Внутренний детектор ATLAS

    Внутренний детектор расположен в центральной части детектора ATLAS в непосредственном контакте с областью соударений протонов высоких энергий внутри соленоида с магнитным полем 2Т. Он представляет собой герметичную жесткую систему, задачей которой является прецизионное измерение координат и импульсов заряженных частиц и вершин первичных и вторичных взаимодействий. Импульсы заряженных частиц измеряются выше порога 0,5 ГэВ/с в области псевдобыстрот |η| < 2,5. При измерении полного набора неупругих событий (minimum bias) возможно измерение импульсов при меньшем пороге - 0,1 ГэВ/с. Внутренний детектор обеспечивает также идентификацию электронов для псевдобыстрот |η| < 2,0 и в интервале импульсов от 0,5 до 150 ГэВ/с.
    Отличие коллайдера LHC от всех предыдущих и действующих в настоящее время состоит в том, что основным источником радиационного фона при планируемой высокой светимости служат частицы, образованные при взаимодействиях ускоренных протонов в области соударений. Наибольшую опасность этот радиационный фон представляет для Внутреннего детектора ATLAS. Предусматривается, что все свои задачи Внутренний детектор будет выполнять при самой высокой светимости LHC. Это обеспечивается использованием наиболее передовых технологий.

Структура Внутреннего детектора

    Внутренний детектор размещается внутри герметичного цилиндра, симметричного относительно центра детектора при z = 0, в пространстве ±3512 мм и радиусом 1150 мм. Он содержит три различных дополняющих друг друга типа детекторов. Внутреннюю часть занимают прецизионные пиксельные и микростриповые кремниевые детекторы. В центральной части (барреле) они размещаются на цилиндрах с осями вдоль направления пучка, на краях смонтированы на дисках, плоскости которых перпендикулярны пучку. Выбор конструкции обеспечивает условие, чтобы частицы из области соударения протонов пересекали плоскости детекторов вблизи нормали.
    Прецизионная трековая система полупроводниковых детекторов обеспечивает измерения в области псевдобыстрот |η| < 2,5. Наиболее точные измерения координат необходимо проводить вблизи соударений пучков. Эту задачу выполняют пиксельные кремниевые детекторы. Они сегментированы по радиусу и азимутальному углу (R – φ) и в продольном направлении z. Каждая частица пересекает три слоя пиксельных детекторов. Элемент сенсорной ячейки пиксельных детекторов имеет размеры 50 мкм × 400 мкм. Собственное координатное разрешение пикселей в барреле составляет 10 мкм по (R – φ) и 115 мкм по продольной оси z. Для дисков это, соответственно, 10 мкм по (R – φ) и 115 мкм по R. Общее число каналов считывающей электроники пиксельных детекторов составляет 80,4 млн.
    Преодолев три слоя пикселей, каждая частица пересекает восемь слоев микростриповых кремниевых детекторов (SCT), обеспечивая измерение координат четырех пространственных точек. Микростриповые кремниевые детекторы размещены, подобно пиксельным детекторам, на цилиндрах и дисках. Сенсоры детекторов имеют длину 6,4 см и период нанесения стрипов для считывания сигнала 80 мкм. Для координатных измерений стрипы ближайших слоев расположены под углом 40 мрад. При этом детекторы одного из слоев имеют стрипы с направлением вдоль оси z в барреле и по радиусу R на дисках. Число каналов электроники детекторов SCT составляет примерно 6,3 млн.
    Таким образом, трек заряженной частицы, вылетающей из области столкновения протонов, имеет семь прецизионных измерений пространственных координат. Пиксели и микростриповые кремниевые детекторы составляют дискретную трековую систему Внутреннего детектора. Её дополняет «непрерывная» трековая система, состоящая из тонких дрейфовых трубок (straw) диаметром 4 мм, расположенных близко друг к другу, и позволяющая зарегистрировать до 36 координат пересечения частицей трубок. В пространстве между трубками размещены мелко структурированные пластиковые материалы, которые обеспечивают переходное излучение заряженных частиц при пересечении ими этого множества слоев. Фотоны переходного излучения регистрируются дрейфовыми трубками наряду с сигналами от ионизационных потерь. Поэтому эта трековая система именуется детектором переходного излучения (TRT). Эффективная регистрация переходного излучения позволяет разделять треки адронов и электронов. В барреле трубки имеют длину 144 см и расположены параллельно оси детектора. В центре трубки имеется разделитель, позволяющей снимать электронный сигнал с половины длины трубки. На торцах трубки имеют длину 37 см и расположены радиально в форме колес. TRT позволяет определить только (R – φ) координату трека. Собственное координатное разрешение трубки составляет 130 мкм. Общее количество каналов считывания сигналов составляет 351 тысячу.
    На рисунке 3.1 показано расположение элементов Внутреннего детектора.

