Silicon Drift Detector(SDD)

Rys. 1 Przekrój przez warstwy SDD [9]

Warstwy 3 i 4 ITS-u(Inner Tracking System) są wyposażone w krzemowe detektory dryftowe (SDD). Powodem dla zastosowania tego typu detektorów ponieważ łączą one dobre właściwości detekowania wielu cząstek jednocześnie z dE/dx. Każdy detektor SDD ma obszar aktywny o wymiarach 7.25x7.53 cm², każdy SDD będzie zamontowany na drabince, drabinka zawiera po 6 detektorów w warstwie 3 i 8 w warstwie 4. Odległości warstw od środka wiązki wynosi 14.9 oraz 23.8 cm. Warstwy będą składały się odpowiednio z 14 i 22 drabinek.

Tab. 1. Parametry konstrukcyjne SDD [9]

Rys.2 Schematyczny widok połowy SDD [9]

Elektronika odczytująca i zasilająca będzie zamontowana na sztywnych, odbierających ciepło konstrukcjach, które zawierają rurki z chłodzącą cieczą rozciągające się wzdłuż drabinek. Do połączenia pomiędzy detektorem a elektroniką oraz pomiędzy obydwoma, a końcami drabinek zastosowano elastyczne aluminiowe mikrokable - Tape Automatic Bonded(TAB), połączenia służą zarówno do przekazywania sygnałów, jak i do zasilania układu. Elektronika odczytująca składa się z 2 IC'sów(IC-integrated cirucit). Pierwszy został nazwany PASCAL wzmacnia on sygnały analogowe, magazynuje je następnie z częstotliwością około 40 MHz na czas 5.4 µs, tyle trwa dryft w detektorze i konwersja z postaci analogowej w cyfrową. Drugi układ nazwany AMBRA jest dwuzdarzeniowym buforem cyfrowym, który pozwala na derandomizację(wszystkie impulsy pochodzące od cząsteczek opuszczają detektor w tym samym czasie) oraz transmisję modułu na końcu drabinki. Moduły na końcach drabinki obsługują pół-deszczółkę, czyli 3 lub 4 detektory,kompresują dane wychodzące, zapewniają interfejs łączący światłowodem optycznym z DAQ(Data Acquisition), zegar i generator zboczy sygnału oraz precyzyjną zmianę napięcia. System powolnej kontroli oparty na protokole JTAG zajmuje się monitorowaniem napięć i prądów, podczas gdy kolejne połączenie JTAG, kontrolowane przez DAQ jest poświęcone procesowi kalibracji i konfiguracji. Każdy detektor będzie w pierwszej kolejności połączony ze swoją elektroniką sczytującą oraz wysokonapięciowymi połączeniami, a dopiero potem jako funkcjonalna, przetestowana całość zostanie zamontowany na drabince.

SDD's podobnie jak dryftowe detektory gazowe, wykonują pomiary czasu transportu ładunku, wzbudzonego przez przechodzącą cząsteczkę, lokalizująć w ten sposób punkt zderzenia w jednym wymiarze i poprzez to wzmacniją rozdzielczość i możliwość detekowania wielu cząstek jednocześnie kosztem szybkości. Dzięki tym właśnie zaletom detektory dryftowe są bardzo przydatne w eksperymencie ALICE, gdzie wielkie liczności cząsteczek łączą się z relatywnie niską częstością zdarzeń.

Rys.3 Elektrony wytworzone przez cząstkę jonizującą są transportowane w polu potencjalnym rownoległym do powierzchni detektora w kierunku małopojemnościowych anod. [9]

Liniowy detektor SDD składa się z serii równoległych pasków p+, wykonanych za pomocą techniki implantacji jonów, każdy połączony z dzielnikiem napięcia(rezystor wykonany z wysokorezystywnego krzemu n-typu). Dzielnik napięcia jest jest zintegrowany z podłożem krzemowym detektora.

Rys. Rezystorowy dzielnik napięcia utworzony za pomocą implantowanych pasków, zanurzony w każdej katodzie. Rezystor pomiędzy katodami B i C jest na drugim końcu paska i nie został uwidoczniony. [9]

Paski dostarczają napięcia za pomocą którego objętość pomiędzy nimi jest w pełni zubażana w nośniki, oraz wytwarzają pole elektrostatyczne równoległe do powierzchni i w ten sposób tworzą region dryftu. Pary elektron-dziura są tworzone przez naładowane cząstki przechodzące przez detektor. Dziury zostają zgromadzone na najbliższej elektrodzie p+ podczas gdy elektrony są skupiane w środku objętości pomiędzy elektrodami i dryfują w polu elektrostatycznym w kierunku krawędzi detektora, gdzie są zbierane przez matrycę anod wykonanych z obszarów n+. Małe wymiary anod zapewniają małą ich pojemność(~50fF) co zapewnia dobre właściwości szumowe i dobrą rozdzielczość energetyczną. Z powodu dyfuzji i wzajemnego odpychania podczas dryftu, elektrony osiągają region anody z dystrybucją Gausa w czasie. Współrzędna prostopadła do kierunku dryftu odczytywana jest z centroidu, który tworzy zgromadzony ładunek. Współrzędna wzdłuż kierunku dryftu jest mierzona za pomocą centroidu sygnału w dziedzinie czasu, z poprawką na odpowiedź wzmacniacza. Przestrzenna precyzja, uśredniona po całej powierzchni detektora, lepsza niż 40 µm w obydwu kierunkach została osiągnięta podczas testów prototypowych detektorów.

Zdjęcie testowego detektora z uwidocznionymi detalami regionu anody. [9]