Y. Korzhik and P. Lecoq. Lead tungstate scintillation material. Nucl. Instrum. Meth. A 490 (2002) 30.

18. I. Dafinei, E. Auffray, P. Lecoq M. Schneegans. Lead tungstate for high energy calorimetry. Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 348 (1994) 99, also in Proceedings of Scintillator and Phosphor Materials Symposium, San Francisco U.S.A. (1994).

19. R. Loos et al. CMS ECAL Preshower and Endcap Engineering Design Review. CMS-2000-054-MEETING, CERN-ECAL-EDR-4.

20. M. Huhtinen. Radiation Environment Simulations for the CMS Detector. CERN CMS TN/95-198.

21. Yu. Blinnikov et al. Radiation hardness, excess noise factor and short-term gain instability of vacuum phototriodes for the operation in pseudorapidity range 1.5 < y\ < 3.0 at CMS ECAL. Nucl. Instrum. Meth. A 504 (2003) 228.

22. K.W. Bell et al. The response to high magnetic fields of the vacuum phototriodes for the Compact Muon Solenoid endcap electromagnetic calorimeter. Nucl. Instrum. Meth. A 504 (2003) 255.

23. Yu. I. Gusev et al. Super radiation hard vacuum phototriodes for the CMS endcap ECAL, Nucl. Instrum. Meth. A 535 (2004) 511.

24. K.W. Bell et al. Vacuum phototriodes for the CMS electromagnetic calorimeter endcap. IEEE Trans. Nucl. Sei.51 (2004) 2284.

25. M. Raymond, J. Crooks, M. French and G. Hall. The MGPA Electromagnetic Readout Chip for CMS. Proceedings of the 9th Workshop on Electronics for the LHC Experiments. CERN/LHCC-2003-055 (2003) 83.

26. M. Hansen. The new readout architecture for the CMS ECAL. 9th Workshop on Electronics for LHC Experiments, Amsterdam The Netherlands, CERN-LHCC-2003-055 (2003) 78.

27. R. Alemany et al. Overview of the ECAL off-detector electronics of the CMS experiment. IEEE Nucl. Sei. Symp. Conf. Ree. 2 (2004) 1053.

28. N. Almeida et al. The selective read-out processor for the CMS electromagnetic calorimeter. IEEE Nucl. Sei. Symp. Conf. Ree. 3 (2004) 1721.

29. B. Betev et al. Low voltage supply system for the very front end readout electronics of the CMS electromagnetic calorimeter. Proceedings of the 9th Workshop on Electronics for the LHC Experiments. CERN/LHCC-2003-055 (2003) 353.

30. R.Y. Zhu. Radiation damage in scintillating crystals. Nucl. Instrum. Meth. A 413 (1998) 297.

31. M. Huhtinen et al. High-energy proton induced damage in PbWCU calorimeter crystals.

32. Nucl. Instrum. Meth. A 545 (2005) 63.

33. P. Lecomte et al. High-energy proton induced damage study of scintillation light output from PbWC>4 calorimeter crystals. Nucl. Instrum. Meth. A 564 (2006) 164.

34. M. Kobayashi et al., Improvement of radiation hardness of PbW04 scintillating crystals by La-doping. Nucl. Instrum. Meth. A 404 (1998) 149.

35. H.F. Chen et al. Radiation damage measurements of undoped lead tungstate crystals for the CMS electromagnetic calorimeter at LHC. Nucl. Instrum. Meth. A 414 (1998) 149.

36. M. Anfreville et al. Laser monitoring system for the CMS lead tungstate crystal calorimeter. Nucl. Instr. and Meth. A 594 (2008) 292-320.

37. L. Zhang, D. Bailleux, A. Bornheim, K. Zhu, R.Y. Zhu. Performance of the Monitoring Light Source for the CMS Lead Tungstate Crystal Calorimeter. IEEE Trans. Nucl. Sci. 52 (2005) 1123.

38. L. Zhang, K. Zhu, D. Bailleux, A. Bornheim, R.Y. Zhu. Implementation of a Software Feedback Control for the CMS Monitoring Lasers. IEEE Trans. Nucl. Sci. 55 (2008) 637.

39. P.Baillon et al. Design and Performance of the Cooling System for the Electromagnetic Calorimeter of CMS. CMS CR 2004/30.