Рис.3.1 Схема Внутреннего детектора ATLAS. Показаны цилиндры и диски пиксельных детекторов (pixel detectors), цилиндры барреля и торцевые (End-cap) диски микростриповых кремниевых детекторов полупроводниковой трековой системы (semiconductor tracker, SCT) и внешний объем, занимаемый трековой системой переходного излучения (transition radiation tracker, TRT).

    Комбинация прецизионных детекторов на малых радиусах от центра детектора и дрейфовых трубок на больших радиусах обеспечивает надежную реконструкцию треков и высокую точность измерения координат (R – φ) и z. Сигналы трубок существенно увеличивают координатную точность во внешней области Внутреннего детектора. Меньшая пространственная точность трубок в сравнении с прецизионными детекторами компенсируется их большим количеством и значительным увеличением измеряемой длины трека. Возможность реконструкции близких вторичных вершин от распада тяжелых частиц обеспечивается преимущественно самым внутренним слоем пиксельных детекторов, размещенных на цилиндре с радиусом 5 см.
    Детекторы переходного излучения хорошо работали при регистрации мюонов космических лучей в период, предшествующий запуску коллайдера LHC, и при запуске коллайдера. На рисунке 3.6 приведено изображение первого соударения протонов с энергией взаимодействия 900 ГэВ. На сечении центральной части Внутреннего детектора, размещенного слева, хорошо видны положения координат реконструированных треков частиц, рожденных в соударении. Они включают точки на дисках полупроводниковых детекторов и множественные близко расположенные точки от дрейфовых трубок детектора переходного излучения. В правой части рисунка показано это же событие в продольном сечении центральной части детектора (барреля).

Рис.3.6. Реконструкция треков от взаимодействия протонов с энергией 450 ГэВ, зарегистрированного во Внутреннем детекторе ATLAS в период запуска LHC 6 декабря 2009 г. На поперечном сечении барреля в левой части рисунка видны три кольца дисков пиксельных детекторов, четыре кольца микростриповых кремниевых детекторов и непрерывные треки в детекторе переходного излучения.

Пиксельные детекторы

    Принцип работы сенсоров пиксельных и микростриповых кремниевых детекторов одинаков. Заряженная частица при пересечении детектора в результате ионизационных потерь энергии создает свободные носители заряда в объеме сенсора – электроны и дырки. Приложенное к сенсору высокое напряжение обеспечивает их эффективный сбор и формирует сигнал детектора. Задачей детектора является поддержание стабильного сигнала от частицы при продолжительной работе детектора порядка 10 лет в условиях высокого радиационного фона и высокой частоты сигналов. Предусматривается возможность замены в процессе эксплуатации детектора ATLAS лишь ближайшего к центру цилиндра с пиксельными детекторами. Эти условия определяют использование новейших технологий при создании таких детекторов.
    Интегральная доза радиации существенно влияет на сенсоры пиксельных и микростриповых детекторов. С увеличением дозы радиации меняется рабочее напряжение детекторов, меняются токи утечки. Изменяется сам характер проводимости сенсора. После интегральной дозы (флюенса) Fneq ~2·10¹³ cм^-2 проводимость n-типа переходит в проводимость p-типа. Концентрация примесей растет также в зависимости от увеличения температуры детектора. Для уменьшения примесей и снижения тока утечки детекторы работают при температуре от -5 до -10 град.С.
    Пиксельные детекторы в наиболее сложных условиях высокой радиации и потоков частиц (загрузки) должны обеспечивать предельно высокое координатное разрешение в непосредственной близости к области соударений пучков. Сенсоры представляют собой пластины толщиной 250 мкм, соединенные с оксидированными пластинами n-типа считывающих пикселей с n+-имплантированной стороны сенсора. Эта дорогая и сложная двусторонняя технология была выбрана по следующим причинам: 1) n+-имплантирование позволяет работать с высокой эффективностью сбора заряда даже при смене типа проводимости сенсора; 2) высокая степень оксидирования повышает радиационную стойкость сенсора по отношению к заряженным частицам, улучшая эффективность сбора заряда при смене типа проводимости и снижая напряжение обеднения.

