Проекты XXI века

ЛФВЭ: трековые детекторы для ОИЯИ и GSI

Сверхлегкие гибкие кабели тоньше человеческого волоса, несколько миллионов операций сверхточной сварки, сверхлегкие прочные опоры из композитных материалов, разработанные по спецзаказу микросхемы, сверхчистое рабочее место - это "почти все", что нужно, чтобы превратить 12 миллионов евро в современный детектор для наблюдения взаимодействий частиц. На площадке ЛФВЭ разворачивается производство широкоапертурных трековых систем на основе кремниевых микростриповых детекторов. Совсем скоро эти помещения будут закрыты для посещения, наблюдать за сборкой модулей и супермодулей многослойного кремниевого трекового детектора можно будет только с монитора. А пока корреспонденту еженедельника начальник научно-методического отдела кремниевых трековых систем Юрий Андреевич Мурин и его молодые коллеги подробно рассказали о принципе работы создаваемого оборудования и показали исходные этапы изготовления трековых систем в чистой комнате.

- В основе технологии лежат пластины кремния толщиной 300 микрон, на которых можно создать чувствительную структуру - полоски, или так называемые стрипы. С каждого стрипа можно снимать сигнал и узнавать с высокой точностью координаты точки и время попадания частицы, - рассказывает начальник научно-методического отдела кремниевых трековых систем ЛФВЭ Юрий Андреевич Мурин (на снимке). - На наших детекторах с типичным размером 6х6 см² 1024 полоски с одной стороны и столько же с другой. Расстояние между полосками 58 микрон, и технология изготовления таких микрополосковых диодов-сенсоров относится к области микроэлектроники. Но, в отличие от характерного для этой отрасли метода, когда множество чипов, одновременно изготавливающихся на кремниевой пластине, имеют маленькие размеры, каждый наш кремниевый сенсор занимает практически всю исходную кремниевую пластину со стандартным для микроэлектроники диаметром в 100 или 150 мм. Из сенсоров с типичным размером 6х6 см², вырезанных из пластин, мы соберем чувствительные плоскости с размерами больше одного квадратного метра.

Вторая особенность этой методики - чисто экономическая. Заводу по производству чипов выгодно заниматься массовым производством, за счет чего снижается стоимость, например персонального компьютера. А наши изделия, наоборот, уникальные, предназначенные только для наших устройств, серия сравнительно небольшая. Поэтому в мире немного компаний, берущихся за эту работу, и их изделия получаются очень дорогими.

- Каковы основные технологические этапы и структура детектора?

- Мы собираем ячеистую структуру. Она состоит из супермодулей - так называемых ледеров, углепластиковых основ, на которых стоят модули.

Электронные элементы для сборки.

Модуль представляет собой кремниевый детектор, с каждой стороны которого имеются по 1024 контакта. К нему с двух сторон приваривается многослойный плоский кабель, сделанный по нашему заказу, - очень тонкий, полосковый, со специальными прокладками. Сигналы со стрипов идут на электронные чипы (мы их будем получать из Германии), установленные на концах углепластиковой фермы. Получается конструкция одного модуля, для которой нужно примерно до 12 тысяч операций микросварки - детектор, кабель, пластинка с электроникой. Наши украинские коллеги предложили такой способ: сначала собираем кабели с чипами, устанавливаем чипы считывания на платы предварительной электроники, а потом привариваем все оставшиеся контакты составного кабеля к детектору. Микросварка делается на автоматическом устройстве, напоминающем очень дорогую швейную машину, и использует большое количество высокоточной оснастки, которую мы разрабатываем сами.

- Можно ли примерно оценить стоимость элементов и какова цена ошибки при неправильной сварке?

Многослойный гибкий кабель.

- Детектор стоит 4 тысячи евро, кабель - одну тысячу, электроника - компоненты "в россыпь" без учета цены ASIC (Application Specific Integrated Circuit, интегральная микросхема специального назначения), поставляемых нам бесплатно в рамках кооперации с сотрудничеством СBM, - около двух тысяч евро, то есть компоненты модуля обходятся примерно в 7 тысяч евро. Стоимость сборки я затрудняюсь оценить, в любом случае она много больше зарплаты, которую получают наши техники: ведь если произошла ошибка в сварке и несколько каналов не работают, модуль идет в брак. Починить изделие практически невозможно. 10 модулей устанавливаются на ледер, через три года из ледеров начнем собирать трекер, который и будет использоваться в экспериментах на коллайдере NICA, экспериментах CBM и BM@N.

- Какова геометрическая конфигурация трекера? Его будут перевозить от эксперимента к эксперименту, или для каждого изготавливается отдельный?

