Разработка и изготовление трековых модулей на основе кремниевых двухсторонних микрополосковых детекторов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Шереметьев Алексей Дмитриевич

• Шереметьев Алексей Дмитриевич
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Шереметьев Алексей Дмитриевич

Оглавление

Список сокращений

Введение

Глава 1. Физические задачи эксперимента BM@N на ускорительно-

накопительном комплексе NICA

1.1 Ускорительно-накопительный комплекс NICA

1.2 Физические задачи установки BM@N и требования к внутренней КТС

1.3 Базовые детекторы установки BM@N и конструкция КТС

1.4 Принцип работы и основные характеристики кремниевых детекторов

1.5 Структура и особенности микрополоскового кремниевого

детектора

Выводы к главе

Глава 2. Компоненты кремниевого трекового модуля и методы

входного контроля их качества

2.1 Конструкция кремниевого трекового модуля CBM/BMN

2.2 Кремниевый двухсторонний микрополосковый детектор

2.3 Гибкие сверхлегкие алюминиевые микрокабели

2.4 Микросхема и печатная плата считывающей электроники

Выводы к главе

Глава 3. Технология изготовления кремниевого микрополоскового трекового модуля. Методика электрического и

механического тестирования

3.1 Адаптация технологии ЛАС ультразвуковой сварки для

производства трековых модулей

3.2 Метод расчета параметров ЛАС ультразвуковой сварки. Результаты тестирования изделий, изготовленных по технологии ЛАС ультразвуковой сварки

3.3 Изготовление компонента модуля «Детектор - микрокабель -микросхема» с помощью ЛАС ультразвуковой сварки

3.4 Метод тестирования сварных соединений, изготовленных по технологии ЛАС ультразвуковой сварки

3.5 Метод определения параметров ультразвукового соединения

25 мкм алюминиевой проволокой

3.6 Расчет оптимальных геометрических параметров ультразвукового соединения проволокой

3.7 Сборка и тестирование бескорпусных микросхем для напряжения питания трекового модуля

3.8 Ультразвуковая сварка считывающей электроники с платой

3.9 Информационно-производственная система СМК

3.10 Результаты сборки предсерийной партии трековых модулей

CBM/BMN

Выводы к главе

Глава 4. Апробация качества изготовления предсерийных кремниевых трековых модулей в испытаниях на лабораторных стендах и на пучке протонов 1 ГэВ

4.1 Лабораторное тестирование кремниевых трековых модулей CBM/BMN

4.2 Результаты тестирования телескопа из модулей СВМ/ВМЫ на

ускорителе

Выводы к главе

Заключение

Список литературы

Список сокращений

ALICE - A Large Ion Collider Experiment; BM@N - Baryonic Matter at Nuclotron;

CBM - Сжатая барионная материя (от англ. Compressed Baryonic Matter);

CERN - ЦЕРН, European Organization for Nuclear Research;

CMIS - Construction Management Information System;

ITS - Внутренняя трековая система (от англ. Inner Tracking System);

LHC - Large Hadron Collider;

MPD - Multi Purpose Detector;

NICA - Nuclotron-Based Ion Collider;

SPD - Spin Physics Detector;

STS-XYTER - Silicon Tracing System X Y Time Energy Readout;

АЦП - Аналого-цифровой преобразователь;

БАК - Большой адронный коллайдер;

ВАХ - Вольт-амперная характеристика;

ВФХ - Вольт-фарадная характеристика;

ЗЧУ - Зарядочувствительный усилитель;

КХД - Квантовая хромодинамика;

КТС - Кремниевая трековая система;

ЛАС - Ленточная автоматическая сварка (от англ. Tape Automated Bonding);

МИЧ - Минимально ионизирующая частица (от англ. MIP);

СИМС - Специализированная интегральная микросхема;

УЗ - Ультразвуковая сварка;

ЛФВЭ - Лаборатория физики высоких энергий.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и изготовление трековых модулей на основе кремниевых двухсторонних микрополосковых детекторов»

Введение

В настоящее время в Объединенном институте ядерных исследований с целью изучения свойств плотной барионной материи строится ускорительный комплекс NICA (Nuclotron-based Ion Collider Facility) [1], который включает в себя сверхпроводящий бустер и синхротрон «Нуклотрон», непосредственно коллайдер NICA, а также различные экспериментальные установки, расположенные как на коллайдере - MPD [2] и SPD [3], так и в зоне выведенных пучков ионов Нуклотрона - установка эксперимента BM@N [4]. После того, как коллайдер NICA будет запущен, ученые, сталкивая ядра тяжелых ионов, создадут на короткое время (порядка 10 ^ 20 фм*с-1) в лабораторных условиях особое двухфазное состояние вещества, состоящее из разгоряченной смеси адронов и кварков, находящегося при плотностях в разы превышающих ту максимальную плотность материи, которая была нам доступна в ядерной физике. Хотя астрофизике и известны явления с повышенной плотностью барионной материи, наблюдаемые крайне редко при слиянии нейтронных звезд, точное описание материи в эти моменты далеко от однозначного физического понимания. В этой связи попытка воссоздать такие состояния в лабораторных условиях в столкновениях тяжелых ионов высоких энергий представляется актуальной и своевременной для современной фундаментальной науки.

Вследствие необходимости развития новых технологий для создания современного инструментария, который позволит проводить эксперименты в новой области, ожидается, что запуск NICA даст толчок для развития исследований в смежных прикладных областях, таких как материаловедение, космическая техника, радиационная медицина и биология и др.

В рамках мегапроекта NICA планируется реализовать три обширные экспериментальные программы. Это, прежде всего, флагманский проект NICA, который будет реализован после запуска многофункционального детектора MPD, с помощью которого возможно будет начать всестороннее изучение столкновений тяжелых ядер на коллайдере в диапазоне jSNN = 2,5 - 11,5 ГэВ/нуклон.