Рис.3.7. Фотография и схематическое изображение модуля пиксельных детекторов барреля. Дополнительные к приведенным в тексте обозначениям: термисторы NTC, элементы высокого напряжения HV, сигнальный переходник Type0. Фотография модуля помещена внизу.

    В начальный период сенсоры должны работать при напряжении ~ 150 В. После 10 лет эксплуатации напряжение составит ~ 600 В. Стандартный размер сенсорной ячейки пиксельных детекторов 50 мкм × 400 мкм определяется шагом считывающей электроники. На каждом сенсоре расположено 47232 считывающих пикселей. Каждый пиксель сенсора соединен капельным контактом (bump-bonding) с электроникой через отверстия в изоляционном слое р-типа, нанесенном технологией р-спрея.
    Пиксельные детекторы соединены в модули, их всего 1744. Модули размещены на трёх цилиндрах в барреле и шести дисков на торцах, по три с каждой стороны. Радиусы цилиндров равны 5 см, 8.8 см и 12 см.
    Диски находятся при значениях z-координат 49 см, 58 см и 65 см. На каждом цилиндре находится (1-3)·10⁷ пикселей. На каждом диске 2.2·10⁶ пикселей. Их общее количество 8.0·10⁷ пикселей.
    Фотография и схематическое изображение модуля пиксельных детекторов приведены на рис. 3.7. Модуль представляет собой стопку последовательных слоев.
    Самый нижний слой составляют 16 микроэлектронных схем (чипов) электроники считывания (FE) с 2880 каналами каждая. Следующий слой составляют капельные контакты сенсоров с электроникой считывания, выполненные из индия In или сплава свинца и цинка PbZn. Далее размещены сенсоры размером 63,4 × 24,4 кв. мм и толщиной около 250 мкм. Сверху находится гибкая полиимидная печатная плата и управляющей микросхемой МСС.

Микростриповые кремниевые детекторы

    Сенсоры микростриповых кремниевых детекторов SCT являются односторонними детекторами и выполнены по классической p-in-n технологии. Толщина сенсоров 285 ± 15 мкм. Период стрипов считывания сигнала составляет 80 мкм, при этом стрипы сенсоров длиной 6 см соединены последовательно и считывание сигнала происходит с эффективной длины стрипа 12 см. Полное число SCT сенсоров 15912. В начальный период они должны работать при напряжении ~ 150В. После 10 лет эксплуатации напряжение планируется в интервале ~ (250-350)В. Испытания показали, что загрузка шумов при пороге 1 фК после полной дозы облучения, соответствующей 10 годам работы детекторов, при использовании двоичной (бинарной ) электроники считывания составляет малую величину < 5·10^-4.
    Сенсоры SCT смонтированы на 4088 модулях. Модули размещены на четырех коаксиальных цилиндрах в барреле и девяти однослойных дисках с каждого торца. Общая площадь сенсоров SCT составляет 63 кв.м. Усредненные радиусы сенсоров цилиндров составляют 29,9 см, 37,1 см, 44,3 см и 51,4 см. Продольные координаты дисков приведены в таблице.

    На рис.3.8 приведены фотография и схема SCT модуля для барреля. В модуле четыре сенсора, по два на верхней и нижней сторонах модуля. На каждой стороне сенсоры имеют 770 стрипов с общей (соединенной из двух) длиной стрипа 12 см. Сенсоры повернуты на угол ± 20 мрад относительно геометрического центра сенсора. Они приклеены к термической пиролитической основе TGC, толщиной 380 мкм, которая обеспечивает термическую и механическую устойчивость. Высокое напряжение подается к сенсорам через проводящую основу. При сборке модулей обеспечивалась высокая точность позиционирования сенсоров. Изменение температуры от комнатной до -10 град.С на вносит деформаций в геометрические характеристики модуля.

Рис.3.8. Фотография (слева) и схема SCT модуля для барреля. Пластина основы TPG выполнена из термического пиролитического графита, обеспечивающего хороший тепловой контакт с сенсором.

