От микромира до космоса

image

В 1997–1998 гг. учеными Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ, Дубна, Россия) совместно с коллегами из Белгосуниверситета и Научно-производственного объединения НПО «Интеграл» были успешно разработаны и массово произведены две восьмиканальные заказные аналоговые интегральные микросхемы (ИМС): трансимпедансного усилителя-формирователя Ampl-8.3 и компаратора Disc-8.3. Эти схемы предназначались целевым образом для 50 тысяч каналов мюонной системы эксперимента D0 на коллайдере «Тэватрон» – наиболее мощном ускорителе в мире на то время – в Национальной ускорительной лаборатории им. Ферми (г. Батавия, США). Семейство этих ИМС получило название DOM (Dubna-D0-Minsk).

В итоге их применение оказалось настолько успешным, что они стали использоваться в других больших проектах по физике частиц: COMPASS (CERN, г. Женева, Швейцария), PiBeta (PSI, г. Виллиген, Швейцария), СВД-2 (ИФВЭ, г. Протвино, Московская обл.). Будучи оптимальным образом согласоваными с характеристиками детектора, ИМС выгодно отличались высокой надежностью в долговременной эксплуатации, обусловленной устойчивостью к самовозбуждению и высоковольтному пробою). При их использовании в D0 было обнаружено пять новых адронов, в т.ч. Xb (так называемый «каскад b»), состоящий из трех «нижних» кварков (нижнего d, странного s и красивого b) и имеющий массу, в шесть раз превышающую массу протона. Раньше таких частиц в экспериментах не наблюдалось. А в 2011 г. в эксперименте PiBeta, где используется 1000 каналов усилителя Ampl-8.3, было с рекордной точностью измерено время жизни p+ пиона.

Следует отметить, что это был первый случай внедрения на Западе микросхем отечественной разработки и изготовления для экспериментальной физики, что послужило хорошей рекламой совместных возможностей ОИЯИ и белорусской науки и микроэлектроники, в частности Научно-технического центра «Белмикросистемы» и ОАО «Интеграл» в целом.

В настоящее время ученые ОИЯИ и Национального центра физики частиц и высоких энергий Белгосуниверситета разрабатывают прототип мюонной системы установки для физики высоких энергий PANDA (Институт GSI, г. Дармштадт, Германия) – представителя следующего поколения детекторов, которые будут установлены на выскоэнергетическом накопительном кольце HESR. На будущем ускорительном комплексе для исследований антипротонов и ионов FAIR таких установок будет несколько. Они будут исследовать частицы, образующиеся при взаимодействии пучка охлажденных антипротонов энергией от 1,5 до 15 ГэВ с внутренними мишенями. Основным содержанием эксперимента PANDA является спектроскопия адронов, в частности исследование экзотических состояний в области чармония, очарованных адронов в ядерной среде, спектроскопия двойных гиперядер и струтуры ядер. Многие из этих структур распадаются с образованием мюонов на конечной стадии. В частности, мюоны являются важным свидетелем распада J/Y, полулептонного распада D-мезона и процесса Дрелла-Яна (более корректно его было бы назвать MMT – DY процессом). Таким образом, надежная идентификация мюонов чрезвычайно важна для полного достижения физических целей данного эксперимента. Установка PANDA спроектирована для регистрации частиц и квантов в 4p-геометрии, высокого разрешения треков, надежной идентификации и совершенной калориметрии. Для достижения хорошего разрешения моментов детектор содержит два магнитных спектрометра: мишенный спектрометр на сверхпроводящем соленоиде и передний спектрометр на дипольном магните.

Мюонная система регистрирует координаты мюонов в слоистом железном поглотителе, способна идентифицировать первичные мюоны и отделять их от фона, создаваемого, главным образом, первичными пионами с малым моментом и мюонов распада. Для измерения координат мюонов используются мини-дрейфовые трубки (МДТ) с открытой геометрией, в которых одна координата частицы определяется по сигналам с анодных проволочек, а вторая – регистрацией сигнала, наведенного на внешних, перпендикулярных проволочкам, широких полосковых электродах, обладающих низким волновым сопротивлением (порядка ~10 Ом).

