Система считывания для сцинтилляционных детекторов на основе крупноформатного ПЗС с электронной бомбардировкой тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Кресло, Игорь Евгеньевич

• Кресло, Игорь Евгеньевич
• кандидат физико-математических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Кресло, Игорь Евгеньевич

Оглавление

Введение

Глава 1. Трековые детекторы на сцинтиллирующих волокнах. Общее

описание

1.1 Конструкция трекового детектора на капиллярах с жидким сцинтиллятором

1.2 Фотонные детекторы для считывания изображения с детектора

Глава 2. Крупноформатный ПЗС* с электронной бомбардировкой

2.1 Конструкция крупноформатного ПЗС с электронной бомбардировкой

2.2 Электроника управления ПЗС

2.3 Тракт обработки аналогового сигнала

2.4 Источники шума. Измерение шума. Калибровка выходного

узла ПЗС

Глава 3. Крупноформатный ПЗС с электронной бомбардировкой в режиме

регистрации отдельных фотонов

3.1 Схема экспериментальной установки для изучения однофотонной чувствительности

3.2 Алгоритмы распознавания одноэлектронных кластеров

3.3 Распределение заряда в кластере

3.4 Амплитудный спектр сигнала от отдельных фотоэлектронов

* ПЗС - прибор с зарядовой связью. В данном контексте - матричный кремниевый фотоприемник с переносом заряда.

Глава 4. Электронное усиление в кремниевом кристалле

4.1 Токовый метод измерения усиления

4.2 Измерение усиления на основе анализа однофотонных кластеров

Глава 5. Эксперименты с участием системы считывания на основе

крупноформатного ПЗС с электронной бомбардировкой

5.1 Эксперимент Е289 на ускорителе PS в КЕК, Япония

5.2 Эксперимент по обнаружению нейтринных осцилляций CHORUS на ускорителе SPS в CERN

5.3 Программа RD46 в CERN. Прототип вершинного детектора на капиллярных плоскостях с жидким сцинтиллятором

5.4 Перспективы применения системы для считывания информации со сцинтилляционных калориметров

Заключение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Система считывания для сцинтилляционных детекторов на основе крупноформатного ПЗС с электронной бомбардировкой»

Введение.

Современная физика элементарных частиц имеет тенденцию углубления в область все более высоких энергий и редких взаимодействий. В таких условиях требования к экспериментальной технике становятся весьма жесткими. Они характеризуются в первую очередь способностью детектора переносить высокие загрузки. Эта способность складывается из радиационной стойкости детектора, пространственного и временного разрешения. Кроме того, немаловажными факторами являются малые размеры детектора (общее ограничение на количество вещества вблизи активной зоны) и наконец конструктивная и эксплуатационная стоимости.

Множество проектов детекторов, как действующих, так и предлагаемых для будущих экспериментов, используют сцинтиллирующие волокна разных типов для обнаружения заряженных частиц. В настоящее время разработки ведутся в нескольких направлениях [1].

Вершинные детекторы.

Типичными ограничениями для такого детектора служат радиационная стойкость, высокое пространственное разрешение и быстродействие. Это детекторы, работающие в наиболее тяжелых условиях и требующие максимально высоких параметров при минимальных габаритах. В настоящее время наиболее перспективными вариантами являются полупроводниковые вершинные детекторы и волоконные детекторы на капиллярах с жидким сцинтиллятором (ЖС). Полупроводниковые (микростриповые, пиксельные и т.п.) кремниевые детекторы обладают рядом преимуществ. Они технологичны, просты в эксплуатации, имеют неплохое пространственное разрешение. Однако недостатками их являются невысокая радиационная стойкость, малое число точек трека на радиационной длине детектора (около 300), высокое энергопотребление

и тепловыделение. Волоконные вершинные детекторы на капиллярах с жидким сцинтиллятором лишены этих недостатков. Для капиллярного детектора небольшой длины (около 100 мм) число точек трека на миллиметр достигает 8, или 3200 точек на радиационной длине. Радиационная стойкость превышает 100 Мрад [2].

