[科普中国]-顶点探测器

探测器

探测器的电信号输出是目标空间信息的时间描述，探测器电子信号与探测器特性相匹配。探测器分为经典半导体探测器、新型半导体探测器和热探测器。经典半导体型和热探测器型的探测器特性参数及其后的系统特性参数已得到改进。常见的几种探测器如下：

经典半导体探测器（1）光导型探测器。它需要一个恒定的偏置电压，吸收的光子改变体积电阻率，于是改变了电流的大小，这种改变可以在外部电路中监测。由于电流不断流过，探测器发热，因此，非常大的探测器阵列很难降温。

（2）光伏型探测器。它实际上是一个半导体中的P-N结，吸收的光子产生电压变化，这个变化在外部电路中可以探测。该型探测器不发热并且能够安置在非常大的阵列中。由于工作电流最小，它相对容易耦合在低噪声放大器中。1

新型探测器（1）肖特基势垒二极管（SBD）。它是一个可产生电压的光电发射装置，这些探测器适合使用硅制造工艺。因此，它是相对容易生产的单片器件，其中探测器和读出装置可以同时制造。SBD能够安装在非常大（5000×5000）的阵列上。

（2）带隙工程光探测器（量子势阱）。量子阱探测器的光谱响应能够调谐到任意波长，但是它只有非常窄的光谱响应范围。目前它的限制是需要制冷（通常为60K以下）。1

热探测器（1）辐射热计探测器。因为热探测器吸收热量，所以它的电阻值发生改变，它需要一个外部偏压。电流的改变（因为电阻值发生变化）可以在外部电路中被探测。大型辐射热计探测器阵列中产生的热量难以消散。辐射热计通常是光学斩波的，以提高灵敏度和均匀性。

（2）热释电探测器。热释电探测器仅仅能够感知温度的变化。热度的变化改变了电偶极矩，产生了电势差。这些交流设备在△T对象周围产生热晕。这些系统通常具有一个介于透镜系统和探测器之间的斩波器（制造一个不断变化的环境）。斩波器与摄像机的帧速率同步，以使显示的图像同步显示。1

发展阶段第一代第一代顶点探测器是基于带电粒子的常规径迹探测方法，采用了多丝漂移室或时间投影室（TPC），室的典型半径仅仅约10厘米，具有精细的亚单元，以分离可能重迭在一起的相邻径迹，室以极高的精度（越0.002-0.005厘米容差）被准直，并且大多工作在高气压下，以对带电粒子留下的电离痕迹可提供精细的定位。这类探测器的精度极限现在约达0.01厘米；最终还能将改善约2倍或3倍。2

第二代第二代顶点探测器是建立在现代的硅半导体技术基础上的，该技术已成功地小规模应用于为测量短寿命粒子衰变而设计的实验之中，这种衰变十分接近母体事件。在这些实验中，靶被制成微细的条状，在这些灵敏的靶内所发生事件的详细历史都能记录下来。已做初步试验，确立了这种顶点探测器的可行性。

如此小型化装置的制作、精密准直线和电子学读出，都存在着一些困难但可解决的问题，第二代探测器将提供比现在可获得的更好的一个数量级的精度。2

功能顶点探测器处于对撞机实验的中心，环绕在束流管周围，它的功能是通过精准测量对撞反应所产生的次级带电粒子的径迹，来确定对撞点的空间坐标以及粒子在束流管中发生衰变所产生的次级顶点。对撞顶点和这种次级顶点是不可能直接观察的，测量对撞点位置的唯一办法是靠精准地测量对撞次级反应所产生的带电粒子的径迹。

为了能够更精确地探测粒子对撞点的坐标，顶点探测器需要设置在离对撞点尽可能近的位置，紧靠束流管排列，成为多层圆柱面的形式。由于顶点探测器层间的距离很小，磁场对高能带电粒子的偏转可以忽略，径迹可以近似作为直线来处理。3

