ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2012, № 1, с. 35-39
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 621.382
МОДУЛЬ КРЕМНИЕВОГО ТРЕКОВОГО ДЕТЕКТОРА ЭКСПЕРИМЕНТА CLAS12 © 2012 г. Д. Е. Карманов, М. М. Меркин, С. В. Рогожин*
НИИ ядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова *Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, физический факультет Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, 1, стр. 2 Поступила в редакцию 18.02.2011 г.
Представлены результаты испытаний прототипа детектирующего модуля цилиндрической части трековой системы эксперимента СЬА$12. Модуль состоит из четырех соединенных последовательно кремниевых микростриповых сенсоров суммарной длиной 30 см и микросхемы считывания FSSR2. Приведены результаты измерений сигнала вдоль модуля и уровня шума при различной длине стрипов модуля. Из полученных результатов можно сделать вывод о том, что при длине стрипа до 30 см соотношение сигнал/шум составляет не менее 6 : 1 при регистрации однозарядных релятивистских частиц.
ПРОТОТИП МОДУЛЯ ТРЕКОВОЙ СИСТЕМЫ ЭКСПЕРИМЕНТА СЬА812
Ключевым элементом центрального детектора эксперимента СЬА812 является микростриповый кремниевый вершинный трекер. Конструкция трекера более подробно описана в [1]. Трекер состоит из четырех вложенных друг в друга цилиндров и трех дисков. Цилиндрическая часть собрана из прямоугольных сенсоров, последовательно соединенных в линейки, в которых стрипы одного сенсора продолжают стрипы другого. Общая длина стрипа в модуле составляет от 10 см (внутренний цилиндр) до 30 см (внешний цилиндр).
Односторонние микростриповые кремниевые сенсоры для прототипа модуля разработаны в НИИЯФ МГУ и изготовлены ЗАО "НИИ Материаловедения" (Зеленоград) [1]. На каждом сенсоре расположено 512 стрипов, сигнал считывается только с четных, т.е. 256 стрипов. Шаг стрипов составляет 75 мкм, шаг считывания соответственно 150 мкм. Стрипы расположены под углом 1.5° к стороне сенсора, длина стрипа на сенсоре — 7.5 см. Толщина сенсоров, использованных в прототипе, 300 мкм. Электроника считывания подключается к стрипу через интегрированный с ним проходной конденсатор, выполненный в виде слоя оксида и нитрида кремния. Сенсор представляет собой стандартный прибор с емкостным съемом сигнала и подачей напряжения через поликремниевый резистор нагрузки. Для считывания сигналов используются микросхемы FSSR2 [2].
Перед установкой в прототип модуля каждый сенсор был протестирован. В ходе тестирования контролю подвергались несколько параметров. Перечислим наиболее существенные из них. Во-
первых, измерялось напряжение полного обеднения Кп.об, т.е. рабочее напряжение сенсоров. Далее контролировались суммарный ток утечки всех стрипов при рабочем напряжении /общ, ток утечки р—п-перехода каждого стрипа 1С и сопротивление интегрированного со стрипом поликремниевого резистора стрипа ^поли; эти параметры влияют на шумовые свойства системы "сенсор — считывающая электроника". Также для каждого стрипа измерялись ток утечки и емкость проходного конденсатора Спр. По значениям емкости проводился контроль обрывов стрипов и их замыканий друг на друга. Емкость существенно ниже среднего значения свидетельствует об обрыве металлизации и соответственно об обрыве стрипа. Если же емкости нескольких соседних стрипов в несколько раз превышают среднее значение, металлизации этих стрипов замкнуты между собой так же, как и сами стрипы. Кроме того, наличие тока утечки проходного конденсатора свидетельствует о его пробое, что приводит к неработоспособности канала электроники.
Параметры сенсоров, использованных при сборке прототипа модуля, приведены в табл. 1; они несколько отличаются от ожидаемых, но соответствуют требованиям эксперимента.
Модуль (см. рис. 1) составлен из четырех подключенных последовательно сенсоров и одной бескорпусной микросхемы FSSR2 [3]. Микросхема FSSR2 содержит 128 каналов, каждый из которых оснащен зарядочувствительным усилителем (з.ч.у.) со схемой фильтрации типа СЯ-(ЯС)2 с изменяемой постоянной времени ?ф, схемой восстановления базовой линии и трехбитным аналого-цифровым преобразователем АЦП. Также микро-
35
3*
36
КАРМАНОВ и др.
Таблица 1. Ожидаемые и измеренные параметры мик-ростриповых сенсоров
Параметр Ожидаемое значение Измеренное значение
^п.об <100 В 20 В < ^.об < 30 В
^поли 1 МОм 1 ± 0.5 МОм
^общ <3 мкА <1 мкА
1с <10 нА ~1 нА
с 120 пФ 100 пФ
схема включает в себя систему буферизации и считывания, построенную по принципам архитектуры data driven [4]. Между микросхемой и первым сенсором установлен так называемый "питч-адаптер", согласовывающий шаг контактных площадок микросхемы (50 мкм) с шагом стрипов на сенсоре (150 мкм).
Схема подключения каналов показана на рис. 2: на первом сенсоре задействованы 24 канала, на втором и третьем — 16, на четвертом — 8. Таким образом, подключенные группы стрипов имеют длину 7.5, 22.5 и 30 см. Один из подключенных каналов микросхемы является тестовым; к выходам предусилителя и формирователя этого канала можно подключиться непосредственно.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФОРМЫ И ВЕЛИЧИНЫ СИГНАЛА
В схеме фильтрации канала усилителя микросхемы FSSR2 реализовано четыре значения постоянной времени интегрирования-дифференцирования tф: 65, 85, 100 и 125 нс. Учитывая тот факт, что шумы в системах с использованием з.ч.у. обычно определяются так называемыми последовательными шумами (serial noise), которые пропорциональны уЦ t ф, а также принимая во внимание общие требования по быстродействию системы считывания трековой системы CLAS12, измерения
параметров прототипа модуля проводились при tф = 125 нс.