МДТ с открытой геометрией плотно стыкуются с железным ярмом соленоида мишенного спектрометра геометрической эффективностью. Однако в конструкции все же остаются щели, свозь которые будут проходить незарегистрированная часть потока мюонов. Для увеличения эффективности регистрации их предполагается перекрывать сцинтилляторами, фотоприемниками для которых будут служить разработанные в России многопиксельные лавинные фотодиоды MAPD со структурой металл – резистивный слой – полупроводник (МРП).

В современной ядерной физике (в данном случае этот термин должен применяться широко — в физике частиц высоких, промежуточных и низких энергий, физике космических лучей, дозиметрии и т.д.) газоразрядные проволочные и сцинтилляционные детекторы составляют значительную часть экспериментального арсенала. Они используются очень широко – от трековых детекторов до калориметрии. В таких детекторах сигнал несет информацию о координате, времени и выделенной энергии в событии. Это многообразие возможностей и обусловило широкое применение детекторов данного типа и, в свою очередь, жесткие требования к детектирующей электронике. Перечислим основные из них:

- надежность, поскольку современные установки, как правило, имеют большое количество каналов регистрации. Единственным способом удовлетворить требованиям надежности является создание заказных или полузаказных интегральных микросхем;

- высокая чувствительность (для газоразрядных детекторов), что связано с малостью сигнала в типичном детекторе – порядка 0,1–10 мкА (для минимально ионизирующей частицы);

- быстродействие. Данные детекторы часто используются для измерения времени пролета частиц, поэтому полоса частот должна быть от нескольких десятков до 100 МГц для газоразрядных детекторов и в пределе до 300 МГц для сцинтилляционных детекторов с фотоприемниками в виде MAPD;

- линейность отклика. При измерении энерговыделения в детекторе (для целей калориметрии или дозиметрии) выходной сигнал усилителя должен в динамическом диапазоне как минимум 20 дБ быть линейным по отношению к входу;

- наличие как аналогового, так и цифрового (логического) сигнала с детектирующей электроники, которое упрощает построение дальнейшей электроники считывания информации с детектора и позволяет строить многоканальные системы.

Начиная с 2007 г. разработка регистрирующей электроники для проекта Panda проводится при финансовой поддержке фонда БРФФИ. Такую же электронику предполагается использовать в будущем эксперименте NICA-SPD, планируемом в ОИЯИ. Создание ее проводится в русле схемотехнических и топологических решений, принятых при разработке ИМС семейства D0M. Так, созданная по договору Ф07Д-007 (совместный проект Национального научно-учебного центра физики частиц и высоких энергий БГУ и ОИЯИ «Исследование и разработка электроники съема сигналов в мюонных трековых детекторах новых проектов по физике высоких энергий») ИМС одноканального усилителя-дискриминатора AD-1.3 удовлетворяет всем вышеперечисленным требованиям к современной детекторной электронике. Кроме того, малость ее размеров допускает установку внутри отдельных мюонных дрейфовых трубок и в хвостовиках МДТ, что повышает надежность мюонной системы. Основное использование ИМС AD-1.3 в настоящее время предполагает испытания с различными типами газоразрядных проволочных детекторов. После этих испытаний возможно рассмотрение вопроса о применении данных микросхем в составе больших экспериментальных установок.

В настоящее время в ОИЯИ возникла необходимость в разработке 8-канальной ИМС усилителя для работы с новым типом газоразрядного детектора – мини-дрейфовыми трубками с открытой геометрией катода и регистрацией сигналов, наведенных на широких катодных стрипах с волновым сопротивлением примерно 10 Ом. В этой связи по договору Ф11Д-002 ведется новая разработка ИМС оригинального, не имеющая аналогов трансимпедансного усилителя с низкоомным входом (2–10 Ом), требующая внедрения передовой технологии изготовления СВЧ p-n-p транзисторов для производства этих перспективных усилителей, значительно усилит как экспериментальные возможности ОИЯИ, так и технологические возможности НПО «Интеграл».

