Проект SiPM - модернизация адронного калориметра HCAL CMS

В 2009 г. коллаборацией CMS было принято решение о начале работ по модернизации адронного калориметра HCAL детектора CMS для работы в условиях высокой светимости ускорителя SLHC (3х10³⁴ см^-2сек^-1). Одной из важнейших задач этой модернизации является разработка новых фотоприемников для HCAL и замена ранее установленных фотоприемников - гибридных фотодиодов HPD (Hybrid Photo Diods) - на микропиксельные лавинные фотодиоды (МЛФД), также известные как кремниевые фотоумножители - SiPM

Причины, по которым необходима такая модернизация, заключаются в следующем:

- оказалось, что при напряженности магнитного поля порядка 1-2 Тл в гибридных фотодиодах возникают электрические разряды, приводящие к увеличению шума фотодиодов и выходу их из строя;
- в условиях высокой светимости калориметр "перегружен" сигналами от частиц с низкими энергиями (т.н. эффект наложений или "pile up"). Для лучшего выделения частиц с высокими энергиями в баррельной и торцевой частях HCAL было предложено увеличить продольную гранулярность калориметра. Считывание сигналов с разных слоев калориметра должно также помочь компенсировать эффект радиационных повреждений в сцинтилляторах и спектросмещающих волокнах.

МЛФД были выбраны из-за их высокой квантовой эффективности, нечувствительности к магнитному полю, компактности и сравнительно низкой стоимости. Однако тесты коммерчески доступных МЛФД (фирм Hamamatsu, Zecotek и др.), проведенные в 2010 г., показали, что не все их параметры удовлетворяют условиям работы в HCAL и что МЛФД нуждаются в существенной доработке. Была принята программа по улучшению параметров МЛФД, которая установила основные цели разработки:
- уменьшение времени восстановление ячеек МЛФД до 5-15 нс;
- увеличение динамического диапазона МЛФД до 10000?15000 ячеек/мм²;
- сохранение высокой квантовой эффективности МЛФД (больше 15%) при высокой плотности ячеек (1000-15000 ячеек/мм²);
- улучшение радиационной стойкости МЛФД (устойчивая работа в потоках нейтронов вплоть до 3х10¹² н/см²);
- уменьшение чувствительности МЛФД к быстрым нейтронам (вероятность сигналов, вызванных нейтронами, должна быть меньше 10^-4, при пороге регистрации 25 фотоэлектронов).

Участие группы ИЯИ РАН в модернизации HCAL в основном сконцентрировано на разработке и внедрении нового типа фотодетекторов для регистрации сцинтилляционных сигналов с адронного калориметра. Основное направление работ группы состоит в следующем:

- разработка и запуск автоматизированной установки для получения основных характеристик МЛФД, таких как спектральная чувствительность, усиление, линейность, время восстановления, радиационная стойкость и др.;
- изучение радиационной стойкости приборов под действием радиационного облучения нейтронами, протонами и гамма-квантами;
- исследование чувствительности МЛФД к облучению нейтронами;
- разработка электроники съема сигналов МЛФД и их обработка;
- тестовые измерения HCAL на пучках частиц SPS в ЦЕРН;
- анализ и обработка данных тестовых измерений.

Матрица МЛФД фирмы КЕТЕК в тестах на пучках пионов ускорителя SPS.