奔腾彩票

網站地圖聯系我們│English│中國科學院
您現在的位置:首頁 > 科學傳播 > 微媒精選
探索粒子物理世界的高速相機——像素探測器
2018-11-21 |文章来源: 魏微| 浏览次数:  |

  在日常生活中,爲了捕捉一瞬間的事件,人們通常利用相機抓拍,然後根據照片來回味那一刻的精彩,使瞬間成爲永恒。爲了拍攝百米賽跑撞線的那一刹那,更需要利用每秒可拍攝上千張照片的高速相機來進行記錄,即使是百分之一秒的時間差,都有可能導致一個新的世界紀錄的誕生。 

  在粒子物理的世界中,爲了研究比質子、中子小得多的誇克、輕子等微觀粒子,人們只能利用高能加速器首先將粒子(質子或電子等,在用對撞機情況下還要加速它們的反粒子)加速到接近光速,然後使兩個(團)粒子發生對撞。在對撞的瞬間將産生大量粒子,它們的運動或衰變形成各自的徑迹。在北京正負電子對撞機中,每秒將發生數百萬次這樣的碰撞。不幸的是,這其中有價值的碰撞事件每秒只有幾次,圖1就表示了衆多對撞中的一個有效對撞事例。而更不幸的是,對撞産生的多數粒子,如π介子、K介子等,壽命都小于千萬分之一秒(107 s),其後將衰變爲更爲穩定的電子、μ子等。而鍾情于對未知世界探索的物理學家卻恰恰對那些初級粒子的行爲感興趣,希望對它們的運動軌迹、能量和動量進行精確的分析。 

   

  图1 北京谱仪Ⅲ的一个有效对撞事例 

 

  顯然,依靠人的觀察或記錄絕對無法完成這樣複雜且要求分析速度極高的實驗,物理學家只能依靠粒子物理的高速相機首先將對撞的瞬間捕捉下來,然後再通過自動化軟件來分析那一瞬間究竟發生了什麽。這需要在浩如煙海的粒子徑迹中首先找出感興趣的事例,並准確測量粒子運動方向和能量。同時,由于初級粒子的壽命極短,運動徑迹的長度也因此很短,物理學家希望這台高速相機能盡量靠近對撞中心來直接拍攝對撞時初級粒子的瞬間信息。如果相機功能較差,就只能通過拍攝次級粒子的行爲來反推出原始事例,測量精度就大大降低。這就好比新聞的記錄,事件直接目擊的真實性總是遠高于根據間接描述進行的事件還原。 

  這台粒子物理的高速相機一方面要求極高的拍攝速度,完成一次拍攝的時間需要小于百萬分之一秒;另一方面需要極高的拍攝精度,能將對撞中心高密度的粒子徑迹區分開來,並精確測量其到達時間和能量;此外還需要超強的信息處理能力,能將海量的數據交給自動化軟件進行分析。像素探測器就是這樣一台粒子物理的高速相機。 信息技術的發展史相比,像素探測器的前世今生也許沒有那樣轟轟烈烈,但同樣凝聚了幾代粒子物理學家對技術的不斷探索和努力。他們不變的追求可以總結爲四個最終目標:精確性、高速傳輸、高速可靠的保存,以及高效自動的處理。最早的粒子物理相機采用了最直接的思路——物理學家真的采用了照相的方法,只不過爲了保存粒子事件,需要先將充滿純淨蒸汽的密封容器絕熱膨脹,使蒸汽變爲過飽和狀態。帶電粒子在穿過氣體時將産生離子對,這些離子對即成爲氣體的凝結核,好比下雨時空氣中的飽和水蒸氣依靠灰塵形成水滴。粒子運動路徑上結成的微小水滴便成爲了粒子徑迹。然後用相機直接拍照並顯影膠片進行分析。這就是最早的粒子徑迹探測器——威爾遜雲霧室。 

  一、像素探測器的前世今生  

  同信息技術的發展史相比,像素探測器的前世今生也許沒有那樣轟轟烈烈,但同樣凝聚了幾代粒子物理學家對技術的不斷探索和努力。他們不變的追求可以總結爲四個最終目標:精確性、高速傳輸、高速可靠的保存,以及高效自動的處理。最早的粒子物理相機采用了最直接的思路——物理學家真的采用了照相的方法,只不過爲了保存粒子事件,需要先將充滿純淨蒸汽的密封容器絕熱膨脹,使蒸汽變爲過飽和狀態。帶電粒子在穿過氣體時將産生離子對,這些離子對即成爲氣體的凝結核,好比下雨時空氣中的飽和水蒸氣依靠灰塵形成水滴。粒子運動路徑上結成的微小水滴便成爲了粒子徑迹。然後用相機直接拍照並顯影膠片進行分析。這就是最早的粒子徑迹探測器——威爾遜雲霧室。

