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CERN委员会批准ATLAS高颗粒度时间探测器项目 高能所团队在多方面做出重要贡献

CERN 时间探测器 辐照性能
发布:2020-09-21 10:04:14     来源:中科院高能物理研究所

9月16日,欧洲核子中心(CERN)的研究委员会(Research Board)委员会批准了ATLAS实验的高颗粒度时间探测器项目(HGTD)的建设。这标志着该项目完成了预研和准备,正式进入到建造阶段。 

HGTD项目所研发的超快传感器芯片,超快读出芯片和大面积超快探测器集成等都是国际顶尖的全新技术,这吸引了中国、法国、美国、西班牙、德国等各国的参与。其中国内参与单位有中国科学院高能物理研究所,中国科学技术大学,南京大学,上海交通大学,北京师范大学和中国科学院微电子研究所。

HGTD项目是欧洲大型强子对撞机高亮度II期升级(LHC Phase-II)升级的一部分。在高亮度对撞的环境中,大量的多事例对撞堆积效应(pileup)成为数据分析的挑战之一。因此,ATLAS提出了一种全新的高粒度时间探测器,利用高精度的时间信息来区分空间上距离较近的对撞事例,从而大幅降低pileup效应的影响,该探测器可以更全面地覆盖ATLAS探测器的前向区域,从而提高该区域的探测器物理性能。该探测器的研制关键是一种全新的基于低增益雪崩放大的硅传感器技术(LGAD)。该技术可提供很高空间分辨率和时间分辨率,并具有极强的抗辐照性能。基于这项技术,HGTD探测器时间分辨率可达30-50皮秒,在一般的硅基探测器时间分辨率基础上提高了一百倍。高精度时间信息可提高区分堆积的能力,从而改进前向区域的粒子重建,也有助于解决在高亮度对撞的复杂环境中精确测量希格斯粒子等关键科学问题。

高能所团队在HGTD项目的LGAD硅传感器芯片研发,探测器模块研制,专用(ASIC)电子学和数据获取系统,以及机械结构设计等多方面做出重要贡献。高能所团队制造了第一个ASIC和LGAD传感器复合探测器模块,用于证明LGAD技术在束流测试环境中的可行性。高能所科学家Joao Guimaraes da Costa研究员, 梁志均副研究员和张杰副研究员主导研究的ASIC传感器复合模块的创新设计,实现了模块的高稳定性,快速集成和节约人力等方面的优势;张杰副研究员提出了创新的柔性电缆和外围电子学的集成方案,使探测器满足其封装条件;赵梅副研究员,梁志均副研究员和史欣副研究员提出并研发了国产新型LGAD传感器,同时承担LGAD传感器测试和验证工作等[1]。高能所团队注重在本项目中青年人才的培养,目前团队共有14名博士生和5名博士后参与其中。

由于HGTD探测器建设工期短,需要严格的管理组织。Joao Guimaraes da Costa研究员和张照茹助理研究员领导负责项目任务分解、建设计划和日程安排、探测器成本计算和风险评估等管理工作。CERN已评审通过了相关管理文件,这将成为今后项目与各参与单位签署MoU文件的基础。

同时,团队成员担任了该项目的多项重要职务。其中,Joao Guimaraes da Costa担任项目的副经理和资源管理组召集人。梁志均担任HGTD项目探测器模块研制组的召集人,负责设计部署HGTD所有参与单位的模块和探测单元建设方案。 Juanan Garcia担任HGTD项目TDAQ数据获取系统组的召集人,张杰担任HGTD外围电路板研发组召集人。高能所团队在HGTD项目中的贡献同样得到了广泛的认可和支持。

ATLAS实验合作组发言人Karl Jakobs教授表达了对高能所团队工作的认可,他说道:“HGTD项目得到批准是ATLAS合作组的一个重要成果。我们十分认可高能所在项目中的巨大贡献,这是成功实现这个具有挑战性的高科技项目的关键。”

高能所所长王贻芳院士评价道:“我很高兴看到HGTD项目获得批准和高能所在其中的贡献得到了认可。高能所将全力支持该团队完成这项任务。”

高能所负责LHC方面的主管科学家娄辛丑研究员讲到:“十年多来实验物理中心在硅径迹探测器,ASIC专用电子学,实验室和人才等方面持续发展,使得我们有实力在ATLAS HGTD设计和验证方面做出了重大贡献,争取到了项目的重要管理职位。”

高能所Joao Guimaraes da Costa研究员,高能所ATLAS实验组组长和HGTD团队负责人,提到:“HGTD探测器采用全新的LGAD技术,这使其成为近年来最令人兴奋和创新的研究项目之一。高能所拥有一支年轻优秀的研究团队和良好的平台支撑,是主导HGTD项目研究的理想选择之一。”

高能所梁志均青年特聘研究员,HGTD项目探测器模块研制组的召集人,国家自然科学基金委“ATLAS实验探测器Phase 2升级“项目HGTD课题的高能所负责人,提到:“在高能所年轻团队共同努力下,我们成功研制组装出ATLAS第一批HGTD探测器小型模块并达到项目要求的高指标。未来数年,在国家自然科学基金委的支持下,ATLAS中国组将在大面积探测器模块研制、超快传感器研发、抗辐照芯片与外围电路的国际合作研发中发挥重要作用。”

此外,国内其他单位也广泛参与到HGTD项目中。例如中国科学技术大学团队在LGAD芯片测试工作上做出贡献,吴雨生教授担任HGTD探测器优化和物理组召集人。南京大学团队参与了外围电路板和读出电子学等工作。北京师范大学团队在传感器研发工作上做出贡献,中科院微电子所在传感器与探测器模块研发工作上做出贡献。

本项目得到了国家自然科学基金委和核探测与核电子学国家重点实验室的支持。借助HGTD项目,高能所团队将推动国产超快探测器的研发,填补我国在高时间分辨硅传感器技术方向的空白,为未来粒子物理实验项目中新一代飞行时间探测器的应用打下基础。同时,该项目涉及的先进技术有潜力广泛运用到其他领域,其中包括正电子发射计算机断层扫描、质子治癌中质子CT成像等医疗成像应用,与航空航天快速时间测量等方面的应用。

注:(1)高能所团队也在HGTD项目其他方面做出显著贡献。高级工程师付金煜负责HGTD外环机械结构的设计;董明义副研究员负责HGTD模块中柔性电路板测试;庄胥爱研究员、黄燕萍副研究员在HGTD的束流测试中作出重要贡献。

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