Την επόμενη δεκαετία, η μελέτη των συγκρούσεων πυρήνα-πυρήνα, πρωτόνιο-πυρήνα και πρωτόνιο-πρωτόνιο στον LHC θα προσφέρει πλούσιες ευκαιρίες για μια βαθύτερη εξερεύνηση του πλάσματος κουάρκ-γλουόνου (QGP). Μια αναμενόμενη 10πλάσια αύξηση στον αριθμό των συγκρούσεων μολύβδου-μολύβδου (Pb – Pb) αναμένεται να αυξήσει την ακρίβεια των μετρήσεων γνωστών ανιχνευτών του μέσου QGP καθώς και να παρέχει πρόσβαση σε νέες. Εστιάζοντας σε σπάνιους ανιχνευτές σε πολύ χαμηλή εγκάρσια ορμή, όπως σωματίδια βαριάς γεύσης, καταστάσεις κουαρκονίου, πραγματικά και εικονικά φωτόνια, καθώς και τη μελέτη της απόσβεσης με τζετ και εξωτικών βαριών πυρηνικών καταστάσεων, θα απαιτηθούν πολύ μεγάλα δείγματα δεδομένων.
Για να αξιοποιήσει αυτές τις ευκαιρίες, η συνεργασία της ALICE έχει πραγματοποιήσει μια σημαντική αναβάθμιση των ανιχνευτών της για να αυξήσει την ανάγνωση των εκδηλώσεων, τις διαδικτυακές δυνατότητες επεξεργασίας δεδομένων και εγγραφής κατά σχεδόν δύο παραγγελίες μεγέθους (CERN Courier Ιανουάριος / Φεβρουάριος 2019 σελ. 25). Αυτό θα επιτρέψει την καταγραφή συμβάντων ελάχιστης πόλωσης Pb – Pb σε ρυθμούς άνω των 50 kHz, που είναι ο αναμενόμενος ρυθμός αλληλεπίδρασης Pb – Pb στο LHC στο Run 3, καθώς και πρωτόνιο-μόλυβδο (p – Pb) και πρωτόνιο – συγκρούσεις πρωτονίων (pp) σε ρυθμούς περίπου 500 kHz και 1 MHz, αντίστοιχα. Επιπλέον, η αναβάθμιση θα βελτιώσει την ικανότητα του ανιχνευτή ALICE να διακρίνει δευτερεύουσες κορυφές αποσύνθεσης σωματιδίων από την κορυφή αλληλεπίδρασης και να παρακολουθεί πολύ χαμηλά σωματίδια εγκάρσιας ορμής,
Με 10 m 2 ενεργού εμβαδού πυριτίου και σχεδόν 13 δισεκατομμύρια pixel, το ITS2 είναι ο μεγαλύτερος ανιχνευτής pixel που κατασκευάστηκε ποτέ. Είναι επίσης ο πρώτος ανιχνευτής στο LHC που χρησιμοποίησε μονολιθικούς ενεργούς αισθητήρες εικονοστοιχείων (MAPS), αντί των πιο συμβατικών και καθιερωμένων υβριδικών pixel και microstrip πυριτίου.