Трековые детекторы.

В конструкции трековых детекторов, которые обычно работают при интенсивности облучения меньше, чем для вершинных детекторов, широко используют полимерные сцинтиллирующие волокна [3-5]. Они характеризуются высокой технологичностью, приемлемой стоимостью и простотой эксплуатации. Из полимерных волокон можно строить детекторы самой разной геометрии. Собирая волокна в слои и окружая этими слоями зону взаимодействия можно легко перекрыть большой телесный угол.

Калориметры.

Полимерные сцинтиллирующие и спектросмещающие волокна нашли широкое применение в калориметрии. Они используются либо самостоятельно в качестве активной части калориметра, либо для перехвата сцинтилляционного света от сегментов сцинтиллятора и передачи его к считывающей системе.

Таким образом, в современной экспериментальной физике остро стоит проблема построения считывающих систем для детекторов на основе сцинтиллирующих волокон. Эти системы прежде всего должны обладать высоким координатным разрешением и высокой гранулярностью, то есть количеством элементарных каналов считывания. Они должны также иметь высокую чувствительность, в пределе - способность регистрировать отдельные фотоны.

Одному из решений этой проблемы - разработке системы считывания на основе крупноформатного ПЗС с электронной бомбардировкой - и посвящена данная диссертация.

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Кресло, Игорь Евгеньевич

Заключение.

Исследована возможность применения многоканального оптического считывающего устройства высокого разрешения с электронным затвором - ПЗС с электронной бомбардировкой для систем считывания ецинтилляционных детекторов заряженных частиц.

С участием диссертанта разработана и создана электроника управления ПЗС с электронной бомбардировкой. Создана и исследована многоканальная система считывания для волоконных ецинтилляционных детекторов на основе ПЗС формата 1024x1024 ячейки с электронной бомбардировкой и электростатическим затвором.

Методом измерений шума проведена калибровка выходного узла ПЗС, полученные результаты: крутизна а= 1,1 мкВ/электрон с погрешностью в пределах 6%, темновой ток ПЗС при t° = -10 °С не превышает 5750 электронов на ячейку за 106 мс. Шум, в пересчете на выход ПЗС, эквивалентен величине 209 электронов на ячейку.

Исследовано распределение заряда электронного облака в кремнии, как определяющего фактора для пространственного разрешения системы. Диаметр облака меньше размеров ячейки (13,1x13,1 мкм2). Кластер от одиночного фотоэлектрона на изображении, полученном с выхода системы, в среднем состоит из четырех ячеек (93% всего заряда). Кластер вытянут по направлению вдоль выходного регистра ПЗС из-за ненулевой неэффективности переноса заряда в регистре ПЗС и ограничения полосы пропускания тракта обработки аналогового сигнала.

Изучены амплитудные распределения кластеров различного размера, порожденных отдельными фотонами. Получено хорошее отделение сигнала одиночных фотоэлектронов от шума. Отношение сигнал/шум для кластеров, состоящих из одной ячейки, достигает 18.

Изучена зависимость внутреннего усиления EBCCD от ускоряющего напряжения. Порог чувствительности составляет 3 кВ. Начиная с ускоряющего напряжения U = 5 кВ зависимость линейная, и вблизи U = 15 кВ усиление достигает 4000 электронов на фотоэлектрон, то есть приближается к своему теоретическому пределу - U/3,6. Исследованы особенности «мертвого» слоя подложки ПЗС. Влияние «мертвого» слоя не является аддитивным, то есть пороговый потенциал не вычитается из энергии влетающих в кремний фотоэлектронов. Влияние мертвого слоя уменьшается при увеличении ускоряющего напряжения, благодаря увеличению средней глубины рождения облака носителей в кремнии.

Таким образом, ПЗС с электронной бомбардировкой показал отличные параметры в режиме регистрации отдельных фотонов.

При непосредственном участии диссертанта создана считывающая система на основе ПЗС с электронной бомбардировкой для трекового детектора на полимерных сцинтиллирующих волокнах для эксперимента по рассеянию гиперонов на нуклонах Е289 на ускорителе PS в КЕК, Япония.

