Vnitřní detektor

Vnitřní detektor se skládá z pixelového detektoru a stripového detektoru.

Pixelový detektor

Pixelový detektor je umístěn v centru celé aparatury v bezprostřední blízkosti místa, kde dochází ke srážkám částic. Je tvořen více než sto miliony miniaturních detekčních buněk ? pixelů, o rozměrech 50x400 mikronů, vytvořených na křemíkovém substrátu. Toto zařízení umožňuje velmi přesně měřit parametry velmi krátce žijících částic, které jsou projevem "nové" fyziky.

Pracovníci Fyzikálního ústavu ve spolupráci s ON Semiconductor (dříve TESLA Sezam), Rožnov pod Radhoštěm, vyvinuli technologický postup výroby radiačně odolných pixelových senzorů a zajistili vysokou kvalitu dodávky do CERN. Jednotlivé součásti aparatury byly zkompletovány v CERN a instalovány v podzemní experimentální šachtě ATLAS. Pro mimořádnou technologickou náročnost zakázky a za její splnění ve výborné kvalitě byla firmě ON Semiconductor udělena Průmyslová cena CERN.

Senzory vyrobené v ON Semiconductor byly testovány ve čtyřech testovacích centrech: Praha, Dortmund, Udine, New Mexico. Dále následovala montáž v Bonnu, Janově, Marseille, Berkeley. Finální kompletace celého detektoru probíhala v CERN, dále pak následovala instalace experimentální šachtě ATLAS v CERN a uvedeni celého zařízení do provozu. Data z prvních srážek protonů ukazují na velmi dobrou kvalitu pixelového detektoru.

 

Pixelový modul

 

Assembly of pixel

 

Pixel sensors and assembly

Jiří Popule při montáži a testování detekčních lišt v Janově, Petr Šícho při testování radiálních disků v Berkeley.

instalace pixelového detektoru

Michal Tomášek při instalaci pixelového detektoru do ?srdce? ATLASu. Tento snímek doslova ?obletěl? svět. Vešel do oficiální knižní publikace o stavbě ATLAS , a taktéž na oficiální stránku Research at CERN

 

průmyslová cena

Stripový detektor

Stripový detektor SCT (Semiconductor Tracker) je součástí vnitřního detektoru experimentu ATLAS a je umístěn mezi pixelovým detektorem a detektorem přechodového záření TRT (Transition Radiation Tracker). Přispívá k přesnému určování dráhy vzniklých nabitých částic a přesnému určení jejich impulsu. Je tvořen 4088 moduly uspořádanými do čtyř souosých válců a devíti disků po obou stranách. Detekčním materiálem je křemík o tloušťce 285?m, který je rozdělený na 768 tenkých proužků ? stripů ? s roztečí 80 ?m. Celkem SCT obsahuje 61m2 těchto křemíkových senzorů s 6,2 milióny snímacími kanály. Elektronika a detektory vyžadují vysoký stupeň radiační odolnosti, neboť za 10 let ozařování na LHC bude radiační dávka odpovídat průchodu 1014 ? 1015 ekvivalentních neutronů/cm2.

Pracovníci Fyzikálního ústavu se významně podíleli na vývoji stripových křemíkových senzorů pro detektor SCT, na vypracování kritérií pro jejich výběr pro SCT a prováděli testování radiační odolnosti prvních prototypů senzorů v podmínkách detektoru ATLAS.

Ve Fyzikálním ústavu byla vybudována speciální čistá laboratoř, ve které byly prováděny kvalifikační testy seriové produkce stripových křemíkových senzorů pro SCT. Celkem bylo v laboratoři testováno přes 2500 senzorů.  

Fyzikální ústav byl odpovědným pracovištěm za vývoj a výrobu nízkonapěťových zdrojů pro snímací elektroniku křemíkových senzorů SCT a instalací celého napájecího systému SCT v povrchové laboratoři a v podzemních halách v CERN. Pracovníci FZU se zabývali vývojem architektury napájecího a bezpečnostního systému SCT a vývojem chladícího systému stojanů se zdroji.

Schema umístění SCT modulů ve válcové části a na 18 discích v dopředné části

Schema umístění SCT modulů ve válcové části a na 18 discích.

 

SCT      disk SCT

Pohled na válcovou část a jeden z disků detektoru SCT.

 

cast valce    cast disku SCT

Systémové testy v CERN, část válce a část disku.

 

Válcový modul SCT  Diskový modul

Válcový modul                                                                       Diskový modul

Každý válcový modul se skládá ze čtyř jednostranných stripových senzorů, příslušné vyčítací elektroniky a mechanických součástí nutných k chlazení a upevnění modulu. Stripy ze dvou senzorů jsou spolu vodivě spojeny (bondovány) a tím se zdvojnásobí délka jejich stripů na 12.8cm. Každé dva takové detekční páry jsou pak k sobě zadními stranami připevněny pod úhlem 40Mrad (přes desku odvádějící teplo). Diskové moduly jsou velice podobné, pouze stripy senzorů jsou uspořádány vějířovitě.

Detail stripového křemíkového senzoru.

 

 

 

 

 

 

 

 

Detail stripového křemíkového senzoru.

