CC BY
18
В МИРЕ НАУКИ
От микромира до космоса
В 1997-1998 гг. учеными Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ, Дубна, Россия) совместно с коллегами из Белгосуниверситета и НПО «Интеграл» были успешно разработаны и массово произведены две восьмиканальные заказные аналоговые интегральные микросхемы (ИМС): трансимпедансного усилителя-формирователя Ampl-8.3 и компаратора Disc-8.3. Эти схемы предназначались целевым образом для 50 тыс. каналов мюонной системы эксперимента DO на коллайдере «Тэватрон» -наиболее мощном ускорителе в мире на то время - в Национальной ускорительной лаборатории им. Ферми (г. Батавия, США). Семейство этих ИМС получило название DOM (Dubna-DO-Minsk).
В итоге их применение оказалось настолько успешным, что они стали использоваться в других больших проектах по физике частиц: COMPASS (CERN, г. Женева, Швейцария), PiBeta (PSI, г. Виллиген, Швейцария), СВД-2 (ИФВЭ, г. Протвино, Московская обл.). Будучи оптимальным образом согласованными с характеристиками детектора, ИМС выгодно отличались высокой надежностью в долговременной эксплуатации, обусловленной устойчивостью к самовозбуждению и высоковольтному пробою. При их использовании в DO было обнаружено пять новых адронов, в том числе Eb (так называемый «каскад b»), состоящий из трех «нижних» кварков (нижнего d, странного s и красивого b) и имеющий массу, в шесть раз превышающую массу протона. Раньше таких частиц в экспериментах не наблюдалось. А в 2O11 г. в эксперименте PiBeta, где используется 1 тыс. каналов усилителя Ampl-8.3, было с рекордной точностью измерено время жизни p+ пиона. Это был первый случай внедрения на Западе микросхем отечественной разработки и изготовления для экспериментальной физики, что послужило хорошей рекламой совместных возможностей ОИЯИ, белорусской науки и микроэлектроники, в частности Научно-технического центра «Белмикросистемы» и ОАО «Интеграл» в целом.
В настоящее время ученые ОИЯИ и Национального центра физики частиц и высоких энергий Белгосуниверситета (НЦ ФЧВЭ БГУ) разрабатывают прототип мюонной системы установки для физики высоких энергий PANDA (Институт GSI, г. Дармштадт, Германия) - представителя следующего поколения детекторов, которые будут установлены на выскоэнергетическом накопительном кольце HESR. На будущем ускорительном комплексе для исследований антипротонов и ионов FAIR таких установок будет несколько. Они будут исследовать частицы, образующиеся при взаимодействии пучка охлажденных антипротонов энергией от 1,5 до 15 ГэВ с внутренними мишенями. Основным содержанием эксперимента PANDA является спектроскопия адронов, в частности исследование экзотических состояний в области чармония, очарованных адронов в ядерной среде, спектроскопия двойных
гиперядер и струтуры ядер. Многие из этих структур распадаются с образованием мюонов на конечной стадии. Мюоны - важный свидетель распада J/ Ф, полулептонного распада D-мезона и процесса Дрелла-Яна (ММТ - DY процесс). Таким образом, надежная идентификация мюонов чрезвычайно важна для полного достижения физических целей данного эксперимента. Установка PANDA спроектирована для регистрации частиц и квантов в 4п-геометрии, высокого разрешения треков, надежной идентификации и совершенной калориметрии. Для достижения хорошего разрешения моментов детектор содержит два магнитных спектрометра: мишенный спектрометр на сверхпроводящем соленоиде и передний спектрометр на дипольном магните.
Мюонная система регистрирует координаты мюонов в слоистом железном поглотителе, способна идентифицировать первичные мюоны и отделять их от фона, создаваемого главным образом первичными пионами с малым моментом и мюонов распада. Для измерения координат мюонов используются мини-дрейфовые трубки (МДТ) с открытой геометрией, в которых одна координата частицы определяется по сигналам с анодных проволочек, а вторая - регистрацией сигнала, наведенного на внешних, перпендикулярных проволочкам, широких полосковых электродах, обладающих низким волновым сопротивлением (порядка ~10 Ом).
