WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 |
  • толщина просветляющего покрытия Si3N4 (~55 мкм) выбрана с целью увеличения QЕ в области спектра высвечивания кристалла PbWO4 ;
  • толщина слоя p++ (изготовленного при помощи ионной имплантации) <100 нм (для увеличения чувствительности ЛФД в "сине-фиолетовой" части спектра);
  • p-n переход находится на глубине ~5 мкм, что обеспечивает эффективное усиление всего спектра PbWO4 и низкий шум-фактор;
  • слои n- и n изготавливаются при помощи эпитаксии. Слой n- имеет толщину ~40 мкм и относительно малое объемное сопротивление 50-100 Ом·см;
  • толщина ОПЗ равна 50 мкм, что обеспечивает умеренную ёмкость ЛФД (~80 пФ, S=25 мм2), сравнительно низкое рабочее напряжение (~400 В) и относительно слабую зависимость усиления от изменения напряжения на ЛФД
  • "эффективная толщина" ЛФД равна ~6 мкм;
  • по периферии ЛФД протравлена канавка глубиной ~ 50 мкм. Её назначение - уменьшить поверхностные токи утечки.

Рис. 2. Структура ЛФД, разработанного коллаборацией CMS совместно

с Hamamatsu Photonics

Приводятся основные характеристики ЛФД CMS, измеренные с использованием методики и стендов, описанных в предыдущих главах. Типичные параметры ЛФД CMS для комнатной температуры и М=50 приведены в таблице 3.

Таблица 3. Основные параметры ЛФД CMS

Активная площадь, S

5 x 5 мм2

Рабочее напряжение, VR

~ 380 В

Разность напряжений: пробоя и рабочего, VB - VR

> 40 В

Квантовая эффективность, QE (450 нм)

~80 %

Ёмкость, C

80 пФ

"Эффективная толщина", leff

6 мкм

Последовательное сопротивление, Rs

< 10 Ом

Темновой ток, Id

~ 3.5 нA

kV=1/M*dM/dV

3.1 % / В

kT=1/T*dM/dT

- 2.4 % / °C

Шум-фактор, F

2.1

Далее в пятой главе приводятся результаты измерений воздействия нейтронов, протонов и гамма-квантов на характеристики ЛФД CMS. Воздействие нейтронов на параметры ЛФД изучалось с использованием реакторных нейтронов (реакторы Tapiro (Италия) и Ullyse (Франция)), нейтронов, испускаемых радиоактивным источником 252Cf (университет Миннесоты, США), а также быстрых нейтронов, производимых импульсным нейтронным источником ISIS в RAL (Англия). При исследовании радиационной стойкости ЛФД по отношению к высокоэнергичным протонам использовались протоны с кинетической энергией 72 МэВ, производимые инжектором циклотрона PSI (Швейцария). При облучении нейтронами и протонами, темновой ток ЛФД возрастал с увеличением количества частиц, прошедших через ЛФД, а после остановки облучения происходило его частичное восстановление.

На рис. 3 приведены результаты измерений изменения объёмного темнового тока ЛФД, под воздействием интенсивных потоков частиц, выполненных с использованием нейтронов и протонов от различных источников. Потоки частиц были пересчитаны в потоки нейтронов с энергией 1 МэВ, с учётом коэффициентов неионизирующих потерь соответствующих частиц. Измерения проведены при комнатной температуре через 8 дней после облучения с помощью нейтронов (Ullys, Tapiro, Oak Ridge, RAL) и протонов (PSI).

Рис. 3. Зависимость изменения (увеличения) объёмного темнового тока ЛФД от потока частиц, эквивалентного потоку нейтронов с энергией 1 МэВ

Изучение характеристик ЛФД, облучённых нейтронами (протонами) показало, что зависимости коэффициента умножения (см. Рис. 4) и шум-фактора ЛФД от напряжения, квантовая эффективность ЛФД в области 400600 нм не изменились после облучения интегральным потоком нейтронов (протонов) 21013 нейтронов/см2.