- Кремниевый трекер для BM@N будет состоять из 4 плоскостей, для CBM из 8 плоскостей. А для MPD плоскости "свернем" в пять вложенных цилиндров, несколько модернизировав супермодули к 2021 году. Наше производство основано на сотрудничестве с Германией, идет совместное финансирование работ. Сейчас обсуждаем, для какого эксперимента будем делать первый трекер. Мы, группа ОИЯИ, конечно, хотим запустить первую трековую систему в ОИЯИ. Надеемся, что полностью модернизированный Нуклотрон начнет ускорять ионы золота раньше, чем новый строящийся ускоритель SIS-100 в Дармштадте, значит, начнем здесь. Если создание бустера задержится, то придется ехать в Дармштадт.

- Чем оправданы такие высокие временные и финансовые затраты, что нового даст физикам такой детектор?

- В современной ядерной физике сейчас необходимо строить широкоапертурные быстрые кремниевые системы. В MPD для проекта NICA, например, основной детектор TPC (Time-Projection Chamber) справляется со своими задачами, но есть проблемы с маленькими поперечными импульсами, и это учитывает кремниевый детектор. Пространственное разрешение газовых детекторов составляет величину порядка 100 микрон. У нас в 10 раз лучше, кроме того, мы можем их поставить очень близко к мишени, создать "быструю" систему. Все знают, что это очень дорогое оборудование, но в настоящее время все крупные лаборатории имеют в составе своих установок кремниевые трековые детекторы большой площади. Дирекция ЛФВЭ поначалу отказалась от проекта из-за необходимости начать новое дорогое производство практически с нуля. Наша группа уже более 10 лет работает с немецкими учеными, у которых возникла такая же проблема в коллаборации CBM (Сompressed Baryonic Matter, руководитель профессор Питер Зингер). В конце 2011 года неожиданно, по крайней мере для меня, в ОИЯИ приехала делегация BMBF и был подписан документ между ОИЯИ и BMBF по совместному производству разработанных в ОИЯИ сверхпроводящих магнитов для ускорителей в Дубне и Дармштадте. В этом же соглашении было добавление - мы создаем кремниевую лабораторию для мелкосерийного производства по сборке элементов кремниевых систем для планируемых экспериментов как в ОИЯИ, так и в GSI. Так наша инициатива "снизу" сделать в ОИЯИ новейший современный детектор получила "сверху" реальную поддержку. В 2014 году на базе двух секторов организовали отдел в отделении N5 (начальник С.И.Тютюнников), который и занимается широкоапертурными кремниевыми трековыми системами.

- Какие технологические этапы представляются наиболее сложными? Что нового вы добавили к уже существующим технологиям?

- Как я уже сказал, серия мала и специфична, связана с микроэлектроникой, есть также противоречивые требования - чтобы сделать очень много каналов электроники, надо интегрировать систему с большим количеством специальных многоканальных чипов. Если в устройстве много каналов быстрой электроники, должна быть система охлаждения, возникают специфичные технические проблемы. Мы не должны вносить в детектор постороннее вещество, потому что каждое прохождение частицы через вещество за счет многократного кулоновского рассеяния уменьшает разрешение наших детекторов. Таким образом, нужно сделать систему из гигантского числа каналов на основе дорогих микростриповых детекторов, не внося вещество-паразит, и эту систему установить близко от мишени, где имеется большой уровень радиации. Каждый микроскопический элемент должен выдерживать большую радиационную нагрузку и работать быстро.

Ю.А.Мурин и Алексей Шереметьев у специального шкафа для хранения готовых элементов.

Первая особенность нашего трекера - плотность стрипов. Она сравнима или даже выше чем в ЦЕРН примерно в два раза. Это позволяет иметь очень высокое разрешение, на грани того, что вообще можно сделать, используя микростриповые детекторы, которые дают возможность быстрого съема информации со стрипов. В каждом ледере порядка 20 тысяч каналов. На сегодняшний день подобных установок на территории РФ не существует. Нам надо создать 60 и 120 таких ледеров для BM@N и CBM соответственно. В последнем будет больше двух миллионов каналов, что, безусловно, должно рассматриваться как "вызов" для тех, кто за это взялся.

Вторая "инновационная" особенность: трек проходит через несколько плоскостей, поэтому, чтобы расшифровать его траекторию, надо сделать стрипы с поворотом на противоположных сторонах детектора. Для экспериментов на Нуклотроне и SIS-100 оптимальными для выделения трека оказались детекторы, когда микрострипы с одной стороны идут вертикально, а с другой под углом 7,5 градусов. Из-за этого образуется "мертвая зона" в углах, мы их соединяем специальным кабелем и не теряем информацию о частицах, попадающих в эти зоны детектора.

- Что сделано на данный момент, какие планы и сроки на ближайшее время?

Устройство для микросварки.

