ПЗС-ДЕТЕКТОР

ПЗС-ДЕТЕКТОР

- координатный детекторчастиц, основой к-рого является прибор с зарядовой связью (ПЗС,[1]). Создание детекторов частиц с высоким координатным разрешением - однаиз важнейших задач ядерной физики и физики элементарных частиц (см. Координатныедетекторы). Актуальность этой задачи возросла в связи с открытием семействакороткоживущих частиц (время жизни 10^-12 с), содержащих тяжёлые кварки. Регистрация таких частицпо продуктам их распада требует увеличения точности определения координат. <Одним из наиб. перспективных управляемых координатных детекторов с электроннымсъёмом информации является ПЗС-Д. Матрица ПЗС с рабочей площадью ~1 см ² и числом ячеек ~ 2,5 х 10⁵ (500 х 500) имеет один выходной канали позволяет получить для каждой траектории (трека) частицы 2 координатыв одной плоскости, что существенно для многотрековых процессов с координатнымразрешением ~ 1 - 6 мкм. Впервые ПЗС в качестве координатного детектора предложен в1980 [2].
Матрица ПЗС представляет собой подложкуиз полупроводникового материала, на к-рую наносятся слой диэлектрика исистема электродов (см. МДП-структура). При подаче на электродынапряжения под ними в полупроводнике образуются потенциальные ямы для