Для облучения ЛФД гамма-квантами использовался интенсивный источник 60Co (Eg=1.17 и 1.33 МэВ) Института Пауля Шеррера (PSI, Швейцария). Измерение параметров лавинных фотодиодов, облучённых гамма-квантами, показало, что зависимости коэффициента умножения и шум-фактора ЛФД от напряжения, спектральная зависимость ЛФД в области 400600 нм не изменились для большинства (~95%) облучённых ЛФД даже после поглощённой дозы 55 кГр. После облучения дозой 5 кГр темновой ток ЛФД, измеренный при комнатной температуре и рабочем напряжении, вырос примерно на 200300 нА. Гамма-квантами было облучено несколько сотен ЛФД. Было замечено, что у некоторых ЛФД (~57% от общего количества облучённых диодов) значительно, на 5220 В, уменьшилось напряжения пробоя или наблюдался опережающий рост темнового тока и шума при увеличении коэффициента умножения ЛФД. Следует отметить, что ЛФД, у которых напряжение пробоя уменьшилось более чем на 40 В, не могут нормально функционировать при коэффициенте умножения 50 и считаются вышедшими из строя. Детальное изучение этих ЛФД показало, что изменения напряжения и темнового тока связаны с ранним пробоем пленки диэлектрика, происходящим на периферии чувствительной зоны ЛФД. Пробой диэлектрика происходил в местах, где диэлектрик имел повреждения или неоднородности, вызванные либо дефектами масок использовавшихся в фотолитографическом процессе, либо небольшими загрязнениями поверхности диэлектрика, произошедшими в ходе технологического процесса производства ЛФД. После смены масок количество “радиационно-слабых” ЛФД уменьшилось до 34%. Попытки инженеров Hamamatsu улучшить технологический процесс изготовления ЛФД не привели к существенному уменьшению этой цифры.

Рис. 4. Зависимость коэффициента умножения от напряжения до и после облучения нейтронами, измеренная при комнатной температуре для ЛФД CMS

На основе многочисленных измерений параметров ЛФД, облучённых нейтронами, протонами и гамма-квантами был сделан вывод о том, что только ионизирующее излучение (т.е. гамма-кванты и заряженные частицы) может привести к выходу ЛФД из строя. Нейтронное же излучение приводит к предсказуемому возрастанию темнового тока и шума в соответствии с потоком нейтронов, прошедших через ЛФД, но не оказывает существенного влияния (по крайней мере, до суммарного потока 21013 нейтронов/см2) на другие параметры данных ЛФД и не приводит к выходу ЛФД из строя. Было также высказано предположение, что ЛФД, успешно прошедшие первое облучение гамма-квантами, не изменят свои параметры и при повторном облучении, т.е. не имеют дефектов в диэлектрическом слое и могут считаться потенциально радиационно-стойкими. Для проверки данной гипотезы >200 ЛФД были облучены гамма-квантами, затем эти ЛФД были подвергнуты ускоренному "восстановлению" (4 недели в нагревательной печи при Т=80 °C). После этого основные параметры ЛФД были измерены, а затем вся процедура была повторена. Результаты измерений ЛФД после повторного облучения и ускоренного восстановления подтвердили правильность сделанного предположения: ни у одного из ~200 ЛФД, успешно прошедших первое облучение не изменилось напряжение пробоя более чем на 2 Вольта, ни сразу после облучения, ни после процедуры ускоренного восстановления.

Далее подробно описывается предложенная методика отбора радиационно-стойких ЛФД, включающая в себя облучение ЛФД гамма-квантами, отжиг ЛФД при повышенной температуре и измерения напряжения пробоя, темнового тока и шума ЛФД. Обосновывается процедура и критерии отбора. Процедуре отбора были подвергнуты около 140000 ЛФД. Из них 122400 ЛФД были отобраны в качестве фотоприёмников электромагнитного калориметра CMS.

Рис. 5. Зависимость энергетического разрешения калориметра от энергии. Пучок попадал в центр кристаллов 704 (а) и 1104 (б) (суммировался сигнал матрицы кристаллов 33)

В заключительной части пятой главы приводятся результаты испытаний супермодуля ECAL на пучках электронов с энергиями 20-250 ГэВ. Супермодуль SM10, содержащий 1700 кристаллов PWO4, был закреплён на подвижном столе, перемещение которого контролировалось при помощи компьютера. При исследовании различных кристаллов положение SM10 по отношению к пучку выбиралось таким образом, чтобы пучок попадал в выбранный кристалл под углом 3° по отношению к оси кристалла. SM10 был полностью оснащён фотоприёмниками (2 ЛФД/кристалл), электроникой считывания, системой высоковольтного и низковольтного питания, системой охлаждения и температурного контроля, а также системой лазерного мониторирования. Система температурного контроля обеспечивала среднюю температуру калориметра 18.0 °C. Сигналы ЛФД усиливались быстрыми усилителями и оцифровывались при помощи АЦП с частотой оцифровки 40 МГц. На рис. 5 а) и б) показана измеренная зависимость энергетического разрешения калориметра от энергии, когда пучок попадал в центр кристаллов 704 (а) и 1104 (б) (суммировался сигнал матрицы кристаллов 33). На этих же рисунках также показан результат фита экспериментальных данных формулой (1), в которой энергетическое разрешение калориметра выражено через 3 параметра: шумовой, стохастический и постоянный. Данный результат демонстрирует высокий потенциал электромагнитного калориметра CMS по поиску бозона Хиггса, а также открывает широкие возможности по изучению новой физики в эксперименте CMS.