Αλλαγή κλίμακας
Οι αισθητήρες σωματιδίων και τα σχετικά ηλεκτρονικά όργανα ανάγνωσης που χρησιμοποιούνται για συστήματα ανίχνευσης vertexing και εντοπισμού σε πειράματα σωματιδιακής φυσικής έχουν πολύ απαιτητικές απαιτήσεις όσον αφορά την κοκκοποίηση, το πάχος του υλικού, την ταχύτητα ανάγνωσης και τη σκληρότητα ακτινοβολίας Η ανάπτυξη αισθητήρων βασισμένων σε τεχνολογία ημιαγωγών πυριτίου και ολοκληρωμένων κυκλωμάτων ανάγνωσης με βάση την τεχνολογία CMOS έφερε επανάσταση στην εφαρμογή τέτοιων συστημάτων ανίχνευσης. Η ανάπτυξη μικρογλωσσών πυριτίου, που έχει ήδη χρησιμοποιηθεί με επιτυχία στο collider Large Electron-Positron (LEP) και, αργότερα, η ανάπτυξη ανιχνευτών υβριδικών pixel, επέτρεψε την κατασκευή ανιχνευτών παρακολούθησης και κορυφής που πληρούν τις ακραίες απαιτήσεις – όσον αφορά τους ρυθμούς σωματιδίων και σκληρότητα ακτινοβολίας – καθορίζεται από τον LHC. Σαν άποτέλεσμα,
Ωστόσο, υπάρχουν συμβιβασμοί στην εφαρμογή αυτής της τεχνολογίας. Ίσως το πιο σημαντικό είναι η διασύνδεση μεταξύ του αισθητήρα και των ηλεκτρονικών στοιχείων ανάγνωσης, τα οποία είναι συνήθως ξεχωριστά εξαρτήματα. Για να ξεπεράσουμε αυτούς τους περιορισμούς και να κατασκευάσουμε συστήματα ανίχνευσης με υψηλότερη ευκρίνεια και μικρότερο πάχος υλικού απαιτείται η ανάπτυξη νέας τεχνολογίας. Ο βέλτιστος τρόπος για να επιτευχθεί αυτό είναι η ενσωμάτωση τόσο των αισθητήρων όσο και των ηλεκτρονικών συσκευών ανάγνωσης για τη δημιουργία μιας μόνο συσκευής ανίχνευσης. Αυτή είναι η προσέγγιση που ακολουθείται με αισθητήρες ενεργού pixel CMOS (APS). Τα τελευταία 20 χρόνια, εκτελέστηκε εκτεταμένη Ε & Α σε CMS APS, καθιστώντας αυτήν μια βιώσιμη επιλογή για συστήματα ανίχνευσης κορυφής και ανίχνευσης σωματιδίων και πυρηνικής φυσικής, αν και η απόδοσή τους όσον αφορά τη σκληρότητα της ακτινοβολίας δεν είναι ακόμη στο επίπεδο των υβριδικών pixel ανιχνευτές.
Το ALPIDE, το οποίο είναι αποτέλεσμα μιας εντατικής προσπάθειας Ε & Α, είναι το δομικό στοιχείο του ALICE ITS2
Η πρώτη μεγάλης κλίμακας εφαρμογή της τεχνολογίας CMOS APS σε ένα πείραμα collider ήταν ο ανιχνευτής STAR PXL στο Relativistic Heavy-Ion Collider του Brookhaven το 2014 (CERN Courier Οκτώβριος 2015 σελ. 6). Το ALICE ITS2 έχει επωφεληθεί από σημαντική Ε & Α από τότε, ιδίως όσον αφορά την ανάπτυξη ενός πιο προηγμένου αισθητήρα απεικόνισης CMOS, που ονομάζεται ALPIDE, με ελάχιστο μέγεθος δυνατότητας 180 nm. Αυτό οδήγησε σε σημαντική βελτίωση στον τομέα του MAPS για την ανίχνευση μεμονωμένων σωματιδίων, επιτυγχάνοντας άνευ προηγουμένου απόδοση από άποψη λόγου σήματος / θορύβου, χωρικής ανάλυσης, προϋπολογισμού υλικού και ταχύτητας ανάγνωσης.
Αισθητήρες ALPIDE
Το ALPIDE, το οποίο είναι αποτέλεσμα μιας εντατικής προσπάθειας Ε & Α που έχει πραγματοποιήσει η ALICE τα τελευταία οκτώ χρόνια, είναι το δομικό στοιχείο του ALICE ITS2. Το τσιπ έχει εμβαδόν 15 × 30 mm2 και περιέχει περισσότερα από μισό εκατομμύριο εικονοστοιχεία οργανωμένα σε 1024 στήλες και 512 σειρές. Η πολύ χαμηλή κατανάλωση ισχύος (<40 mW / cm2) και η εξαιρετική χωρική ανάλυση (~ 5 μm) είναι ιδανικά για τον εσωτερικό ιχνηλάτη της ALICE.