40. J.P. Peigneu et al. Results from tests on matrices of lead tungstate crystals using high energy beams. Nucl. Instr. and Meth. A 378 (1996) 410-426.

41. Noise Characteristics of Advanced Photonix Avalanche Photodiodes, Advanced Photonics Application Note API/NOIS/1291/B, 1991.

42. A. S. Tager, "Current fluctuations in a semiconductor under the conditions of impact ionization and avalanche breakdown", Sov. Phys. Solid state, Vol. 8, pp. 1919-1925, 1965.

43. R. J. Mc Intyre. Multiplication noise in uniform avalanche diodes. IEEE Trans. Electron Devices, Vol. ED-13, No. 1, pp. 164-168, January 1966.

44. R. J. Mc Intyre. The distribution of gain in uniformly multiplying avalanche photodiodes : theory. IEEE Trans. Electron Devices, Vol. ED-19, No. 6, June 1972.

45. Д. Худсон. Статистика для физиков. М.: Мир, 1970.

46. A. van der Ziel. Noise in Solid State Devices and Circuits. Wiley, New York, 1986.

47. Ю.К. Акимов, O.B. Игнатьев, А.И. Калинин, В.Ф. Кушнирук. Полупроводниковые детекторы в экспериментальной физике. М.: Энергоатомиздат, 1989.

48. Е. Gatti and Р.Е. Manfredi. Processing the signals from solid-state detectors in elementary particle physics. La Rivista del Nuovo Cimento, 9 (1986) 1.

49. Y. Benhammou, P. Depasse, M. Goyot, B. Ille, E. Linard, F. Martin, Y. Musienko, D. Si Mohand. Investigation of Avalanche Photodiodes. CMS TN/96-052.

50. B. Borchi, M. Bruzzi. Radiation damage in silicon detectors. La Rivista del Nuovo Cimento, 11 (1994) 1.

51. T. Kaneda. Silicon and germanium avalanche photodiodes. Semiconductors and Semimetals, Vol. 22, Part D, AT&T Bell laboratories, Academic press, New York, 1985.

52. I. Wegrzecka, M. Wegrzecki. The properties of ITE's silicon avalanche photodiodes within the spectral range used in scintillation detection. Nucl. Instr. andMeth. A 426 (1999) 212-215.

53. S.E. Holland, D.E. Groom, N.P. Palaio, R.J. Stover and M. Wei. Fully Depleted, Back-Illuminated Charge-Coupled Devices Fabricated on High-Resistivity Silicon. IEEE Trans. Electron Devices, Vol. ED-50, No. 1, January 2003.

54. G. Anzivino et al. Failure modes of large surface avalanche photo diodes in high-energy physics environments. Nucl. Instr. andMeth. A 430 (1999) 100-109.

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

56. С. Зи. Физика полупроводниковых приборов. В 2-х томах. М., Мир, 1984.

57. С. de La Taille. Automated system for equivalent noise charge measurements from 10 ns to 10 mks. Nuclear Physics В (Proc. Suppl.) 32 (1993) 449-459.

58. W.C. Dash, R. Newman, Intrinsic optical absorption in single-crystal germanium and silicon at 77 and 300 K, Phys. Rev. 99 (1955) 1151.

59. G. Alexeev,., Y. Musienko, et al. Studies of lead tungstate crystal matrices in high energy beams for the CMS electromagnetic calorimeter at the LHC. Nucl. Instr. and Meth. A 385 (1997) 425-434.

60. Yu. Musienko, S. Reucroft and J. Swain. A simple model of EG&G reverse reach-through APDs. Nucl Instr. andMeth. A 442 (2000) 179-186.

61. R.J. Mclntyre, P.P. Webb, H. Dautet, IEEE Trans. Nucl. Sci. NS-43 (1996) 1341.

62. А.Г. Чилингаров. Координатные полупроводниковые детекторы в физике элементарных частиц. ЭЧАЯ, 1992, т.23, вып.3,785-837.

63. Th. Kirn, D. Schmitz, J. Schwenke, Th. Flugel, D. Renker, H.P. Wirtz. Wavelength dependence of avalanche photodiode (APD) parameters. Nucl. Instr. and Meth. A 387 (1997) 202-204.

64. T. Shulz, Investigation on the long term behaviour of damage elects and corresponding defects in detector grade silicon after neutron irradiation. DESY 96-027, February 1996.