неосновных носителей (обеднённые области).Потенциальные ямы под электродами разделены потенциальными барьерами. Совокупностьпотенциальных ям (ячеек) образует матрицу. Вводить заряд в ячейку можнотермо- или фотогенерацией, а также за счёт свободных носителей заряда, <образуемых заряж. частицей. При подаче на электроды последовательноститактовых импульсов напряжения происходит управляемое перемещение зарядов, <накопившихся в потенциальных ямах, вдоль полупроводниковой подложки в выходнойрегистр и далее в выходное устройство [1].
До прихода управляющего (триггерного)сигнала (см. Триггер )напряжения на ячейках матрицы устанавливаютсямалыми. С помощью внеш. источника света все ячейки матрицы заполняютсяносителями (избыток уходит в подложку), чтобы потенциальные ямы полностьюотсутствовали. В этой ситуации при прохождении частицы образовавшиеся носителидиффузионно рассасываются и рекомбинируют (см. Рекомбинация носителейзаряда). По триггерному сигналу через ~100 нс после регистрируемогособытия (время "быстрой электроники") на матрицу подаются рабочие напряжения, <появляются потенциальные ямы, в к-рые происходит сбор носителей вблизитраектории частицы.
Комбинируя неск. матриц, прослоённых веществоммишени, создают т. н. вершинные детекторы [3,4]. По координатам точек прохождениячастиц через ПЗС определяют траектории частиц. Пересечение траекторий позволяетнепосредственно наблюдать точку (вершину) траектории, где произошло первичноевзаимодействие или распад исследуемых частиц (см. Комбинированные системыдетекторов).
Релятивистская частица оставляет в Si(подложке) ок. 110 электронно-дырочных пар на 1 мкм траектории. Сбор носителейзаряда осуществляется с глубины потенциальной ямы ~10 мкм (пучок частицнаправлен перпендикулярно матрице), а также за счёт диффузии с глубины~ 50 мкм. В результате этого с учётом диффузионного размытия на центр. <ячейку приходится ~1,5 х 10³ носителей. Благодаря малой выходнойёмкости ПЗС(~0,1 пФ) этот заряд создаёт на выходе сигнал ~1 мВ.
ПЗС обычно состоит из двух независимыхсекций - накопления и памяти. Пучок частиц падает на секцию накопления. <По приходе триггерного сигнала информация за время ~50 мкс быстро выпоситсяиз области пучка в секцию памяти, откуда поэлементно считывается.
Разрешающее время ПЗС-Д. (точность, ск-рой можно определить момент прохождения частицы через детектор) определяетсядиффузионным размытием заряда по ячейкам. За счёт диффузионного размытиятрека до подачи триггерного сигнала собранный заряд для исследуемой частицыимеет распределение по ячейкам с шириной на половине высоты, равной 3 ячейкам. <Для фоновых частиц это распределение имеет др. ширину. Анализируя быстрымпроцессором на выходе ПЗС ширины распределения, можно определить моментпрохождения частицы с точностью до 400 нс при Т= 300 К и 100 нспри Т =100 К.
Мёртвое время прибора определяетсявременем считывания информации. При тактовой частоте f ~ 10МГц крупноформатнаяматрица считывается за время порядка 10 мс, для проектируемых ПЗС с f=1ГГц (время ~ 0,1 мс).
Шумы прибора включают шум предусилителя(расположенного на кристалле Si), флуктуации фонового заряда, системныйшум (нестабильность источника питания и т. д.). Значит. часть шума можноподавить с помощью двойной коррелпров. выборки. Для частоты считывания~10 МГц суммарный среднеквадратичный шум ~100 носителей при Т =300К (~ 50 носителей при Т =100 К). Отношение сигнал/шум ~10. Эффективностьрегистрации одиночной релятивистской частицы > 98%.
Макс. загрузка детектора определяетсякол-вом фоновых частиц за время его чувствительности (время накопления, <быстрого сброса в секцию памяти и время считывания). При загрузках ~ 10⁶ с ^-1 фоновых частиц с учётом т. н. гало пучка (~1%) срабатывает~200 ячеек (0,2% полезной площади), т. е. эффективность регистрации исследуемыхчастиц практически не изменится.
Диффузионное размытие определяет координатноеразрешение - точность локализации точки траектории. Исследуя "центр тяжести"распределения заряда по ячейкам, можно для ячеек размером 20 х 20 мкм ² получить координатное разрешение = 1 - 6 мкм (в зависимости от ширины распределения). Разрешение между трекамисоставляет 40 - 100 мкм. С увеличением детектирующих матриц координатноеразрешение улучшается в раз, где п - число матриц. Используя 10 матриц, можно измерять т. <н. распадные длины (путь, проходимый короткоживущей частицей до распада)~ 10 мкм и достичь возможности измерять времена жизни частиц ~- 5 х 10^-15 с.
ПЗС применяют для съёма световой информациис искровых и стримерных камер, а также с пропорциональных камер. При этомсвет путём переизлучения вводится в сцинтиллирующие волокна и далее в ПЗС. <Перспективны сцинтилляц. годоскопы и детекторы на волокнах [5]. Свет оттаких детекторов усиливается электронно-оптич. преобразователями и выводитсяна ПЗС. В детекторе на сцинтилляц. волокнах (диам. ~ 25 мкм) получено ~ 20 мкм при межтрековом разрешении ~50 мкм (см. Сцинтилляционный детектор). ПЗС- многоканальная система с аналоговой записью информации; поэтому в детекторах, <где требуется обработка большого числа электрич. сигналов (калориметры),можно эти сигналы преобразовать в световые с последующей записью в ПЗС.
ПЗС применяются также для считывания электрич. <сигналов с детекторов частиц. Чаще всего это линейные ПЗС, к-рыеслужат задержками аналоговых сигналов, а также используются, напр., длясчитывания с полосковых кремниевых детекторов (см. Полупроводниковыйдетектор).

Лит.: 1) Секен К., Томпсет М., Приборыс переносом заряда, пер. с англ., М., 1978; 2) Головкин С. В., РыкалинВ. И., Препринт ИФВЭ 80 - 10, Серпухов, 1980; 3) Головкин С. В., РыкалинВ. И., Препринт ИФВЭ 84 - 82, Серпухов, 1984; 4) Damеге11 С. J. S., Vertexdetectors. Rutherford Appleton Laboratory, Preprint RAL - 86 - 077, July,1986; 5) Kirkby Jasper, Today and tomorrow for scintillating fibre detectors,Preprint CERN - EP 87 - 60, March, 1987.

С. В. Головкин.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.