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探寻物质微观结构和质量起源,一直是物理学研究的最前沿领域。自20世纪60年代以来,人类建造了一系列大科学装置来研究高能碰撞中粒子的性质和相互作用。这些大装置包括交变梯度同步加速器 (Alternating Gradient Synchrotron, AGS)、超质子同步加速度器 (Super Proton Synchrotron, SPS)、相对论重离子对撞机(Relativistic Heavy Ion Collider, RHIC)以及欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(Large Hadron Collider,LHC)等[1]。
LHC[2]是目前世界上加速半径最大、碰撞能量最高的环形粒子加速器,其加速环上一共有4个大型高能物理实验(ALICE[3],ATLAS[4],CMS[5]和LHCb[6])。其中大型重离子对撞实验(ALICE)被建造用来研究强相互作用过程中产生的一种特殊物质形态——夸克胶子等离子体(Quark Gluon Plasma,QGP)的性质。夸克胶子等离子体被认为产生于宇宙早期的演化中,因此,对夸克胶子等离子体的细致研究同时有助于我们了解宇宙的起源[7]。
自2009年正式运行,ALICE探测器利用其时间投影室探测器和飞行时间探测器等可测量全方位角的横动量范围从100 MeV/c到5 GeV/c的末态粒子,具有极好的粒子鉴别能力。然而由于探测器本身的空间分辨率和物质量的局限,目前ALICE合作组对于一些低横动量的物理量测量精度还有待提高。LHC将于第二次停运期间(Long Shutdown,LS2)(2019—2021)之后大幅提升束流亮度,铅核-铅核碰撞的事件率将达到50 kHz。因此,为了更进一步研究重味夸克、夸克偶素、低质量双轻子以及喷注的物理性质,ALICE实验组计划在LHC/LS2期间对其探测器、读出电子学和数据获取与分析软件等进行升级[8]。
本次升级将提高ALICE探测器在低横动量区间的顶点以及径迹重建效率,与此同时提升积分亮度和探测器的读出能力以获得更多的数据。此次升级的具体内容包括:建造基于单片有源像素传感( Monolithic Active Pixel Sensor,MAPS )技术的全新硅像素内径迹探测器(Inner Tracking System, ITS2);时间投影室(Time-Projection Chamber, TPC)的多丝正比室(Multi-Wire Proportional Chamber, MWPC)升级为气体电子倍增探测器(Gas Electron Multiplier, GEM);将穿越辐射探测器(Transition-Radiation Detector , TRD)、飞行时间探测器(Time-Of-Flight, TOF)、电磁量能器(Electro-Magnetic Calorimeter, EMCal)和光子谱仪(PHOton Spectrometer, PHOS)的读出电子学进行升级;开发新的在线和离线数据获取分析系统(Online & Offline,简称O2)[8]。图1为目前的ALICE探测器,ITS作为最靠近碰撞顶点的探测器,它使ALICE实验具备在高粒子多重数的铅核-铅核碰撞事件中重建初级顶点和次级顶点的能力,同时它还可以结合TPC对低横动量的粒子进行鉴别。
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图2为目前的ALICE ITS探测器,它由六层圆桶形的硅探测器组成,相对于碰撞中心点的半径为4 cm到 43 cm,对应的赝快度区间为|η|<0.9。如图2所示,目前的 ITS 由三种不同拓扑结构和不同技术的硅探测器构成。ITS最里面两层是硅像素探测器(Silicon Pixel Detector, SPD),每层SPD的物质量为 1.14% X0(X0为辐射长度)。 目前的硅像素探测器的像素的尺寸为 50 μm × 425 μm,因此在r/φ和Z的方向上的空间位置分辨率可以达到12和100 μm,还可以参加堆积事件判定移除。所谓“堆积事件”是指,由于高亮度束流环境再加上探测器的读出时间远比束团穿过(Bunch-crossings)的时间间隔长,从而导致多个事件的顶点被记录在一个事件里。比如,时间投影室探测器的读出时间若远长于束团穿过的时间,这就会导致来自于堆积事件的径迹被混合到一个事例里。当带电粒子穿过芯片像素单元时,对应每个像素的读出电子学将会产生一个触发信号,这样我们就可以得到粒子的击中点信息。中间两层为硅漂移探测器(Silicon Drift Detector, SDD),物质量分别为1.13% X0和1.26% X0。最外面的两层为硅微条探测器(Silicon Strip Detector, SSD),物质量为0.83% X0。在LHC Run 1和Run 2中铅核-铅核碰碰撞的事件率最高可达到8 kHz,目前的ITS探测器的最大读出速率仅为1 kHz(结合SDD探测器读出),因此当前的ITS的读出能力无法适应ALICE在LHC LS2后的重离子对撞的实验和物理需求[8]。