В Заключении приводятся основные результаты и выводы, а так же выражается благодарность тем, кто оказывал помощь и содействие при проведении работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В работе были получены следующие основные результаты:

1. Предложена и разработана методика измерения основных параметров лавинных фотодиодов при помощи постоянного и импульсного света различных длин волн, а также источников альфа-, бета - и гамма-излучения. Подробно описаны экспериментальные стенды, используемые для измерения параметров ЛФД. Разработанная методика позволяет с хорошей точностью измерять такие параметры ЛФД, как коэффициент усиления, температурный коэффициент, квантовая эффективность, шум-фактор, эффективная толщина ЛФД для заряженных частиц. Продемонстрирована универсальность данной методики на примере измерения параметров ЛФД, имеющих разную внутреннюю структуру.

2. Предложена и разработана компьютерная модель для расчёта основных параметров лавинных фотодиодов (в том числе - после облучения ЛФД нейтронами). Для расчёта параметров ЛФД модель использует уравнение Пуассона, распределение концентрации легирующих примесей, зависимости коэффициентов ионизации электронов и дырок в кремнии от электрического поля. Продемонстрировано хорошее согласие (лучше 5 %) параметров реально существующего ЛФД и параметров ЛФД, рассчитанных с использованием разработанной модели. Предложенная и разработанная простая модель работы ЛФД позволила сделать вывод, что структуры p+-p-n-p--n+ и p+-p-n-n--n+ являются оптимальными для применений в калориметрии. На основе предложенной модели были получены важные рекомендации по оптимизации структуры ЛФД для электромагнитного калориметра CMS.

3. В результате исследований, проведенных совместно с Hamamatsu Photonics (Япония), разработаны ЛФД для электромагнитного калориметра CMS. Они обладают чувствительной площадью 5х5 мм2, способны работать при усилениях до 400 (при сравнительно низких напряжениях смещения <450 В) и имеют квантовую эффективность 70-80% в области спектра излучения кристаллов PbWO4 (400-500 нм). Разработанные ЛФД имеют низкий шум-фактор (~2 при усилении 50), малую эффективную толщину для заряженных частиц (~6 мкм) и умеренную чувствительность коэффициента усиления к изменениям температуры (~2.4%/C при усилении 50).

4. Проведены исследования радиационной стойкости ЛФД в интенсивных потоках нейтронов (Е=1 МэВ), протонов (Е=70 МэВ) и гамма-квантов (Е=1 МэВ). Полученные результаты позволяют сделать вывод, что такие параметры ЛФД, как усиление и квантовая эффективность не ухудшаются после облучения потоком нейтронов (Е=1 МэВ) до 21013 нейтронов/см2 и гамма-квантами до 0.5 Мрад, что соответствует 10-ти годам работы в условиях эксперимента CMS. Показано также, что увеличение темнового тока ЛФД, вызванное объёмными повреждениями кремния нейтронами и заряженными адронами, не приводит к существенному ухудшению энергетического разрешения электромагнитного калориметра CMS.

5. Разработана методика отбора радиационно-стойких ЛФД, включающая в себя облучение ЛФД гамма-квантами (доза 5 кГр), отжиг ЛФД в нагревательной печи при температуре 80 °C в течение 4 недель, а также измерения напряжения пробоя и темнового тока каждого ЛФД после облучения и отжига. Процедуре отбора были подвергнуты около 140000 ЛФД. Из них примерно 7 000 ЛФД не удовлетворили критериям отбора и были возвращены Hamamatsu, а 122400 ЛФД были отобраны в качестве фотоприёмников электромагнитного калориметра CMS. Результаты двойного облучения/отжига ЛФД позволяют надеяться, что количество вышедших из строя из-за радиации ЛФД не превысит 1 % за 10 лет их работы в условиях LHC.

6. Проведены измерения супермодуля электромагнитного калориметра CMS на пучках электронов с энергиями 20-250 ГэВ. Для сборки, состоящей из 9 кристаллов, было получено энергетическое разрешение E/E<0.6% при энергиях электронов 120-250 ГэВ. Данный результат полностью удовлетворяет физическим требованиям к электромагнитному калориметру установки CMS, демонстрирует высокий потенциал эксперимента CMS по поиску бозона Хиггса, а также открывает широкие возможности по изучению новой физики на ускорителе LHC.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Pages:     | 1 | 2 || 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»