МДТ с открытой геометрией плотно стыкуются с железным ярмом соленоида мишенного спектрометра геометрической эффективностью. Однако в конструкции все же остаются щели, свозь которые будет проходить незарегистрированная часть потока мюонов. Для увеличения эффективности регистрации их предполагается перекрывать сцинтилляторами, фотоприемниками для которых будут служить разработанные в России многопиксельные лавинные фотодиоды MAPD со структурой металл - резистивный слой - полупроводник (МРП).
В современной ядерной физике газоразрядные проволочные и сцинтилляционные детекторы составляют значительную часть экспериментального арсенала. Они используются очень широко - от трековых детекторов до калориметрии. В таких детекторах сигнал несет информацию о координате, времени и выделенной энергии в событии. Это многообразие возможностей и обусловило широкое применение детекторов данного типа и, в свою очередь, жесткие требования к детектирующей электронике. Перечислим основные из них:
■ надежность, поскольку современные установки, как правило, имеют большое количество каналов регистрации. Единственным способом удовлетворить требования надежности является создание заказных или полузаказных интегральных микросхем;
■ высокая чувствительность (для газоразрядных детекторов), что связано с малостью сигнала в типичном детекторе - порядка 0,1-10 мкА (для минимально ионизирующей частицы);
■ быстродействие. Данные детекторы часто используются для измерения времени пролета частиц, поэтому полоса частот должна быть от нескольких десятков до 100 МГц для газоразрядных детекторов и в пределе до 300 МГц для сцинтилляционных детекторов с фотоприемниками в виде MAPD;
■ линейность отклика. При измерении энерговыделения в детекторе (для целей калориметрии или дозиметрии) выходной
BS НАУКА И ИННОВАЦИИ №5(111) Май 2012
ПОД ЭГИДОЙ БРФФИ
сигнал усилителя должен в динамическом диапазоне как минимум 20 дБ быть линейным по отношению к входу;
■ наличие как аналогового, так и цифрового (логического) сигнала с детектирующей электроники, которое упрощает построение дальнейшей электроники считывания информации с детектора и позволяет строить многоканальные системы.
Начиная с 2007 г. разработка регистрирующей электроники для проекта PANDA проводится при финансовой поддержке фонда БРФФИ. Такую же электронику предполагается использовать в будущем эксперименте NICA-SPD, планируемом в ОИЯИ. Создание ее проводится в русле схемотехнических и топологических решений, принятых при разработке ИМС семейства D0M. Так, созданная по договору Ф07Д-007 (совместный проект НЦ ФЧВЭ БГУ и ОИЯИ «Исследование и разработка электроники съема сигналов в мюонных трековых детекторах новых проектов по физике высоких энергий») ИМС одноканального усилителя-дискриминатора AD-1.3 удовлетворяет всем вышеперечисленным требованиям к современной детекторной электронике. Кроме того, малость ее размеров допускает установку внутри отдельных мюонных дрейфовых трубок и в хвостовиках МДТ, что повышает надежность мюонной системы. Основное использование ИМС AD-1.3 в настоящее время предполагает испытания с различными типами газоразрядных проволочных детекторов. После этих испытаний возможно рассмотрение вопроса о применении данных микросхем в составе больших экспериментальных установок.
Сегодня в ОИЯИ возникла необходимость в разработке 8-канальной ИМС усилителя для работы с новым типом газоразрядного детектора - мини-дрейфовыми трубками с открытой геометрией катода и регистрацией сигналов, наведенных на широких катодных стрипах с волновым сопротивлением примерно 10 Ом. В этой связи по договору Ф11Д-002 ведется новая разработка ИМС оригинального, не имеющего аналогов трансимпедансного усилителя с низкоомным входом (2-10 Ом), требующая внедрения передовой технологии изготовления СВЧ p-n-p транзисторов для производства этих перспективных усилителей, что значительно усилит как экспериментальные возможности ОИЯИ, так и технологические возможности НПО «Интеграл».