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ITS升级旨在提高重味强子的初级顶点和次级顶点的重建精度,同时大幅度提升其读出速度。如图3所示,新的ITS2由7层硅像素探测器构成,外面4层称为外桶(Outer Barrel), 里面3层称为内桶(Inner Barrel)。内外桶均采用目前最先进的基于MAPS技术的硅像素芯片(ALPIDE),整个探测器集成了约125亿像素,有效探测总面积约10 m2,读出速度快于10 μs,同时其抗辐照性还满足LHC束流亮度升级的强辐射环境要求(最里层探测器需要承受超过646 krad的电离总剂量辐射(TID)计量以及9.2×1012 MeV neq/cm2非电离能损(NIEL)辐射)[8]。ALPIDE芯片的像素尺寸为27 μm × 29 μm,空间位置分辨率可达5 μm。ALPIDE芯片厚度为50 μm,结合低物质量的支撑结构,使得ITS2的物质量大幅减少,每层内桶和外桶的物质量分别为0.3% X0和0.8% X0。最后,由于其优秀的空间分辨率以及良好的抗辐照能力,ITS2更加靠近事件碰撞点,由当前ITS的 39 mm 缩减到 22 mm。目前的ITS探测器由基于三种不同半导体探测器技术的探测器构成,并且它们的几何机构也不相同,而ITS2采用统一的基于MAPS技术的芯片模块。同时,在机械支撑结构设计方面,ITS2也考虑了内桶和外桶从ALICE探测器里移除或安装进去的操作。因此ITS2具备便捷的年检维修。
ITS2探测器大大提升了事件读出率,在铅-铅碰撞中可以达到100 kHz, 质子-质子碰撞中可以达到400 kHz。图4是基于模拟的ITS2的性能参数与基于实验数据的目前ITS的性能参数对比图。如图4(a)所示,对于横动量为500 MeV/c 的带电π介子,ITS2的位置分辨率可达40 μm,其位置分辨率相对于目前的ITS在r/φ方向和Z方向上分别提高了3倍和6倍[8]。如图4(b)所示,对于横动量为100 MeV/c 和300 MeV/c的带电π介子,ITS2的探测效率均可达60%和90%以上,尤其在低横动量区间相对于目前的ITS得到了显著提升。
ITS2由7层硅像素探测器组成,每层都是由不同数量的狭板(Stave)组合构成圆桶形探测器层。整个ITS2一共由192个Stave构成。内桶探测器由48个Stave构成,每个Stave由一个混合集成电路(Hybrid Integrated Circuit,简称HIC)模块、冷却板(Cold Plate)、冷却管(Cooling Ducts)和碳纤维支撑构件(Space Frame)组成,如图5(a)所示。外桶探测器一共需要144个Stave,每个Stave由4个或7个HIC模块沿束流方向排列集成、电源总线(Power Bus)、模块碳平板(Module Carbon Plate)、冷却板(Cold Plate)和碳纤维支撑构件(Space Frame)构成,如图5(b)所示。外桶探测器共需要1 692个HIC模块[7]。单个HIC模块是指将9个(内三层)或2 × 7个(外四层)ALPIDE芯片高精度地摆放固结在柔性印制电路板(Flexible Printed Circuit, FPC)上,并通过高精密焊线实现芯片与FPC之间的电学连接。
单个内桶HIC模块由9个ALPIDE芯片沿束流方向排列校准,采用的芯片厚度为50 μm,该部分模块在CERN进行组装和测试。单个外桶HIC模块由14个ALPIDE芯片构成,采用2 × 7阵列形式沿束流方向排列校准,芯片厚度为100 μm,如图6所示。由于外桶探测器一共需要1 692个探测器模块,考虑到成品率和备份,整个ITS2一共需要生产2 500个模块。因此,全球一共有5个科研机构参与外桶HIC模块组装与测试,包括意大利INFN巴里研究所、英国利物浦大学、韩国釜山国立大学、法国斯特拉斯堡IPHC中心及中国华中师范大学。
