Разработка и исследование характеристик фотонного спектрометра на основе кристаллов вольфрамата свинца для эксперимента ALICE на Большом адронном коллайдере(ЦЕРН)

• Автор: Сибиряк, Юрий Григорьевич
• Шифр специальности: 01.04.16
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 151 с. : ил.

Оглавление

Список сокращений

Введение

Глава 1. Фотонный спектрометр PHOS эксперимента ALICE на БАК

(ЦЕРН)

1.1 Эксперименты на Большом адронном коллайдере

1.2 Эксперимент ALICE

1.3 Описание PHOS

1.4 Обзор электромагнитных калориметров

1.5 Идентификация частиц с помощью измерения времени пролёта

1.6 Структурные схемы считывающей электроники

1.7 Фотодетекторы
1.7.1 PIN-диоды
1.7.2 Лавинные фотодиоды
1.8 Зарядово-чувствительный предусилитель
Глава 2. Исследования энергетического разрешения PHOS
2.1 Определение энергетического разрешения спектрометра
2.2 Методика расчёта эквивалентного шумового заряда для
аналогового и цифрового фильтров
2.2.1 Источники электронных шумов системы детектор - ЗЧГІ
2.2.2 Расчёт эквивалентного шумового заряда для аналогового фильтра
2.2.3 Цифровая обработка сигналов детектора - цифровой фильтр
2.2.4 Влияние схемотехники предусилителя на величину последовательного шумового сопротивления
2.2.5 Анализ влияния шумов І/f на величину эквивалентного
-------—ш-умового-заряда-. ............................. .-тгтг
2.2.6 Практический расчёт эквивалентного шумового заряда и
сравнение с экспериментальными данными
2.3 Исследование влияния усиления лавинного фотодиода и температуры
на энергетическое разрешение спектрометра
2.4 Сравнение расчётных и экспериментальных данных

Глава 3. Исследование методов измерения времени пролёта
с использованием PHOS
3.1 Оценка временного разрешения PHOS
3.2 Измерение времени пролёта методом «старт-стоп» на пучке заряженных частиц в ЦЕРН
3.3 Измерение времени пролёта с помощью цифровой обработки формы импульса
3.3.1 Описание компьютерной модели
3.3.2 Основные результаты моделирования
3.3.3 Экспериментальная проверка результатов моделирования
Глава 4. Разработка и исследование считывающей электроники PHOS
4.1 Методика проектирование зарядово-чувствительного предусилителя
4.2 Этапы разработки считывающей электроники PHOS
4.2.1 Считывающая электроника для проведения исследований на тестовых пучках
4.2.2 Считывающая электроника — «аналоговый» метод измерения
4.2.3 Считывающая электроника — «цифровой» метод измерения
4.2.4 Сравнение «аналогового» и «цифрового» методов на основе разработанной считывающей электроники для PHOS
4.3 Формирование индивидуальных напряжений смещения для ЛФД
Глава 5. Исследование характеристик PHOS на ускорителях ЦЕРН
5.1 Организация измерений
5.2 Режекция наложенных импульсов
5.3 Измерение эффекта прямого детектирования в PIN и лавинных фотодиодах
5.4 Измерение относительного энергетического разрешения
5.5 Измерение спектра инвариантных масс
5.6 Калибровка детекторных каналов модуля PHOS
5.7 Интеграция трёх модулей PHOS в эксперимент ALICE
Заключение
Список используемой литературы

Список сокращений
ВПС - восстановление постоянной составляющей
ЗЧП - зарядово-чувствительный предусилитель
КГП - кварк-глюонная плазма
КГПИ - коэффициент превышения шума
ЛФД - лавинный фотодиод
М - коэффициент усиления ЛФД
ОИ-ОБ - схема соединения транзисторов общий исток - общая база
ОИ-ОК - схема соединения транзисторов общий исток - общий коллектор
ОС-ОС - схема соединения транзисторов общий сток - общая сток
ПТ - полевой транзистор
РНИ - режектор наложенных импульсов
СС - сцинциляционный счётчик
ФС - фотонный спектрометр
ЦЕРН - European Organization for Nuclear Research - Европейская организация по ядерным исследованиям ЦФ - цифровой фильтр
ALICE - A Large Ion Collider Experiment - большой ионный эксперимент на коллайдере
ALTRO - Alice ТРС ReadOut - 16 канальный параллельный АЦП ATLAS — один из экспериментов на LHC
CFD - constant fraction discriminator - дискриминатор с привязкой по постоянному уровню
CMS - Compact Muon Solenoid (Компактный мюонный соленоид) - один из экспериментов на LHC
CPV - charge partical veto - детектор заряженных частиц
ENC - equivalent noise charge - эквивалентный шумовой заряд
HG - high gain - канал с высоким усилением
L0 — сигнал триггера нулевого уровня
LG - low gain — канал с низким усилением
LHC - Large Hadron Collider - большой адронный коллайдер
LHCb - Large Hadron Collider beauty experiment - один из экспериментов на LHC

Многие фирмы выпускают ЗЧП как законченные приборы, параметры некоторых из них приведены в таблице 1.2.
Таблица 1.2. Параметры ЗЧП, выпускаемых мелкими сериями
Модель Чустви т. (V/pC) Шумы (ENC) (ОпФ) (ЮОп Ф) Время нарастай ИЯ (не) Ubm X мак с (В) Рас. Мощное ть (мВт) Размер (мм) Стоимос ть (USD)
ORTEC 142А 1 188 400 5 12 ±7 1080 38x61x1
FComTec CR-110 1,4 180 488 7 47 ±6 286 22х23п
AmpTek А203 4,8 875 1975 50 +10 22 13х25г')
НАМАМАТ SU Н4083 0,5 220 620 12 42 150 24х19г<)
RECOM 2 260 960 15 145 6 200 40x21г)
RCS 1 210 610 11 25 6 270 35х20Г)
(*) Л,С для подачи напряжения смещения на детектор не входят в конструкцию; (**) У?, С для подачи напряжения смещения на детектор и фильтры на питание не входят в конструкцию.
Параметры ЗЧП 142А, СЯ-110 и А-203 взяты из фирменных спецификаций. Тестовые испытания трёх последних ЗЧП были проведены автором и опубликованы в [22]. Как видно из таблицы 1.1 ни один из перечисленных ЗЧП не удовлетворяет полностью требованиям к ЗЧП для РНОБ, сформулированных выше.
Автору не встречалась конструкция ЗЧП, которая была бы наилучшей по всем параметрам — имела бы низкие шумы, минимальные временя нарастания выходного сигнала, рассеиваемую мощность, габаритные размеры, стоимость и подходила бы для работы во всех спектрометрах с полупроводниковыми