ПЗС-детектор. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

ПЗС-детектор - координатный детектор частиц, основой к-рого является прибор с зарядовой связью (ПЗС, [1]). Создание детекторов частиц с высоким координатным разрешением - одна из важнейших задач ядерной физики и физики элементарных частиц (см. Координатные детекторы). Актуальность этой задачи возросла в связи с открытием семейства короткоживущих частиц (время жизни

10^-12 с), содержащих тяжёлые кварки. Регистрация таких частиц по продуктам их распада требует увеличения точности определения координат. Одним из наиб. перспективных управляемых координатных детекторов с электронным съёмом информации является ПЗС-Д. Матрица ПЗС с рабочей площадью ~1 см² и числом ячеек ~ 2,5 х 10⁵ (500 х 500) имеет один выходной канал и позволяет получить для каждой траектории (трека) частицы 2 координаты в одной плоскости, что существенно для многотрековых процессов с координатным разрешением

~ 1 - 6 мкм. Впервые ПЗС в качестве координатного детектора предложен в 1980 [2].
Матрица ПЗС представляет собой подложку из полупроводникового материала, на к-рую наносятся слой диэлектрика и система электродов (см. МДП-структура ).При подаче на электроды напряжения под ними в полупроводнике образуются потенциальные ямы для

неосновных носителей (обеднённые области). Потенциальные ямы под электродами разделены потенциальными барьерами. Совокупность потенциальных ям (ячеек) образует матрицу. Вводить заряд в ячейку можно термо- или фотогенерацией, а также за счёт свободных носителей заряда, образуемых заряж. частицей. При подаче на электроды последовательности тактовых импульсов напряжения происходит управляемое перемещение зарядов, накопившихся в потенциальных ямах, вдоль полупроводниковой подложки в выходной регистр и далее в выходное устройство [1].
До прихода управляющего (триггерного) сигнала (см. Триггер)напряжения на ячейках матрицы устанавливаются малыми. С помощью внеш. источника света все ячейки матрицы заполняются носителями (избыток уходит в подложку), чтобы потенциальные ямы полностью отсутствовали. В этой ситуации при прохождении частицы образовавшиеся носители диффузионно рассасываются и рекомбинируют (см. Рекомбинация носителей заряда). По триггерному сигналу через ~100 нс после регистрируемого события (время "быстрой электроники") на матрицу подаются рабочие напряжения, появляются потенциальные ямы, в к-рые происходит сбор носителей вблизи траектории частицы.
Комбинируя неск. матриц, прослоённых веществом мишени, создают т. н. вершинные детекторы [3,4]. По координатам точек прохождения частиц через ПЗС определяют траектории частиц. Пересечение траекторий позволяет непосредственно наблюдать точку (вершину) траектории, где произошло первичное взаимодействие или распад исследуемых частиц (см. Комбинированные системы детекторов).
Релятивистская частица оставляет в Si (подложке) ок. 110 электронно-дырочных пар на 1 мкм траектории. Сбор носителей заряда осуществляется с глубины потенциальной ямы ~10 мкм (пучок частиц направлен 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 выходной ёмкости ПЗС(~0,1 пФ) этот заряд создаёт на выходе сигнал ~1 мВ.
ПЗС обычно состоит из двух независимых секций - накопления и памяти. Пучок частиц падает на секцию накопления. По приходе триггерного сигнала информация за время ~50 мкс быстро выпосится из области пучка в секцию памяти, откуда поэлементно считывается.
Разрешающее время ПЗС-Д. (точность, с к-рой можно определить момент прохождения частицы через детектор) определяется диффузионным размытием заряда по ячейкам. За счёт диффузионного размытия трека до подачи триггерного сигнала собранный заряд для исследуемой частицы имеет распределение по ячейкам с шириной на половине высоты, равной 3 ячейкам. Для фоновых частиц это распределение имеет др. ширину. Анализируя быстрым процессором на выходе ПЗС ширины распределения, можно определить момент прохождения частицы с точностью до 400 нс при Т = 300 К и 100 нс при Т = 100 К.
Мёртвое время прибора

определяется временем считывания информации. При тактовой частоте f ~ 10МГц крупноформатная матрица считывается за время порядка 10 мс, для проектируемых ПЗС с f=1 ГГц (время

~ 0,1 мс).
Шумы прибора включают шум предусилителя (расположенного на кристалле Si), флуктуации фонового заряда, системный шум (нестабильность источника питания и т. д.). Значит. часть шума можно подавить с помощью двойной коррелпров. выборки. Для частоты считывания ~10 МГц суммарный среднеквадратичный шум ~100 носителей при Т = 300 К (~ 50 носителей при Т = 100 К). Отношение сигнал/шум ~10. Эффективность регистрации одиночной релятивистской частицы > 98%.
Макс. загрузка детектора определяется кол-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 исследуемых частиц практически не изменится.
Диффузионное размытие определяет координатное разрешение - точность локализации точки траектории. Исследуя "центр тяжести" распределения заряда по ячейкам, можно для ячеек размером 20 х 20 мкм²получить координатное разрешение

= 1 - 6 мкм (в зависимости от ширины распределения). Разрешение между треками составляет 40 - 100 мкм. С увеличением детектирующих матриц координатное разрешение 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^-15с.
ПЗС применяют для съёма световой информации с искровых и стримерных камер, а также с пропорциональных камер. При этом свет путём переизлучения вводится в сцинтиллирующие волокна и далее в ПЗС. Перспективны сцинтилляц. годоскопы и детекторы на волокнах [5]. Свет от таких детекторов усиливается электронно-оптич. преобразователями и выводится на 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-рые служат задержками аналоговых сигналов, а также используются, напр., для считывания с полосковых кремниевых детекторов (см. Полупроводниковый детектор).

Литература по ПЗС-детекторам

Знаете ли Вы, в чем фокус эксперимента Майкельсона?

Эксперимент А. Майкельсона, Майкельсона - Морли - действительно является цирковым фокусом, загипнотизировавшим физиков на 120 лет.

Дело в том, что в его постановке и выводах произведена подмена, аналогичная подмене в школьной шуточной задачке на сообразительность, в которой спрашивается:
- Cколько яблок на березе, если на одной ветке их 5, на другой ветке - 10 и так далее
При этом внимание учеников намеренно отвлекается от того основополагающего факта, что на березе яблоки не растут, в принципе.

В эксперименте Майкельсона ставится вопрос о движении эфира относительно покоящегося в лабораторной системе интерферометра. Однако, если мы ищем эфир, как базовую материю, из которой состоит всё вещество интерферометра, лаборатории, да и Земли в целом, то, естественно, эфир тоже будет неподвижен, так как земное вещество есть всего навсего определенным образом структурированный эфир, и никак не может двигаться относительно самого себя.

Удивительно, что этот цирковой трюк овладел на 120 лет умами физиков на полном серьезе, хотя его прототипы есть в сказках-небылицах всех народов всех времен, включая барона Мюнхаузена, вытащившего себя за волосы из болота, и призванных показать детям возможные жульничества и тем защитить их во взрослой жизни. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.