Στο ALPIDE, ο ευαίσθητος όγκος είναι ένα στρώμα πάχους 25 μm πυριτίου υψηλής αντίστασης τύπου p (> 1 kΩ cm) που αναπτύσσεται επιταξιακά πάνω από μια τυπική (χαμηλή αντίσταση) γκοφρέτα CMOS (βλέπε σχήμα “ALPIDE ταξίδια”). Το ηλεκτρικό φορτίο που παράγεται από σωματίδια που διασχίζουν τον ευαίσθητο όγκο συλλέγεται από μια σειρά διόδων n – p αντίστροφης μεροληψίας με θετικό δυναμικό (~ 1 V) που εφαρμόζεται στο ηλεκτρόδιο φρεατίου και αρνητικό δυναμικό (έως τουλάχιστον – 6 V) εφαρμόζεται στο υπόστρωμα (πίσω πλευρά). Η πιθανότητα μεταβολής της τάσης αντίστροφης πόλωσης στην περιοχή 1 έως 7 V επιτρέπει τον έλεγχο του μεγέθους του εξαντλημένου όγκου (το κλάσμα του ευαίσθητου όγκου όπου το φορτίο συλλέγεται με μετατόπιση λόγω της παρουσίας ηλεκτρικού πεδίου) και, αντίστοιχα, ο χρόνος είσπραξης των χρεώσεων.13 1 MeV n eq / cm 2 , το οποίο είναι σε μεγάλο βαθμό επαρκές για την κάλυψη των απαιτήσεων της ALICE.
Ένα άλλο σημαντικό χαρακτηριστικό του ALPIDE είναι η χρήση ενός φρεατίου p για την προστασία του πλήρους κυκλώματος CMOS από το επιταξιακό στρώμα. Μόνο το ηλεκτρόδιο συλλογής φρεατίων δεν προστατεύεται. Το βαθύ φρεάτιο p εμποδίζει όλα τα άλλα φρεάτια n – που περιέχουν κύκλωμα – να συλλέγουν φόρτιση σήματος από το επιταξιακό στρώμα και επομένως επιτρέπει τη χρήση πλήρους CMOS και συνεπώς πιο περίπλοκων κυκλωμάτων ανάγνωσης στο pixel. Το ALICE είναι το πρώτο πείραμα όπου αυτό έχει χρησιμοποιηθεί για την εφαρμογή ενός MAPS με ένα pixel front-end (ενισχυτής και διαχωριστής) και μια αραιή ανάγνωση εντός της μήτρας pixel παρόμοια με τους υβριδικούς αισθητήρες. Η χαμηλή χωρητικότητα του μικρού ηλεκτροδίου συλλογής (περίπου 2 × 2 μm 2), σε συνδυασμό με ένα κύκλωμα που εκτελεί αραιή ανάγνωση εντός της μήτρας χωρίς ρολόι ελεύθερης λειτουργίας, διατηρεί την κατανάλωση ισχύος τόσο χαμηλή όσο 40 nW ανά pixel.
Δομή ITS2
Το ITS2 αποτελείται από επτά στρώματα που καλύπτουν μια ακτινική προέκταση από 22 έως 430 mm σε σχέση με την ακτίνα (βλέπε σχήμα «Κυλινδρική δομή»). Τα εσωτερικά τρία στρώματα σχηματίζουν τον εσωτερικό κύλινδρο (ΙΒ), ενώ τα μεσαία δύο και τα πιο ακραία δύο στρώματα σχηματίζουν τον εξωτερικό κύλινδρο (ΟΒ). Η ακτινική θέση κάθε στρώματος βελτιστοποιήθηκε για να επιτευχθεί η καλύτερη συνδυασμένη απόδοση όσον αφορά την ανάλυση κατάδειξης, την ανάλυση ορμής και την αποτελεσματικότητα παρακολούθησης στο αναμενόμενο περιβάλλον υψηλής πυκνότητας τροχιάς μιας σύγκρουσης Pb-Pb. Καλύπτει μια ψευδο-ταχύτητα ταχύτητας | η | <1,22 για το 90% της πιο φωτεινής περιοχής αλληλεπίδρασης δέσμης, που εκτείνεται σε συνολική επιφάνεια 10 m2 και περιέχει περίπου 12,5 Gpixels με δυαδική ένδειξη και λειτουργεί σε θερμοκρασία δωματίου με ψύξη νερού.