  雲室技術首次顯示了肉眼可見的粒子徑迹,如圖2所示,今天它仍然作爲一種能直觀展示粒子存在的“宣傳型”探測器,活躍在各大高能物理實驗室中,引領公衆走進高能物理的大門。同它原理類似的還有利用過沸液體工作的氣泡室,利用電離倍增效應的火花室和流光室等。不過這些技術的測量精度都較差,並且需要進行大量人工處理,無法實現自動化。這便導致了高精度、自動記錄技術的研究,例如將粒子徑迹直接保存在膠片上。這種膠片被稱爲核乳膠,但是膠片經過了特制,由于顆粒更小,對高能粒子的測量精度和靈敏度大大提升,特別適合探測前面提到的短壽命粒子。圖3就顯示了利用核乳膠探測方法首次發現的π介子和它衰變之後的次級粒子徑迹。核乳膠方法的分辨率可達亞微米量級,今天依然可算空間分辨率最高的探測器。而更重要的是,它實現了粒子物理事件的自動保存。 

   

  图2 德国电子同步辐射(DESY)实验室里的一个云室,显示了宇宙线入射事例 

   

  图3 介子的发现,显示了多张胶片拼接成的粒子径迹 

 

  然而核乳膠技術仍然無法擺脫人工測量,無法實現完全的自動化,處理速度仍然受到很大限制。20世紀中後期,物理學家對世界的探索進入到誇克領域,粒子對撞産生了越來越高的事例率。以照相技術爲代表的徑迹探測器一來記錄速度慢,二來需要大量人工處理,完全無法滿足微秒、納秒量級的處理速度要求,只得逐漸讓位于以電離室和閃爍體計數器爲代表的電子學探測器。早期的電子學探測器功能簡單,主要以對到達探測器的粒子數量進行計數,或者測量帶電粒子形成的電流爲主,後來逐漸發展到現在的多路探測器和電子學聯合探測,並配合高速傳輸總線和高速磁盤陣列進行處理的超大規模系統。今天粒子物理實驗的探測器已經發展到圖4中那樣的巨大規模。而以核乳膠爲代表的照相技術,只應用于事例率不高的宇宙線等實驗中,繼續發揮它高空間分辨率的特點。 

    

  图4 世界上最大的探测器之一——ATLAS 探测器,左下角人和探測器的比例顯示了其規模 

 

  电子学探测器相比基于传统照相技术的径迹探测器,主要优势就在于高速的传输和高效的自动化处理,而这两者都只有依靠电子技术才能实现。无论是前面提到的哪种径迹探测器,都没有实现粒子信号到电信号的转换,最终的信息载体依然是胶片。虽然电子学探测器的空间分辨能力一直不如径迹探测器,但转变为电信号就能实现自动化,而自动化就意味着高速化、规模化。电子学探测器牺牲了一些空间分辨的精确性,却赢得了高速传输、高速保存和自动处理这三个显著优势。那么如果能将照片中的每个点的图像信息都变成电信号传送给计算机,是不是意味着在保留照相技术精确性的同时,还能实现高速化和自动化,从而使照相技术东山再起呢?答案是肯定的,像素探测器就是其中一个解答,但是做出这个解答,粒子物理学家花费了超过40 年的时间,解答中的每一步,都得益于一项关键技术的诞生。 素探測器首先要解決的關鍵問題,就是如何將探測平面中每個點的位置、能量和時間等物理信息轉換爲電信號。說起探測平面,最經典的平面探測器就是平行板探測器——一個經典的電容結構。圖5給出了平行板探測器的示意圖。帶電粒子穿過平行板探測器時,由于電離作用沈積能量,産生了等量的正負電荷。電荷在向正負極板運動時便形成了電流,我們只要對電流進行探測,就能獲得帶電粒子的到達時間、能量等信息。雖然本質上說平行板探測器屬于氣體探測器,而本文討論的像素探測器屬于半導體探測器,兩者的探測原理還是不完全相同的,但基于電離作用將物理事件轉換爲電信號這一思路卻幾乎適用于所有的電子學探測器。 

  二、如何探测? ——从电容器和二极管说起 

  像素探測器首先要解決的關鍵問題,就是如何將探測平面中每個點的位置、能量和時間等物理信息轉換爲電信號。說起探測平面,最經典的平面探測器就是平行板探測器——一個經典的電容結構。圖5給出了平行板探測器的示意圖。帶電粒子穿過平行板探測器時,由于電離作用沈積能量,産生了等量的正負電荷。電荷在向正負極板運動時便形成了電流,我們只要對電流進行探測,就能獲得帶電粒子的到達時間、能量等信息。雖然本質上說平行板探測器屬于氣體探測器,而本文討論的像素探測器屬于半導體探測器,兩者的探測原理還是不完全相同的,但基于電離作用將物理事件轉換爲電信號這一思路卻幾乎適用于所有的電子學探測器。

   

  图5 平行板探测器 

 

  然而这样的两个平板,却只能提供我们单纯的电流信息,我们无法获知粒子到达平板上的精确位置。如果能将一整块平板电容分割成许多块小电容,使粒子在到达不同的电容时产生不同的信号,这样就附带上了位置信息。不过为了提供电压,仍需如图6所示保留其中一块极板为公共极板平面,这样分割极板可为地电位。然而,单纯采用机械的分割方式单元尺寸仍然较大(一般在毫米量级),虽然已前进一大步,但测量精度还达不到物理学家的要求。所谓像素者,其英文Pixel 原为图像(Picture)和元素(Element)两者的结合,即图像的基本元素。要实现像素探测器,成为图像中的点,获得高位置精度,单元尺寸还应该进一步降低。 

   

  图6 微结构气体探测器示意图,采用整塊公共極板提供高壓,接收極被分割成大小相等的接收單元 

  

