粒子探测技术第5章第5节
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• LHC的ATLAS、 CMS采用硅微条探测器代替漂移室作径 迹测量。
2013/10/29 中国科大 汪晓莲 4
1. D0顶点探测器
F－Disk
桶部
美国费米实验室D0实验采用硅微条探测器作顶点探测器。
H－Disk
为了增大覆盖立体角, 除了桶部设计得比较长外, 还设计了 H－DISK 和F－DISK。这个顶点探测器所用的硅微条探 测器都是用交流耦合输出的, 其桶部是采用单边读出的硅 微条探测器, 而H－DISK 和F－DISK部分是采用双边读出 的硅微条探测器。读出电子学都是采用集成电路SVXIIb,
§5-5 半导体探测器的应用
一、优点：
• 能量线性好。 • 能量分辨高。 如对5.3MeV粒子，能量分辨E=10.8KeV(0.2%)，超过电离室； 对1.33MeV射线，能量分辨E=1.3KeV(0.13%)超过NaI(Tl)； 对5.9KeVx射线，能量分辨E=150eV(1.4%)，超过正比计数器。 • 时间响应快，时间分辨好。脉冲上升时间短，ns量级，可用于时间 和快符合测量。 • 窗薄，死层小。可用于测量重带电粒子、核裂片和低能电子及X射 线。 • 灵敏区厚度可调。 • 结构简单、体积小，重量轻。易制成各种形状，满足多种要求。 • 对磁场(B<10KG)不灵敏。宜于磁谱仪和加速器中使用。
200 s 0.2 ms 436 M 300 kRad < 8 Hours
more than a factor of 2 better than other vertex detectors (ATLAS, ALICE and PHENIX)
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4、
LHC ATLAS
每一片SVXIIb就有128 路读出。
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2. STAR Silicon Vertex Tracker
The purpose of the SVT is to extend STAR tracking to the lowest achievable momentum and to identify short lived particles decaying before they reach the inner layers of the TPC. It consists of 216 SDD, arranged in three barrels around the beampipe at radii of ~6.9cm,10.8cm and 14.5cm from the intersection point.The active length in beam direction is 25.2, 37.8 and 44.4cm Position resolutions of 20 m, dE/dx with a resolution 7% .
silicon sensors. Implantation pitch p(n) side 27.5 (104) μm Readout pitch p(n) side 110 (208) μm (1/4 and 1/2 strips read out)
Cluster Amplitude =
strips
å S µZ
i
2
Front-end electronics
p-side
n-side
VA64hdr
10 VAs on the p-side (Y direction) 6 VAs on the n-side (X direction)
Each VA reads 64 channels
• Each VA produces a signal with different characteristics • In particular differences in the gain are observed • FEE response curve is deliberately non-linear, different for p and n
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Inner Detector Upgrades
TPC – Time Projection Chamber (main tracking detector in STAR) HFT – Heavy Flavor Tracker SSD – Silicon Strip Detector
• Integrated Tungsten converter plates into a tracker with Si strip detectors – converts in W plate to e+e− → detected in subsequent Si detectors – Unambiguous identification of ray , superior pointing resolution • Silicon tracker-converter successfully used in AGILE and Fermi/LAT – Became standard design of -ray space telescope • Silicon strip detectors is a mature technology, including space applications – PAMELA (2006), AGILE (2007), Fermi/LAT (2008), AMS-02(2011) – Excellent performance, well beyond the typical 3 year design lifetime
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二、缺点：
• 灵敏体积不够大。包括面积和灵敏区厚度，测 量高能粒子有困难。 • 输出信号幅度小。常需要在低温下工作，要求 较高的电子学线路和低温装置。
• 对温度敏感。
• 抗辐照性能差。
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三、使用技术
