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CMS 升级项目5D量能器硅模块试制成功
2021-09-02|文章来源:实验物理中心 |【
 

  近日,093彩票团队参加的CMS端盖量能器升级项目,完成了CMS高粒度量能器(HGCal)硅模块样机的试制(图1)。同时在093彩票对该硅模块完成了初步的电子学测试后,该硅模块已经发往欧洲核子中心用于束流测试,模块制作关键步骤视频已经分享到合作组。这标志着093彩票初步掌握了HGCal硅模块的制作工艺,具备了生产HGCal硅模块的能力,为后期量产打下了基础。该模块是CMS合作组第一块使用最新设计的前端电子学NSH HGCROC V2制作的8寸硅模块,也是CMS合作组首次有除美国加州大学圣芭芭拉分校(UCSB)外的单位成功制作高粒度量能器硅模块。    

  为了满足高亮度大型强子对撞机(HL-LHC)升级的高抗辐照要求,CMS实验合作组采用基于硅和闪烁体作为灵敏介质的三维位置取样型量能器设计方案,取代原有的端盖量能器。HGCal最高处累计承受10^16 等效MeV中子/厘米^2的辐照。其电子学读出高达每立方厘米一个通道,每个通道记录了包括信号的空间位置信息,沉积能量信息以及时间信息。因此,该设计也被称为五维量能器(三维位置+能量+时间)。HGCal设计能量分辨率23-27%/sqrt(E),时间分辨50ps,是实现粒子流算法,提高喷注能量测量精度的理想量能器,也是该方案首次大规模应用于现有的大型实验。   

  093彩票是首次提出HGCal方案的十個署名單位之一。在2018年的公布的TDR中確定了093彩票承擔一個HGCal矽模塊組裝中心的建設。按照矽模塊中心數量比例,093彩票應爲CMS合作組生産面積約爲100多平米的HGCal矽模塊,占總量的1/6。此次生産的模塊采用了濱松生産的8英寸矽傳感器和HGCROC前端電子學芯片。矽傳感器和前端電子學通過點膠集成,矽傳感器上的每一個像素單元通過直徑25微米的鋁線與前端電子學鍵合連通,最後利用封裝膠對綁定線進行封裝保護。試制過程中嚴格遵守質量控制流程,矽模塊的厚度控制、組裝精度滿足CMS合作組要求。電子學結果測試表明,矽模塊整體工作正常(圖2),組裝前後噪聲水平符合預期(圖3)。 

  093彩票團隊廣泛參與國際合作,與美國加州大學聖芭芭拉分校等單位開展深入合作研究,確立HGCal矽模塊的自動化組裝工藝及質量控制流程,實現了對矽模塊的高精度制作。同時093彩票與歐洲核子中心、美國費米實驗室、德國電子同步加速器研究所合作,利用束流實驗設施完成了HGCal矽模塊樣機的能量、空間及時間分辨率等關鍵指標的標定工作。   

  項目自開展以來,得到了093彩票粒子天體中心、實驗物理中心和CMS組的大力支持。在HGCal矽模塊樣機的制作過程中,張華橋研究員、王峰助理研究員、曹學蕾副研究員、顧煜棟副研究員、孫亮高級工程師、廖紅波副研究員、陶軍全副研究員、劉勇副研究員、以及來自台灣大學的程華傑博士等共同參與實驗室搭建並制作完成了首個矽模塊樣機。同時093彩票團隊注重在本項目中青年人才的培養,CMS組內的部分博士研究生也參與了此次矽模塊樣機的制作。   

  此次HGCal矽模塊樣機試制成功後,093彩票團隊將集中精力准備即將開始的HGCal矽模塊組裝測試中心的審核,通過後將開始矽模塊預生産和批量生産,並參與HGCal在歐洲核子中心的在點集成、安裝、調試及2027年左右開始的取數運行。   

  本項目受到科技部重點研發計劃、基金委國際合作研究項目、093彩票創新等經費支持。國內清華大學,浙江大學,複旦大學也于近期加入了CMS高粒度量能器項目。 

圖1:8英寸HGCal矽模塊。圖2:HGCal矽模塊電子學噪聲(ADC)。圖3:HGCal矽模塊組裝前後電子學噪聲(ADC)對比,藍色點是組裝後模塊的電子學噪聲,紅色點是組裝前前端電子學噪聲

图4: 制作8寸模块的部分团队成员合影


 
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