    單元尺寸的進一步降低意味著電極尺寸將進入微米量級,如果沒有半導體技術,我們很難想象如何構造一個如此精密的電容陣列。 

  爲了形成半導體電容器來探測粒子,我們分別在純淨矽的一側添加能提供富裕電子的n型摻雜,另一側添加能夠提供空位的p型摻雜(實際過程是首先進行全面n摻雜,然後在一側進行過量的p摻雜)。在兩種半導體的接觸區,可自由運動的正負電荷將發生中和,在這一區域內,將留下只剩束縛電荷的離子,無法産生自由電荷,稱爲耗盡區。這樣就形成了所謂的PN結,即一個形式上的二極管(圖7)。 

   

  图7 掺杂半导体中的载流子扩散(左)和PN 结形成(右),實心圓爲電子,空心圓爲空穴 

 

  在耗盡區中,形成了從N區指向P區的內電場,已經具有了電容器的特征,然而自然形成的PN結區域非常薄,有效探測區域很小。爲了擴大PN結的區域,我們可以給半導體加上反向電壓,使得電子和空穴分別流向電源的正負極。如果電壓足夠高(通常需要一、二百伏左右),這塊半導體中的所有自由電荷將全部被電源吸收,耗盡區將擴散到半導體的全部區域,成爲全耗盡PN結。此時內電場分布在整個範圍內,半導體區域全部成爲探測靈敏區,它對粒子的探測行爲就非常類似于平行板電容器了(圖8)。此時利用整塊公共極板提供反向偏壓,利用分割後的接收極實現對位置靈敏的探測。接收極的大小就決定了位置探測的精度。 

    

  图8 外加反向偏压的全耗尽PN 结对粒子的探测 

 

  利用半導體工藝,我們可以用精度更高的激光來控制分割精度(圖9)。首先利用激光在一塊不透光膠片上刻上微米尺寸的透光槽,然後將這塊膠片覆蓋在矽晶圓上,並利用摻雜離子束進行照射。晶圓的大部分區域都將被不透光區域擋住,而只有開槽部分能夠接收離子束,這樣便實現了高位置精度的摻雜和離子注入,也就是半導體技術中有名的光刻過程,不透光的膠片被稱爲掩膜(也有主要是透光區域的相反類型掩膜)。現代半導體工藝能夠以亞微米尺寸對精度進行控制,從而有可能實現微米量級的電極尺寸。這樣,我們終于成功的將物理信號轉換爲電信號,並且實現了對位置信息的探測,由于探測電極尺寸很小,依然能夠保證很高的位置測量精度。 

    

  图9 利用光刻和掩膜对半导体进行掺杂,實現了接收極的分割 

 

  如果我們認爲一個成功的探測器就是照相技術問題的全部,那就大大低估了問題的複雜度。事實上,探測器只解決了前文提到四個目標中的精確性問題。更大的困難在于,如何將這麽小尺寸,這麽密集的接收極的信號傳輸到計算機中進行處理。更准確地說,這是三個問題:如何將接收極信號引出,如何對引出信號處理,以及計算機如何接收並進行儲存。這也正好印證了四個目標中的剩下三個。 日常生活中,各種電器的電源線,隨身聽的耳機線,閉路電視的電纜線,它們都有一個共同的特征——可以傳送電信號。探測器産生的也是電信號,也需要通過電信號線傳輸。然而我們誰也沒見過直徑僅微米量級的連接線。無論是機械強度,還是對信號的傳輸能力(電阻率),即使能夠實現這樣的連接線,它的性能也很難滿足要求。另一個更嚴重的問題在于,我們實際上需要的是對分割後的接收極陣列的並排傳輸,並且由于接收極尺寸變得很小,這些連接線的定位精度要求也變得非常高。 

  三、如何引出?——新工藝帶來的曙光  

  在日常生活中,各種電器的電源線,隨身聽的耳機線,閉路電視的電纜線,它們都有一個共同的特征——可以傳送電信號。探測器産生的也是電信號,也需要通過電信號線傳輸。然而我們誰也沒見過直徑僅微米量級的連接線。無論是機械強度,還是對信號的傳輸能力(電阻率),即使能夠實現這樣的連接線,它的性能也很難滿足要求。另一個更嚴重的問題在于,我們實際上需要的是對分割後的接收極陣列的並排傳輸,並且由于接收極尺寸變得很小,這些連接線的定位精度要求也變得非常高。

  大家也許見過如同圖10中“夜光花”類似的玩具。它形象地表現了物理學家面臨的困境——如何實現這一束連接線同接收極陣列的精確連接,並正確傳輸信號?事實上,一束光導纖維在這個問題上面臨的困難要小得多,原因在于兩束臨近的光信號可以各自獨立遠距離傳播而不互相影響,而兩條緊鄰的電信號線的問題在于,首先由于線電阻的存在,將使信號衰減,無法實現遠距離傳輸;其次由于電容和電感的存在,一條信號線上的電信號將在另一條上疊加自身的一個比例複制,兩條線並行的距離越長,互相間影響越大。如果連接線的直徑只有十幾微米,長度也只有十幾微米,將可以保證小信號的原樣傳輸,減小線間的相互影響。因此下面要解決的問題就是要盡快將探測器的微小信號交給一個強力的接收器,也就是讀出電路,就可以利用第一手資料進行處理,從而暫時完成傳輸任務。 

