殷中寶王亞平周代翠
華中師範大學物理科學與技術學院粒子物理研究所；華中師範大學夸克與輕子物理教育部重點實驗室
大型重離子對撞機實驗（ALICE）是大型強子對撞機（LHC）上唯一致力於研究極端相對論下的原子核碰撞的實驗。其目標是研究強相互作用物質在實驗室達到的極高能量密度下的物理特性。在極高能量密度下，能夠產生一種新的物質形態——夸克-膠子等離子體。宇宙被認為在大爆炸後的最初幾百萬分之一秒就處於夸克-膠子等離子體狀態。在實驗室裡重現宇宙初期的物質形態並理解它是如何演化的，將有助於理解當今物質世界的形成和組分以及夸克和膠子的禁閉機制等物理學前沿重大科學問題。為此，ALICE對重核（如鉛核）碰撞產生的強子、電子、繆子和光子進行了全面的探測和研究。為了與核-核碰撞相比較，ALICE也研究質子-質子和質子-核碰撞。至2021年，ALICE將完成探測器的重大升級，以進一步增強其探測能力，並在未來十多年繼續在LHC上進行它的科學探索之旅。
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ALICE探測器升級簡介
ALICE今年將完成其探測器、資料採集和資料處理系統的升級，提高物理探測能力，從而提高夸克-膠子等離子體的特徵的提取精度，並探索量子色動力學（QCD）中的新現象。
為了精確測量強相互作用物質，ALICE將專注於稀有探針，如重味粒子、夸克偶素、光子、低質量雙輕子，以及噴注淬火和奇異核的研究。觀測稀有現象需要非常大的資料樣本。在LHC第三次執行期間，鉛核-鉛核反應率預計將達到五萬赫茲，對應的瞬時亮度為6 × 1027每平方釐米每秒。這將使ALICE積累的積分亮度和資料樣本比目前所獲得的大十倍以上。此外，由於徑跡探測器精度的提高，升級後的探測器系統對含有重味夸克的短壽命粒子的探測效率更高。
在LHC第二次長停機期間（2019~2021年），ALICE要進行幾項重大升級：一個新的高解析度、低物質量的矽畫素內尋跡系統（ITS2）和一個新的前向繆子徑跡探測器（MFT），時間投影室的讀出室升級為氣體電子倍增（GEM）探測器並採用全新的快速讀出裝置，升級多個子探測器的讀出電子學系統，新型快速相互作用觸發（FIT）探測器，和整合的線上-離線計算系統，以處理和儲存大量資料。
利用升級後的探測器，ALICE將實現如下物理目標：拓展對開粲、開底介子和重子的精確測量範圍至橫動量零，研究重夸克與夸克-膠子等離子體的相互作用，確定QGP的輸運係數，研究粲夸克熱化程度及其強子化。拓展對J/ψ，ψ ‘的精確測量至極低的橫動量區，並實現對瞬生和非瞬生J/ψ的有效分離，以探索熱密物質環境下粲偶素的離解和再產生，研究色禁閉解除和介質溫度。為確定QGP的初始溫度和狀態方程等提供重要資訊，測量低不變質量、低橫動量區的雙輕子產生，探尋手徵對稱性恢復的訊號。透過測量噴注內強子組分、重味噴注的產額等，研究噴注淬火效應和熱密物質環境對部分子碎裂的影響。測量輕核和超核的產生，研究它們的產生機制和參與集體運動的程度。
本文主要介紹ALICE內尋跡系統的升級：這是2011年啟動的一項重大國際合作研發工作。包括中國在內的15個國家的35個研究機構一起，經過為期五年的密集研發計劃，於2017~2019年完成探測器各關鍵部件的成功原型製作和生產，運抵歐洲核子研究中心（CERN）後在CERN 167號樓進行組裝和測試。建成的新的內尋跡系統於2021年初安裝在LHC隧道ALICE實驗的洞穴裡。
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新的內尋跡系統
新的內尋跡系統
（即ALICE第二代內尋跡系統——
