Silicon Strip Detector [4]

 

      Paskowe detektory krzemowe (SSD – Silicon Strip Detector) w eksperymencie ALICE
tworzą dwie najbardziej zewnętrzne warstwy detektora ITS; piątą składającą się z 786
modułów i szóstą składającą się z 988 modułów[8]. Warstwa piąta będzie
zainstalowana w odległości 40 cm od punktu zderzenia, a szósta w odległości 45 cm. Detektory będą zainstalowane na specjalnych drabinkach wykonanych z włókna węglowego, każda drabinka będzie zawierać 16 detektorów
paskowych.
Głównymi zadaniami modułów SSD są: rejestracja krótkożyjących cząstek oraz
zwiększenie rozdzielczość rejestracji pędów i strat energii, co prowadzi do lepszego
odtwarzania torów cząstek. Informacje uzyskane z modułów SSD pozwolą na lepsze
„zszycie” torów cząstek zarejestrowanych przez detektor TPC i wcześniejsze warstwy
detektora ITS.

Konstrukcja detektorów SSD:

                                       

                                        Rys.1 Schematyczna budowa krzemowego detektora paskowego [10]

Dwustronne paskowe detektory są wykonane z płytek niskorezystywnego krzemu typu n
(nadmiarowe nośniki to elektorny – negative) o grubości 300 mm; mają one prostokątny kształt
o wymiarach 75 mm x 42 mm (Rys.1) Na każdej ze stron detektora jest umieszczone 768
pasków (ścieżek).

Paski mają długość 40 mm (z pominięciem na każdej stronie siedmiu pasków
brzegowych, które są krótsze) i są pochylone do siebie pod kątem 17.5 mrad. Na ich końcach
zostały wytworzone specjalne podkłady o rozmiarach 200 mm x 45 mm, pozwalające na
połączenie detektora z elektroniką front-end i jego testowanie (Rys. 2) [8]. Odległość
między sąsiadującymi ścieżkami równa się 95 mm, a ich szerokość wynosi 25 mm lub 45 mm w
miejscach przeznaczonych na podłączenie elektroniki.

                                                        

                                                         Rys.2 Transparentny widok na brzegi pasków po stronie P i N [10].

      Paski z jednej strony są wytworzone poprzez domieszkowanie krzemem typu p+, jest to
tzw. strona złącza lub strona P, a po drugiej krzemem typu n+ i jest to strona omowa lub
strona N. Ścieżki warstwy omowej są oddzielone od siebie przez regiony domieszkowane
krzemem typu p+, co ma zapewnić lepsze odprowadzanie ładunku powstałego w płytce
krzemu do pasków. Bezpośrednio na górną i dolną powierzchnię detektora naniesiona jest
warstwa dielektryczna dwutlenku krzemu (SiO2), mająca chronić aktywną część modułu przed
wpływami z zewnątrz. Następnie na dielektryk w miejscach, gdzie znajdują się paski,
napylone są cienkie ścieżki aluminiowe, odprowadzające sygnał z detektora do elektroniki.
Wszystko to jest przykryte ochronnym klejem (Rys. 3). Na brzegach detektora naniesiono dwa pierścienie krzemowe; zewnętrzny, zapewniający ochronę przed efektami krawędziowymi oraz wewnętrzny, polaryzujący
detektor. Umieszczenie pierścieni powoduje zmniejszenie aktywnej części płytki krzemowej z
jej całkowitego rozmiaru 75 mm x 42 mm = 3150 mm2 do 73 mm x 40 mm = 2920 mm2.

                                       

                                          Rys.4 Przekrój paskowego detektora krzemowego [10].

 

Detektory paskowe jako urządzenia półprzewodnikowe


Półprzewodnikowe detektory to w uproszczeniu złącze p-n spolaryzowane wstecznie.
Podstawowym materiałem jest krzem typu n niskodomieszkowany i niskorezystywny (1-10
kWcm). Przedstawiony na rysunku 5 schemat pozwala zrozumieć fizyczną istotę działania
paskowych detektorów krzemowych. Cząstka przechodząc przez domieszkowany krzem
reaguje z ośrodkiem poprzez różne mechanizmy i deponuje część swojej energii. W wyniku
oddziaływań elektromagnetycznych zachodzą procesy ekscytacji (excitacion) jak i jonizacji.
Część zdeponowanej energii jest zużywana na stworzenie par dziura-elektron. Energia ta
i związana z nią liczba stworzonych par są w przybliżeniu opisane rozkładem Landau’a. Dla
MIP (Minimum Ionizing Particle – minimalnie jonizująca cząstka) przy przejściu przez 300
mikronową warstwę krzemu najbardziej prawdopodobna strata energii wynosi w przybliżeniu
26 keV/100 mm, a średnia strata wynosi 39 keV/100 mm. Odpowiednio średnia liczba
utworzonych par elektron – dziura wynosi 25000 lub 32000. Ładunek jonizacyjny tworzony
jest w obszarze walca wokół toru cząstki. Pod wpływem pola elektrycznego elektrony
przesuwają się w kierunku materiału typu n, a dziury w kierunku strony p. W końcu dziury
i elektrony są magazynowane w paskach. Czas gromadzenia ładunku jest rzędu 8 ns dla
elektronów i 25 ns dla dziur.