   

  图10 “夜光花”——一束光导纤维對光信號的傳輸(上),下圖顯示了試圖采用同樣方式引出的半導體像素探測器示意圖 

 

  當連接線的長度和直徑都只有十幾微米時,聽上去似乎這條線將退化爲正圓柱形或球形?沒錯,人們正是利用圖11中顯示的一種金屬铟的小球來實現這條連接線。首先在分割後的接收極半導體上沈積金屬鋁的薄層圓盤作爲金屬接觸,然後在鋁盤上繼續通過特殊工藝沈積上高度和直徑都只有十幾微米的金屬铟小圓柱。在讀出芯片的對應位置也沈積上鋁連接圓盤陣列後,探測器和讀出芯片終于可以正式連接了。然而如何讓讀出芯片的鋁盤陣列同探測器铟柱陣列精確對准絕對是個難題,我們可以想象,這實際上要求兩者如圖12中那樣進行面對面連接,稱爲倒裝焊技術,于是其中之一將要面臨背向精確定位的問題。今天,利用現代精密機械,已經可以實現誤差只有幾微米的定位精度,然而幾十年前,人們無法想象如何才能完成這種高難度工藝。 

   

  图11 利用铟球倒装焊引出的像素探测器(左), 右圖是掃描電鏡中完成預制成,准備進行連接的铟球陣列 

   

  图12 正进行倒装焊定位的探测器系统(左)和已完成連接的一個像素單元結構示意圖(右) 

 

  爲了使探測器和讀出芯片連接緊密並導電良好,人們還要在保證兩者精確接觸的前提下加溫使铟球熔化。如同流線型的水滴般,在液體表面張力的作用下,熔化成液體的铟變爲球狀然後冷卻,填滿整個金屬接觸面,並使探測器和讀出芯片牢固地接合。這樣我們就把面對面的金屬接觸一一對應地“焊接”在了一起。好在铟的熔點較低,只有大約156℃,我們可以用相比其他金屬低得多的溫度來完成這一操作,這對嬌貴的半導體材料和電路來說都是非常重要的。當然,這也要得益于材料科學的發展,使我們得以發現金屬铟的優良特性。 

  看起来我们似乎已经做出了对分割后的接收极阵列信号如何引出问题的解答,解答的思路似乎很直接。然而不幸的是,由于制造工艺的限制,这一问题长时间以来制约了半导体探测器真正成为像素探测器。一开始,物理学家只能采用图13中的变通方案,并不将接收极平面分割成像素,而仅仅是分割成条形,这样利用条形电极本身,就可以完成部分信号的引出功能,然后在探测器边缘连接到读出电路。这种探测器称为硅微条探测器。显然,除非同时在条形电极两端引出信号并测量信号到达时间,否则这样的方式将只能测量一个方向上的位置信息。后来,先进半导体工艺发展使得人们可以同时在硅晶体的上下表面都进行离子注入和掺杂,从而可以利用上下表面分别进行X方向和Y方向的位置探测,实现二维位置分辨。然而当两条带电粒子径迹同时穿过二维条形探测器时,探测器将无法在读出条的两种组合中进行正确分辨,如图14中右图所示,也即具有多次击中问题。这样一来,二维条形探测器只能对单粒子入射事例进行测量,凡是两个以上的粒子同时入射,只能放弃对它的进一步分析,从而大大限制了入射的事例率。然而,正如即将讨论的,在几乎同样的位置分辨下,它的电子学路数可比像素探测器大大减少,因此硅微条探测器近年来已有大量应用,如在大型正负电子对撞机LEP上的ALEPH,DELPHI 等。在LHC 上的ATLAS和CMS实验也用它作为内径迹室,安排在像素探测器之外。 

   

  图13 一维硅微条探测器,接收極分割爲條形,邊緣引出信號 

   

  图14 利用双面工艺实现二维位置分辨,由邊緣引出信號(左); 

  右圖表示了二維條型探測器的多重性問題,兩條徑迹同時入射時,入射點組合(1,8)(3,6)和(1,6)(3,8)具有同樣的輸出表現 

 

  限制像素探測器發展的不是思想,而是技術。物理學家心中一直保留著那個目標的最終形態,然而正如我們開始就提到的,正是一個個關鍵技術的誕生,才使得像素探測器研究一步步向前推進。今天,物理學家終于可以不用再曲折地回避信號引出問題,而可采用最直接的方法實施像素對像素的點對點引出方案,得到比較完美的像素探測器結構。 

    细心的讀者也許算另外一筆賬:采用每面條的二維條形探測器,我們一共需要2套讀出電路;而采用列的像素探測器,則一共需要N2套讀出電路。顯然,像素探測器對讀出電路的需求相比條形探測器是呈指數上升的,那麽必須將每套讀出電路的開銷降到最低,包括制造成本的開銷,功耗的開銷等。如果我們再考慮到倒裝焊面對面連接的特點,這實際上還要求讀出電路單元的大小同探測器像素單元完全相同,否則將真的呈現“夜光花”的連接特點——越邊緣的單元铟球連接的長度將越長,無法完成大規模陣列的工藝制作。從實際功能上說,探測器單元産生的電信號也非常小,如果不采用一整套性能良好,功能複雜的讀出電路進行處理,探測器信號也將最終湮沒在環境中無法讀出。總結以上幾點,我們實際上需要在和探測器單元等大的很小面積內,設計一套功能複雜的讀出電路,電路的性能要求高,而成本、功耗開銷很小,使得整體消耗在可接受範圍內。 