Δεδομένου του μικρού μεγέθους του ALPIDE (4,5 cm 2 ), οι αισθητήρες πλακιδώνονται για να σχηματίσουν τη βασική μονάδα ανιχνευτή, η οποία ονομάζεται σανίδα. Αποτελείται από ένα “διαστημικό σκελετό” (μηχανική υποστήριξη ινών άνθρακα), μια “ψυκτική πλάκα” (μια πλάκα άνθρακα που ενσωματώνει δύο σωλήνες ψύξης) και ένα συγκρότημα υβριδικού ολοκληρωμένου κυκλώματος (HIC) στο οποίο τα τσιπ ALPIDE είναι κολλημένα και ηλεκτρικά συνδεδεμένο σε ένα ευέλικτο τυπωμένο κύκλωμα. Ένα IB HIC και ένα OB HIC περιλαμβάνουν μια σειρά από εννέα μάρκες και δύο σειρές επτά μαρκών, αντίστοιχα. Οι HIC είναι κολλημένοι στο μηχανικό στήριγμα: 1 HIC για το IB και 8 ή 14 HIC για τα δύο εσωτερικά και δύο εξώτατα στρώματα του OB, αντίστοιχα (βλ. Σχήμα “Τεχνολογία”).
Τα μηδενικά κατασταλμένα δεδομένα επιτυχίας μεταδίδονται από τα πέλματα σε ένα σύστημα περίπου 200 πλακέτων ανάγνωσης που βρίσκονται 7 μέτρα μακριά από τον ανιχνευτή. Τα δεδομένα μεταδίδονται σειριακά με ρυθμό μετάδοσης bit έως 1,2 Gb / s σε περισσότερα από 3800 δίδυμα αξονικά καλώδια φθάνοντας σε συνολικό εύρος ζώνης περίπου 2 Tb / s. Οι πίνακες ανάγνωσης συγκεντρώνουν δεδομένα και τα εκπέμπουν εκ νέου σε 768 συνδέσμους οπτικών ινών στους επεξεργαστές πρώτου επιπέδου του συνδυασμένου συμπλέγματος ηλεκτρονικών / εκτός σύνδεσης (O2) υπολογιστών. Τα δεδομένα στη συνέχεια αλληλουχίζονται σε καρέ, το καθένα περιέχει τις πληροφορίες επιτυχίας των συγκρούσεων που συμβαίνουν σε συνεχόμενα χρονικά διαστήματα σταθερής διάρκειας, τυπικά 22 μs.
Η διαδικασία και οι διαδικασίες για την οικοδόμηση των HIC και των πεζοδρομίων είναι μάλλον περίπλοκες και απαιτούν χρόνο. Περισσότερα από 10 εργοτάξια που διανεμήθηκαν παγκοσμίως συνεργάστηκαν για την ανάπτυξη της διαδικασίας συναρμολόγησης και την κατασκευή των εξαρτημάτων. Πάνω από 120 IB και 2500 OB HIC κατασκευάστηκαν χρησιμοποιώντας μια προσαρμοσμένη αυτόματη μηχανή συναρμολόγησης μονάδας, εφαρμόζοντας ηλεκτρικές δοκιμές, μετρήσεις διαστάσεων, έλεγχο ακεραιότητας και ευθυγράμμιση για συναρμολόγηση Συγκεντρώθηκαν συνολικά 96 σωροί IB, αρκετοί για τη δημιουργία δύο αντιγράφων των τριών επιπέδων IB, και συνολικά 160 σωροί OB, συμπεριλαμβανομένων 20% ανταλλακτικών.
Ένα μεγάλο καθαρό δωμάτιο χτίστηκε στο CERN για τις δραστηριότητες συναρμολόγησης και θέσης σε λειτουργία του ανιχνευτή. Εδώ εγκαταστάθηκε το ίδιο σύστημα backend που θα χρησιμοποιηθεί στο πείραμα, συμπεριλαμβανομένου του συστήματος τροφοδοσίας, του συστήματος ψύξης, της πλήρους ανάγνωσης και των αλυσίδων ενεργοποίησης. Οι πλάκες τοποθετήθηκαν στις μηχανικές δομές στήριξης για να σχηματίσουν στρώματα και τα στρώματα συναρμολογούνται σε μισά βαρέλια, IB (στρώματα 0, 1 και 2) πάνω και κάτω και OB (στρώματα 3, 4, 5 και 6) πάνω και κάτω. Στη συνέχεια, κάθε γόβος συνδέεται με συστήματα τροφοδοσίας και ανάγνωσης. Η εκστρατεία θέσης σε λειτουργία ξεκίνησε τον Μάιο του 2019 για τον πλήρη χαρακτηρισμό και βαθμονόμηση όλων των συστατικών του ανιχνευτή και οι εγκαταστάσεις τόσο του OB όσο και του IB ολοκληρώθηκαν τον Μάιο του τρέχοντος έτους.