ITS2
）是一種基於互補金氧半導體（CMOS）的單片有源畫素感測器（MAPS）的
全畫素矽探測器
，覆蓋中心快度區（|η|
如圖1所示，ITS2是由ALPIDE晶片構成的七個圓柱形筒組成，分為兩個子系統：內筒（IB）由27釐米長的三層組成，半徑分別為2。3、3。1和3。9釐米；外筒（OB）由兩個84釐米長的中間層（ML）組成，半徑分別為24和30釐米，兩個148釐米長的外層分別位於42和48釐米處。晶片總面積為10平方米，含125億個畫素單元。新設計的束流管半徑為18。6毫米（以前為39毫米），允許ITS2的最內層以22。4毫米的半徑靠近束流軸。
圖1新的ALICE ITS設計以及內、外筒各層
ITS2將提高碰撞引數解析度，橫向平面（rϕ）提高三倍，束流軸（z）方向上提高五倍。它將把尋跡能力擴充套件到更低的橫動量，使ALICE能夠以前所未有的精度對重味強子進行測量。ITS2還將增強讀出能力，允許在超過五萬赫茲的反應率下進行資料讀出和記錄。讀出速度的提高以及新的資料採集系統的部署，將允許記錄所有碰撞事例，若轉化為可收集的最小偏差統計資料，比升級前的ALICE的資料採集能力提升了大約兩個數量級。表1給出了內尋跡系統升級前後的效能比較。
表
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內尋跡系統升級前後的效能比較
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ALPIDE晶片
ITS2所期望的高水平的頂點重建和尋跡效能對探測器的粒度和材料的輻射厚度提出了嚴格的要求。為迎接這一挑戰，包含中國組在內的ALICE-ITS2晶片研發合作組聯合開發了一款專用的MAPS晶片，即ALPIDE，將畫素感測器和讀出電子學器件整合在一起。
ALPIDE晶片的大小為15×30平方毫米，採用Tower半導體公司提供的180奈米CMOS工藝。該工藝的一個關鍵特徵是深p-阱層（深p-型植入物），如圖2，將包含PMOS電晶體的n-阱（n-阱植入物）從外延層遮蔽並且防止它們收集訊號電荷，從而允許在畫素電路中實現完整的CMOS（N型金氧半導體NMOS和P型金氧半導體PMOS）電路，並使ALPIDE成為第一個具有類似於混合畫素探測器的稀疏讀出的CMOS晶片。總電離劑量（TID）容限要求是用小厚度柵氧化層實現的，而電阻率大於1000歐姆釐米的25微米p型外延層和對襯底施加反向偏壓的可能性增加了對非電離能量損失（NIEL）的耐受性。束流測試表明，在TID和NIEL輻射後，在大的閾值範圍下，ALPIDE晶片具有良好的效能，探測效率大於99%，空間解析度在5微米以下。
圖2 ALPIDE晶片的CMOS畫素感測器的截面示意圖
ALPIDE晶片包括一個由29。24×26。88平方微米的畫素單元組成的512×1024矩陣（圖3），以及模擬偏置、控制、讀出和介面。每個畫素單元包含一個感測二極體、一個前端放大器和整形器、一個甄別器和一個數字電路部分。畫素單元按雙列排列，並由優先順序編碼器讀出，該編碼器將記錄命中的畫素的地址傳送到晶片外圍電路讀出。沒有擊中的畫素不被讀出，使得讀出過程更快，並且降低了功耗，每個畫素的功耗約為40納瓦。訊號感測二極體比畫素單元小100倍。穿過感測器的帶電粒子透過電離釋放材料中的自由載流子。在外延層中釋放的電子向側向擴散，而保持在縱向位置基本不變。當它們到達感測二極體的耗盡區（或直接在其耗盡區釋放）時，耗盡區中的電場將它們掃向二極體觸點。空穴由基板和p型阱收集。由外延層中的載流子運動引起的二極體電流由畫素前端讀出。在襯底上施加適當的反向偏壓可以增加收集二極體周圍的耗盡區，提高信噪比。