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ITS2采用的硅像素芯片名称为ALPIDE(ALice PIxel DEtector,简称ALPIDE)。ALPIDE芯片是由CERN联合包括华中师范大学在内的多个科研机构共同研发的一款基于Tower Jazz 180 nm工艺的单片有源像素传感器(MAPS)技术的硅像素芯片。如图7(a)所示,ALPIDE芯片采用180 nm的CMOS四阱成像工艺,高电阻p型外延层的厚度可达到25 μm,带电粒子穿过芯片时电离出大量的电子-空穴对,在反偏压电场作用下电子被N型二极管快速收集起来,然后通过内置的完整CMOS电路读出信号。ALPIDE芯片尺寸为15 mm × 30 mm,其芯片表面分布了58个提供数字电压、模拟电压、偏压及信号传输功能的焊盘。像素阵列为 512 × 1024,像素尺寸为27 μm × 29 μm,每个像素单元都集成了一个放大器、甄别器以及多事件缓冲器,集成时间为4μs,如图7(b)所示。ALPIDE芯片一共有两种读出模式,在探测器正式运行取数时将采用连续读出模式,而在性能测试和试运行中采用外部触发模式,芯片的平均功耗密度小于20 mW/cm2[9]。
高能重离子碰撞实验会产生大量的高能粒子,因此位于碰撞中心区的ITS2工作于强辐射环境中,所以芯片的抗辐照能力决定了整个探测器的工作效率和寿命。ALICE实验组在CERN PS上对ALPIDE芯片进行了能量为6 GeV/c π介子束流测试,测试过程为分别使用不加辐射、不同剂量的电离总剂量辐射(TID)以及非电离能损(NIEL)辐射的芯片来进行阈值扫描。如图8(a),我们发现在0~200 e-的阈值区间内,不同辐射情况下的芯片探测效率和假击中率并没有发生明显的变化,测试表明芯片具有很强的抗辐照能力。如图8(b),在阈值为200 e-左右时,不同辐照情况下芯片在很宽的阈值范围里其位置分辨率均优于5 μm,平均簇团尺寸约为2个,测试结果和芯片参数预计性能一致[10]。
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ITS2的HIC模块主要由ALPIDE芯片和FPC两部分构成,集成与测试的主要步骤如下:
(1)芯片的高精度摆放: ALICIA是由ALICE国际合作组和荷兰IBS公司联合研制的一台集像素芯片尺寸、破损度与洁净度检测和像素芯片高精度摆放等功能的自动化平台。利用ALICIA设备对芯片进行边缘与洁净度检测,将检测合格的芯片按照HIC模块要求的阵列方式进行摆放,如图9(a)所示。对芯片摆放位置进行精准定位,要求摆放精度优于5 μm。
(2)在FPC背面刷胶:ALPIDE芯片和FPC之间通过非导电胶进行固结。采用胶带丝网(Glue stencil)的方式刷胶来保证芯片和FPC之间的位置校准,从而不污染芯片焊盘。
(3)芯片和FPC固结:非导电胶初步固化时间为5小时左右,室温下完全固化需24小时。
(4)模块绑线:完全固化结束后,利用已编程的自动化焊线机实现25 μm铝线进行绑线。ALPIDE每个焊盘需绑3条线连接到FPC对应焊盘,单个外桶HIC模块需要焊接2 286条线,如图9(b)所示。
(5)电学测试:焊线结束后进行单板的电学测试,包括阻抗测试、性能测试和耐久测试。其中阻抗测试是通过给探测器模块进行不同的电压测试来检查模块是否短路,测试电压包括数字电压(DVDD)、模拟电压(AVDD)和偏压(BACK-BIAS)。性能测试主要检查模块的具体表现情况,主要包含上电测试、FIFO扫描、数字扫描和阈值扫描。最后,耐久测试内容和性能测试类似,其特点是对模块进行长达7天的不间断性能测试,其目的主要是检测模块的性能稳定性。
测试合格的HIC模块将用于Stave模块组装,在此过程中需要执行的质量监控(Quality Assurance, 简称QA),包括:芯片的摆放精度统计,FPC氧化情况监测,芯片和FPC的固结力测试,焊线拉力测试,芯片阈值和噪声扫描等电学性能测试。图10为华中师范大学生产的部分HIC模块的芯片摆放精度和焊线拉力测试结果。
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目前整个ITS2项目所需ALPIDE芯片已于2019年生产完毕,芯片批量测试点韩国和CERN,一共生产测试了70 000余片芯片,成品率为64%。对于内桶ITS2探测器,CERN一共组装了95个Stave模块用于组装和备用,成品率约为73%。而对于外桶探测器,计划生产测试的2 500个HIC模块也于2019年6月份完成量产,其最终成品率为85%,达到预期成品率。15%的不成功率主要包括以下几个原因:(1) 芯片和FPC用非导电胶固结时产生的焊盘污染;(2) 短路;(3) FPC焊盘氧化造成的部分焊点无法焊接;(4) 部分芯片工作的模块(HIC模块质量按照电学性能由好到坏依次标记为GOLD、SILVER、BRONZE、NOBB、PARTIAL等,只有BRONZE等级以上的HIC满足安装要求);(5) 物理损伤(组装过程中造成的部分芯片的物理损伤)。