    Структура модуля для торцевых дисков показана на рис. 3.9. Каждый из 1976 –и модулей имеет четыре сенсора, по два с каждой стороны, приклеенные основами к общей базе TPG. Сенсоры имеют форму трапеции и отличаются для внешнего, среднего и внутреннего радиуса диска, как показано на рисунке. Сенсоры повернуты на ± 20 мрад относительно оси TPG, чтобы обеспечить необходимую точность определения пространственных координат (R – φ) и R. Различия в толщине модулей компенсируются клеем, слой которого имеет стандартную величину 90 мкм. Измеренное в тестах парциальное разрешение модуля по (R – φ) для направленных по нормали треков составило ~16 мкм и не изменилось после дозы облучения. Разрешение по z-координате 580 мкм. [P.Swetansky, Thesis, 2008]
    После сборки модулей проверка стрипов показала, что 99.8% из них находятся в удовлетворительном рабочем состоянии.

Рис.3.9. Фотографии диска SCT после сборки (слева) и одного из модулей диска модуля SCT (справа).

Детектор переходного излучения

    Рабочим элементом, или сенсором, Детектора переходного излучения (TRT) служит тонкостенная трубка диаметром 4 мм. Конструкция трубки была разработана с целью минимизации толщины стенок при хорошей механической прочности и электрической проводимости. Исходным материалом для стенок трубки служила полиимидная пленка (DuPont) толщиной 25 мкм. На пленку были нанесены три слоя покрытий. С одной стороны это был слой алюминия толщиной 0,2 мкм и защитный слой графита, смешанного с полиимидом, толщиной 5 – 6 мкм. На другой стороне был нанесен слой полиуретана толщиной 5 мкм. Для изготовления трубки две полосы пленки совмещались сторонами с полиуретановым покрытием и спекались при температуре 200-250 град.С. Структура стенки трубки и процесс её изготовления показаны на рис. 3.10. Дополнительно для увеличения механической прочности трубки снаружи на её стенки приклеены нити углепластика, всего четыре нити на одинаковом угловом расстоянии. Такая нить видна на фотографии трубки в нижней части рисунка 3.10, она проходит вдоль оси трубки. Электрическое сопротивление стенок трубки, которые служат катодом, составило < 300 Ом/м.

Рис.3.10. Структура стенки трубки Детектора переходного излучения (слева), процесс изготовления трубки (справа вверху) и фотография готовой трубки с приклеенной вдоль оси трубки нити углепластика.

    В центре трубки размещена анодная проволока толщиной 31 мкм, выполненная из вольфрама с золотым покрытием толщиной 0,5 – 0,7 мкм. Анодная проволока заземлена и сигнал с неё подается непосредственно на электронику считывания. Сопротивление анода составляет 60 Ом/м, а емкость собранной трубки менее 10 пф. Потенциал катода составляет -1530 В, что обеспечивает величину газового усиления вблизи анода 2.5×10⁴ при выбранной активной газовой смеси Хе/СО₂/О₂ (70/27/3). Давление газа в трубке на 5-10 мбар превышает атмосферное. Трубки работают при температуре +20С, что резко отличается от температурного режима полупроводниковых детекторов и требует постоянного контроля и специальных условий поддерживания температурных режимов.
    Временной анализ электронного сигнала трубки обеспечивает измерение расстояния прохождения частицы от анода. Схема временного сигнала приведена на рис.3.11. Чем ближе к аноду проходит частица, тем меньше время прихода сигнала с трубки относительно начальной точки Т0. При нормальных условиях время сбора заряда электронов составляет ~48 нс, что обеспечивает собственное пространственное разрешение внутри трубки 130 мкм. Сигнал ионизационных потерь частицы регистрируется при низком пороге 300 эВ. Для регистрации фотонов переходного излучения используется высокий порог 6 кэВ.

Рис.3.11. Схема прохождения заряженной частицы через трубку. Расстояние y координаты внутри трубки определяется по левому краю времени прихода импульса с низким порогом регистрации

    Принцип генерации и регистрации переходного излучения показан на рис.3.12. Фотоны переходного излучение испускаются под малым углом θ к направлению движения частицы θ = 1/γ, где γ – Лоренц-фактор частицы. Эффективное поглощение фотонов переходного излучения низкой энергии осуществляется ксеноном. Фотоны переходного излучения обеспечивают значительно большее энерговыделение при регистрации, чем ионизационные потери релятивистских частиц. Поэтому они легко выделяются при использовании высокого порога регистрации сигнала.