圖3 ALPIDE的圖片（a）和讀出結構（b）
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探測器建造
ITS的升級對機械工程提出了挑戰。ALPIDE感測器的結構支撐需要嵌入冷卻系統，並要儘量減少材料的輻射厚度，以確保高效能。為此，ALICE開發出超輕高導熱碳結構冷卻板，板中嵌入能在亞大氣壓下工作的微型聚醯亞胺水冷管。
ALPIDE晶片散發的熱量透過碳板進入冷卻管道，最後透過管道中流動的水排出。聚醯亞胺管的直徑非常小，小於1毫米，ITS2內三層的管壁厚度僅為25微米。
為確保機械穩定性，冷板由空間框架支撐，空間框架是一種具有三角形橫截面的輕質絲纏繞碳結構。這一概念既適用於ITS2內筒（IB）三層的狹板（如圖4），也適用於外筒（OB）的四層狹板。每一層基於不同的幾何和熱約束來定製。每個IB狹板（包括冷卻管）的重量僅為1。7克。
圖4 IB HIC模組粘在機械支架上組裝成的IB狹板
IB狹板由一個IB混合積體電路（HIC）模組組成。IB HIC模組由九個厚50微米的ALPIDE晶片組成（見圖5）。這些晶片在ALICE定製的模組組裝機器ALICIA中對齊，並貼上在鋁基柔性印刷電路（FPC）上。晶片焊盤透過導線繫結到FPC過孔。每個晶片分別以十二億位元每秒的速度與其他晶片並行讀出。最後，IB HIC被粘在一個冷板上。
圖5內層HIC模組的照片。插圖顯示了相鄰晶片之間的間距以及透過導線連線到柔性印刷電路板的綁線
OB狹板由兩個半狹板組成。OB分為兩個中間層和兩個外層，它們具有相同的設計，但長度不同，中間層的半狹板由四個OB HIC模組組成，而外層由七個OB HIC模組組成。OB HIC由14個厚100微米的ALPIDE晶片組成，分為兩行：每行的第一個晶片作為主晶片，在同一行的其他6個晶片之間傳輸控制訊號和資料。與時鐘訊號、控制訊號和資料線相對應的晶片焊盤與銅基柔性線路板連線。對於OB，供電線是透過6個鋁卡普頓交叉電纜直接焊接到FPC上。
使用座標測量機（CMM），將4個（用於中間層）或7個（用於外層）OB HIC對齊，並粘在碳複合冷板上。HIC透過在其短邊上焊接導電橋而彼此互連。FPC擴充套件被新增到第一個HIC上，以將全鏈連線到外部讀出和控制系統。這樣就建造出OB半狹板。
將兩個半狹板對齊並部分重疊地粘合到具有相應長度的空間框架上，形成完整的OB狹板。然後將半狹板的左右兩側延伸的交叉電纜焊接到一個鋁卡普頓電源總線上。
狹板按半層組裝，並插入結構筒殼中，如圖6所示為內筒，而圖7為外筒組裝時拍攝的照片。三個內半層構成內筒的一半，而四個外半層構成外筒的一半。
圖6內筒的三個半層由24個狹板組成。內筒將ITS2的最內層固定在離束流管兩毫米的位置
圖7在歐洲核子研究中心167號樓ITS組裝廳組裝時拍攝的照片。其外筒上半部分的第5層和第6層（L5T和L6T）已經組裝好，而第3層（L3T）和第4層（L4T）正在組裝中
ITS2的桶部和整個機械裝置的設計受到了新的探測器佈局和新的安裝要求的進一步挑戰。服務設施只能在一側連線，以便在每年冬季LHC停機期間能較快接近ITS2，而無需拆卸周圍的探測器。
一種新的安裝策略允許半個ITS2探測器沿束流管平移約3米。在平移過程中，兩個半個ITS2逐漸接近最終位置，最內層與束流管的徑向距離僅為2毫米。
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探測器預除錯