ITS2的试运行已于2019年5月份在CERN启动,于2019年9月份完成内桶面和外桶面的组装和安装,如图11所示。整个探测器相应的制冷装置(通过液体制冷维持工作温度不超过30 °C)、供电系统、读出电路和计算机系统也相继完成安装,保障了在CERN洁净室开展全面的ITS2调试工作。同时,探测器校准、刻度和宇宙线测试等工作也按计划顺利进行。
作为ITS2试运行的首批结果,假击中率(Fake-hit Rate)和阈值的测量结果如图12所示[11]。图12(a)显示,IB半桶最内层(Layer 0)半桶面的54个ALPIDE芯片(约2800万像素)的假击中率低至10–10每事件每像素,该指标远优于ITS2设计指标要求的10–6假击中数/事件/像素。图12(b)呈现的是IB半桶(Layer 0,Layer 1和Layer 3的三个半桶面)的216个ALPIDE芯片的阈值分布图(每10个DAC counts对应100个e–),结果显示ITS2 IB半桶电学性能的整体一致性。此外,宇宙线径迹在ITS2探测器中被观测到并重建。
ITS2计划于2021年1月份完成在洁净室的试运行工作,计划于2021年3月份和5月份分别完成OB和IB在ALICE探测器里的安装和测试任务,并计划于2021年5月底启动为期6周的单独试运行测试,接下来将开展ALICE探测器的整体试运行调试工作。
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为了对强相互作用物质QGP的性质开展更精确的研究,并满足LHC在Run 3和Run 4中的束流亮度的升级,ALICE实验在LHC的第二次长停机期间对其探测器系统进行了重要升级,其中最关键的一个升级是建造全新的ITS探测器。新的ITS(称为ITS2)采用基于MAPS技术的硅像素芯片ALPIDE,该芯片具有低功耗、高空间分辨率和高速读出等特点,共七层,有效探测面积达10 m2,共约120亿像素。ITS2将大幅提高末态粒子的径迹重建效率和读出速度,并显著改善低横动量粒子的顶点重建性能,这些将有利于对低质量双轻子物理和重味物理的精确测量。华中师范大学作为此次升级的主要参与单位之一参与了ALPIDE硅像素的设计和测试,并承担了对新ITS外桶探测器HIC模块的组装、测试以及探测器的试运行等工作。华中师范大学承担的外桶HIC模块组装和测试任务已经于2019年6月圆满完成。ITS2已于2019年10月份在CERN的超净室完成集成与安装,并按计划完成了探测器的试运行、刻度和校准等工作,试运行测试结果证实ITS2探测器达到了预期性能。ITS2于2021年1月份完成在洁净室的试运行工作,并计划于2021年5月份完成在ALICE探测器中的安装与测试。
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摘要: 大型重离子对撞实验(A Large heavy-Ion Collision Experiment,ALICE)按计划在大型强子对撞机(Large Hadron Collider,LHC)的第二次停机(2019—2021)期间进行探测器升级工作。为了对强相互作用物质——夸克胶子等离子体(Quark-Gluon Plasma,QGP)的性质进行更细致的研究,作为升级计划中重要的一个内容是把ALICE实验现有的内径迹系统探测器(Inner Tracking System,ITS)全面升级为基于单片有源像素传感器(Monolithic Active Pixel Sensor,MAPS)技术的硅像素探测器(习惯称之为ITS2),并在Run 3和Run 4期间采集更多的铅核-铅核碰撞数据。新的ITS2共由7层(内3层,中间2层和外2层)探测桶面组成,共由24 000余片尺寸为3 cm × 1.5 cm的MAPS硅像素芯片(该芯片称之为ALPIDE)构成,有效探测面积达10 m2,共约120亿像素。ALPIDE芯片厚度为50 μm,单个像素的尺寸是27 μm × 29 μm,该芯片具有低功耗、高空间分辨率和高速读出等特点。ITS2将使ALICE探测器在测量极低横动量粒子时具备优异的探测效率和碰撞参数分辨率,同时也使ALICE探测器适应于LHC高束流亮度环境。目前ITS2的探测器模块量产和测试已于2019年完成,并在欧洲核子中心(CERN)洁净室完成了7层桶面的组装与安装,于2020年完成试运行测试。2021年1月启动ITS2在ALICE探测器中的安装与试运行工作,计划于2021年5月底完成ITS2的安装与测试。