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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,中科院高能所团队参加的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)。同时在高能所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。这标志着高能所初步掌握了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。   

  高能所是首次提出HGCal方案的十个署名单位之一。在2018年的公布的TDR中确定了高能所承担一个HGCal硅模块组装中心的建设。按照硅模块中心数量比例,高能所应为CMS合作组生产面积约为100多平米的HGCal硅模块,占总量的1/6。此次生产的模块采用了滨松生产的8英寸硅传感器和HGCROC前端电子学芯片。硅传感器和前端电子学通过点胶集成,硅传感器上的每一个像素单元通过直径25微米的铝线与前端电子学键合连通,最后利用封装胶对绑定线进行封装保护。试制过程中严格遵守质量控制流程,硅模块的厚度控制、组装精度满足CMS合作组要求。电子学结果测试表明,硅模块整体工作正常(图2),组装前后噪声水平符合预期(图3)。 

  高能所团队广泛参与国际合作,与美国加州大学圣芭芭拉分校等单位开展深入合作研究,确立HGCal硅模块的自动化组装工艺及质量控制流程,实现了对硅模块的高精度制作。同时高能所与欧洲核子中心、美国费米实验室、德国电子同步加速器研究所合作,利用束流实验设施完成了HGCal硅模块样机的能量、空间及时间分辨率等关键指标的标定工作。   

  项目自开展以来,得到了高能所粒子天体中心、实验物理中心和CMS组的大力支持。在HGCal硅模块样机的制作过程中,张华桥研究员、王峰助理研究员、曹学蕾副研究员、顾煜栋副研究员、孙亮高级工程师、廖红波副研究员、陶军全副研究员、刘勇副研究员、以及来自台湾大学的程华杰博士等共同参与实验室搭建并制作完成了首个硅模块样机。同时高能所团队注重在本项目中青年人才的培养,CMS组内的部分博士研究生也参与了此次硅模块样机的制作。   

  此次HGCal硅模块样机试制成功后,高能所团队将集中精力准备即将开始的HGCal硅模块组装测试中心的审核,通过后将开始硅模块预生产和批量生产,并参与HGCal在欧洲核子中心的在点集成、安装、调试及2027年左右开始的取数运行。   

  本项目受到科技部重点研发计划、基金委国际合作研究项目、高能所创新等经费支持。国内清华大学,浙江大学,复旦大学也于近期加入了CMS高粒度量能器项目。 

图1:8英寸HGCal硅模块。图2:HGCal硅模块电子学噪声(ADC)。图3:HGCal硅模块组装前后电子学噪声(ADC)对比,蓝色点是组装后模块的电子学噪声,红色点是组装前前端电子学噪声

图4: 制作8寸模块的部分团队成员合影


 
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