•根据被测粒子的种类、能量、使用条件和所要解决的问题，选择半导 体探测器的类型、面积和灵敏区的厚度。 •选择合适的工作电压。一般说工作电压高了，漏电流大，高频噪声大， 且电压过高易造成探测器击穿，但脉冲上升时间快，能量分辨好。工 作电压太低，结电容大，低频噪声大。应选取合适的工作电压。注意 电压极性不能接错，半导体探测器工作在反向偏置状态。 •低温干燥保存和使用。如面垒型存放在干燥皿中，锂漂移型要低温下 加一定反向偏压保存，Ge(Li)必须在液氮温度下工作。 •保护探测器的窗。窗很薄，使用时必须小心，不用时加盖保护罩。 •加盖不透光的防护罩。半导体探测器对光灵敏，特别是金硅面垒型。 •为了降低噪声，作能谱测量的Si(Li)和Ge(li)探测器必须使用真空低温 装置。 •防止计数率过载。高计数率会造成基线漂移，使谱形畸变，能量分辨 率变差。 •电子学仪器要预热。高精度能谱测量，为防止多道的道漂，多道要预 热，必要时应使用稳谱仪稳谱。
ZTRK_L1=4.9
ZTRD=4.5
ZTOF_UP=5.0
ZTRK_IN=4.9
ZTOF_LOW=5.1
ZRICH=5.2
Tracker and ToF
H
He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Fe Ni
2.AGILE
r = 22 cm r = 14 cm r = 2.5, 8 cm
IST – Inner Silicon Tracker
PXL – Pixel Detector
We track inward from the TPC with graded resolution:
TPC
~1mm
SSD
~300µm IST
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CMS硅微条径迹探测器
• 每个花瓣安装17－28个 不等的硅探测器
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五、在空间物理和宇宙线实验中的应用
1. AMS
丁肇中先生领导的AMS组, 计划 把磁谱仪AMS(Alpha Magnetic Spectromenter) 送到国际空间站 ISSA (International Space Station Alpha), 在宇宙线中寻找反物质和 暗物质。AMS 的中间核心部分的 多层径迹室都是采用双边读出的 硅微条探测器。谱仪的体积不大 (直径和高才1m多) , 但这些精密 的径迹探测器与谱仪中的永久磁 铁、飞行时间计数器、契伦科夫 探测器、量能器等紧密配合, 可能 会为天体物理和宇宙线科学作出 非常卓越的贡献。
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四、半导体探测器在高能物理实验中的应用
• 因为硅微条等新型半导体探测器的位置分辨率比气体探测 器、闪烁探测器的位置分辨率高一到两个数量级, 所以在近 十几年来, 世界各大高能物理实验室都采用它作为顶点探测 器。如美国的FERMI LAB 的CDF 和D0 实验, SLAC实验 室的B 介子工厂的BaBar 实验, 欧洲高能物理中心CERN 的 LEP正负电子对撞机上的L 3、ALEPH、DELPHI、OPAL 和正在建造的质子－质子对撞机LHC的ATLAS、 CMS及 日本高能物理实验室KEK, 德国的HARA、HARAB实验等 全采用了它。
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AMS核心部分是6层双边读出的 硅微条探测器，放在磁场中记录穿 过它的带电粒子的动量、速度、电 荷及位置，从而鉴别出粒子的种类。 硅微条径迹探测器的位置测量精度 在偏转方向为10m，在非偏转方向 为30 m，这样的精度是前所未有的。 这些精密的径迹探测器与谱仪中 的永久磁铁、飞行时间探测器、切 伦科夫探测器、量能器等紧密配合， 希望在宇宙线中寻找反物质和暗物 质。
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1. D0顶点探测器
F－Disk
桶部
美国费米实验室D0实验采用硅微条探测器作顶点探测器。
H－Disk
为了增大覆盖立体角, 除了桶部设计得比较长外, 还设计了 H－DISK 和F－DISK。这个顶点探测器所用的硅微条探 测器都是用交流耦合输出的, 其桶部是采用单边读出的硅 微条探测器, 而H－DISK 和F－DISK部分是采用双边读出 的硅微条探测器。读出电子学都是采用集成电路SVXIIb,
§5-5 半导体探测器的应用
一、优点：
• 能量线性好。 • 能量分辨高。 如对5.3MeV粒子，能量分辨E=10.8KeV(0.2%)，超过电离室； 对1.33MeV射线，能量分辨E=1.3KeV(0.13%)超过NaI(Tl)； 对5.9KeVx射线，能量分辨E=150eV(1.4%)，超过正比计数器。 • 时间响应快，时间分辨好。脉冲上升时间短，ns量级，可用于时间 和快符合测量。 • 窗薄，死层小。可用于测量重带电粒子、核裂片和低能电子及X射 线。 • 灵敏区厚度可调。 • 结构简单、体积小，重量轻。易制成各种形状，满足多种要求。 • 对磁场(B<10KG)不灵敏。宜于磁谱仪和加速器中使用。
200 s 0.2 ms 436 M 300 kRad < 8 Hours
more than a factor of 2 better than other vertex detectors (ATLAS, ALICE and PHENIX)
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LHC ATLAS
每一片SVXIIb就有128 路读出。
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2. STAR Silicon Vertex Tracker
The purpose of the SVT is to extend STAR tracking to the lowest achievable momentum and to identify short lived particles decaying before they reach the inner layers of the TPC. It consists of 216 SDD, arranged in three barrels around the beampipe at radii of ~6.9cm,10.8cm and 14.5cm from the intersection point.The active length in beam direction is 25.2, 37.8 and 44.4cm Position resolutions of 20 m, dE/dx with a resolution 7% .