Физический запуск первой очереди этого эксперимента намечен на осень 2025 года. Уже сейчас ведется проектирование второго большого детектора на коллайдере NICA - SPD, который займется изучением реакции с поляризованными ускоренными ядрами водорода с надеждой наконец раскрыть тайны спиновой физики элементарных частиц. Сдача в эксплуатацию этой большой установки планируется в 2030 году. Отметим, что оба детектора для успешной работы потребуют создания развитых широкоапертурных кремниевых трековых систем, научно-исследовательская и опытно-конструкторская работа над которыми уже ведется в ЛФВЭ несколько лет.

Первый эксперимент, который уже начал набор данных на выведенных пучках тяжелых ионов, проводится на экспериментальной установке BM@N одноименным международным коллективом [4]. Целью эксперимента BM@N является изучение взаимодействия пучков релятивистских ядер-снарядов с ядрами неподвижной мишени в диапазоне доступной энергии в центре масс сталкивающихся ядер ^SNN = 2,5 - 3,6 ГэВ/нуклон, зависящей от соотношений масс к зарядам, сталкивающихся ядер.

Реакции - предмет физики NICA, характеризуются значительной множественностью вторичных частиц, что требует использования широкоапертурных кремниевых трековых систем, что, в свою очередь, открывает возможность проведения измерений эксклюзивно, т.е. производя одновременную регистрацию событий большей части вторичных частиц. Обычно трековая система представлена многослойной структурой из позиционно-чувствительных детекторов, помещенных в магнитное поле, что позволяет по величине отклонения траекторий заряженных частиц определять их импульс. В общем идеализированном случае эквидистантного расположения плоскостей трекера точность определения импульса частицы зависит от скорости частицы (ß), величины магнитного поля (В), числа плоскостей в системе (N) и их толщины (х), выраженной в единицах радиационной длины материала (Х0), из которого изготовлены плоскости трековой станции, регистрирующие координаты точек попадания частиц, и задается формулой Глюкштерна [5]:

АР 0,0136 (Ы - 1)

Р 0,3 рь2в х{

N

о

где Ь - общая длина трекера, помещенного в магнитное поле В, а постоянная Сы слабо зависит от числа плоскостей N в системе. Для неоднородных трековых систем аналитического выражения для точности измерения импульса частицы не существует, и поэтому она вычисляется численно методом компьютерного моделирования с учетом всех факторов, от которых она зависит. На практике почти всегда используются неоднородные системы, построенные как последовательность кремниевых и газовых позиционно-чувствительных слоев, причем кремниевая часть трекера сама представляет собой последовательность слоев из пиксельных или микрополосковых детекторов.

В отличие от газовых, кремниевые детекторы с современной электроникой считывания получают данные, обладающие на порядок лучшим пространственным разрешением и скоростью считывания, и в пиксельном исполнении могут устанавливаться на предельно малых расстояниях в десятки миллиметров от точек взаимодействий ядер, что делает их непревзойденным инструментом по выделению вершин распадов короткопробежных вторичных частиц. Именно поэтому часто говорят о кремниевых трековых системах как о «вершинных детекторах», хотя их назначение в действительности этим, строго говоря, не ограничивается.

История развития технологии кремниевых трековых детекторов насчитывает полувековую историю, которая могла бы явиться предметом отдельного обзора. Ограничимся кратким перечислением эпох развития этого важного направления в экспериментальной физике высоких энергий, которое в настоящее время во всех крупных ускорительных центрах признано приоритетным и полностью основывается на использовании последних прорывных достижений микроэлектроники, меняющей на наших глазах мир.

Ближе к концу 1970-х годов начались интенсивные исследования и разработки в области устройств, которые могли бы измерять короткоживущие

частицы с временем жизни 10-12 ^ 10-13 сек. Исследования и разработки в ЦЕРН и Пизе [6] показали, что микрополосковые («микростриповые») детекторы с шагом 100 - 200 мкм обладали высокой эффективностью регистрации (> 99 %) и пространственным разрешением (~ 20 мкм), достаточным для точного восстановления вершин распада короткоживущих вторичных частиц. Однако в тот момент изготовление таких устройств было очень сложным, что ограничивало их доступность до 1980 г., когда производство кремниевых детекторов было налажено с использованием стандартного планарного процесса на микроэлектронных предприятиях. Первое использование нового метода состоялось в коллаборациях NA11 [7-9] (CERN SPS) и Е706 [10] (FNAL) в 1981 г. Трековая система NA11 состояла из 6 плоскостей полосковых детекторов площадью 24 х 36 мм2, изготовленных на пластинах кремния с удельным сопротивлением 2 ^ 3 кОм/см, толщиной 280 мкм и шагом между полосками 20 мкм, при этом использовалось емкостное деление заряда между полосками детекторов, так как считывающая электроника подключалась только к каждой третьей или шестой полоскам. Годом позже (1982) коллаборация Е706 представила трекер большей площади: 4 плоскости (3 х 3 см2) и 2 плоскости (5 х 5 см2) [6].

Успех первых примеров применения кремниевых трековых систем стимулировал создание систем большей апертуры, к которым одним из первых следует отнести эксперимент DELPHI [11] в ЦЕРН. Впервые 53 х 53 мм2 микрополосковые детекторы, объединенные в систему из 96 модулей, создавали две плоскости значительной площади, перед которыми располагалась плоскость из 152 модулей пиксельных детекторов. Для считывания данных с микростриповых модулей использовалась специализированная микросхема МХ5, имеющая 128 каналов с коэффициентом шума ENC = 360 е- + 16 е-/пФ и радиационной стойкостью до 50 кРад [12].

Эксперимент продолжал работу до 2000 года и позволил точно определить массы Z- и W-бозонов и выполнить первое прямое измерение тройных взаимодействий бозонов, а также поиск новых частиц, описанных в теории электрослабого взаимодействия, отмеченной Нобелевской премией в 1979 году.

Важным шагом в дальнейшем развитии кремниевых трековых систем явилось их применение в эксперименте D0 [13], что привело к открытию топ-кварка, а также модификации кремниевых трековых станций при создании первой очереди базовых установок RHIC - STAR [14] и PHENIX [15].