В 2009-2011 гг. по договору Ф-09Д-005 (совместный проект НЦ ФЧВЭ БГУ и ОИЯИ «Исследование возможности применения сцинтилляционных детекторов в мюонной системе эксперимента ПАНДА») разработан комплект ИМС широкополосных усилителей-дискриминаторов AD-1.14, AD-1.15 и AD-1.17 уже для сцинтилляционных детекторов. Он также удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к современной детекторной электронике, и перекрывает диапазон параметров, определяемый существующими (MAPD-1) и находящимися в стадии проектирования многопиксельными лавинными фотодиодами (коэффициент преобразования усилителей K лежит в интервале от 1 до 20 мВ/ мкА; полоса частот - от 100 до 250 МГц, среднеквадратический шумовой ток от 80 до 145 нА).
Кроме того, данные ИМС предполагается использовать в аппаратуре космического базирования, где приходится решать задачи, связанные с измерением импульсных световых потоков малой интенсивности. Другая причина применения упомянутого комплекта
ИМС - необходимость повышения качества и создания специализированной электронной компонентной базы (ЭКБ) для космических систем. Одной из главных задач, решаемых при их создании, является проектирование и производство интеллектуальных датчиков физических величин, содержащих чувствительный элемент, устройства предварительной аналоговой и окончательной цифровой обработки сигналов. Во многих интеллектуальных датчиках допустимо унифицировать цифровую обработку, но из-за разных характеристик чувствительных элементов для предварительной обработки сигналов необходимы аналоговые устройства, оптимизированные для работы с конкретным чувствительным элементом. Их проектирование затрудняет наличие у ЭКБ, применяемой в условиях космического пространства, следующих особенностей: крайне малой серийности; высоких требований к надежности; стойкости к воздействию ионизирующих излучений космического пространства; расширенного температурного диапазона.
По мнению разработчиков космических систем, ключевой задачей при создании ЭКБ для применения в аппаратуре ракетно-космической техники и систем дистанционного зондирования Земли является обеспечение приемлемой стоимости малосерийного производства широкой номенклатуры микросхем, длительного жизненного цикла, надежности, стойкости к дестабилизирующим факторам и отказоустойчивости.
Создание специализированных аналоговых устройств на микросхемах общего применения приводит к недопустимому для космических применений росту массогабаритных параметров. Разработка заказных микросхем экономически целесообразна только при больших объемах выпуска - ориентировочно более 100 тыс. шт. в год. В то же время известны экономически рациональные способы проектирования и производства микросхем малыми партиями, основанные на использовании тех или иных видов программируемых базовых матричных кристаллов и аналоговых ИМС. Коль скоро ИМС AD-1.3, AD-1.14, AD-1.15 и AD-1.17 изготавливаются на специализированном базовом матричном кристалле АБМК-1.3 по биполярно-полевой СВЧ-технологии, они обладают высокой радиационной стойкостью по отношению к нейтронам и гамма-излучению, а их электрические параметры удовлетворяют требованиям, предъявляемым к датчикам, используемым в космических приложениях, сейчас ведутся работы по применению их в аппаратуре космического назначения.
Данная разработка под общим названием «Комплект электронных устройств на базе полузаказных интегральных микросхем для регистрации импульсного видимого излучения малой интенсивности ПОЛОСА-1» была продемонстрирована на XVIII Международной выставке-конгрессе «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» (Н1-ТЕСН'2012) в Санкт-Петербурге и завоевала первое место и специальный приз в конкурсе на лучший инновационный проект и лучшую научно-техническую разработку года по номинации «Новые высокотехнологичные разработки оборудования и наукоемкие технологии. ■
Михаил БАТУРИЦКИЙ, заместитель директора по научной работе НЦ ФЧВЭ БГУ кандидат технических наук, доцент
№5(111) Май 2012 НАУКА И ИННОВАЦИИ 69