С участием диссертанта разработан и создан трековый детектор на капиллярах с жидким сцинтиллятором ( Pilot Project ) для эксперимента CHORUS на ускорителе SPS в CERNe.

Проведен ряд методических исследований на космических частицах прототипа трекового детектора на капиллярных плоскостях с жидким сцинтиллятором, разработанного с участием диссертанта в рамках программы RD46 в CERNe.

Продолжаются методические исследования, посвященные использованию разработанной считывающей системы в калориметрии, нейтринных экспериментах, и экспериментах на LHC [34,36], а также прикладных областях за пределами физики элементарных частиц. В частности, в стадии исследований находится проект, посвященный применению системы в маммографии. Другая возможная сфера применения системы - астрономия. [36]. Кроме того, система может найти свое применение в аналитической химии и микробиологии (люминесцентный анализ). Крупноформатный ПЗС с электронной бомбардировкой производится в России в коллаборации нескольких институтов и является перспективным для использования в современной экспериментальной физике и других прикладных областях науки.

Диссертация основана на работах, выполненных автором в Серпуховском научно-экспериментальном отделе Объединенного института ядерных исследований, Институте физики высоких энергий, Европейском центре ядерных исследований CERN, Национальном институте ядерных исследований INFN (Италия) и Национальной лаборатории высоких энергий КЕК (Япония) совместно с В.Г.Васильченко, С.В.Головкиным, А.М.Гориным, Е.Н.Козаренко, А.Е.Кушниренко, А.М.Медведковым, Ю.П.Петуховым, В.Э.Тюковым, которые во многом определили успех проведенных исследований, и которым автор выражает искреннюю благодарность.

Автор благодарен всему коллективу коллаборации RD46, в рамках которой проведена значительная часть работы, за поддержку и бесценный опыт сотрудничества.

Автор выражает признательность своему научному руководителю доктору физико-математических наук, профессору Шувалову P.C. за поддержку в работе и написании диссертации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Кресло, Игорь Евгеньевич, 1998 год

Список литературы

[1] C.Joram. Particle Detectors. CERN Academic Training 97/97.

[2] S.V.Golovkin и др. Radiation damage studies on new liquid scintillators and liquid core scintillating fibers. «NUCL. INSTR. AND МЕТН.» A362 (1995) 283-291.

[3] J.KAhn, и др. Hyperon-Proton Scattering Experiments with a Scintillating Fiber Detector at KEK. Материалы конференции HYP97, BNL, USA, Октябрь1997.

[4] J.KAhn, и др. The YN Interaction from Hyperon Scattering. "Nuclear Physics A", A585(1995)165-168

[5] H.B.Dreis и др. Development of a Scintillating fibre detector for HERA-B. Preprint Phisikalisches Institut der Universität Heidelberg, May 1998.

[6] P.Annis, и др. Tracking with capillaries and liquid scintillator. Nuclear Physics В (Proc. Suppl.) 61B(1998) 390-39

[7] P.Annis и др. Nucl. Phys. В (Proc.Supp.) 53 (1997) 86.

[8] MAdinolfi и др. «NUCL. INSTR. AND МЕТН.» A315(1992)177.

[9] MAdinolfi и др. «NUCL. INSTR. AND МЕТН.» A311(1992)91.

[10] S.Bountempo и др. CERN-PPE/94-142.

[11] S.V.Golovkin и др. Development of tracking detectors based on capillaries with liquid scintillators. «NUCL. INSTR. AND МЕТН.» A305 (1991) 385-390.

[12] S.Buontempo и др. Development of large-volume, high resolution tracking detectors, based on capillaries filled with liquid scintillator. «NUCL. INSTR. AND МЕТН.» A360(l995)7-12

[13] В.Г.Васильченко и др. "Приборы и техника эксперимента" N2,1997, 32-42.