本工作将对ALICE/ITS2的探测器结构、ALPIDE芯片和升级进展等方面进行介绍。Abstract: A Large Ion Collider Experiment(ALICE) at the Large Hadron Collider(LHC) at CERN will undergo a major upgrade during the 2nd LHC Long Shutdown(LS2) scheduled in 2019~2021 that will allow to study in detail of strong interaction matter Quark-Gluon Plasma(QGP) properties. To collecting more Pb-Pb events during the Run 3 and Run 4, the replacement of the existing Inner Tracking System(ITS) with a completely new ultra-light high resolution detector based on Monolithic Active Pixel Sensors(MAPS) technique is one of the cornerstones within this upgrade program. The new ITS will consist of seven detection layers: 3 inner layers, 2 middle layers and 2 outer layers. The upgraded ITS will be realized using more than twenty-four thousand pixel chips (called ALPIDE) covering a total active surface of about ten square meters. The thickness of ALPIDE is 50 μm, also with a pixel pitch of 27 μm × 29 μm. The main features of the ALPIDE are of low power consumption, high resolution and high speed readout. ITS2 will enable the ALICE detector to have excellent detection efficiency and impact parameter resolution when measuring extremely low transverse momentum particles, and also make the ALICE detector suitable for LHC high luminosity environment. At present, the production and test of the detector module of ITS2 project have been completed, and the integration of 7-layer barrel been completed at CERN clean room, and the on-surface commissioning has been completed in the end of 2020. The installation plan of ITS2 at the ALICE detector has been started in Jan. 2021, and is scheduled to be finished in end of May 2021. This talk will focus on the design and the physics performance of the new ITS, as well as the advanced techniques adopted in detector assembly and integration will be introduced. The status and commissioning of the ITS upgrade project will be reported.
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