近日,中科院高能所团队参与的CMS端盖电能表升级项目完成了CMS高粒度电能表硅模块样机的试制。同时,在高能所完成硅组件的初步电子测试后,硅组件已被送往CERN进行束流测试,组件制作关键步骤的视频已共享给合作组。这标志着高能所已经初步掌握了HGCal硅组件的制造工艺,具备了生产HGCal硅组件的能力,为后期量产奠定了基础。该模块是CMS合作组使用新设计的前端电子NSH HGCROC V2公司制造的第一个8英寸硅模块,也是除美国加州大学圣巴巴拉分校以外的单位首次成功制造出电能表的高粒度硅模块。
为了满足高亮度大型强子对撞机升级改造中的高抗辐射要求,CMS实验合作组采用了以硅和闪烁体为敏感介质的三维位置取样量能器的设计方案,取代了原有的端盖量能器。HGCal的最高部分暴露于10 ^ 16当量MeV中子/cm 2。它每立方厘米电子读出多达一个通道,每个通道记录空之间的位置信息,包括信号、沉积能量信息和时间信息。所以这种设计也叫五维电能表。HGCal的设计能量分辨率为23-27%/sqrt,时间分辨率为50ps。实现粒子流算法,提高射流能量的测量精度,是一种理想的能量计。这也是该方案首次大规模应用于现有的大型实验。
高能研究所是首先提出HGCal计划的十个签署者之一。在2018年公布的TDR中,确定由高能所承担HGCal硅模块组装中心的建设。按照硅模块中心的比例,高能所要为CMS合作组生产100平米以上的HGCal硅模块,占总数的1/6。此次生产的模块采用滨松生产的8英寸硅传感器和HGCROC前端电子芯片。传感器和前端电子器件通过点胶集成在一起,硅传感器上的每个像素单元通过直径为25微米的铝线与前端电子器件连接。最后,键合线被封装胶封装和保护。在试生产过程中,严格遵守质量控制流程,硅模块的厚度控制和装配精度满足CMS合作组的要求。电子测试结果表明,整个硅模块工作正常,组装前后的噪声水平符合预期。
高能所团队广泛参与国际合作,与美国加州大学圣巴巴拉分校等单位开展深入合作研究,建立了HGCal硅组件自动化组装工艺和质量控制流程,实现了硅组件的高精度生产。同时,高能所与CERN、美国费米实验室、德国电子同步加速器研究所合作,利用束流实验装置完成了HGCal硅组件原型的能量、空和时间分辨率等关键指标的标定。
该项目自启动以来,得到了高能所粒子天体中心、实验物理中心和CMS组的大力支持。在HGCal硅组件样机的制造过程中,张化桥研究员、王峰助理研究员、曹副研究员、顾玉东副研究员、孙亮高级工程师、廖洪波副研究员、陶俊权副研究员、刘墉副研究员、台湾省大学程华杰博士参与实验室建设,完成了第一台硅组件样机。同时,高能所团队在该项目中注重中青年人才的培养,CMS集团的部分博士生也参与了硅模块样机的制作。
在HGCal硅模块原型成功试生产后,HIE的团队将集中精力准备即将到来的HGCal硅模块组装和测试中心的审核。通过后将启动硅组件的预生产和批量生产,并参与2027年左右开始的在CERN的HGCal的现场集成、安装和调试以及数据取用操作。
该项目得到了科技部RD重点计划、基金委国际合作研究项目、高能所创新等项目的支持。清华大学、浙江大学和复旦大学最近加入了CMS高粒度电能表项目。
图1: 8英寸HGCal硅模块。图2:2:Hg cal硅模块的电子噪声。图3:3:Hg cal硅模块组装前后的电子噪声对比。蓝点是模块组装后的电子噪声,红点是组装前的前端电子噪声。
图4:一些团队成员制作8英寸模块的合影。