Рис.3.12. Принцип регистрации фотона переходного излучения TR, испущенного электроном при пересечении слоев радиатора, в дрейфовой трубке. Материалы радиатора полипропилен и CO2.

    Детектор переходного излучения TRT содержит 96 модулей в барреле и 112 модулей на торцах с общим количеством дрейфовых трубок 372 032. Длина трубок в барреле составляет 144 см, в колёсах на торцах 47 см. Анодная проволока в трубках барреля имеет механическую поддержку в середине трубки. Эта пластиковая поддержка изолирует половины проволоки и сигнал снимается отдельно с каждой стороны трубки, соответственно, с участка длиной 71,2 см. На рис.3.13 приведена фотография сектора барреля Детектора переходного излучения ATLAS. На снимке отчетливо видна структура модулей.

Рис.3.13 Фотография сектора барреля Детектора переходного излучения ATLAS.

    Относительное положение трубок в барреле и соответственно характерные расстояния между трубками показаны на рис.3.14. Среднее расстояние между трубками в барреле ~ 7 мм.

Рис.3.14. Схема расположения трубок в модуле центральной части Детектора переходного излучения. Между трубками расположено вещество радиатора. Трубки окружены оболочкой, заполненной газом СО2, предохраняющим объем внутри трубки от возможных загрязнений извне.

    На рисунке 3.15 приведена фотография сборки модуля торцевой части - колеса Детектора переходного излучения. Конструкции колес изготовлены из углепластика на заводе в г. Пермь.

Рис.3.15. Монтаж колеса торцевой части Детектора переходного излучения ATLAS.

    Общий вид центральной части Детектора переходного излучения и детекторов SCT показан на рис.3.16.

Рис.3.16. Центральная часть Детектора переходного излучения и SCT детектора ATLAS в сборке.

    Торцевые элементы TRT состоят каждый из двух блоков колес. Ближайший к центру блок состоит из 12 колес, каждое из которых имеет восемь слоев трубок с промежутком в 8 мм. Внешний блок содержит также 12 колес, в каждом восемь слоев, но с промежутком 15 мм. Каждый слой имеет 768 радиально ориентированных трубок длиной 37 см, равномерно распределенных по азимутальному углу. Между слоями трубок размещен радиатор из фольг полипропилена толщиной 15 мкм, разделенных полипропиленовой сеткой. Трубки обтекает поток углекислого газа.
    Использование ксенона в активной газовой смеси, который является дорогим газом, потребовало использования для TRT замкнутой циркуляционной газовой системы. В такой системе необходим постоянный контроль качества газовой смеси, её чистоты от примесей, которые могут привноситься как извне, проникая через стенки трубки, так и возникать от конструкционных материалов детектора в процессе его эксплуатации под действием излучения. Объем газовой системы 3 м³. Для защиты трубок от диффузионных воздействий извне они помещены в оболочки, продуваемые углекислым газом. В газовой системе используется катализатор, удаляющий вредные примеси, возникающие под воздействием излучения, и расщепляющий накапливающийся озон. Все материалы, используемые в детекторе, проходят контроль чистоты, в том числе на устойчивость при облучении. В принципе детектор абсолютно радиационно-стойкий. Однако под действием излучения в плазме вблизи анода происходят сложные процессы, приводящие в «старению» детектора. Они вызываются появлением полимерных наростов на анодах или разрушением поверхности проволоки. В этих процессах активны даже следовые количества химически активных радикалов. Устойчивость материала катода и анодных проволок к большим дозам облучения исследовалась в НИИЯФ под руководством автора данного пособия.
    Все частицы с поперечным импульсом выше 0,5 ГэВ/с и значением псевдобыстроты |η| < 2,0 пересекают по своей траектории 36 дрейфовых трубок, исключая переходную область между баррелем и торцевыми колесами при 0,8 < |η| < 1,0. В этой области количество пересекаемых трубок уменьшается до 22 в минимуме. Электрон с энергией выше 2 ГэВ способен создать в среднем от 7 до 10 сигналов с высоким порогом, вызванных переходным излучением.