大科学装置中的粒子探测技术与应用

近些年来，硅像素传感器被广泛地应用于数码相机、摄像机、医疗光影检测诊断设备、高能物理粒子探测器、核工业和空天探测器等。硅像素传感器通常与其读出电子学高度集成在一起，并向超薄、高粒度、抗辐照和三维集成等方面发展，以提升像素传感器的整体性能，实现高分辨率、低噪声、低功耗和高信噪比，使之能够被应用于在极端环境下。为了精确测量核物理实验极端环境中产生的粒子的物理参量，捕捉稀有物理事件，提高统计量，验证理论模型,从而开展夸克物质物理的实验研究，我们需要研制先进的粒子探测器来实现各种粒子的径迹测量和种类鉴别。并采用先进的探测技术，不断提高测量精度和读出速度、降低噪音等，以适应目前人类加速器或低本底实验的测量环境，而像素探测器则是胜任这些极端条件的最佳探测器。

像素探测器具有优异的空间分辨率，可简单分为MAPS（单片式）和Hybrid（混合式）两种。 MAPS使用硅的外延层作为传感部分，传感器部分和前端电子学ASIC在同一个芯片中实现，如图1（左）所示。Hybrid 像素探测器的特点是探测器的传感器部分与前端电子学部分是分离的，需要通过金属球焊接在一起，如图1（右）所示。

MAPS 探测技术已经用STAR实验重味径迹探测器（HFT）、ALICE/ITS、ATLAS实验中的粒子径迹探测，主要是探测粒子入射的位置信息，具有高速读出、低物质量损耗、高分辨率等特点。基于硅像素芯片的粒子探测器具有以下几个优势：（1）可以同时提供x-y二维信息；同时像素单元的结构简单，其尺寸做得很小，提供极高的位置分辨（优于10um），相对于常见的硅微条探测器可以提高1-2个数量级。（2）MAPS将电荷搜集区与读出电路集成在一块芯片上，因此可以大幅度降低噪音。MAPS内前端模拟放大电路的等效输入电容可以达到2 fF以下，等效噪音电荷小于几十个电子。（3）极大的提升了硅探测器系统的集成度，减少了敏感区的面积，从而可以提升探测器系统的抗辐射能力。（4）MAPS厚度可达100微米以下，物质量低，且易于实现大面积高精度芯片拼接。

正是由于这些优势，基于MAPS技术的硅像素探测器在高能物理实验中作为顶点探测器得到了应用。于2014安装在RHIC/STAR实验上的HFT，由基于MAPS技术的400片MIMOSA系列硅像素芯片组成，灵敏区总面积约0.16平方米，共计3.6亿像素，在2014年和2016年参与了金核-金核碰撞实验取数，这是MAPS技术首次成功应用在高能重离子碰撞实验领域。HFT探测器使STAR实验的带电粒子径迹分辨率提高了约20倍（带电粒子径迹位置分辨率从1毫米提升到了50微米）。LHC/ALICE实验于2012年启动ITS升级计划，采用基于目前最先进MAPS技术的ALPIDE硅像素芯片组成超薄、高粒度的新ITS探测器。新ITS共有7层（内3层，外4层），呈桶装环绕束流管安装，灵敏区总面积约10平方米，共有125 亿个像素。目前已完成探测器批量生产，正处于试运行阶段，将于2021年集成到ALICE探测器安装并投入系统试运行。新ITS将使ALICE探测器的带电粒子次级顶点位置分辨率提升 4－5 倍（提升到40微米），同时事例采集率也将提高100倍以上。

CEPC环形正负电子对撞机是中国可能将建设的一个以超高能环形加速器为核心的世界级大型加速器基地。将使中国基础物理学研究在未来三十年中成为世界第一，提升国家科技创新能力和国际竞争力等软实力，提高中国国际地位。硅像素实验室研发了基于MAPS技术的硅像素芯片——MIC（MAPS In CCNU）系列芯片，已用于我国CEPC大科学装置顶点探测器，如图2（左）所示。MIC系列芯片采用TowerJazz CIS标准的图像传感器工艺上进行芯片设计，采用数据驱动读出模式，像素尺寸为25微米25微米，空间固有分辨率应小于6微米，阵列读出速率为30MHz/像素地址。目前最新款MIC4芯片中像素阵列功耗密度约为25 毫瓦/平方厘米。

Hybrid 像素探测器的传感器与前端电子学是分离的。根据探测目标，设定合适的传感器材料、厚度等参数，可探测入射粒子沉积的能量。因此，Hybrid 像素探测器不仅探测粒子的位置信息，同时还可以探测入射粒子的能量信息。目前CERN 研发的timepix3芯片已经用于多个实验，并且在医学影像领域也有应用研究。Hybrid 型像素探测器由于不仅提供位置信息，同时还提供能量信息，这样将产生大量的数据，随着Hybrid 型像素探测器的应用需求的增加，如何高效地对数据进行压缩并提取有效的粒子信息成为Hybrid 型像素探测器急需解决的重要问题。华中师范大学硅像素实验室研发的TOPMETAL系列芯片就是Hybrid 型像素探测器的一种类型，采用CMOS工艺生产，如图2（右）所示。该芯片通过探测气体或液体探测器漂移到芯片上像素阵列上的带电粒子来获取粒子入射的位置信息和能量信息，等效噪音电荷（ENC）约13.9个电子电荷，处于世界领先。该系列芯片可应用于大科学装置中的粒子束流监控（确定用于我国兰州核物理大科学装置HIRFL-CSR上外靶实验CEE的微像素束流定位探测器）、低本底实验中稀有信号的无放大读出（四川锦屏山无中微子双贝塔衰变实验）等，也适用于空天强辐照环境下的粒子探测。

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