В 2009–2011 гг. по договору Ф-09Д-005 (совместный проект Национального научно-учебного центра физики частиц и высоких энергий БГУ и ОИЯИ «Исследование возможности применения сцинтилляционных детекторов в мюонной системе эксперимента ПАНДА») разработан комплект ИМС широкополосных усилителей-дискриминаторов AD-1.14, AD-1.15 и AD-1.17 уже для сцинтилляционных детекторов. Он также удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к современной детекторной электронике, и перекрывает диапазон параметров, определяемый существующими (MAPD-1) и находящимися в стадии проектирования многопиксельными лавинными фотодиодами (коэффициент преобразования усилителей K лежит в интервале от 1 до 20 мВ/мкА; полоса частот – от 100 до 250 МГц, среднеквадратический шумовой ток от 80 до 145 нА).

Кроме того, данные ИМС предполагается использовать в аппаратуре космического базирования, где приходится решать задачи, связанные с измерением импульсных световых потоков малой интенсивности. Другая причина применения упомянутого комплекта ИМС – необходимость повышения качества и создания специализированной электронной компонентной базы (ЭКБ) для космических систем. Одной из главных задач, решаемых при их создании, является проектирование и производство интеллектуальных датчиков физических величин, содержащих чувствительный элемент, устройства предварительной аналоговой и окончательной цифровой обработки сигналов. Во многих интеллектуальных датчиках допустимо унифицировать цифровую обработку, но из-за разных характеристик чувствительных элементов для предварительной обработки сигналов необходимы аналоговые устройства, оптимизированные для работы с конкретным чувствительным элементом. Их проектирование затрудняет наличие у ЭКБ, применяемой в условиях космического пространства, следующих особенностей: крайне малой серийности; высоких требований к надежности; стойкости к воздействию ионизирующих излучений космического пространства; расширенного температурного диапазона.

По мнению разработчиков космических систем, ключевой задачей при создании ЭКБ для применения в аппаратуре ракетно-космической техники и систем дистанционного зондирования земли является обеспечение приемлемой стоимости малосерийного производства широкой номенклатуры микросхем, длительного жизненного цикла, надежности, стойкости к дестабилизирующим факторам и отказоустойчивости.

Создание специализированных аналоговых устройств на микросхемах общего применения приводит к недопустимому для космических применений росту массогабаритных параметров. Разработка заказных микросхем экономически целесообразна только при больших объемах выпуска – ориентировочно более 100 тыс. шт. в год. В то же время известны экономически рациональные способы проектирования и производства микросхем малыми партиями, основанные на использовании тех или иных видов программируемых базовых матричных кристаллов и аналоговых ИМС. Коль скоро ИМС AD-1.3, AD-1.14, AD-1.15 и AD-1.17 изготавливаются на специализированном базовом матричном кристалле АБМК-1.3 по биполярно-полевой СВЧ-технологии, они обладают высокой радиационной стойкостью по отношению к нейтронам и гамма-излучению, а их электрические параметры удовлетворяют требованиям, предъявляемым к датчикам, используемым в космических приложениях, сейчас ведутся работы по применению их в аппаратуре космического назначения.

Данная разработка под общим названием «Комплект электронных устройств на базе полузаказных интегральных микросхем для регистрации импульсного видимого излучения малой интенсивности ПОЛОСА-1» была продемонстрирована на XVIII Международной выставке-конгрессе «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» (HI-TECH’2012) в Санкт-Петербурге и завоевала первое место и специальный приз в конкурсе на лучший инновационный проект и лучшую научно-техническую разработку года по номинации «Новые высокотехнологичные разработки оборудования и наукоемкие технологии.

Михаил Батурицкий, заместитель директора по научной работе НЦ ФЧВЭ БГУ, кандидат технических наук, доцент

Рис. 1. Электронное устройство ADB-1.15 на базе полузаказной ИМС AD-1.15. Внешний вид устройств на ИМС AD-1.14 и AD-1.17 такой же

Рис. 2. Спектр отклика многопиксельного лавинного фотодиода MAPD-1 с ИМС AD-1.14 при освещении световыми импульсами малой интенсивности. Первый пик обусловлен фоновыми событиями, второй, третий и далее – регистрацией одного, двух, трех и т.д. фотоэлектронов (снято при температуре 12 °С)

clip_image002

clip_image004

Рис. 1

Рис. 2

Category: Разное