[14] D.S.Koltick. A compact VLPC photon transducer system. Материалы конференции "Imaging Detectors", UCLA, Santa-Monica, CA, Sept.20-22, 1995

[15] D.Adams. VLPC characterization for the DZERO upgrade. HEP-EX-9410011

[16] A.Bross и др. Time resolution and linearity measurements for a scintillating fiber detector instrumented with VLPC's. Elsevier Preprint, January 1997

[17] M.Adams и др. A detailed study of plastic scintillating strips with axial wavelength shifting fiber and VLPC readout. FERMILAB-Pub-95/027-E

[18] E.Chesi и др. Perfomance of Si PAD sensors for a RICH detector. CERN-PPE/96-202.

[19] S.Buontempo, и др. The Megapixel EBCCD: a high-resolution imaging tube sensitive to single photons. «Nuclear Instr. And Methods А», Март 1998.

[20] P.Annis, и др. A single photon multichannel detector: the Megapixel EBCCD. Материалы конференции SCIFI97, South Bend, USA. Октябрь! 997.

[21] I.N.Dalinenko, и др. A new tool for high resolution multichannel readout: Megapixel electron-bombarded CCD image zoom tube. Материалы конференции SPIE95, v.2551 p. 197-205,1995.

[22] К.Секен, М.Томпсет. Приборы с переносом заряда, изд. МИР, Москва 1978.

[23] C.Cianfarani и др. A high resolution detector based on liquid core scintillating fibers with readout via an electron-bombarded charge-coupled devise. «NUCL. INSTR. AND МЕТН.» A339(l 994)449-455

[24] P.Annis и др. Experimental results from a large volume active target made of glass capillaries and liquid scintillator. «NUCL. INSTR. AND МЕТН.» A367(1995)377-383

[25] F.Ferroni и др. Capillary fiber microvertex detectors. «NUCL. INSTR. AND МЕТН.» A368(1995)224-228

[26] K.Hoepfher и др. A new vertex detector made of glass capillaries. Материалы конференции "V International workshop on Vertex detectors", Chia, Calgari, Italy, 16-21.06.1996

[27] A.Berkovski и др. A high-speed gateable image pipeline. «NUCL. INSTR. AND МЕТН.» A380(1996)537-543.

[28] G.Auriemma и др. Feasibility of 1 arcmin resolution gamma-ray air-Cerencov multiple telescope experiment. Astroparticle Phys. 3(1995)215-229

[29] G.R.Carruthers и др. Development of EBCCD cameras for the far ultraviolet.

Adv. in Electr. And Electr.Phys. Vol 74,181.

[30] G.R.Carruthers и др. Detection Efficiencies of far-ultraviolet photon counting

detectors. Adv.in Electr. And Electr.Phys. Vol 64B, 299.

[31] W.Enloe, и др. An Electron-bombarded CCD image intensifier with a GaAs photocathode. SPIE Vol. 1655(1992)41

[32] J.L.Lowrance и др. ICCD development at Princeton. Adv.in Electr. And

Electr.Phys. Vol 52,441-452,1979.

[33] J.C.Richard и др. Recent developments and applications on Electron-bombarded

CCD's in image intensifier tubes. «NUCL. INSTR. AND МЕТН.» A315

(1992) 368-374

[34] J.P. Choisser и др. Detecting Photoelectron Images with Semiconductor Arrays for Multichannel Photon Counting. Opt.Eng., Vol. 16,N3 (1977) 262-266

[35] J.R.Fiebiger и др. Pair production energies in silicon and germanium bombarded with low-energy electrons. J.Appl.Phys. 43, 3202 (1972).

[36] T.Daud и др. Charge-coupled-device response to electron beam energies of less than IkeV up to 20 keV. Optical Eng. 26(8),686-691 (August 1987)

[37] R.Van Dantzing и др. RD46 proposal, CERN/LHCC 95-7, P60/LDRB (1995)

И.Е.Кресло

Система считывания для сцинтилляционных детекторов на основе крупноформатного ПЗС с электронной бомбардировкой.

Оригинал-макет подготовлен с помощью системы Microsoft Word.

ГНЦ РФ Институт физики высоких энергий 142284, Протвино Московской обл.