ATLAS FZU @ WORK
SCT
Stripový detektor SCT
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 285μm, který je rozdělený na 768 tenkých proužků – stripů – s roztečí 80 μm. 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.
Pohled na válcovou část a jeden z disků detektoru SCT.
Systémové testy v CERN, část válce a část disku.
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.
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) kΩ.cm, síla desky 300-350µm |
|
Počet stripů |
770, krok 75µm, šířka Al - 10µm |
|
AC snímání náboje |
SiO2 – 100nm, Si3N4 – 150nm, Al – 0.9µm |
|
Bias resistor |
Poly-krystalický křemík, R~2.5MΩ |
|
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.
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
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 0.5μm 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.
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 se čtyřmi EURO rámy, ve kterých jsou umístěny nízkonapěťové a vysokonapěťové zdroje. Celý napájecí systém SCT sestává z 88 EURO rámů ve 22 stojanech.
Kvalifikační testy vyvinutých nízkonapěťových zdrojů v „Křemíkové a elektronické laboratoři SCT-FZU“.
Instalace napájecího systému v podzemních prostorách ATLAS.