Φυσική μπροστά
Μετά από σχεδόν 10 χρόνια Ε & Α, η αναβάθμιση της πειραματικής συσκευής ALICE – η οποία περιλαμβάνει έναν αναβαθμισμένο θάλαμο προβολής χρόνου, έναν νέο ανιχνευτή εμπρόσθιας κίνησης, έναν νέο ανιχνευτή σκανδάλης γρήγορης αλληλεπίδρασης, έναν ανιχνευτή διάθλασης προς τα εμπρός, νέα ηλεκτρονικά αναγνωστικά και έναν ενσωματωμένο διαδικτυακό – εκτός σύνδεσης υπολογιστικό σύστημα – πλησιάζει στην ολοκλήρωση. Οι περισσότεροι από τους νέους ή αναβαθμισμένους ανιχνευτές, συμπεριλαμβανομένου του ITS2, έχουν ήδη εγκατασταθεί στον πειραματικό χώρο και η παγκόσμια θέση σε λειτουργία ολόκληρης της συσκευής θα ολοκληρωθεί φέτος, πολύ πριν από την έναρξη του Run 3, το οποίο έχει προγραμματιστεί για την άνοιξη του 2022 .
Οι σημαντικές βελτιώσεις στην απόδοση του ανιχνευτή ALICE θα επιτρέψουν την εξερεύνηση νέων φαινομένων
Οι σημαντικές βελτιώσεις στην απόδοση του ανιχνευτή ALICE θα επιτρέψουν λεπτομερή, ποσοτικό χαρακτηρισμό της φάσης υψηλής πυκνότητας και υψηλής θερμοκρασίας της αλληλεπιδρώντας ύλης, μαζί με την εξερεύνηση νέων φαινομένων. Το ITS2 βρίσκεται στον πυρήνα αυτού του προγράμματος. Με βελτιωμένη ανάλυση κατάδειξης και απόδοση παρακολούθησης σε χαμηλή εγκάρσια ορμή, θα επιτρέψει τον προσδιορισμό της συνολικής διατομής παραγωγής του κουάρκ γοητείας. Αυτό είναι θεμελιώδες για την κατανόηση της αλληλεπίδρασης μεταξύ της παραγωγής των κουάρκ γοητείας στην αρχική σκληρή σκέδαση, της απώλειας ενέργειας τους στο QGP και της πιθανής ενδιάμεσης θερμικής παραγωγής. Επιπλέον, το ITS2 θα επιτρέψει επίσης τη μέτρηση μεγαλύτερου αριθμού διαφορετικών γοητευτικών και καλλυντικών αδρονίων, συμπεριλαμβανομένων των βαρυονίων, άνοιγμα της δυνατότητας προσδιορισμού των συντελεστών μεταφοράς βαριάς γεύσης. Μια τρίτη περιοχή όπου το νέο ITS θα έχει σημαντικό αντίκτυπο είναι η μέτρηση των ζευγών ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων που εκπέμπονται ως θερμική ακτινοβολία σε όλα τα στάδια της σύγκρουσης βαρέων ιόντων, τα οποία προσφέρουν μια εικόνα για τις χύδην ιδιότητες και την χωροχρονική εξέλιξη του QGP .
Περισσότερα στο κατάστημα
Το πλήρες δυναμικό του chip ALPIDE που υποστηρίζει το ITS2 δεν έχει ακόμη αξιοποιηθεί πλήρως. Για παράδειγμα, μια παραλλαγή του ALPIDE που εξερευνήθηκε από την ALICE με βάση ένα πρόσθετο εμφύτευμα βαθιάς ν-τύπου χαμηλής δόσης για την πραγματοποίηση μιας επίπεδης διασταύρωσης στο επιταξιακό στρώμα κάτω από τα φρεάτια που περιέχει το κύκλωμα CMOS έχει ως αποτέλεσμα μια πολύ ταχύτερη συλλογή φορτίου και σημαντικά βελτιωμένη σκληρότητα ακτινοβολίας , ανοίγοντας το δρόμο για αισθητήρες που είναι πολύ πιο ανθεκτικοί στην ακτινοβολία.