silicon sensors. Implantation pitch p(n) side 27.5 (104) μm Readout pitch p(n) side 110 (208) μm (1/4 and 1/2 strips read out)
Cluster Amplitude =
strips
å S µZ
i
2
Front-end electronics
p-side
n-side
VA64hdr
10 VAs on the p-side (Y direction) 6 VAs on the n-side (X direction)
Each VA reads 64 channels
• Each VA produces a signal with different characteristics • In particular differences in the gain are observed • FEE response curve is deliberately non-linear, different for p and n
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Inner Detector Upgrades
TPC – Time Projection Chamber (main tracking detector in STAR) HFT – Heavy Flavor Tracker SSD – Silicon Strip Detector
• Integrated Tungsten converter plates into a tracker with Si strip detectors – converts in W plate to e+e− → detected in subsequent Si detectors – Unambiguous identification of ray , superior pointing resolution • Silicon tracker-converter successfully used in AGILE and Fermi/LAT – Became standard design of -ray space telescope • Silicon strip detectors is a mature technology, including space applications – PAMELA (2006), AGILE (2007), Fermi/LAT (2008), AMS-02(2011) – Excellent performance, well beyond the typical 3 year design lifetime
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二、缺点：
• 灵敏体积不够大。包括面积和灵敏区厚度，测 量高能粒子有困难。 • 输出信号幅度小。常需要在低温下工作，要求 较高的电子学线路和低温装置。
• 对温度敏感。
• 抗辐照性能差。
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三、使用技术
•根据被测粒子的种类、能量、使用条件和所要解决的问题，选择半导 体探测器的类型、面积和灵敏区的厚度。 •选择合适的工作电压。一般说工作电压高了，漏电流大，高频噪声大， 且电压过高易造成探测器击穿，但脉冲上升时间快，能量分辨好。工 作电压太低，结电容大，低频噪声大。应选取合适的工作电压。注意 电压极性不能接错，半导体探测器工作在反向偏置状态。 •低温干燥保存和使用。如面垒型存放在干燥皿中，锂漂移型要低温下 加一定反向偏压保存，Ge(Li)必须在液氮温度下工作。 •保护探测器的窗。窗很薄，使用时必须小心，不用时加盖保护罩。 •加盖不透光的防护罩。半导体探测器对光灵敏，特别是金硅面垒型。 •为了降低噪声，作能谱测量的Si(Li)和Ge(li)探测器必须使用真空低温 装置。 •防止计数率过载。高计数率会造成基线漂移，使谱形畸变，能量分辨 率变差。 •电子学仪器要预热。高精度能谱测量，为防止多道的道漂，多道要预 热，必要时应使用稳谱仪稳谱。
ZTRK_L1=4.9
ZTRD=4.5
ZTOF_UP=5.0
ZTRK_IN=4.9
ZTOF_LOW=5.1
ZRICH=5.2
Tracker and ToF
H
He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Fe Ni
2.AGILE
r = 22 cm r = 14 cm r = 2.5, 8 cm
IST – Inner Silicon Tracker
PXL – Pixel Detector
We track inward from the TPC with graded resolution:
TPC
~1mm
SSD
~300µm IST
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CMS硅微条径迹探测器
• 每个花瓣安装17－28个 不等的硅探测器
2013/10/29
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13
五、在空间物理和宇宙线实验中的应用
1. AMS
丁肇中先生领导的AMS组, 计划 把磁谱仪AMS(Alpha Magnetic Spectromenter) 送到国际空间站 ISSA (International Space Station Alpha), 在宇宙线中寻找反物质和 暗物质。AMS 的中间核心部分的 多层径迹室都是采用双边读出的 硅微条探测器。谱仪的体积不大 (直径和高才1m多) , 但这些精密 的径迹探测器与谱仪中的永久磁 铁、飞行时间计数器、契伦科夫 探测器、量能器等紧密配合, 可能 会为天体物理和宇宙线科学作出 非常卓越的贡献。
2013/10/29 中国科大 汪晓莲 3
四、半导体探测器在高能物理实验中的应用
• 因为硅微条等新型半导体探测器的位置分辨率比气体探测 器、闪烁探测器的位置分辨率高一到两个数量级, 所以在近 十几年来, 世界各大高能物理实验室都采用它作为顶点探测 器。如美国的FERMI LAB 的CDF 和D0 实验, SLAC实验 室的B 介子工厂的BaBar 实验, 欧洲高能物理中心CERN 的 LEP正负电子对撞机上的L 3、ALEPH、DELPHI、OPAL 和正在建造的质子－质子对撞机LHC的ATLAS、 CMS及 日本高能物理实验室KEK, 德国的HARA、HARAB实验等 全采用了它。
2013/10/29 中国科大 汪晓莲 14
AMS核心部分是6层双边读出的 硅微条探测器，放在磁场中记录穿 过它的带电粒子的动量、速度、电 荷及位置，从而鉴别出粒子的种类。 硅微条径迹探测器的位置测量精度 在偏转方向为10m，在非偏转方向 为30 m，这样的精度是前所未有的。 这些精密的径迹探测器与谱仪中 的永久磁铁、飞行时间探测器、切 伦科夫探测器、量能器等紧密配合， 希望在宇宙线中寻找反物质和暗物 质。
