Детекторы корпускулярных излучений - Клайнкнехт К.
ISBN 5-03-001873-5
Скачать (прямая ссылка):
слоя кремния толщиной 280 мкм образует 25 ООО электрон-дырочных пар. Электроны собираются в течение 10 не на одном или нескольких анодных стрипах. Эти сигналы используются для локализации положения проходящей частицы с точностью, определяемой расстоянием между стрипами. В этом детекторе имелось 1200 стрипов с размерами 3 2 мкм х 36 мм2, имплантированных с шагом 20 мкм. Для уменьшения числа каналов считывание производилось с каждого третьего (шаг 60 мкм) или с каждого шестого стрипа (шаг 120 мкм). Заряд, образующийся при прохождении ча-1 стицы, делится между несколькими соседними стрипами за счет емкостной связи. Место прохождения частицы определяется по центру тяжести распределения заряда, собранного на отдельных стрипах. Пространственное разрешение, достигнутое на этом детекторе, составило 4,5 мкм при считывании с шагом 60 мкм и 7 мкм при считывании с шагом 120 мкм.
Если параллельно стрипам приложено магнитное поле, то сила Лоренца сдвигает носители заряда в сторону. При напряженности поля 1,68 Тл среднее смещение положения центра тяжести зарядов составляет 10 мкм [34]. Кроме того, ширина распределения заряда (в методе центра тяжести) увеличивается от 5 до 12 мкм (рис. 3.35).
Указанное пространственное разрешение может быть улучшено, если считывание вести с каждого стрипа. Для этого случая Белау и др. [34] расчетным путем получили разрешение 2,8 мкм, из которых 1 мкм обусловлен статистическими флуктуациями образования 5-электронов вдоль трека. Считывание с каждого стрипа слишком дорого. Однако его можно осуществить, если удастся необходимый
3.12. Кремниевые координатные детекторы и ПЗС
109
Рис. 3.35. Зависимость пространственного разрешения позиционно-чувствитель-ного кремниевого детектора от напряжения U и напряженности магнитного поля H (параллельного стрипам) [34]. а) U - 120 В; Я - 0 Тл; б) U = 200 В, H = O Тл; в) V - 120 В, Я= 1,68 Тл; г) U ~ 120 В, H = -1,68 Тл.
X1 мм
для считывания электронный модуль разместить на той же кремниевой пластине, что и сам координатный детектор. Такая VLSI-технология позволяет разместить необходимую электронику на такой же площади, какая требуется для самого детектора, тогда как в указанном выше случае это соотношение составляет 300:1. Первый шаг в этом направлении — это объединение 128 усилителей и считывающей электроники на одной интегральной схеме. Конечно,' в этом случае стрипы и усилитель должны соединяться с помощью проводов [174].
Размер современных координатных детекторов ограничен площадью 70 X 70 мм2, поскольку кристаллы больших размеров промышленностью не выпускаются.
Примером применения позиционно-чувствительных Si-детекторов в эксперименте на накопительных кольцах является вершинный детектор для эксперимента ALEPH на электрон-позитронном накопительном кольце LER Он состоит из 112 двухсторонних полос детекторов с поверхностью 50 X 50 мм2, смонтированных на двух цилиндрических оболочках радиусом 90 мм и 116,5 мм с длиной 200 мм, которые окружают трубопровод с пучком в месте, где находится точка взаимодействия. Из 55 000 полосок каждые 256 счи-тываются последовательно через локальный мультиплексор, так что требуется только 224 провода для считывания. Детектор охватывает 74% телесного угла для частиц, вылетающих из точки взаимодействия. Для каждого следа заряженной частицы измеряются 4
110 3. Измерение координаты
координаты, по 2 на каждой цилиндрической оболочке; точность измерения составляет 10 мкм для проекции на плоскость (г, <р) и 20 мкм в z-направлении вдоль оси цилиндра.
Изящный способ упростить сбор информации с кремниевых детекторов заключается в использовании приборов с зарядовой связью (ПЗС). ПЗС [32] представляет собой кремниевую полоску прямоугольной формы, на которую произведено имплантирование в виде матрицы (толщина полоски около 200 мкм). При соответствующей технологии имплантирования и приложенном управляющем напряжении сгроки ПЗС электрически разделяются одна от другой посредством потенциальных барьеров. Заряды, которые высвобождаются и собираются в запирающем слое кремниевого счетчика толщиной примерно 15 мкм, могут быть смещены в строке (но не между строками) с помощью стробирующего напряжения, прикладываемого к затвору. Потери при передаче заряда составляют меньше 10 ~4. Считывание зарядов с ПЗС-матрицы может осуществляться последовательно. С определенной тактовой частотой заряд считывается с отдельного элемента строки ПЗС и последовательно оцифровывается одним аналого-цифровым преобразователем (АЦП). После этого начинается считывание второго элемента и т. д. до тех пор, пока не будет осуществлено считывание всей матрицы.
Первое такое применение ПЗС для «проявления» оптического изображения удалось осуществить группе английских ученых [19, 78, 81]. С помощью коммерческого ПЗС размерами 8 X 13 мм2, который имел 105 матричных элементов («пикселей») размерами 22 X 22 мкм каждый, была получена вероятность регистрации е = 98 ± 2% для частицы с минимальной ионизацией и пространственное разрешение от 4,3 до 6,1 мкм в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Для подавления темнового тока детектора и шумов предусилителя модуль охлаждался до температуры 120 К. Время считывания обычного ПЗС составляет 10 с. Однако применение ПЗС в эксперименте [81] показало, что использование тактовой частоты 2 МГц может снизить время считывания примерно до 15 мс.