  四、如何处理? ——大显身手的集成电路技术 

  细心的讀者也許算另外一筆賬:采用每面N 條的二維條形探測器,我們一共需要2N 套讀出電路;而采用N 行N 列的像素探測器,則一共需要N2套讀出電路。顯然,像素探測器對讀出電路的需求相比條形探測器是呈指數上升的,那麽必須將每套讀出電路的開銷降到最低,包括制造成本的開銷,功耗的開銷等。如果我們再考慮到倒裝焊面對面連接的特點,這實際上還要求讀出電路單元的大小同探測器像素單元完全相同,否則將真的呈現“夜光花”的連接特點——越邊緣的單元铟球連接的長度將越長,無法完成大規模陣列的工藝制作。從實際功能上說,探測器單元産生的電信號也非常小,如果不采用一整套性能良好,功能複雜的讀出電路進行處理,探測器信號也將最終湮沒在環境中無法讀出。總結以上幾點,我們實際上需要在和探測器單元等大的很小面積內,設計一套功能複雜的讀出電路,電路的性能要求高,而成本、功耗開銷很小,使得整體消耗在可接受範圍內。

  事物的發展都是由多種因素共同影響的。半導體工藝使得實現微米大小的像素單元成爲可能,但連接技術卻限制了接收極朝像素方向的進一步分割,而讀出電路的設計則是另一個重要的限制因素。今天,我們可以不假思索地給出這個問題的答案——集成電路技術,然而20年前,當物理學家還在使用幹電池大小的單個晶體管制作簡單放大器時,怎能想到這樣的一套電路,今天可以在僅僅幾十微米見方的面積內,實現更高的性能。集成電路的飛速發展,使這一切成爲可能。 

  現在探測器單元已經將粒子能量轉換爲了電信號,並且通過铟球倒裝焊,將電信號傳遞給了讀出電路。留給讀出電路的將是一項艱巨的任務。 

  讀出電路的根本任務,也是最大挑戰,就是將探測器微弱的電信號從環境噪聲中分離開來。在電世界中的噪聲是電信號的無規則組合。電噪聲産生的原因是多樣的,但有一點可以確定——噪聲是無法避免和徹底消除的,因此我們只能盡量降低噪聲對目的信號的影響。 

  圖15形象地說明了讀出電路的首要任務。探測器信號在傳遞到讀出電路時,已不可避免地疊加上了環境噪聲的影響。讀出電路需要從這樣的混合信號中,盡量將探測器信號提取出來,還原爲最真實的物理信息。當然,讀出電路本身也會不可避免地産生噪聲,這也要求電路本身的噪聲盡量低。然而對于讀出電路來說,探測器信號和噪聲信號都是電信號,本質上沒有區別。幸好圖15給了我們這樣兩個直觀的印象:探測器信號通常具有特定的形狀,而噪聲的形狀是雜亂無章的;探測器信號的大小(圖中點的明暗)跟被探測粒子的能量有關,而噪聲的大小通常只在一個平均值附近波動。 

   

  图15 噪点均匀分布的照片(左) 和噪聲過濾後(右)的照片 

 

  大家對篩子應該都很熟悉:一堆形狀不同的物體,形狀跟篩孔相符合的將被自動選出,而其他形狀的都將被過濾掉。讀出電路中也利用了這個思想。探測器信號的特定形狀本質上是由于電信號具有特定的頻率特性。如果我們能將低于和高于探測器信號頻率的信號都剔除掉,就將只剩下探測器頻率的信號,從而完成選擇任務。我們將電路中的這個信號篩稱爲濾波器。圖16就顯示了粒子物理讀出電路中的一種典型的濾波器結構。 

    

  图16 CR-RC 有源滤波器及其频率响应(時間常數1微秒) 

 

  我們知道,電容器是由兩個極板構成,電荷無法從一個極板直接運動到另一個極板,這也因此賦予了電容器“通高頻、阻低頻”的特性。我們的濾波器中的核心器件還是這個神奇的電容,我們調節電阻、電容值的大小,使電路允許通過的頻率正好等于探測器信號頻率,這樣就使非探測器頻率的信號都被濾掉,只剩下目標信號。不幸的是這只是非常理想的情況,實際中探測器信號有一定的頻率範圍,既有低頻成分,也有高頻成分,我們在濾掉噪聲的同時也使探測器信號受到了損失,就好比圖15中右圖的亮度變暗,細節變得模糊;同樣,任何頻率都有噪聲的存在,在我們的允許頻率內,該頻率的噪聲也通過了電路,溜到了輸出端,圖15中我們也能看到這部分噪點的存在。但是,縱然有許多不理想,我們仍保留了大部分有用信號,剔除了絕大部分噪聲,使信號分量和噪聲分量的比例相比未處理前大大增加了,即噪聲的影響被大大降低了。 

