第三章徑跡測量-固體探測器

第三章固體探測器1為什么要用半導(dǎo)體探測器？2半導(dǎo)體探測器是如何做成的，又是如何工作的？3探測器類型：微條和像素探測器、CCD4例子：LHC上的探測器1固體探測器——為什么要用硅？硅晶體的一些特性參數(shù)可選擇的半導(dǎo)體如何得到信號？純的(不摻雜)半導(dǎo)體的電子密度為n，空穴密度為p，并且n=p=ni，對于Si來說，在這個(gè)體積中有的自由電荷載體，而由最小電離粒子產(chǎn)生的電子－空穴對只有自由電荷載體的減少，也就是消耗探測器大多數(shù)探測器都是利用反向偏置的p-n結(jié)

摻雜、電阻系數(shù)以及p-n結(jié)反向偏置p+n結(jié)消耗電壓的計(jì)算(二極管)單面微條探測器P+層嵌在微條(二極管微條探測器)里，而微條直接與讀出系統(tǒng)相連位置分辨率是由微條與微條之間的距離p決定的

舉例：探測到電荷(大于閾值)，利用微條中心來作為帶電粒子的坐標(biāo)典型的p值20m-150m之間如果p為50m，則位置分辨率為14.4m偏置電阻器與直流耦合偏置電阻器需要隔離微條以使彼此測量或收集每個(gè)微條的電荷高阻抗偏置連接(1M電阻器)耦合電容通過電容耦合輸入放大器是為了避免由于漏電流而帶來的直流電輸入電容和電阻的積分偏置電阻是由摻雜的多晶硅組成電容是由金屬輸出線，這些金屬線是由絕緣材料層(SiO2,Si3N4)彼此分開電荷信號對于最小電離粒子所產(chǎn)生的電荷信噪比(S/N)Landau分布有一個(gè)低能尾巴-由于噪聲的加寬作用而變得更低由NADC>噪聲尾巴來選擇好的擊中如果CUT太高效率損失大如果CUT太低將混入很多噪聲S/N的典型值>10-15，探測器由于輻射而受到損壞將降低S/N電荷收集時(shí)間與擴(kuò)散電荷收集時(shí)間擴(kuò)散由于漂移電荷載體的散射，電荷“云”發(fā)生擴(kuò)散，在td時(shí)間以后半徑電子和空穴的半徑相同，因?yàn)閠d1/典型的電荷半徑6m，我們可以利用這個(gè)來得到更好的位置分辨，因?yàn)閮上噜徫l分享這些電荷(尋找電荷分布重心)，但需保證漂移時(shí)間足夠長(低電場內(nèi))半導(dǎo)體探測器的特點(diǎn)半導(dǎo)體探測器的優(yōu)點(diǎn)1非常好的位置分辨率目前是高能物理探測器和核探測器中位置分辨率最好的。這是因?yàn)榘雽?dǎo)體密度比氣體高得多，帶電粒子穿過探測器產(chǎn)生的電子－空穴對的密度比一個(gè)大氣壓的氣體高三個(gè)數(shù)量級。另外信噪比也比較高，并且每個(gè)讀出條對應(yīng)一路讀出電子學(xué)，更有利于空間分辨率的提高。目前硅微條探測器的位置分辨率可好于＝1.4m2很高的能量分辨率半導(dǎo)體探測器的能量分辨率比氣體探測器高大約一個(gè)數(shù)量級。這是因?yàn)榘雽?dǎo)體中電離產(chǎn)生電子－空穴對只需3eV左右的能量，而氣體原子電離需要30eV。而且?guī)щ娏Ｗ釉诎雽?dǎo)體中的能損也很高，大約為390eV/m。因此同樣能量的帶電粒子在半導(dǎo)體中產(chǎn)生的電子－空穴對數(shù)要比氣體中產(chǎn)生的離子對高一個(gè)數(shù)量級以上。這樣電荷數(shù)的相對統(tǒng)計(jì)誤差也比氣體小很多，所以能量分辨率很高。3很寬線性范圍由于再一定能量范圍內(nèi)，半導(dǎo)體的平均電離能與入射粒子的基本能量無關(guān)，所以半導(dǎo)體探測器具有很好的線性范圍。4非?？斓捻憫?yīng)時(shí)間由于半導(dǎo)體的電子和空穴遷移率很高，而且探測器很薄，它的電荷在很小的區(qū)域內(nèi)收集，所以響應(yīng)時(shí)間非常快，一般可達(dá)5ns。5體積可做得很小由于半導(dǎo)體密度大，有一定剛度，所以它可以做得很薄，典型厚度是300m。半導(dǎo)體探測器的缺點(diǎn)是：對輻射損傷比較敏感，如果受到強(qiáng)輻射其性能將變差。雙面硅探測器得到第二維坐標(biāo)把p+和n+放在探測器的兩面如圖，并且分別讀出信號。問題：電子堆積層由于在Si和SiO2界面的電子堆積層，所以n+-strip并不是絕緣的。這個(gè)效應(yīng)是由于在SiO2層的正電荷感應(yīng)電子而產(chǎn)生的。解決：“破壞”電子堆積層

探測器模塊硅漂移探測器混合像素探測器電荷耦合器CCD-ChargedCoupledDevic