Электроника кремниевых детекторов и система контроля кремниевого адрон-электронного сепаратора установки ЗЕВС на коллайдере ГЕРА

• Автор: Воронин, Александр Геннадьевич
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 132 с. : ил

Оглавление.
Введение.

Г лава 1. Адрон-электронный сепаратор HES установки ZEUS.

Разработка FHES НИИЯФ МГУ.

1.1 Основные параметры установок ZEUS и HES.

1.2 Структурная схема HES.

1.3 Кремниевые детекторы и электроника считывания для HES.

1.4 Электроника проекта АТИК. Микросхема CR-1.

Глава 2. Формирование сигналов, шумовые и помеховые свойства канала

считывания данных с кремниевыми детекторами.

2.1 Упрощённая схема аналоговой части канала. Усилитель.

2.2 Формирователи.
2.3 Виды шумов в аналоговой части канала считывания данных с кремниевого детектора.
2.4 Шумовая полоса формирователей.
2.5 Эквивалентная электрическая схема аналоговой части канала считывания данных с кремниевого детектора с учётом паразитных
и технологических элементов.
2.6 Требования к источникам питания. Расчет шумовых и помеховых параметров канала считывания данных с кремниевого детектора.
2.7 Прохождение сигнала детектора и соотношение «сигнал-шум» в канале считывания данных.
Глава 3. Тестирующая и калибровочная система HES. Тестирование компонентов. Экспериментальные результаты проверок компонентов.
3.1 Общие принципы построения тестирующих систем физических установок с кремниевыми детекторами.
3.2 Общая схема тестирования и калибровки HES.
3.3 Вычислительная и программная часть тестирующей системы. Факторы, влияющие на точность измерений параметров в HES.
3.4 Тестирование и калибровка плат с детекторами.
3.5 Тестирование специальных многослойных печатных плат.
3.6 Тестирование формирователей и линейных драйверов.
3.7 Проверка распределителей питания PDC.
Глава 4. Базовый блок тестирующей системы HES. Экспериментальные
результаты проверок блоков HES.
4.1 Назначение и состав блока. Линии связи между частями блока и центральным компьютером.
4.2 Тестирование плат аналоговой обработки сигнала АС 109 4.3. Тестирование системы управления детектирующими блоками
(SCS).
4.4 Тестирование управляющей электроники АС и детектирующих
блоков.
4.5 Развитие идеи тестирующей и калибрующей системы HES для других применений (АТИК).
Заключение
Литература

Введение.
Актуальность темы. Кремниевые полупроводниковые детекторы - микростриповые и падовые (сплошные) детекторы стали широко применяться в установках, регистрирующих взаимодействия или распад частиц высоких энергий. Системы кремниевых детекторов позволяют с высокой точностью (до 3-5 мкм) определить координаты заряженных частиц, динамический диапазон систем детекторов может достигать 2000 тл.р. и более. Они позволяют проводить ионизационные измерения заряженных частиц в широком диапазоне ионизации, за счет своих малых размеров улучшают координатное разрешение калориметра. Рабочая площадь таких детекторов практически совпадает с их геометрическими размерами. Они работают при относительно невысоких напряжениях и позволяют легко организовать считывание информации.
Практически большинство важнейших физических исследований в области физики высоких энергий, по крайней мере в 90-х годах, выполнены на больших экспериментальных установках, использующих на ряду с другими детекторами, микростриповые или падовые детекторы.
В 90-х годах XX века в лаборатории ДЭЗИ (ФРГ) был введен в действие уникальный электрон - протонный коллайдер ГЕРА с энергией 314 Гэв в с.ц.м., на котором работают две крупно-масштабные установки - Н1 и ЗЕВС. НИИЯФ МГУ участвует в эксперименте ЗЕВС и в частности, в создании адрон-электронного сепаратора НЕБ на основе падовых кремниевых детекторов. Одной из важных задач при исследовании физических процессов на коллайдере ГЕРА является разделение электромагнитной и адронной компонент, рождающихся в процессе взаимодействия. Особую актуальность данная задача приобретает при работе на адрон-электронном коллайдере, так как в составе конечных продуктов взаимодействия всегда присутствуют лептоны.
Выделение одиночных электронов и особенно электронов в струях в установке ЗЕВС решается по методике разделения электронов и адронов при помощи встроенного в электромагнитный калориметр адрон-электронном сепаратора (НЕБ), выполненного на базе кремниевых детекторов.
Небольшая толщина кремниевых детекторов (вместе с электроникой около 3 мм), позволяет установить слой таких детекторов в электромагнитную часть калориметра установки ЗЕВС, практически без изменения его свойств, при этом возможности установки по сепарации электронов и адронов улучшаются на порядок. Адрон-электронный сепаратор позволяет так же использовать независимый алгоритм поиска кластеров и исследования струй.
НИИЯФ МГУ также создавал совместно аппаратуру космофизического эксперимента АТИК, использующего кремниевые детекторы с большим динамическим диапазоном измерения ионизации ядер (от 1 до 2000 тл.р).
Существенную часть кремниевых детектирующих систем составляет многоканальная электроника считывания, формирования, амплитудного анализа и регистрации сигналов с полупроводниковых сенсоров. При создании кремниевых детектирующих систем требуется анализ шумовых свойств различных электронных схем для считывания сигнала с сенсоров, способов формирования сигнала с целью получения максимального отношения сигнал/шум при заданном быстродействии. Для многоканальных систем с применением специализированных электронных схем, обладающих большим разбросом параметров и относительно низкой надежностью, определяющее значение приобретают тестирующие системы.