Настоящий бум в строительстве кремниевых широкоапертурных трековых систем начался с создания таких систем для четырех базовых детекторных установок Большого адронного коллайдера в ЦЕРН - CMS [16], ATLAS [17], LHCb [18] и ALICE [19], каждая из которых в своей физической программе требовала «мечения» частиц, содержащих либо странные, либо очарованные, либо прелестные кварки. Такие частицы распадаются по каналу слабого взаимодействия за очень короткое, но все же достаточное время для того, чтобы заметить их характерный след - наличие вершин распада, которые расположены от первичных вершин взаимодействия так близко, что выделить их может только высокоразвитая кремниевая трековая система, обладающая высоким пространственным разрешением и быстродействием. Вот почему с этого момента создание таких систем стало приоритетным направлением в экспериментальной физике высоких энергий.

Не представляется возможным в кратком введении к данной работе описать все особенности каждой из систем первой волны вершинных кремниевых детекторов первого сеанса работы БАК, которые эксплуатировались с 1994 года на установке ALICE и частично продолжают эксплуатироваться и сейчас на установках CMS, ATLAS и LHCb уже после открытия двумя первыми бозона Хиггса. Важно отметить, что в течение более 20 лет создания и эксплуатации этих развитых систем большими интернациональными коллективами был накоплен бесценный опыт в решении многочисленных технических проблем, с которыми они столкнулись, и который мог быть использован физиками других лабораторий, начавшими работать чуть позже над созданием аналогичных устройств для других перспективных направлений фундаментальных и прикладных исследований.

Так в GSI (Дармштадт, Германия) в рамках мегапроекта ФАИР в 2002 году состоялась первая встреча физиков, инициирующих исследования барионной

сжатой материи, где было провозглашено о создании коллаборации СВМ [20] с программой исследований на предложенном ими к строительству ускорителе SIS-300, способном ускорить тяжелые ионы до энергии 45 ГэВ/нуклон. И хотя позже, после ревизии реальных финансовых возможностей, требования по максимальной энергии ионов снизились до энергии 25 ГэВ/нуклон и строительства меньшей машины SIS-100, физические цели коллаборации СВМ остаются неизменными и по сей день.

Начиная с 2007 года небольшая группа физиков ЛФВЭ ОИЯИ, не имея ни необходимого опыта, ни необходимой инфраструктуры, присоединилась к работам немецких коллег по проектированию и созданию ключевого элемента установки СВМ - планарной кремниевой трековой системы на базе двухсторонних микрополосковых детекторов, размещаемой в магнитном поле сверхпроводящего дипольного магнита большой апертуры. Следует отметить, что выбор концепции для структуры и состава кремниевой трековой системы, определялся конкретной физической задачей и экспериментальными условиями, которые предстояло решить в процессе проектирования. Проектом предусматривалась одновременная регистрация порядка тысячи частиц, возникающих при столкновении пучка тяжелых ионов рекордной интенсивности 109 ионов/сек с ядрами неподвижной мишени, с требованием эксперимента выделения на этом фоне очень редких случаев рождения Д/у мезонов и D мезонов. Данная система должна была восстанавливать треки вторичных частиц с рекордно высокой частотой взаимодействий (до 10 МГц) и высокой множественностью вторичных частиц, при этом сохраняя способность работать в условиях высоких радиационных загрузок (до 1014 МэВ нейтронных эквивалентов на см2) и обеспечивать пространственное разрешение треков вторичных частиц с точностью не хуже 25 мкм. Проект кремниевой трековой системы СВМ включал в себя восемь плоскостей, состоящих из модулей на основе двухсторонних микрополосковых кремниевых детекторов, установленных внутри широкоапертурного проводящего дипольного магнита.

В корне проблем, с которыми столкнулась СВМ при выборе концепции построения трековой системы, фактически лежало принципиальное противоречие

между необходимостью быстрого считывания данных с неизбежным повышенным выделением тепла входной электроникой, обычно располагаемой в непосредственной близости от сенсора или прямо на нем. В случае СВМ снять всё тепло, выделяемое входной электроникой считывания данных, с чувствительной плоскости без использования массивных тепловых мостов, разрушающих импульсное разрешение системы из-за многократного кулоновского рассеяния на внесенном в активную зону трекера дополнительном веществе, не представлялось возможным. Поэтому СВМ было принято принципиальное решение разнести сенсор и цепь входной электроники с помощью специального аналогового микрополоскового кабеля минимальной толщины. Это решение в конечном итоге и привело к концептуальной структуре модуля кремниевой трековой системы сначала для применения его в детекторе СВМ, а затем, несколько позже, и на появившейся в ЛФВЭ установке ВМ@^ преследующей те же физические цели, что и СВМ, но при меньших энергиях и существенно более низкой интенсивности пучка.

Следует отметить, что необходимость вынести считывающую электронику из чувствительной области детектора для того, чтобы минимизировать количество вещества на пути вторичных частиц и снизить радиационные загрузки электроники, возникла не впервой. Впервые с этой технически нетривиальной задачей столкнулся эксперимент D0 (Фермилаб, США) во время вынужденной модернизации своей трековой системы [13]. Решение этой задачи осложнялось необходимостью передавать зарядовый сигнал малой амплитуды (~ 3,6 фКл для детекторов толщиной 300 мкм) от детектора на входные тракты считывающих микросхем с минимальными потерями, не внося при этом ни дополнительного вещества, ухудшающего пространственное разрешение системы, ни увеличивая шум входной электроники за счет подключения к ней дополнительной емкостной нагрузки.

Следует подчеркнуть, что в современных установках обычно используются детекторы с шагом микрополосок порядка ~ 100 мкм для того, чтобы привести в соответствие шаг полосок на детекторе и считывающей электронике требуется

изготовить гибкие микрокабели с меньшим шагом, что практически не представляется возможным. Чтобы снизить вероятность наложения сигналов в активной зоне, микрополоски на детекторе CBM уменьшили шаг полоски до 58 мкм, что повлекло за собой значительное усложнение конструкции трекового модуля и, как следствие, необходимость разработки технологически более сложного процесса их производства. Разработка и производство специализированных алюминиево-полиимидных микрокабелей значительной длины (до 50 см), адаптированных под топологию используемых микроэлектронных компонентов в детекторе, потребовала много времени и ресурсов как GSI, так и ОИЯИ, но в конце концов была успешно осуществлена.