  爲了進一步擴大戰果,在濾波之後我們進一步利用了噪聲的第二個特性,即噪聲的大小通常只在一個平均值附近波動。圖17給出了一個形象的比喻:站在一片高高雜草中的小孩我們可能難以發現,而大人的存在卻一目了然,即使是在同一片雜草中。這表明,只要信號的幅度顯著大于噪聲,那麽我們也能很容易地將目標信號同噪聲分辨開。可以給電信號的大小設定一道關卡,凡是大于關卡的信號,就認爲是探測器信號,關卡以下的信號,都認爲是噪聲。我們將這道關卡稱爲甄別阈。顯然,應該將甄別阈設定得比噪聲的最大幅度稍大,這樣能夠保證將所有的噪聲都排除;同時應該在此基礎上將甄別阈設定得盡量低,因爲在設定甄別阈的同時,也會將一些幅度很小的有用信號當作噪聲排除,需要盡量減少這部分的損失。 

   

  图17 放大甄别的思想和甄别阈的设定 

 

  像素探測器輸出信號的問題在于其信號幅度很小,如果直接進行甄別,可能同噪聲的區分不太明顯,這樣將損失掉很多真實信號。因此還需要利用放大器將信號放大。雖然放大器在放大信號的同時也對噪聲進行了等量的放大,但是放大器沒有改變信號頻率特性,所以我們還是能夠配合采用濾波的方法,一方面得到較大的探測器信號,另一方面增大信號和噪聲的區別,從而很容易地利用一道甄別阈將信號分辨出來。 

  值得注意的是,噪聲是無處不在的,放大器本身也會産生噪聲,因此我們應該讓濾波器和甄別器兩者緊密相連,避免因爲額外添加的中間過程使本來取得的濾波成果變差,于是最終演變成了圖18中讀出電路經典的“放大-濾波-甄別”結構。 

   

  图18 像素单元电路:放大-滤波-甄别结构 

  讀出電路之後的任務就根據粒子物理實驗的需求而五花八門了。甄別信號是否過阈的“0”和“1”標志,實際上將敏感的信號大小信息(稱爲模擬量)轉換爲了對噪聲不敏感的二進制信號(稱爲數字量)——即使噪聲增加到一個相當大的程度,“有”就是“有”,“無”就是“無”。于是我們可以利用甄別信號對一段時間內到達的粒子數進行計數,從而反映圖像強弱的變化;利用芯片內的數字秒表(計數器),也能測量甄別信號出現的時間,分析不同位置像素單元發生事件的因果關系;甚至還能測量放大濾波後信號的大小,即不經過甄別器而直接測量粒子的能量,獲得第一手的能量測量數據。然而不管需求如何變化,“放大-濾波-甄別”方法都是粒子物理實驗中讀出芯片進行信號處理的主要手段。 

  本來,對一般探測器來說,讀出電路的任務到這裏就算告一段落了。然而每個像素單元間都不是獨立的個體,它們需要組成一台精密相機,只有當每個單元在相同輸入時都給出相同輸出,最終的照片才會反映真實的世界,否則有的單元亮度很高,有的單元信號基本不放大,最後就會出現圖19中的哈哈鏡效果。這樣的相機也肯定無法用來測量精密度要求非常高的粒子物理事件。因此像素探測器還要求很好的像素單元一致性,不光是放大器的增益,還包括濾波器的允許頻率,以及各個單元的甄別阈等。由于單元數很多,這些不一致性大小的隨機分布最後都將等價爲電路的噪聲。不幸的是,集成電路工藝在制造過程中將不可避免地引入不一致性。爲了抵消這種不一致性,我們只能首先測量每個單元的實際甄別阈,然後利用一個可控制的修正器,人爲地將每個單元的阈值修正到一個統一值。只有完成了這一步,所有的像素單元才能統一工作,否則永遠只能各自爲陣,無法給出整幅粒子物理的圖像。 

   

  图19 凸面镜(非平面镜)和增益不一致時導致的圖像畸變  

 

  五、如何存儲?——最後的考驗 

  現在看起來探測器微弱的信號經過讀出芯片的處理後終于安全了,然而九九八十一難,克服了最後一難才算功德圓滿。雖然像素單元將一切都處理得很好了,但是不要忘了,我們的單元總數是巨大的,如何將處理完成的單元信息儲存下來將是我們面臨的最後一個難關。

  顯然我們不可能爲每個像素單元提供一台計算機專門處理,只能依靠數量有限的信號線將單元信息依次傳出,發送給計算機。好在讀出線路留給我們的數字信號已經不像探測器信號一樣嬌弱,抗幹擾能力比較強,也適合遠距離傳輸,于是我們可以靈活地采用各種手段,從像素單元中收集信息。 

  研究中小學課堂如何收作業能給我們很多啓發。無論是由小組長負責將每個組員的作業依次收集,再交到學習委員手中,還是每排從後往前依次將作業往前傳,都是老師們根據長期經驗總結出的一套高效的作業收集方式。它們的特點是,基本上每個人都有作業需要提交,采取的無意義操作很少;而采用的這兩種方式都可以僅僅利用單一通道或人員完成高效的收集。類似的方法也用在像素單元普遍工作,信息量很足的情況。對應于小組長收作業的方式,稱爲令牌輪詢方式。當令牌有效時,像素單元占用公共信號線,將本單元信息傳出,然後將令牌傳遞給同列相鄰的下一個像素單元,這樣每列只需要一根公共信號線就能完成全部信息的有序送出。而從後往前依次的傳遞,對應串行鏈的傳輸方式。不需要通過小組長(令牌)的審查,直接將所有信息從前往後依次輸出。當有少量空閑單元時,串行鏈方式可能會花費稍多的讀出時間。 