- На сегодняшний день мы закончили первый этап: построили чистые помещения для наиболее сложной работы - сборки модулей и супермодулей, закупили стандартное оборудование, разработали и начали производство специальной высокоточной оснастки. Начали непосредственно с производственных помещений, потому что микроэлектроника требует специальных условий, определенной температуры и влажности. Для этого нам отремонтировали около 100 м² технологического помещения в ОНМУ, раньше здесь были генераторы для ускорителей, которых уже нет. По всем правилам оборудовали чистое помещение для сборки модулей и супермодулей на семь рабочих мест, учтены все особенности технологического маршрута сборки. Здесь соблюдается влажно-температурный режим, вход строго в специальной одежде. В воздухе должно содержаться не более тысячи пылинок на литр воздуха, а на рабочем месте еще меньше. Для сравнения - в обычной комнате более миллиона пылинок в литре воздуха.

Сейчас покупаем специальный прибор с монитором, который будет контролировать и поддерживать нужные режимы. Еще одно помещение для отдыха и переодевания персонала отремонтировано, но еще не оборудовано. В нем также будет стоять стиральная машина для спецодежды. Халаты и комбинезоны содержат антистатические и пылеотталкивающие компоненты, должны стираться в специальной воде, специальными стиральными средствами. У наших немецких партнеров тоже, естественно, есть чистые комнаты, и они подписывают договор с соответствующей фирмой на поставку чистой спецодежды. У нас таких фирм нет, поэтому наши техники сами вынуждены поддерживать чистоту.

Татьяна Семчукова выполняет микросварку.

Есть еще одно, уже отремонтированное помещение - там будут собираться механические конструкции для трекеров. К Новому году, думаю, полностью запустим производство по сборке модулей и сделаем первый прототип модуля. Наша планируемая производительность для одной смены - 16 модулей и 1-2 ледера в месяц - будет достигнута в 2016 году.

Помещение для сборки механических конструкций.

На каждый трекер нам нужны сотни модулей, и это невозможно сделать за год. Работа будет осуществляться в течение 2-2,5 лет. Сейчас идет обучение первой смены технического персонала и изготавливается специальная оснастка для сборки модулей. Готовятся оборудование и оснастка для сборки ледеров, но это задача уже следующего года. В планах следующего года также обустройство мастерской по ламинированию углепластиков в ЛФВЭ и перенос этой технологии из ЦЕРН в ОИЯИ, начало подготовительных работ по организации чистого помещения для сборки и стендового тестирования собственно трекеров.

- Расскажите о ваших партнерах.

- Началось все в 2008 году, когда был образован консорциум CBM-MPD STS. Идея исходила от ОИЯИ и GSI, объединились несколько групп из институтов стран-участниц ОИЯИ, которые заинтересовались проектом. Но важнее даже не институты, а люди, которые обладают нужными знаниями и опытом. Так, с нами сотрудничает Сергей Николаевич Иголкин (СПбГУ), один из авторов патента на изготовление углепластиковых сверхлегких опор, права на который принадлежат СПбГУ.

Большую роль играет харьковская фирма ООО "Светодиодные технологии. Украина". Заместитель директора заслуженный деятель науки и техники Украины профессор Вячеслав Николаевич Борщев - наш технический эксперт по производству сверхлегких кабелей. Помимо изготовления уникальных кабелей, его специалисты, получившие в свое время большой опыт по сборке модулей внутреннего трекера на установке ALICE, разрабатывают технологию и обучают сейчас наших сотрудников. С украинскими коллегами мы организовали альянс - закупаем металлизированный диэлектрик (он изготавливается только в России), а на Украине производят кабель.

Поставщики детекторов, изготавливаемых по нашему техническому заданию, - японская компания Hamamatsu и немецкая СiS. Были попытки, и они продолжаются, привлечь научные центры и предприятия Чехии. Из Германии мы получаем ASIC, которые разрабатываются в Польше. Поддерживаем активный контакт с нашим промышленным партером в Республике Беларусь - предприятием ОАО "Планар" (Минск), разрабатывающим и изготавливающим для нас сложное специализированное оборудование для сборки ледеров.

Понимая важность смены поколений, активно поддерживаем контакты с МГУ, СПбГУ. В этом году группа профессора Михаила Моисеевича Меркина (МГУ) заканчивает совместно с нашими специалистами из группы Н.И.Замятина разработку автоматической системы сертификации микростриповых детекторов. Профессор В.П.Кондратьев (СПбГУ) со своими студентами в Петергофе ведет компьютерное моделирование кремниевых трековых систем, которые мы хотим построить. В консорциум входит и ИФВЭ, там хотят освоить такое же производство. У них есть чистые комнаты, но нет технологий сборки систем такой сложности. Так что, несмотря на обострившуюся политическую обстановку, наше научное сотрудничество продолжается в нормальном режиме. Конечно, все это было бы невозможно без многолетнего сотрудничества с немецкими физиками из Дармштадта - профессором П.Зенгером и многими другими, а также при непосредственной поддержке этих работ дирекцией ЛФВЭ.

Материал подготовила Галина МЯЛКОВСКАЯ,
фото автора