В процессе модернизации центрального трекера в эксперименте D0 [21] в конструкции слоя L0 был добавлен внутренний слой, использовавший длинные (от 170 мм до 348 мм) дорогостоящие медные кабели фирмы «Dyconex AG», (Швейцария) [13]. Вместе с тем основные модули центрального трекера с полосковыми сенсорами уже тогда соединялись со считывающей электроникой при помощи коротких алюминиевых микрокабелей на полиимидной основе, изготовленных фирмой «LTU» (г. Харьков, Украина). Позже короткие алюминиевые микрокабели LTU с успехом использовались в ЦЕРН при создании модулей двух внешних слоев в первой версии внутренней трековой системы ITS эксперимента ALICE [22].

Учитывая опыт экспериментов ALICE и D0, можно утверждать, что отказ от применения медных кабелей в пользу более дешевых и легких (ко времени начала работ по созданию кремниевых трековых систем большой площади) был вполне оправдан. Расчетный коэффициент шумовых характеристик, связанный с увеличением сопротивления дорожек кабеля при переходе от меди к алюминию, был незначительным [13]. Использование алюминиевых проводников позволяет применять ультразвуковую ЛАС сварку [23] для соединения микрокабеля с контактными площадками на кремниевых детекторах и СИМС входной электроники. Немаловажным также является и тот факт, что радиационная длина для алюминия более чем в 2 раза выше, чем для меди, что уменьшает рассеяние

частиц и радиационные потери в трековой системе (согласно формуле 1). Однако оставался открытым вопрос: как наладить серийное производство таких модулей? Ответ на этот вопрос занял много лет проб и ошибок, преодоление которых в конце концов дало ответ, составляющий основную часть этой работы.

Диссертационная работа посвящена разработке конструкции и технологии изготовления кремниевых трековых модулей, состоящих из двухсторонних микрополосковых кремниевых детекторов и считывающей электроники, соединенной с каналами детектора при помощи сверхлегких алюминиевых микрокабелей. Изготовленные трековые модули предназначены для определения траекторий вторичных частиц, их импульсов и вершин рождения. В рамках работы осуществлялось исследование характеристик кремниевых модулей и анализировались их результаты тестирования в процессе и после изготовления, а также результаты, полученные после предсерийной сборки трековых модулей для кремниевой трековой системы эксперимента BM@N.

Результаты диссертационного исследования использовались для создания первой плоскости кремниевой трековой станции (STS) для проекта BM@N, которая была успешно интегрирована в экспериментальную установку. Ключевые мировые научные центры занимаются созданием установок на основе полупроводниковых детекторов, что подтверждает интерес к этой области. Создание детектирующей системы современного уровня, удовлетворяющей требованиям эксперимента BM@N, является сложной технологической задачей, которая была успешно решена.

Актуальность разработки подтверждается проведением большого количества научных совещаний, статей и конференций по теме разработки микрополосковых кремниевых трековых модулей. Особый интерес у ученых вызывает проблема разработки технологии изготовления трековых модулей на основе кремниевых микрополосковых детекторов с вынесением считывающей электроники из чувствительной зоны трековой системы.

Работа выполнена в рамках темы проблемно-тематического плана ОИЯИ 02-0-1065-2007/2023 «Комплекс NICA: создание комплекса ускорителей,

коллайдера и экспериментальных установок на встречных и выведенных пучках ионов для изучения плотной барионной материи, спиновой структуры нуклонов и легких ядер, проведения прикладных и инновационных работ» [24] на базе существующего ускорительного комплекса Лаборатории физики высоких энергий.

Целью диссертационной работы является разработка и экспериментальное исследование конструктивно-технологических решений изготовления трековых модулей на основе микрополосковых кремниевых детекторов для широкоапертурных кремниевых систем на ускорительном комплексе NICA. Диссертационная работа нацелена на разработку перспективных технологических этапов сборки бескорпусных микросхем с применением ультразвуковой ЛАС технологии сварки, а также проволочной технологии сварки с последующим исследованием надежности монтажа на полупроводниковые кристаллы.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Выполнен краткий обзор физических принципов работы всех элементов кремниевого модуля и обозначены цели его применения в эксперименте BM@N.

2. Разработана оригинальная конструкция, предложен метод изготовления и отлажена технология для серийного производства модулей CBM/BMN с улучшенным пространственным разрешением и скоростью считывания на основе кремниевого микрополоскового детектора с применением сверхлегких алюминиево-полиимидных микрокабелей, используемых для выноса входной электроники считывания из зоны повышенной радиационной нагрузки. Предполагается, что изготовленные модули войдут в состав модернизированной трековой системы установки BM@N.

3. Изготовлена предсерийная партия кремниевых трековых модулей.

4. Исследованы рабочие характеристики кремниевых трековых модулей и оптимизирован технологический процесс их изготовления. Усовершенствована методика измерения рабочих характеристик

компонентов кремниевого трекового модуля СБМ/ВМЫ в процессе изготовления.

5. Адаптирована к задачам сборки модулей СБМ/ВМЫ информационно-производственная система СМ^ для управления и мониторинга одновременного изготовления модулей на нескольких географически удаленных друг от друга сборочных участках.

6. Создана исследовательская инфраструктура, позволяющая детально изучать характеристики разрабатываемых трековых детекторов.

7. Выполнена апробация качества изготовления предсерийных кремниевых трековых модулей в испытаниях на лабораторных стендах и на пучке протонов 1 ГэВ.

Объект и предмет исследования

Объект исследования - кремниевый микрополосковый трековый модуль, основными составляющими которого являются кремниевый двухсторонний микрополосковый детектор, комплект гибких алюминиево-полиимидных микрокабелей для передачи аналогового сигнала, две платы фронтальной (входной) считывающей электроники, СИМС STS-XYTER, бескорпусные линейные регуляторы напряжения, комплект радиаторов охлаждения и защитных экранов.

Предмет исследования - технология изготовления трековых модулей с высокой плотностью каналов детектора и использованием бескорпусных микросхем считывания данных с них.

Новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Впервые в ОИЯИ разработан технологический процесс изготовления кремниевых трековых модулей с большой плотностью каналов на детекторе на основе технологии ЛАС ультразвуковой сварки для гибких алюминиево-полиимидных кабелей длиной до 450 мм, который позволяет обеспечить

высокую плотность монтажа компонентов и способствует уменьшению массы пассивного вещества в рабочем объеме детекторной станции (0,023 % Х/Х0 на один слой микрокабелей), приводящего к снижению пространственного разрешения треков всей трековой станции.

2. Предложен метод расчета оптимальных технологических параметров ультразвуковой сварки, которые подтверждены практически с помощью разрушающего и оптического тестирования, за счет чего удалось автоматизировать процесс сборки гибких алюминиево-полиимидных микрокабелей и повысить число выхода годных трековых модулей.

3. Впервые в ОИЯИ была адаптирована информационно-производственная система СМ^.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработана оригинальная конструкция кремниевого трекового модуля на основе двухстороннего микрополоскового детектора с пространственным разрешением не хуже 15 мкм и возможностью удаленного от детектора (до 450 мм) размещения входной электроники считывания данных.

2. На практике доказана возможность изготовления трекового модуля с использованием гибких аналоговых алюминиево-полиимидных микрокабелей, удовлетворяющих техническим требованиям кремниевых трековых модулей СВМ/ВММ Разработана технология изготовления надежного электрического и механического соединения трехслойных алюминиево-полиимидных микрокабелей с контактными площадками кристаллов на кремниевом микрополосковом детекторе и СИМС для чтения данных.

3. Разработан метод технологии ультразвуковой ЛАС сварки гибких алюминиево-полиимидных микрокабелей, позволяющий соединить 2048 каналов микрополоскового детектора со считывающей электроникой на расстоянии до 450 мм.

4. Разработана и экспериментально проверена математическая модель оценки качества сварного соединения 25 мкм проволокой на основе зависимости деформации проводника в процессе УЗ соединения. Данный алгоритм позволяет оценить качество ультразвукового соединения без применения разрушающего механического тестирования.

5. Представлены результаты пошагового функционального тестирования трековых модулей во время изготовления, подтверждающие оптимизацию и высокий уровень отладки технологического процесса их изготовления.

6. Создана исследовательская инфраструктура для изучения характеристик изготавливаемых кремниевых трековых детекторов в процессе производства. Адаптирована информационно-производственная система СМ^ в ОИЯИ, открывающая возможность автоматизации контроля производства сложных детекторных систем на географически удаленных производственных площадках.

Научно-практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработана оригинальная конструкция кремниевого трекового модуля с использованием гибких алюминиево-полиимидных кабелей толщиной 24 мкм, соединенных со считывающей электроникой и кремниевым микрополосковым детектором. Планарная конструкция модуля позволяет создать трековую систему большой площади с возможностью вынесения считывающей электроники из зоны повышенного радиационного воздействия. Использование гибких алюминиево-полиимидных кабелей обеспечивает создание трековой системы с радиационной длиной X/Х0 < 2 %, что позволяет минимизировать эффект многократного кулоновского рассеяние регистрируемых частиц и тем самым повысить пространственное и импульсное разрешение всей системы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шереметьев Алексей Дмитриевич, 2025 год

Список литературы

1. Kekelidze V.D. NICA project at JINR: status and prospects // JINST. 2017. Vol. 12, № 06. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-0221/12/06/C06012.

2. Golovatyuk V. et al. The Multi-Purpose Detector (MPD) of the collider experiment // The European Physical Journal A. 2016. Vol. 52, № 8. P. 212. https: //www. doi.org/10.1140/epj a/i2016-16212-1.

3. Abazov V.M. et al. Conceptual design of the Spin Physics Detector. 2021. https://www.doi.org/https://doi.org/10.48550/arXiv.2102.00442.

4. Kapishin M.N. The Fixed Target Experiment for Studies of Baryonic Matter at the Nuclotron (BM@N) // Physics of Atomic Nuclei. 2017. Vol. 80, № 10. P. 16131619. https://www.doi.org/10.1134/S1063778817100027.

5. Gluckstern R.L. Uncertainties in track momentum and direction, due to multiple scattering and measurement errors // NIM. 1963. Vol. 24. P. 381-389. https://www.doi. org/10.1016/0029-554X(63)90347-1.

6. Turala M. Silicon tracking detectors historical overview // NIM. 2005. Vol. 541, №2 1-2. P. 1-14. https://www.doi.org/10.1016Zj.nima.2005.01.032.

7. Golovatjuk V.M. et al. Basic parameters of the UCD microvertex detector // Nucl Instrum Methods Phys Res A. 1990. Vol. 288, № 1. P. 254-256. https://www.doi. org/10.1016/0168-9002(90)90495-R.

8. Belau E. et al. Silicon detectors with 5 um spatial resolution for high energy particles // NIM. 1983. Vol. 217, № 1-2. P. 224-228. https: //www. doi. org/10.1016/0167-5087(83)90138-2.

9. Hyams B. et al. A silicon counter telescope to study short-lived particles in high-energy hadronic interactions // NIM. 1983. Vol. 205, № 1-2. P. 99-105. https://www. doi. org/10.1016/0167-5087(83)90177-1.

10. Engels E. et al. A silicon strip detector system for fermilab E706 // NIM. 1984. Vol. 226, № 1. P. 59-62. https://www.doi.org/10.1016/0168-9002(84)90166-9.

11. Pernegger H. The DELPHI silicon tracker // Nucl Phys B. 1997. Vol. 54, № 3. P. 43-48. https://www.doi.org/10.1016/S0920-5632(97)00090-X.

12. Honma A. The OPAL silicon strip microvertex detector upgrade to two coordinate readout // NIM. 1994. Vol. 348, № 2-3. P. 409-415. https://www.doi. org/10.1016/0168-9002(94)90769-2.

13. Angstadt R. et al. The layer 0 inner silicon detector of the D0 experiment // Nucl. Instrum. Methods. Phys. Res. . 2010. Vol. 622, № 1. P. 298-310. https://www.doi.org/10.1016/j.nima.2010.04.148.