  相對而言,如果課堂中有人舉手,將吸引全班同學傾聽他的發言,則是另一種有效的信息收集方式。可以想象,這要求有發言要求的人比較少,否則如果全班都舉手,一來需要老師一一允許依次發言,二來其他同學都要等待前一位同學發言完畢才能輪到自己。顯然,當舉手的同學很多時,逐一詢問是否發言是非常浪費時間的。對應像素芯片中的讀出方式稱爲觸發方式。芯片中任何單元有粒子信號時,都將引起全芯片讀出單位的注意,盡快處理該信號。這種方式比較適合于事例率高,但粒子擊中單元較少的情況。 

  這裏看上去講的還是信息的引出,實際上正是如何儲存的關鍵問題。如同蓄滿水的水池需要通過有限大小的管道排水,我們也不可能瞬間將所有的單元信息取出,然後要求計算機立即把這些信息儲存下來——不要忘了像素數量是巨大的,這要求傳輸、處理和保存的可能是每秒數太(1太=1兆兆=1012)字節,約相當于50部藍光高清電影的大小。沒有任何一種數據傳輸方式(總線協議)能實現這樣高速的傳輸,沒有任何一台計算機能完成這樣高數據率的處理,也沒有任何一塊硬盤能將這樣大的數據量瞬間儲存。這也就是爲什麽家用相機從來無法號稱是高速相機。即使單反已能實現很高精度的拍攝,卻需要較長時間的存儲過程,如果需要的話,每張照片也是幾十兆字節的大容量。高速配上高精度,就需要付出相當的代價,需要一整套設備的支持。我們也只能在像素單元暫存的海量信息中拉出幾條數據流大水管,使信息盡量快地流入到計算機和硬盤中進行處理和存儲。得益于計算機迅猛發展,數據處理效率也越來越高,使得這樣大的數據量最終能被計算機接收並處理,在硬盤上找到歸宿,否則粒子物理學家可能只能退而求其次,采用較少的單元數降低精度,或者降低粒子事件率來降低速度,使好不容易得到的數據不會因爲無法儲存而浪費。 精密的儀器就需要越仔細的保護。我們可以想象,將一台相機直接靠近一枚炮彈的落點進行拍攝,對這台相機的穩定性將提出多大的考驗。更何況我們的像素探測器需要常年累月的記錄高能粒子炮彈的對撞信息。粒子炮彈對撞後的彈片——高能次級粒子不斷的轟擊我們的探測器和讀出電路,將對敏感的矽晶體造成各種瞬間或持續的影響。水滴石穿,繩鋸木斷,何況是粒子炮彈數十年如一日的不斷轟擊?相比隱蔽在後排的各種其他探測器,粒子炮彈對像素探測器的影響要大得多。這些炮彈一方面有可能將矽晶體中的原子撞離它原有位置,影響晶體中的載流子濃度,另一方面這些帶電粒子有可能停留在氧化絕緣層上,將電荷積累下來,形成一個逐漸變強的電場同外加電場相對抗,阻止PN結的形成。天長日久,探測器的性能將越來越差,最終無法使用。對于讀出電路來說,除了上面這些效應外,高能粒子還有可能瞬間改變讀出電路的一些記憶信息,例如將已保存的甄別信號從“1”變爲“0”,就好比全黑的照片上突然出現一個白點。更有甚者,某些極高能量的粒子還有可能造成讀出電路局部的短路放電,使電路燒毀,造成永久性的致命損傷。 

  六、奮戰在槍林彈雨中的“戰地記者” 

  越精密的儀器就需要越仔細的保護。我們可以想象,將一台相機直接靠近一枚炮彈的落點進行拍攝,對這台相機的穩定性將提出多大的考驗。更何況我們的像素探測器需要常年累月的記錄高能粒子炮彈的對撞信息。粒子炮彈對撞後的彈片——高能次級粒子不斷的轟擊我們的探測器和讀出電路,將對敏感的矽晶體造成各種瞬間或持續的影響。水滴石穿,繩鋸木斷,何況是粒子炮彈數十年如一日的不斷轟擊?相比隱蔽在後排的各種其他探測器,粒子炮彈對像素探測器的影響要大得多。這些炮彈一方面有可能將矽晶體中的原子撞離它原有位置,影響晶體中的載流子濃度,另一方面這些帶電粒子有可能停留在氧化絕緣層上,將電荷積累下來,形成一個逐漸變強的電場同外加電場相對抗,阻止PN結的形成。天長日久,探測器的性能將越來越差,最終無法使用。對于讀出電路來說,除了上面這些效應外,高能粒子還有可能瞬間改變讀出電路的一些記憶信息,例如將已保存的甄別信號從“1”變爲“0”,就好比全黑的照片上突然出現一個白點。更有甚者,某些極高能量的粒子還有可能造成讀出電路局部的短路放電,使電路燒毀,造成永久性的致命損傷。