Περαιτέρω βελτιώσεις στο MAPS για ανιχνευτές φυσικής υψηλής ενέργειας θα μπορούσαν να προκύψουν εκμεταλλευόμενοι την ταχεία πρόοδο στην απεικόνιση για εφαρμογές καταναλωτών. Μία από τις δυνατότητες που προσφέρθηκαν πρόσφατα από τις τεχνολογίες αισθητήρων απεικόνισης CMOS, που ονομάζεται ραφή, θα επιτρέψει μια νέα γενιά MAPS με μια περιοχή έως και το πλήρες μέγεθος της γκοφρέτας. Επιπλέον, η μείωση του πάχους του αισθητήρα σε περίπου 30-40 μm ανοίγει την πόρτα σε καμπύλους αισθητήρες μεγάλης περιοχής, καθιστώντας δυνατή την κατασκευή ενός κυλινδρικού στρώματος αισθητήρων μόνο από πυρίτιο με περαιτέρω σημαντική μείωση του πάχους του υλικού. Η συνεργασία της ALICE προετοιμάζει ήδη έναν νέο ανιχνευτή με βάση αυτές τις ιδέες, ο οποίος αποτελείται από τρία κυλινδρικά στρώματα που βασίζονται σε ραμμένους αισθητήρες κλίμακας γκοφρέτας (βλ. Σχήμα “Μέλλον στο μέλλον”). Αυτός ο νέος ανιχνευτής κορυφών θα εγκατασταθεί κατά τη διάρκεια του Long Shutdown 3 προς τα μέσα της δεκαετίας, αντικαθιστώντας τα τρία εσωτερικά στρώματα του ITS2. Με το πρώτο επίπεδο ανίχνευσης πιο κοντά στο σημείο αλληλεπίδρασης (από 23 έως 18 mm) και μείωση του προϋπολογισμού υλικού κοντά στο σημείο αλληλεπίδρασης κατά έναν παράγοντα έξι, ο νέος ανιχνευτής κορυφής θα βελτιώσει περαιτέρω την ακρίβεια και την απόδοση παρακολούθησης σε χαμηλή εγκάρσια ορμή.
Οι τεχνολογίες που αναπτύχθηκαν από την ALICE για τον ανιχνευτή ITS2 χρησιμοποιούνται τώρα ή εξετάζονται για πολλές άλλες εφαρμογές στη φυσική υψηλής ενέργειας, συμπεριλαμβανομένου του ανιχνευτή κορυφών του πειράματος sPHENIX στο RHIC και του συστήματος εσωτερικής παρακολούθησης για το πείραμα NICA MPD στο JINR. Η τεχνολογία εφαρμόζεται επίσης σε περιοχές εκτός πεδίου, συμπεριλαμβανομένων των ιατρικών και διαστημικών εφαρμογών. Η συνεργασία Bergen pCT και το έργο iMPACT της INFN Padova, για παράδειγμα, αναπτύσσουν νέες συσκευές που βασίζονται σε ALPIDE για κλινική θεραπεία σωματιδίων για την ανασυγκρότηση τρισδιάστατων εικόνων ανθρώπινου σώματος. Ο ανιχνευτής HEPD02 για την κινεζική-ιταλική αποστολή CSES-02, εν τω μεταξύ, περιλαμβάνει έναν ανιχνευτή φορτισμένων σωματιδίων που αποτελείται από τρία στρώματα αισθητήρων ALPIDE που αντιπροσωπεύουν ένα πρωτοποριακό τεστ για διαστημικές αποστολές επόμενης γενιάς.
Ακολουθήστε μας και στο Google news. Διαβάστε την e-enimerosi.com για να ενημερώνεστε για όλα τα νέα, από την Ελλάδα και τον κόσμο, κάνετε εγγραφή στην σελίδα και πατήστε το καμπανάκι για να ενημερώνεστε πρώτοι έγκαιρα και έγκυρα.