14. Ackermann K.H. et al. STAR detector overview // Nucl Instrum Methods Phys Res A. 2003. Vol. 499, № 2-3. P. 624-632. https://www.doi.org/10.1016/S0168-9002(02)01960-5.

15. Aidala C. et al. The PHENIX Forward Silicon Vertex Detector // Nucl Instrum Methods Phys Res A. 2014. Vol. 755. P. 44-61. https://www.doi.org/10.1016/j.nima.2014.04.017.

16. Michel D et al. CMS Physics Technical Design Report. Geneva, 2006. http: //cds. cern. ch/record/922757.

17. Haywood S. et al. ATLAS inner detector: Technical Design Report. Geneva, 1997.

1-256 p. https://cds.cern.ch/record/331063.

18. Belyaev I. et al. The history of LHCb // The European Physical Journal H. 2021. Vol. 46, № 1. P. 3. https://www.doi.org/https://doi.org/10.1140/epjh/s13129-021-

00002-z.

19. ALICE Collaboration. ALICE Inner Tracking System (ITS): Technical Design Report. Geneva, 1999. 1-360 p.

20. Senger P. Workshop on Compressed Baryonic Matter. Darmstadt, 2002. https://indico.gsi.de/event/4186/.

21. Abachi S. et al. The D0 detector // NIM. 1994. Vol. 338, № 2-3. P. 185-253. https://www.doi.org/10.1016/0168-9002(94)91312-9.

22. Kuijer P. The ALICE silicon strip detector system // NIM. 2000. Vol. 447, № 1-2. P. 251-256. https://www.doi.org/10.1016/S0168-9002(00)00196-0.

23. John H. Lau. Handbook of Tape Automated Bonding / ed. John H. Lau, Van Nostrand Reinhold. New York, 1982. 646 p. https://www.doi.org/https://link.springer.com/book/9780442004279.

24. В.Д. Кекелидзе, Р. Ледницки, Б.Н. Гикал. Технический проект «КОМПЛЕКС NICA». 2018.

25. Kekelidze V.D. et al. Project Nuclotron-based Ion Collider fAcility at JINR // Physics of Particles and Nuclei. 2017. Vol. 48, № 5. P. 727-741. https://www.doi.org/10.1134/S1063779617050239.

26. Алцыбеев В. В. et al. Моделирование коррекции замкнутой орбиты бустера Нуклотрона // Письма ЭЧАЯ. Vol. Т.15, №7(219). P. 821-826.

27. Е. А. Ротов, Ю. А. Бирючевский, Е. К. Кенжебулатов. Проект высокочастотной системы NICA // Письма в ЭЧАЯ. 2018. Vol. 15, №2 №7(219). P. 914-919.

28. Abraamyan Kh.U. et al. The MPD detector at the NICA heavy-ion collider at JINR // NIM. 2011. Vol. 628, № 1. P. 99-102. https://www.doi.org/10.1016/j.nima.2010.06.293.

29. Sissakian A.N., Sorin A.S. The nuclotron-based ion collider facility (NICA) at JINR: new prospects for heavy ion collisions and spin physics // Journal of Physics G. 2009. Vol. 36, № 6. P. 064069. https://www.doi.org/10.1088/0954-3899/36/6/064069.

30. Stephans G. critRHIC: the RHIC low energy program // Journal of Physics G. 2006. Vol. 32, № 12. P. S447-S453. https://www.doi.org/https://doi.org/10.1088/0954-3899/32/12/S54.

31. The SPD Collaboration et al. Technical Design Report of the Spin Physics Detector at NICA. 2024. https://www.doi.org/10.48550/arXiv.2404.08317.

32. Kapishin M. Studies of baryonic matter at the BM@N experiment (JINR) // Nucl Phys A. 2019. Vol. 982. P. 967-970. https ://www. doi.org/ 10.1016/j. nuclphysa.2018.07.014.

33. Bergamaschi A. et al. Edge on silicon microstrip detectors for medical imaging // NIM. 2005. Vol. 549, № 1-3. P. 199-204. https://www.doi.org/10.1016/j.nima.2005.04.052.

34. Dementev D., Baranov A., Elsha, V. et al., «The Silicon Tracking System as a Part of Hybrid Tracker of BM@N Experiment» // Phys. Part. Nuclei 53, 197 - 202 (2022). https://doi.org/10.1134/S1063779622020265

35. Bracco A. The NuPECC Long Range Plan 2017: Perspectives in Nuclear Physics // Nuclear Physics News. 2017. Vol. 27, № 3. https://www.doi.org/10.1080/10619127.2017.1352311.

36. Afanasiev S. et al. Production of pi+ and K+ mesons in argon-nucleus interactions at 3.2 AGeV. 2023. https://www.doi.org/10.1007/JHEP07(2023)174.

37. Maksymchuk A. et al. Upgrade of the BM@N detector for studies of heavy ion interactions // Int J Mod Phys Conf Ser. 2023. Vol. 51. https://www.doi.org/10.1142/S201019452361013X.

38. LHEP Science and Technology Council. The Report on Project "Studies of Baryonic Matter at the Nuclotron (BM@N)." Dubna, 2023. P. 1-67.

39. Galavanov A. et al. Large area BM@N GEM detectors // J Phys Conf Ser. 2020. Vol. 1498, № 1. P. 012043. https://www.doi.org/10.1088/1742-6596/1498/1/012043.

40. Vasiliev S.E. et al. Characterization of GEM Detectors in the BM@N Experiment // Physics of Particles and Nuclei Letters. 2019. Vol. 16, № 6. P. 859-865. https://www.doi.org/10.1134/S1547477119060542.

41. I. Panasenko. Development of Electrical Quality Assurance Procedures and Methods for the Silicon Tracking System of the CBM Experiment. Tubingen: GSI, 2022.

42. Kemmer J. Fabrication of low noise silicon radiation detectors by the planar process // NIM. 1980. Vol. 169, № 3. P. 499-502. https://doi.org/10.1016/0029-554X(80)90948-9.