类型现代的高分辨率的顶点探测器都是由硅半导体二极管阵列探测器构成的，可分为：硅微条顶点探测器、CCD顶点探测器、像素型顶点探测器三种类型。顶点探测器虽然体积不大，但是制造技术难度极大，由于探测器单元需要分割的很小，读出的电子学道数也很高，另外减少顶点探测器的物质含量也是对于探测器的选型、机械制成以及冷却等工程设计的严重挑战。3

硅微条顶点探测器探测高能粒子反应顶点是硅微条探测器在基本粒子物理实验中最早的应用，20世纪80年代设计的硅微条顶点探测器是当时欧洲高能物理中心的正负电子对撞机实验ALEPH上的，它是第一个用于对撞机实验的硅微条顶点探测器，每层探测器由长方形硅片拼接而成，该顶点探测器为圆柱形的三层结构，其内径由束流管的外壁所决定。硅微条芯片的长度为10cm，微条的间距为50μm，由设置在圆柱形探测器两端的专门设计的大规模集成电路读出，每一根硅微条是一个独立的探测器，连接到各自独立的放大器和读出电路上。3

硅微条顶点探测器中微条电极方向平行于束流的飞行方向，如果需要测量粒子的平行束流方向的坐标，则需要设置微条方向不与束流方向平行的额外的探测器层。用不同走向的硅微条探测器层来确定粒子在硅片上的两维径迹有一个关键的缺点，当两个或两个以上的粒子同时打到同一块硅片时，根据粒子在不同方向击中的硅微条来判断击中点归属于哪一个粒子时会产生混淆。3

CCD顶点探测器由于CCD的像素阵列组成的多层顶点探测器能够真正没有混淆的测量粒子的三维径迹。美国斯坦福直线加速器实验室的SLD实验所使用的顶点探测器由96片面积为12平方厘米的特制CCD硅芯片组装而成，每片CCD由3.2百万像素，由一家英国公司于20世纪90年代制造。组装完成的探测器为3层同心的圆柱面，一个带电粒子在每层仅有一个击中点，不会与其他同时集中的粒子混淆，由三点成一线的方法建立每个粒子的径迹。由于CCD制造技术的限制，CCD芯片的面积不可能很大，需要许多片拼接才能成为一个完整的顶点探测器。为了尽可能降低物质量，减少对粒子的散射和粒子与其发生核反应的可能性，CCD芯片使用非常薄的硅片，由两端加张力的方法悬挂。3

使用CCD来做三维空间的顶点探量需要克服许多技术困难。由于CCD必须放置在紧邻真空束流管，距离束流管很近的位置，由高强度的脉冲束流以及加速器部件所产生的噪声干扰是一个必须克服的严重问题。伴随着束流的各种高能粒子也会击中顶点探测器，可对真正由于对撞所产生的希望观测的事例造成严重的干扰。由于CCD采用分行串行读出的方法，它的数据读出所需要的时间较长，因此CCD仅适用于对撞反应率很低的电子正电子对撞机，并不适用于对撞事例率很高的质子对撞机。3

像素顶点探测器硅半导体二极管阵列探测器、简称像素探测器，它是应用于高能质子对撞机实验的另外一种类型的顶点探测器，由硅二极管阵列作为粒子径迹探测器。像素探测器与CCD的关键区别在于读出方式上，CCD采用将每个像素的信号，通过行列之间串行移位至行列终端的放大器。像素探测器采用并行输出的方式，每一个像素都与各自的放大器和信号处理电路相连接，可以用在对撞事例率非常高的情形之下，因而适用于高能质子对撞机实验。

欧洲高能物理中心ATLAS实验的像素探测器的像素顶点探测器的基本单元为16mm×61mm的硅片，其上有面积为50μm×400μm像素单元46080个，由专门设计的具有信号放大和处理功能的大规模集成电路读出，且该顶点探测器分为三层，共有8千万个像素单元。3