Для имитации частицы использовался импульсный красный (X = 650 нм) лазер, длительность импульса составляла 50 нс. Амплитуда импульса накачки подбиралась таким образом, чтобы сигнал от светового импульса в сенсоре соответствовал сигналу от однозарядной релятивистской частицы (так называемая минимально ионизирующая частица = м.и.ч.), которая оставляет в слое кремния толщиной 300 мкм заряд в 22500 е- [5]. Для этого электроника считывания предварительно калибровалась импульсами напряжения от генератора: на вход тестового канала FSSR2 через небольшую калибровочную емкость 1.5 пФ подавался заряд, эквивалентный 22500 е-. Была измерена амплитуда сигнала на выходе предусилителя и формирователя, под которую затем подстраивалась амплитуда импульса накачки лазера.
Измерения уровня и формы выходного сигнала в зависимости от места попадания лазерного импульса в длинный стрип не выявили разницы между сигналами, приходящими в дальний участок стрипа (расположенный на расстоянии ~30 см от входа микросхемы) и в участок стрипа, непосредственно примыкающий к микросхеме. На рис. 3 представлены осциллограммы зарегистрированных микросхемой лазерного импульса, по амплитуде соответствующего м.и.ч., и а-частицы. Во втором случае величина сигнала существенно превосходит динамический диапазон усилительного каскада микросхемы FSSR2 и вводит его в насыщение.
ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ расчет уровня ШУМА ДЛЯ МОДУЛЯ
Упрощенная схема подключения стрипа кремниевого сенсора к каналу считывания микросхемы FSSR2 представлена на рис. 4; обычно выделяют [6] четыре основных источника шума:
Рис. 1. Внешний вид прототипа модуля.
МОДУЛЬ КРЕМНИЕВОГО ТРЕКОВОГО ДЕТЕКТОРА
37
— ЕЫСС — собственный шум з.ч.у. — микросхемы FSSR2, пропорциональный полной емкости С на входе усилителя;
— ЕЫС1 — дробовой шум тока 1С утечки р—п-перехода стрипа;
— — тепловой шум сопротивления смещения Ясм между имплантацией стрипа и шиной смещения, в нашем случае Ясм = Яполи (табл. 1);
— ЕЫС^ — тепловой шум сопротивления Яс металлизации стрипа.
Здесь ЕМС. — корень из дисперсии заряда (в электронах), поставляемого на вход з.ч.у. соответствующим источником шумов.
Полный шум в системе составит
ЕЫС = л \ENCC + ЕЫС] + ЕЫС\ + ЕЫС\ . (1)
V с см с
Шум з.ч.у. ЕЫСС пропорционален полной емкости на входе усилителя; его зависимость от емкости нагрузки Сд обычно записывается в виде
ЕЖС = а + ЪСд. (2)
Паразитная емкость Сп здесь учтена в значении величины а. Для режима работы микросхемы с временем формирования 125 нс и отключенным восстановителем базовой линии были получены [1] следующие значения параметров:
а = 600 ± 50 е, Ъ = 19 ± 2 е/пФ. (3) Каждый подключенный стрип с учетом перемычек эквивалентен емкости Сс = 13 пФ; измеренная емкость питч-адаптера составляет Са = 8 пФ.
Для остальных указанных выше составляющих мы воспользуемся расчетными формулами из [4], учитывая, что они получены для идеального СЯ— ЯС-фильтра. В канале усилителя FSSR2 используется фильтр типа СЯ—(ЯС)2; коэффициент превышения шума этого фильтра составляет 0.89 от аналогичного параметра СЯ—ЯС-фильтра [7] — этот коэффициент учтен в расчетах.
При таком подходе дробовой шум тока утечки 1с рассчитывается по формуле
ЕЖТ =
(4)
где qe — заряд электрона, — время формирования сигнала. Для расчетов было взято значение тока утечки стрипа 1 нА.
Тепловой шум резисторов смещения определяется по формуле
ЕЖ» =
\кЩ 2 Я
(5)
где к — постоянная Больцмана, Т — температура, Ясм — сопротивление резистора смещения.
Тепловой шум металлизации стрипов зависит от сопротивления металлизации Яс, эквивалентной емкости сенсора Сд и паразитных емкостей Сп:
Сенсор 1 24 канала
Рис. 2. Схема подключения каналов модуля к считывающей микросхеме.
Уровень сигнала, мВ 250
0
—250 —500 —750 —1000
0
0.25
0.50
0.75 1.00 Время, мкс
Рис. 3. Уровень сигнала на выходе формирователя для сигнала лазера амплитудой 1 м.и.ч. (1) и а-частицы (2).
Предусилитель
Рис. 4. Упрощенная схема подключения стрипа кремниевого сенсора к каналу считывания микросхемы FSSR2. Сд — емкость стрипа сенсора включает собственно емкость стрипа Сс и емкость линии адаптера Са; Сп — паразитные емкости; Спр — емкость проходного конденсатора.
ЕЖ„ = (Сд + Сп )е
кЩ
6г ф
(6)
Уе \ 61 ф
Оценить значение паразитной емкости Сп можно по соотношению параметров а и Ь (3); для более точного определения этой величины была
е
см
38
КАРМАНОВ и др.
С
кал 1.5 п
*с
200-1000
= Сд 4.5 п
Сп
Предусилитель FSSR2
Рис. 5. Схема подк
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.