43. Meroli S., Passeri D., Servoli L. Energy loss measurement for charged particles in very thin silicon layers // Journal of Instrumentation. 2011. Vol. 6, № 06. P. P06013-P06013. https://www.doi.org/10.1088/1748-0221/6Z06/P06013.

44. Ramo S. Currents Induced by Electron Motion // Proceedings of the IRE. 1939. Vol. 27, № 9. P. 584-585. https://www.doi.org/10.1109/JRPR0C.1939.228757.

45. L. D. Landau. On the Statistical Theory of Nuclei // Collected Papers of L.D. Landau. Elsevier, 1965. P. 226-232. https://www.doi.org/10.1016/B978-0-08-010586-4.50036-5.

46. Мухин К.Н. Экспериментальная ядерная физика. Москва: Энергоатомиздат, 1993.

47. R.L. Workman et al. The Review of Particle Physics. 2023. https://pdg.lbl.gov/.

48. C. Patrignani et al. Review of Particle Physics. CERN / ed. Particle Data Group. 2016. Vol. Chin. Phys. C. 14 p.

49. C.B.Honsberg, S.G.Bowden. Photovoltaics Education. 2019.

50. Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чарыков Н.А. Полупроводниковые приборы. Издательство М: Энергоатомиздат, 1990. 1-567 p.

51. Hartmann F. First Steps With Silicon Sensors: NA11. Berlin Heidelberg: SpringerVerlag , 2009. P. 1-6. https://www.doi.org/10.1007/978-3-540-44774-0_2.

52. Seki S. et al. Charge carrier mobility in organic molecular materials probed by electromagnetic waves // Phys. Chem. Chem. Phys. 2014. Vol. 16, №2 23. P. 1109311113. https://www.doi.org/https://doi.org/10.1039/C4CP00473F.

53. J. M. Heuser, V. Pugatch, H. Schmidt. Description of the STS microstrip sensors for series production. . Darmstadt, 2019.

54. Shockley W. Currents to Conductors Induced by a Moving Point Charge // J Appl Phys. 1938. Vol. 9, № 10. P. 635-636. https://www.doi.org/10.1063/L1710367.

55. Lowe B.G. Measurements of Fano factors in silicon and germanium in the low-energy X-ray region // Nucl Instrum Methods Phys Res A. 1997. Vol. 399, № 2-3. P. 354-364. https://www.doi.org/10.1016/S0168-9002(97)00965-0.

56. Fano U. Ionization Yield of Radiations. II. The Fluctuations of the Number of Ions // Physical Review. 1947. Vol. 72, № 1. P. 26-29. https://www.doi.org/10.1103/PhysRev.72.26.

57. Bergmann B. et al. 3D track reconstruction capability of a silicon hybrid active pixel detector // The European Physical Journal C. 2017. Vol. 77, № 6. P. 421. https://www.doi.org/10.1140/epjc/s10052-017-4993-4.

58. Дементьев Д.В. et al. Исследование характеристик трековых модулей на основе DSSD сенсоров на ускорителе СЦ-1000 для проекта BM@N // В ЖУРНАЛЕ. 2024. https://www.doi.org/10.1134/S1547477124701000.

59. Gerhard Lutz. Semiconductor Radiation Detectors. 2nd ed. Heidelberg: SpringerVerlag, 2007.

60. J. M. Heuser, O. Bertini, J. Eschke. CBM Progress Report. Darmstadt , 2019. https://www.doi.org/doi:10.15120/GSI-2020-00904.

61. I. Sorokin. Characterization of silicon microstrip sensors, front-end electronics, and prototype tracking detectors for the CBM experiment at FAIR. Frankfurt: Johann Wolfgang Goethe-Universitat , 2014. https://repository.gsi.de/record/97618.

62. Krizaj D., Bonvicini W., Amon S. FOXFET structure — device modelling and analysis // Nucl Instrum Methods Phys Res A. 1997. Vol. 384, № 2-3. P. 482-490. https://www.doi.org/10.1016/S0168-9002(96)00859-5.

63. K. Kasinski, W. Zubrzycka, R. Szczygiel. Towards STS-XYTERv2.1, a new STS/MUCH prototype readout chip. // CBM Progress Report 2017. 2018. P. 30. https://repository.gsi. de/record/220128.

64. O. Bertini. Production Readiness Review for the Silicon Sensors of the CBM Silicon Tracking System. Technical Note CBM-TN-18010, Germany, 2013.

65. A. Sheremeteva et al. Progress in STS Sensor Characterization at JINR // CBM Progress Report. 2017. P. 18. https://www.doi.org/10.15120/GSI-2018-00485.

66. A. Sheremetev, R. Arteche Diaz, M. Shitenkow. QA tests of the LDOs developed for the assembly of the BM@N STS modules. Darmstadt, 2022. 44-44 p. https://www.doi.org/10.15120/GSI-2022-00599.

67. V. Borshchov et al. Development of thin multi-line cables for the STS micro-strip detector modules. CBM Progress Report 2007, Germany, 2008. 34-35 p.

68. I. Panasenko et al. Microcable Quality Assurance: Capacitance measurements. Darmstadt, Germany, 2017. 43-43 p.

69. Shitenkov M. et al. Front-End Electronics for BM@N STS // Physics of Particles and Nuclei. 2021. Vol. 52, № 4. P. 826-829. https://www.doi.org/10.1134/S1063779621040559.

70. Kasinski K. et al. Characterization of the STS/MUCH-XYTER2, a 128-channel time and amplitude measurement IC for gas and silicon microstrip sensors // Nucl. Instrum. Methods. Phys. Res. . 2018. Vol. 908. P. 225-235. https://www.doi.org/10.1016Zj.nima.2018.08.076.

71. D. Dementev et al. The Signal-to-Noise Ratio of a Silicon Tracking System of BM@N // Instruments and Experimental Techniques. 2023. Vol. № 1. P. 23-32. https://www.doi.org/10.31857/S0032816223010111.

72. Kasinski K., Zubrzycka W. Test systems of the STS-XYTER2 ASIC: from wafer-level to in-system verification / ed. Romaniuk R.S. 2016. P. 100313N. https://www.doi.org/10.1117/12.2249137.

