Разработка и исследование лавинных фотодиодов для электромагнитного калориметра эксперимента "Компактный мюонный соленоид"

• Автор: Мусиенко, Юрий Васильевич
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 122 с. : ил.

Содержание.
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.
Глава 2. Лавинные фотодиоды (ЛФД)
2.1. Фотоприёмники на основе кремния.
2.2. Лавинное умножение.
2.3. Параметры ЛФД. Их влияние на разрешение калориметра.
Глава 3. Разработка методики измерения основных параметров ЛФД
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.
Заключение
Литература.

Введение.
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 Н —> 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 трать 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 {Ge/E<0.6% при Е>100 ГэВ) [6], 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 мм2) 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

умножения ЛФД является очень важной задачей. Для измерения КУ ЛФД и его зависимости от напряжения были использованы различные источники сигнала:
- постоянный свет различных длин волн (измерения производились на первом стенде);
- импульсный свет (измерения производились на втором стенде с использованием светодиодов):
- источники гамма-излучения: Ат-241, Ре-55, Со-57 (использовался второй стенд).
Наиболее простым и удобным способом изучения зависимости КУ ЛФД от напряжения является измерение фототока ЛФД при его засветке постоянным светом:
1Рнт=11оЫт-1<1аЛт, (з.1)
где 1,0т1(иу ПОЛНЫЙ измеренный ТОК ЛФД при напряжении смещения V, 1аагк(и) -темновой ток ЛФД, измеренный при том же напряжении.
Результаты измерений зависимости фототока, упомянутых ЛФД, от напряжения показаны на рис. 3.5 и 3.8. Измерения проводились на первом стенде, длина волны света - 450 нм. Из этих результатов можно заключить, что в области малых напряжений фототок данных ЛФД практически не зависит от приложенного к ЛФД напряжения (относительный рост фототока составляет менее 0.1% в диапазоне напряжений от 1 до 15 В, что находится в пределах точности измерений). Можно предположить, что при низких напряжениях (1К15 В) коэффициент умножения М данных ЛФД близок к единице, и его зависимость от напряжения можно выразить простой формулой:
щи (3.2)
где 1Р!,(10)- фототок ЛФД, измеренный при напряжении 10 В. Из измерений на постоянном свете видно (см. рис. 3.5 и 3.8), что при повышении напряжения данные ЛФД могут работать с коэффициентами умножения 50 и выше. Коэффициент умножения ЛФД измерялся также с использованием импульсного сигнала светодиода (длина волны - 470 нм, длительность вспышки —100 не). Для усиления сигнала использовался зарядочувствительный усилитель и формирователь со временем
формирования 4 мкс. Коэффициент умножения ЛФД вычислялся по формуле,
аналогичной (3.2), только вместо отношения токов в ней использовалось отношение амплитуд сигналов измеренных на выходе усилителя-формирователя.
На рис.3.9 показана зависимость отношения коэффициентов умножения, измеренных с использованием постоянного и импульсного света, от коэффициента