所有機械結構於2018年完工。第一批裝備齊全的內筒狹板於2017年完成生產，並在CERN的SPS重離子碰撞實驗條件下進行了測試，而其他狹板的生產於2019年底完成。所有其他主要探測器元件（讀出電子裝置、配電系統、觸發器、資料採集、探測器控制）和執行保障裝置（電源、冷卻裝置）也已生產併成功測試。
自2018年5月以來，合作組開始用宇宙射線測試不同的探測器元件。在CERN的167號樓的一個特定區域內，值班人員控制探測器的各種引數，並收集資料。預測試取得了大量的試驗結果，各子系統的執行引數及其整體效能得到了最佳化。此外，這些測試結果允許仔細檢查任何遺留問題，並在2021年初安裝到ALICE洞穴之前得到解決。
測試結果表明，探測器的熱噪聲極低，小於6 e，加上約20 e的閾值偏差，探測器工作時的信噪比大於10，探測效率大於99%。探測器的各項效能均超出原設計指標要求。圖8所示為假命中率（在無束流的環境下以50 kHz讀出率採集資料時，有訊號輸出（稱為被擊中）的畫素計數除以總事例數和總畫素數）隨遮蔽掉的畫素數的變化情況。在遮蔽掉2800萬個畫素中擊中率較高的42個畫素後，第半層的假命中率下降到10-10/畫素/事件以下。此外，測試結果證實了所採用的技術的可靠性，因為隨著時間的推移，探測器的效能保持非常穩定。
圖8假命中率隨被遮罩的畫素數的變化。該圖顯示出一小部分畫素是造成大多數假擊中的原因。不同的顏色對應於給定擊中頻率下的畫素數目。只有幾次擊中的畫素可以部分歸因於宇宙線
由於幾何結構的重疊，一個單一的半層有一個小的、但不可忽略的重疊區，能使粒子穿越三個感測器，從而產生徑跡上的三個點。基於此，可以重建出宇宙線的徑跡。研究小組已經收集了大量的宇宙線樣本（圖9顯示了大約1400個）。這些資料能用於驗證事件讀取和重建中的時間對齊，驗證狹板的幾何位置，並將依次（包括更多探測器層）用於ITS2的不同層之間所需的超精密空間位置校正。
圖9重建的第一批約1400個宇宙線的三維檢視
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結語
新的ITS探測器是升級版ALICE的一部分，在LHC的下一次執行中，它將提供一系列新的更精確的測量，以實現研究QCD和夸克-膠子等離子體特性的長期目標。
ITS2不僅將提高ALICE實驗的物理效能，而且它的許多技術已經超越了國際上最先進的水平。目前，這項研發工作的成果不僅被應用於其他高能物理實驗（如BNL的RHIC sPHENIX和JINR的NICA MPD實驗的內尋跡系統），而且也被應用於其他領域。其中一個最熱門的例子是，研發用於強子治療癌症的質子計算機斷層掃描（pCT）探測器。為ITS升級而開發的ALPIDE晶片可以顯著提高影象重建的精度，而同時能減少對患者輻照時間。
ALICE合作組經過近10年的巨大努力，成功研製出了ITS2探測器，並將在今年內完成最終安裝和除錯，為2022年投入LHC第三期執行取數和發現新的物理現象鋪平道路。
ALICE中國團隊（華中師範大學、中國原子能科學研究院、中國科技大學和復旦大學）在ITS2研製過程中發揮了重要的作用。中方與ALICE矽畫素團隊聯合研發了國際上最先進的基於MAPS技術的矽畫素晶片，完成了450個混合積體電路模組的整合與測試，在國內率先掌握了矽畫素晶片設計和5微米定位精度的晶片整合技術；並同期參與了基於MAPS矽畫素晶片技術的ALICE前向繆子徑跡探測器的研製工作。透過國際合作，推動了國內自主研發新型TopMetal晶片在蘭州大科學實驗裝置束流檢測中得到應用，以及將MAPS技術推廣應用到我國CEPC的矽畫素頂點探測器的預研工作中，為國家重大科技戰略服務。
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