73. Heuser J. et al. Technical Design Report for the CBM Silicon Tracking System (STS). Darmstadt: GSI, 2013. Vol. GSI Report 2013-4. https://repository.gsi.de/record/54798/.

74. Kasinski K., Kleczek R., Szczygiel R. Front-end readout electronics considerations for Silicon Tracking System and Muon Chamber // Journal of Instrumentation. 2016. Vol. 11, № 02. P. C02024-C02024. https://www.doi.org/10.1088/1748-0221/11/02/C02024.

75. Sheremetiev A. et al. Status of the BM@STS Module Assembly // Physics of Particles and Nuclei. 2022. Vol. 53, № 2. https://www. doi.org/10.1134/S1063779622020745.

76. Salma Y. Abbasi, Arun Malhotra, John D. Marshall. The Technology and Manufacture of the Vax-9000 Multichip Unit // Multichip Module Technologies and Alternatives: The Basics. 1993.

77. Palmieri L. Performance Characterisation of VAX 9000 MCU Flexible Circuit Interconnect // Circuit World. 1992. Vol. 18, № 3. P. 26-29. https://www.doi.org/10.1108/eb046167.

78. Marshall D.E., McElroy J.B. VAX 9000 packaging-the multi chip unit // Digest of Papers Compcon Spring '90. Thirty-Fifth IEEE Computer Society International Conference on Intellectual Leverage. IEEE Comput. Soc. P. 54-57. https://www.doi.org/10.1109/CMPC0N.1990.63653.

79. Department of Defense US. MIL-STD-883 Test method standard for microcircuits. 1996.

80. Delvotec the Ball-Wedge Bonder G5 62000. 2017. https: //www. doi. org/https: //www. fkdelvotec. com.

81. A. Sheremetev et al. The Quality Assurance Test System for Assembly of STS Modules for the BM@N Experiment // Physics of elementary particles and atomic nuclei. 2023. Vol. 20, № 4. P. 613-618. https://www.doi.org/10.1134/S1547477123040593.

82. Zabolotny W.M., Kasprowicz G. Data processing boards design for CBM experiment / ed. Romaniuk R.S. 2014. P. 929023. https://www.doi.org/10.1117/12.2073377.

83. Dogan M. et al. Quality assurance test of the STS-XYTERv2 ASIC for the silicon tracking system of the CBM experiment // NIM. 2020. Vol. 976. P. 164278. https://www. doi. org/ 10.1016/j. nima.2020.164278.

84. Andrews L.C. Special Functions of Mathematics for Engineers. 1000 20th Street, Bellingham, WA 98227-0010 USA: SPIE, 1997. 110 p. https://www.doi.org/10.1117/3.270709.

85. Kasinski K., Zabolotny W., Szczygiel R. Interface and protocol development for STS read-out ASIC in the CBM experiment at FAIR / ed. Romaniuk R.S. 2014. P. 929028. https://www.doi.org/10.1117/12.2074883.

86. Dementev D. et al. Fast Data-Driven Readout System for the Wide Aperture Silicon Tracking System of the BM@N Experiment // Physics of Particles and Nuclei. 2021. Vol. 52, № 4. P. 830-834. https://www. doi.org/10.1134/S1063779621040213.

87. Brun R., Rademakers F. ROOT — An object oriented data analysis framework // Nucl Instrum Methods Phys Res A. 1997. Vol. 389, № 1-2. P. 81-86. https://www.doi. org/10.1016/S0168-9002(97)00048-X.

88. Larrea C.G. et al. IPbus: a flexible Ethernet-based control system for xTCA hardware // Journal of Instrumentation. 2015. Vol. 10, № 02. P. C02019-C02019. https://www.doi.org/10.1088/1748-0221/10/02/C02019.

89. Langenecker B. Effects of Ultrasound on Deformation Characteristics of Metals // IEEE Trans Sonics Ultrason. 1966. Vol. 13, № 1. P. 1-8. https://www.doi.org/10.1109/T-SU.1966.29367.

90. Tacq J. The Normal Distribution and its Applications // International Encyclopedia of Education. Elsevier, 2010. P. 467-473. https://www.doi.org/10.1016/B978-0-08-044894-7.01563-3.

91. CERN. Testing of Wire Bonds, [Electronic resource]. https://bondlab-qa.web.cern. ch/Pull_te st. html.

92. W. Murray Bullis. Semiconductor Measurement Technology: The Destructive Bond Pull Test. Washington: U.S. Government printing office Publication 400-29, 1976. Vol. 3.

93. Шереметьев А. Д et al. Технологический процесс изготовления и тестирования трековых модулей на основе кремниевых двусторонних микрополосковых детекторов // Particles and Nuclei, Letters. 2024. Vol. T 21, № #3 254). P. 569591. https://www.doi.org/10.1134/S1547477124700456.

94. Lindgren M., Belov I., Leisner P. Experimental Evaluation of Glob-top Materials for use in Harsh Environments // Journal of Microelectronics and Electronic Packaging. 2005. Vol. 2, № 4. P. 253-268. https://www.doi.org/10.4071/1551-4897-2.4.253.

95. D. Dementev et al. Front-end Board for the BM@N STS project // CBM Progress Report. 2019. P. 30. https://www.doi.org/10.15120/GSI-2020-00904.

96. Ceballos C. et al. Construction Management Information System at JINR // Physics of Particles and Nuclei Letters. 2023. Vol. 20, № 5. P. 981-987. https://www.doi.org/10.1134/S1547477123050187.

97. Adde G. et al. Latest evolution of EOS filesystem // J Phys Conf Ser. 2015. Vol. 608. P. 012009. https://www.doi.org/10.1088/1742-6596/608/1/012009.

98. C. Ceballos et al. Construction management information system at JINR // Physics of elementary particles and atomic nuclei. 2024. Vol. 20, № 5. P. preprint. https://www.doi. org/10.1134/S 1547477123050187.

99. HexagonMI. Romer Absolute ARM7715 . 2016.

100. HexagonMI. Spatial Analyzer portable metrology software. 2024.

101. Andover Corporation. Fuller Epolite FH-5313 specifications. 2024.