  爲了盡量延長像素探測器的壽命,人們一方面采用增加外加電壓等方法抵消電荷效應,另一方面改進半導體工藝,試圖降低輻射損傷的影響。對于記憶單元,也采用容錯設計來提高它對高能粒子幹擾的抵抗能力。不過這些抗輻射加固方法還沒有從根本上解決輻射損傷問題,雖然比起過去,像素探測器的壽命已經大大延長,但畢竟還是有限的,大約經過十年左右的使用時間,就需要考慮采用一套全新的探測器來更換已經老化的設備。 多新粒子的發現,都得益于當時的先進技術和新探測器的研究。利用照相徑迹技術的鼻祖——威爾遜雲室,物理學家發現了正電子、μ 子等粒子;利用核乳膠技術,發現了π介子、K介子等。這些都是照相徑迹技術在昨天取得的輝煌。雖然經曆過低谷,像素探測器今天又重新站在了粒子探測的第一線——最靠近對撞中心,事例率最高,位置分辨率最高,設計最精密。它重新代表了粒子探測器領域的最前沿。今天,在大型強子對撞機(LHC)中的幾個實驗ATLAS、CMS 中,像素探測器正發揮著舉足輕重的作用(圖20)。以ATLAS實驗的像素探測器爲例,每個像素單元的尺寸僅僅250微米長、50微米寬。由于每個單元的讀出電路同時測量了粒子的能量、到達時間等信息,使得位置測量的精度最終能夠好于10微米。與此同時,每平方厘米的面積內,每秒的平均擊中粒子數將達到驚人的四億次,這使得每塊讀出芯片每秒將有20兆字節的信息需要輸出並被儲存,而整個像素探測器共有數千塊這樣的讀出芯片,這需要采用特殊的壓縮算法才能將信息讀出。即使這樣,每秒仍然有幾十吉字節的信息量。對于受輻射損傷最嚴重的像素探測器來說,每塊像素芯片需要承受250兆拉德以上的總輻射照射量,相當于僅一克的物質承受2500焦耳的能量。即使采用了最先進的工藝和電路設計,探測器整體壽命預計也只有區區十年左右的時間。 

  七、像素探測器的昨天、今天和明天 

  许多新粒子的发现,都得益于当时的先进技术和新探测器的研究。利用照相径迹技术的鼻祖——威尔逊云室,物理学家发现了正电子、μ 子等粒子;利用核乳胶技术,发现了π介子、K介子等。这些都是照相径迹技术在昨天取得的辉煌。虽然经历过低谷,像素探测器今天又重新站在了粒子探测的第一线——最靠近对撞中心,事例率最高,位置分辨率最高,设计最精密。它重新代表了粒子探测器领域的最前沿。今天,在大型强子对撞机(LHC)中的几个实验ATLAS、CMS 中,像素探测器正发挥着举足轻重的作用(图20)。以ATLAS实验的像素探测器为例,每个像素单元的尺寸仅仅250微米长、50微米宽。由于每个单元的读出电路同时测量了粒子的能量、到达时间等信息,使得位置测量的精度最终能够好于10微米。与此同时,每平方厘米的面积内,每秒的平均击中粒子数将达到惊人的四亿次,这使得每块读出芯片每秒将有20兆字节的信息需要输出并被储存,而整个像素探测器共有数千块这样的读出芯片,这需要采用特殊的压缩算法才能将信息读出。即使这样,每秒仍然有几十吉字节的信息量。对于受辐射损伤最严重的像素探测器来说,每块像素芯片需要承受250兆拉德以上的总辐射照射量,相当于仅一克的物质承受2500焦耳的能量。即使采用了最先进的工艺和电路设计,探测器整体寿命预计也只有区区十年左右的时间。

  這樣先進的探測器系統源自于物理學家對真實世界的不懈探索——不斷的改進探測器性能,改進制造工藝,利用先進技術,最終凝聚爲像素探測器的四個最終目標:精確性、高速傳輸、高效自動的處理、以及高速可靠的保存。這同樣也是其他所有探測器發展曆程的一個縮影。 

   

  图20 CMS 像素探测器结构和数据读出方案 

  物理學家並沒有滿足于今天比較完美的像素探測器形態,他們還想更精確的了解物質世界。他們想要更高的位置測量精度,爲此想要更小的像素尺寸,于是他們考慮將讀出電路折疊成幾層設計,形成圖21中三維結構的電路,將面積疊放到縱向,爲此需要采用最先進的矽超級通孔技術來連接讀出電路的各層信號。他們想要更高效的處理,爲此嘗試采用最先進的、可以媲美CPU工藝的65納米集成電路工藝,在更小的面積上實現更複雜的功能。他們還想要更高速的傳輸和存儲,爲此一系列高速總線傳輸協議、高速磁盤陣列技術都在火熱的研究中。也許看上去很瘋狂很異想天開,但昨天正是物理學家的瘋狂和執著,才推動了今天如此複雜技術的實現。我們期待著看到像素探測器更精彩的明天。 

   

  图21 三维电路示意图,左爲傳統像素,右爲三維像素結構 

  (本文選自《現代物理知識》2012年第4期,作者:魏 微  中國科學院高能物理研究所/ 核探測與核電子學國家重點實驗室,時光摘編) 


中國科學院高能物理研究所    备案序号:京ICP备05002790号
地址:北京市918信箱    邮编:100049    电话:86-10-88235008    Email: ihep@ihep.ac.cn