基本介紹
- 中文名：頂點探測器
- 外文名：Vertex Chamber
- 主要性能指標：頂點解析度
- 功能1：確定對撞點的空間坐標
- 功能2：確定粒子發生衰變產生的次級頂點
- 類型：矽微條、CCD、像素頂點探測器
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探測器
探測器的電信號輸出是目標空間信息的時間描述，探測器電子信號與探測器特性相匹配。探測器分為經典半導體探測器、新型半導體探測器和熱探測器。經典半導體型和熱探測器型的探測器特性參數及其後的系統特性參數已得到改進。常見的幾種探測器如下：
經典半導體探測器
（1）光導型探測器。它需要一個恆定的偏置電壓，吸收的光子改變體積電阻率，於是改變了電流的大小，這種改變可以在外部電路中監測。由於電流不斷流過，探測器發熱，因此，非常大的探測器陣列很難降溫。
（2）光伏型探測器。它實際上是一個半導體中的P-N結，吸收的光子產生電壓變化，這個變化在外部電路中可以探測。該型探測器不發熱並且能夠安置在非常大的陣列中。由於工作電流最小，它相對容易耦合在低噪聲放大器中。
新型探測器
（1）肖特基勢壘二極體（SBD）。它是一個可產生電壓的光電發射裝置，這些探測器適合使用矽製造工藝。因此，它是相對容易生產的單片器件，其中探測器和讀出裝置可以同時製造。SBD能夠安裝在非常大（5000×5000）的陣列上。
（2）帶隙工程光探測器（量子勢阱）。量子阱探測器的光譜回響能夠調諧到任意波長，但是它只有非常窄的光譜回響範圍。目前它的限制是需要製冷（通常為60K以下）。
熱探測器
（1）輻射熱計探測器。因為熱探測器吸收熱量，所以它的電阻值發生改變，它需要一個外部偏壓。電流的改變（因為電阻值發生變化）可以在外部電路中被探測。大型輻射熱計探測器陣列中產生的熱量難以消散。輻射熱計通常是光學斬波的，以提高靈敏度和均勻性。
（2）熱釋電探測器。熱釋電探測器僅僅能夠感知溫度的變化。熱度的變化改變了電偶極矩，產生了電勢差。這些交流設備在△T對象周圍產生熱暈。這些系統通常具有一個介於透鏡系統和探測器之間的斬波器（製造一個不斷變化的環境）。斬波器與攝像機的幀速率同步，以使顯示的圖像同步顯示。
發展階段
第一代
第二代
第二代頂點探測器是建立在現代的矽半導體技術基礎上的，該技術已成功地小規模套用於為測量短壽命粒子衰變而設計的實驗之中，這種衰變十分接近母體事件。在這些實驗中，靶被製成微細的條狀，在這些靈敏的靶內所發生事件的詳細歷史都能記錄下來。已做初步試驗，確立了這種頂點探測器的可行性。
如此小型化裝置的製作、精密準直線和電子學讀出，都存在著一些困難但可解決的問題，第二代探測器將提供比現在可獲得的更好的一個數量級的精度。
功能
頂點探測器處於對撞機實驗的中心，環繞在束流管周圍，它的功能是通過精準測量對撞反應所產生的次級帶電粒子的徑跡，來確定對撞點的空間坐標以及粒子在束流管中發生衰變所產生的次級頂點。對撞頂點和這種次級頂點是不可能直接觀察的，測量對撞點位置的唯一辦法是靠精準地測量對撞次級反應所產生的帶電粒子的徑跡。
為了能夠更精確地探測粒子對撞點的坐標，頂點探測器需要設定在離對撞點儘可能近的位置，緊靠束流管排列，成為多層圓柱面的形式。由於頂點探測器層間的距離很小，磁場對高能帶電粒子的偏轉可以忽略，徑跡可以近似作為直線來處理。
類型
現代的高解析度的頂點探測器都是由矽半導體二極體陣列探測器構成的，可分為：矽微條頂點探測器、CCD頂點探測器、像素型頂點探測器三種類型。頂點探測器雖然體積不大，但是製造技術難度極大，由於探測器單元需要分割的很小，讀出的電子學道數也很高，另外減少頂點探測器的物質含量也是對於探測器的選型、機械製成以及冷卻等工程設計的嚴重挑戰。
矽微條頂點探測器
探測高能粒子反應頂點是矽微條探測器在基本粒子物理實驗中最早的套用，20世紀80年代設計的矽微條頂點探測器是當時歐洲高能物理中心的正負電子對撞機實驗ALEPH上的，它是第一個用於對撞機實驗的矽微條頂點探測器，每層探測器由長方形矽片拼接而成，該頂點探測器為圓柱形的三層結構，其內徑由束流管的外壁所決定。矽微條晶片的長度為10cm，微條的間距為50μm，由設定在圓柱形探測器兩端的專門設計的大規模積體電路讀出，每一根矽微條是一個獨立的探測器，連線到各自獨立的放大器和讀出電路上。
矽微條頂點探測器中微條電極方向平行於束流的飛行方向，如果需要測量粒子的平行束流方向的坐標，則需要設定微條方向不與束流方向平行的額外的探測器層。用不同走向的矽微條探測器層來確定粒子在矽片上的兩維徑跡有一個關鍵的缺點，當兩個或兩個以上的粒子同時打到同一塊矽片時，根據粒子在不同方向擊中的矽微條來判斷擊中點歸屬於哪一個粒子時會產生混淆。
CCD頂點探測器
由於CCD的像素陣列組成的多層頂點探測器能夠真正沒有混淆的測量粒子的三維徑跡。美國斯坦福直線加速器實驗室的SLD實驗所使用的頂點探測器由96片面積為12平方厘米的特製CCD矽晶片組裝而成，每片CCD由3.2百萬像素，由一家英國公司於20世紀90年代製造。組裝完成的探測器為3層同心的圓柱面，一個帶電粒子在每層僅有一個擊中點，不會與其他同時集中的粒子混淆，由三點成一線的方法建立每個粒子的徑跡。由於CCD製造技術的限制，CCD晶片的面積不可能很大，需要許多片拼接才能成為一個完整的頂點探測器。為了儘可能降低物質量，減少對粒子的散射和粒子與其發生核反應的可能性，CCD晶片使用非常薄的矽片，由兩端加張力的方法懸掛。
使用CCD來做三維空間的頂點探量需要克服許多技術困難。由於CCD必須放置在緊鄰真空束流管，距離束流管很近的位置，由高強度的脈衝束流以及加速器部件所產生的噪聲干擾是一個必須克服的嚴重問題。伴隨著束流的各種高能粒子也會擊中頂點探測器，可對真正由於對撞所產生的希望觀測的事例造成嚴重的干擾。由於CCD採用分行串列讀出的方法，它的數據讀出所需要的時間較長，因此CCD僅適用於對撞反應率很低的電子正電子對撞機，並不適用於對撞事例率很高的質子對撞機。
像素頂點探測器
矽半導體二極體陣列探測器、簡稱像素探測器，它是套用於高能質子對撞機實驗的另外一種類型的頂點探測器，由矽二極體陣列作為粒子徑跡探測器。像素探測器與CCD的關鍵區別在於讀出方式上，CCD採用將每個像素的信號，通過行列之間串列移位至行列終端的放大器。像素探測器採用並行輸出的方式，每一個像素都與各自的放大器和信號處理電路相連線，可以用在對撞事例率非常高的情形之下，因而適用於高能質子對撞機實驗。