 

Vývoj křemíkových stripových senzorů pro SCT ve Fyzikálním ústavu a

studium jejich radiační odolnosti

Ve spolupráci FZU AVČR a Ústavu fyziky Moskevské státní university byly vyvinuty stripové senzory pro válcovou část SCT. Prototypy byly vyrobeny firmou ELMA, Zelenograd, Rusko. Ve FZU byly tesovány elektrické charakteristiky senzorů a jejich radiační odolnost. Testování zahrnovalo měření vlastností před ozářením, ozařování dávkami srovnatelnými s jejich radiačním zatížením v LHC a další studium dlouhodobých změn jejich chování po ozáření, kdy byly detektory podrobeny teplotním cyklům s cílem simulovat časový vývoj jejich chování během jejich použití v experimentu ATLAS.

 

Vyvinutý křemíkový stripový senzor pro střední část SCT podle specifikací z r. 1996:

 

Typ detektoru

Jednostranný, n+ - signální stripy na křemíku typu n,

AC snímání náboje, plovoucí ?p-stop? isolující každý strip, rozměr 6x6 cm2

Křemík

Resistence (2-4) k?.cm, síla desky 300-350?m

Počet stripů

770, krok 75 um, šířka Al - 10 um

AC snímání náboje

SiO2 ? 100nm, Si3N4 ? 150nm, Al ? 0.9?m

Bias resistor

Poly-krystalický křemík, R~2.5M?

Strana n+

4 p+ a 3 n+ plovoucí ochranné prstence a ?n+ bias?

Strana p+

4 p+ plovoucí ochranné prstence, kontaktovací okna

 

Měření I-V a C-V charakteristik, napětí úplného ochuzení, mezistripové resistence a kapacity, bias rezistoru, vazební kapacity a scodového proudu těchto vyvinutých senzorů byly vcelku uspokojivé. Na druhé straně, lokální defekty podél stripů, zkrazy vazebních kondenzátorů a nízká vodivost Al stripů nevyhověli specifikacím pro SCT ATLAS.

Casovy vyvoj Vdep

ELMA detektor

 

Časový vývoj napětí úplného ochuzení křemíkového             Strukrura strany n senzoru ELMA

senzoru ELMA po ozáření fluencí 1.3 x 1014p/cm2

a během ozařování (při ozáření cca 2x1013 p/cm2

dochází ke konverzi křemíku z typu n na typ p).

V letech 1998-99 se SCT kolaborace rozhodla použít detektory typu p+ na křemíku typu n, které jsou výrobně jednodušší (bez "p-stop"), ale pracovní napětí po ozáření je podstatně vyšší.

Testování seriově vyráběných stripových detektorů pro SCT ve FZU

laborator SCT

testovaci stanice SCT

Křemíková laboratoř SCT-FZU                                 Automatická testovací stanice

 

Pro účely testování senzorů pro SCT byla ve FZU vybudována speciální čistá laboratoř s vestavěným klimatizovaným boxem o ploše 25m2 třídy čistoty 10000, vybaveným laminárními moduly s HEPA filtry a automatizovaným vakuovým systémem, klimatizací a odvlhčovačem.

Stripové senzory jsou testovány na automatické testovací stanici s přesností posuvu 0.5?m vybavené mikroskopem OLYMPUS a televizní kamerou. Přesné měřící přístoje a zdroje napětí jsou ovládány počítačem s GPIB busem. Příslušný software pro měření jednotlivých charakteristik a ovládání automatické stanice byl vypracován v programu LabView.

Celkem bylo otestováno 2500 sensorů (16% z celkového počtu) od firmy Hamamatsu, které byly použity na výrobu diskových modulů na Ženevské universitě.

Nízkonapěťové zdroje pro SCT vyvinuté ve Fyzikálním ústavu

Vyvinutý LV zdroj je digitálně řízený a dodává šest  různých napětí pro obvody detektoru. Všechna napětí a proudy jsou monitorovány. LV zdroj také měří teplotu křemíkových senzorů SCT detektoru. Nízkonapěťové zdroje pro celý detektor SCT vyrobila firma TTC Praha.

LV karta

Vyvinutá nízkonapěťová karta SCT se zdroji pro napájení 4 modulů. 

Design: Jan Šťastný (FZU).

Vývoj napájení a chladícího systému EURO rámů a stojanů pro SCT

Ve FZU bylo vyvinuto napájení a architektura technické bezpečnosti systému EURO rámů a byl navržen chladící systém stojanů. Chladící systém rámů musí být redundantní právě tak jako napájení EURO rámů se zdroji, neboť 50% stojanů je umístěno v prostoru, kam bude povolen přístup pouze v době, kdy v LHC není svazek.

Fyzikální ústav byl zodpovědný za instalaci celého napájecího systému SCT. Všechny komponenty byly před instalací do stojanů v podzemních halách ATLAS testovány a kalibrovány.

Jan Bohm (FZU) byl hlavním koordinátorem celé skupiny SCT napájecích zdrojů.

ATLAS stojan s EURO rámy

ATLAS stojan se čtyřmi EURO rámy, ve kterých jsou umístěny nízkonapěťové a vysokonapěťové zdroje. Celý napájecí systém SCT sestává z 88 EURO rámů ve 22 stojanech.

 SCT laboratorSCT labotator 

 

 

 

 

 

 

 

 

Kvalifikační testy vyvinutých  nízkonapěťových zdrojů v Křemíkové a elektronické laboratoři SCT-FZU.

 

Instalace napájecího systémuInstalace napájecího systému 2

Instalace napájecího systému 3 Instalace napájecího systému 4

Instalace napájecího systému v podzemních prostorách ATLAS.


poslední aktualizace: 30.04.2012