                                                      

                                                     Rys. 5 Cząstka przechodząc przez materiał detektora tworzy pary elektron – dziura. [3]

Z pasków odczytywany jest impuls elektryczny. Dalsze działania związane są już z
obróbką i analizą uzyskanego sygnału. Problemem jest teraz jedynie dobranie odpowiednich
parametrów pracy detektora tak, aby uzyskać jak największy sygnał nadający się do dalszej
analizy.

Elektronika kontrolująca detektor i rejestrująca dane
Podłączona do detektora elektronika pełni dwojaką role: odczytuje (rejestruje) impulsy
elektryczne z pasków oraz nadzoruje i kontroluje pracę detektora, sprawdzając wartości
napięć i temperaturę otoczenia. Każda ze stron detektora posiada swoją własną, niezależną
elektronikę, umieszczoną na specjalnych hybrydach, które w czasie trwania eksperymentu
będą znajdować się nad detektorem. W skład elementów sterujących i rejestrujących jednej
strony detektora wchodzi sześć układów A128C i jeden Costar, który jest dedykowany do
systemu Slow Controls. Wszystkie sygnały odczytywane z tych chipów będą odprowadzane
do przetworników ADC, znajdujących się na obu końcach drabinki, których zadaniem będzie:
dokonywanie konwersji sygnału z postaci analogowej na cyfrową oraz zasilanie
i generowanie sygnałów kontrolujących dla całej elektroniki drabinek.
     

      Układ rejestracji danych (A128C)
Układ A128C został zaprojektowany przez laboratorium LEPSI i IRES specjalnie na
potrzeby rejestracji danych z modułów SSD. Posiada 128 kanałów, z których każdy jest
połączony z jednym paskiem detektora, dlatego do rejestracji sygnałów z wszystkich pasków
potrzeba 12 chipów (6 na stronę). Pojedynczy kanał składa się z przedwzmacniacza
(preamplifier), układu wycinającego (shaper, pracującego w przedziale od 1.4ms do 2ms)
i zespołu kondensatorów zapamiętujących odczytany sygnał. A128C jest sterowany
siedmioma wartościami (pięć wartości prądu i dwie napięcia; Vpreamp, Ipreamp, Vshaper,
Ishaper, Iinbuff, Ioutbuff, Ilvds), mającymi znaczący wpływ na końcowy kształt sygnału.
Układ został tak zaprojektowany, aby dyssypacja mocy była jak najmniejsza (340mW na
kanał). W tym celu rejestry wyjściowe (Readout Registers) są otwierane tylko w momencie
czytania danych. Na wyjściu A128C znajduje się multiplekser, który umożliwia sekwencyjne
odczytanie wszystkich kanałów z maksymalną częstotliwością 10 MHz. W układzie
zaimplementowano protokół JTAG, pozwalający na łatwe testowanie, konfigurację i nadzór
pracy. Ponadto na potrzeby testów wewnątrz A128C umieszczono generator impulsów. Układ
zasilany jest napięciem ą 2V. Na rysunku 4.9 przedstawiono schemat budowy układu, na
którym wyraźnie zaznaczone są najważniejsze elementy A128C:
ˇ Kontroler JTAG (JTAG controller) – wykorzystywany do kontroli pracy, testów
i konfiguracji całego układu elektronicznego

ˇ Generator napięcia (BIAS generator) – polaryzuje kanały odpowiadające za
obróbkę sygnałów przychodzących z detektora, jest sterowany siedmioma
parametrami; Vpreamp, Ipreamp, Vshaper, Ishaper, Iinbuff, Ioutbuff, Ilvds,
ˇ Kanały wzmacniające (Amplifying channels) – wzmacniają i wycinają sygnał
przychodzący z generatora impulsów lub detektora,
ˇ Generator impulsów (Pulse generator) – wystawia sygnały testowe na wejście
kanałów, może pracować w zakresie ą 15 MIPs.
Impuls odczytany z detektora najpierw przechodzi przez układ zwany
przedwzmacniaczem, w którym deltopodobny sygnał jest całkowany, a następnie
wzmacniany. Zakres prac przedwzmacniacza to ą 13 MIPs przy wzmocnieniu 48 mV/MIP dla
MIP równego 25000 elektronów [11]. Znajdujący się dalej układ wycinający nadaje
wszystkim impulsom jednakowy kształt.

                          

                           Rys. 6 Schemat układu A128C [11].

Układ Costar


Costar jest układem przeznaczonym do wykorzystania w systemie slow control.
Podobnie jak układ A128C został on wyposażony w protokół JTAG. Głównym zadaniem tego
chipa będą pomiary:
ˇ Temperatury hybrydy, na której umieszczona jest cała elektronika detektora –
pozwoli to na kontrolowanie systemu chłodzącego. Układ mierzący temperaturę jest
wbudowany w Costara i może pracować w zakresie od 0°C do 80°C z dokładnością
do 0.31°C.
ˇ Napięcia zasilającego hybrydy. Zmierzona wartość może zostać porównana z
napięciem wystawianym przez zasilacz, co pozwoli wykryć awarie na liniach
przesyłowych.
ˇ Prądu upływowego z pierścieni ochronnego i polaryzującego, znajdujących się na
płytce krzemowej. Uzyskane w ten sposób informacje określają stan detektora.
Każda ze stron detektora SSD posiada swój własny Costar.