Анализ электроники кремниевых детекторов и принципы создания аппаратуры тестирующих систем использованы автором в основном при разработке аппаратуры установки ЗЕВС, а также аппаратуры эксперимента АТИК.
Целью диссертационной работы являлось:
• анализ параметров измерительного канала с кремниевым детектором для получения критериев работоспособности канала, разработки процедуры тестирования и калибровки, набора тестов и тестируемых параметров с учетом компонентов реальной электрической схемы канала, в том числе паразитных или полученных при изготовлении электроники с использованием микроэлектронной технологии,
• создание тестовых и калибровочных систем для адрон-электронного сепаратора установки ЗЕВС, использующего кремниевые детекторы,
• разработка и создание электроники кремниевых детекторов установки АТИК. Научная новизна и практическая ценность работы заключается в том, что впервые проанализированы общие свойства электронного канала кремниевого детектора с учетом различных элементов, в том числе паразитных, впервые разработана аппаратура как для одновременного массового тестирования и калибровки электроники с кремниевыми детекторами, так и для исследований, позволяющих корректировать процесс изготовления и оптимизировать режимы работы электроники в процессе её работы в реальных условиях. Впервые разработана и реализована 16-ти канальная микросхема, обеспечивающая усиление и формирование сигналов кремниевого детектора в диапазоне сигналов от 1 до 2000 m.i.p .
Достоверность полученных результатов подтверждена долговременной работой адрон-электронного сепаратора в течении ряда лет и эксперимента АТИК и получаемыми физическими результатами.
Личный вклад автора заключается в активном участии в каждом из этапов проводимых работ по созданию адрон-электронного сепаратора: разработке
электрических схем тестовых систем и основной электроники сепаратора, особенно его передней части, экспериментальных и настроечных работ на сепараторе, теоретическом обосновании работы электроники с кремниевыми детекторами и последующей работы и модернизации адрон-электронного сепаратора. Автор участвовал в испытаниях HES и эксперименте на коллайдере ГЕРА.
Модульный метод построения систем тестирования и калибровки электроники адрон-электронного сепаратора был предложен автором и реализован в НИИЯФ МГУ и на DES Y в г. Гамбурге, где находится установка ЗЕВС. С использованием созданной тестовой аппаратуры были подготовлены, установлены и с успехом работают ~20 ООО кремниевых детекторов, имеющие площадь -20 м2, а также считывающая электроника детекторов, составляющая около 90% HES и кремниевые детекторы эксперимента АТИК. К основным результатам работы над диссертацией следует отнести:
• обоснованы общие закономерности изменения шумовых характеристик
аналогового канала с кремниевыми детекторами в зависимости от применяемых схем и технологии подключения детектора к усилителю.
• Установлена зависимость формы сигнала на выходе усилителя и формирователя в зависимости от применяемых схем и технологии подключения детектора к усилителю.
• Получены условия максимизации отношения «сигнал-шум» аналогового канала с кремниевыми детекторами для реальных схем.
• Полученные зависимости поведения шума усилителей с кремниевыми
детекторами позволили разработать технологию монтажа детекторов с
минимизацией шумовых свойств детекторных плат.

ЬпаХ = к—, (2-6)
1((» + 1)я+
К формирователю СВ - (ЯС)” часто добавляется схема компенсации полюса ЗЧУ [10,13,27]. В случае использования в схеме ЗЧУ разрядного ключа [12] на входе формирователя возникает скачок напряжения, в этом случае отклик формирователя для единичного скачка 1/е будет иметь вид:
ивых. (я)=------------------------ ^----------------------кп. (2-ба)
(1+5ТЛ)(1+*Т,)П
для = Т/ = т:
ивых. ( Б ) = -----------7 кП , (2-6в)
(1 + зт)п +
Вид отклика формирователя на скачок Сех. = 1 во временной области соответственно:

Шьк. (0 = (Аі + А2г + - + А„<"~1)е Т:-Ае . (2-6г)
где А■■■ Ап - коэффициенты. Для т./ = і; = т:
,п ип г
и*ых.СО = —— -е— . (2-7)
т п п! т
Выходное напряжение формирователя при единичном прямоугольном скачке напряжения на входе для к- ип =1,2,3,4,10 показано на рис.2-4. Максимум ивьа,(1) зависит от п:
(/ = —— е~" , (2-7а)

его временное положение согласно (2-7): 1тах=пхт. Выходное напряжение
однополярное и пройдя максимум, достаточно быстро спадает к нулю.
В случае использования в ЗЧУ разрядной цепи с резистором, входной сигнал формирователя приобретает экспоненциальную форму:
В этом случае, для максимизации выходной амплитуды ЗЧУ должно выполняться Т(ь»т,&, и отклик формирователя примет вид:
и«* .(*)=—^-----------^--------^---, (2-9)
1 + 5-Т^ 1 + 5(1 + 5Т,)"
Соответственно для = Т[ = т:
ивых (!) = у---1”- - У-7-—-—с—-. (2-10)'
(^Л (1 + ®-т У*
Появление в в числителе означает дифференцирование, которое приводит к тому, что отклик формирователя во временной области становится двухполярным:
/Тр , (2-1 Оа)
Здесь В],... Вп, В/ь- коэффициенты. В этом случае, например, для формирователя с