65. H. Feick, Radiation tolerance of silicon particle detectors for high-energy physics experiments, Internal Report. DESY F35D-97-08, 1997.

66. G. Lindstrom, M. Moll, E. Fretwurst, Radiation hardness of silicon detectors a challenge from high-energy physics. Nucl. Instr. and Meth. A 426 (1999) 1-15.

67. Yu. Musienko, S. Reucroft, D. Ruuska and J. Swain. Studies of neutron irradiation of avalanche photodiodes using Cf-252. Nucl Instr. and Meth. A447 (2000) 437-458.

68. J. Grahl, I. Kronquist, R. Rusack, A. Singovski, A. Kuznetsov, Y. Musienko, S. Reucroft, J. Swain, K. Deiter, Q. Ingram, D. Renker, T. Sakhelashvili. Radiation hard avalanche photodiodes for CMS ECAL. Nucl. Instr. and Meth. A 504 (2003) 44-47.

69. G. Hall. Radiation resistance of semiconductor detectors and associated electronics. IC-HEP-90-8, Presented at Large Hadron Collider Workshop, Aachen, Germany, Oct 4-9, 1990. Published in Aachen ECFA Workshop 1990.

70. A. Van Ginneken. Nonionizing Energy Deposition in Silicon for Radiation Damage Studies. FERMILAB-FN-522, Oct 1989.

71. M. Huhtinen, P.A. Aarnio. Pion induced displacement damage in silicon device. Nucl. Instr. and Meth. A335 (1993) 580-582.

72. A. Vasilescu. Fluence normalization based on the NIEL scaling hypothesis. 3rd ROSE Workshop on Radiation Hardening of Silicon Detectors, DESY Hamburg 12-14 February 1998, DESY-PROCEEDINGS-1998-02.

73. K. Deiters, Q. Ingram, Y. Musienko, S. Nicol, P. Patel, D. Renker, S. Reucroft, R. Rusack,. Sakhelashvili, J. Swain, P. Vikas. Properties of the avalanche photodiodes for the CMS electromagnetic calorimeter. Nucl. Instr. and Meth. A 453 (2000) 223-226.

74. P. Seller. Some Noise Calculations for Time Invariant Filters. RAL-TR-1998-086, January 1999.

75. E. Fretwurst, G. Lindstrom, J. Stahl, I. Pintilie, Z. Li, J. Kierstead, E. Verbitskaya, R. Roder. Bulk damage effects in standard and oxygen-enriched silicon detectors induced by 60Co-gamma radiation. Nucl. Instr. andMeth. A 514 (2003) 1-8.

76. G. Lutz. Semiconductor Radiation Detectors: Device Physics. Springer-Verlag, Berlin, 1999, p.302.

77. Z. Antunovic, ., Yu. Musienko et al. Radiation hard avalanche photodiodes for the CMS detector. Nucl. Instr. andMeth. A 537 (2005) 379-382.

78. ROOT An Object Oriented Framework For Large Scale Data Analysis (http://root.cern.ch/)

79. K. Deiters,., Yu. Musienko et al. Double screening tests of the CMS ECAL avalanche photodiodes. Nucl. Instr. andMeth. A 543 (2005) 549-558.

80. Y. Musienko. Advances in avalanche photodiodes. Proceedings of the 42nd Workshop of the INFN ELOISATRON Project "Innovative detectors for supercolliders", World Scientific, 2004.

81. I. Britvich.Yu. Musienko et al. Avalanche photodiodes now and possibledevelopments. Nucl. Instr. and Meth. A 535 (2004) 523-527.

82. P. Adzic, ., Yu. Musienko et al. Results of the first performance tests of the CMS electromagnetic calorimeter. Eur. Phys. J. C 44 SI (2006) 1-10.

83. P. Adzic, ., Yu. Musienko et al. Reconstruction of the signal amplitude of the CMS electromagnetic calorimeter. Eur. Phys. J. C 46 S01 (2006) 23-35.

84. P. Adzic,., Y. Musienko et al. Energy resolution of the barrel of the CMS Electromagnetic Calorimeter. 2007 JINST2 P04004

85. P. Grafstrom. The momentum resolution of the H4 beam for secondary beams in Filter Mode optics. CERN Accelerator and Beams SL-Note-97-81/EA, December 1997.