Een vertex detector in aanbouw

Bij de elektron-proton versneller HERA in Hamburg worden deeltjes met zodanige energie met elkaar in botsing gebracht dat de inwendige struktuur van het proton gemeten kan worden met een resolutie van 10$^{-18}$m. Eén van de experimenten die rond deze versneller gebouwd zijn, is het ZEUS experiment. Na een verbetering van de versneller zal het experiment in 2001 worden uitgebreid met een vertexdetector. Dit deelproject binnen het ZEUS experiment is een samenwerkingsverband tussen DESY (Hamburg), NIKHEF, Padua, Oxford, Bonn, Tokyo en Turijn.

Vooraf aan het ontwerp worden nauwkeurige eisen geformuleerd:

• tenminste drie meetpunten per deeltjesspoor;
• positieresolutie van ieder punt $<$ 20$\mu$m (in 3 dimensies);
• lichtgewicht en stijve konstruktie voor de ondersteuning van het silicium, de uitleeselektronica en de koeling;
• uitlezing signalen iedere 100ns zonder dode tijd.

Figuur 3: Dwarsdoorsnede vertex detector loodrecht op de bundelrichting. De vacuum bundelpijp wordt omringd door silicium detectors die gedeeltelijk overlappen. Het silicium en de bundelpijp worden gemonteerd in een stijve cylinder waarvan de wand gemaakt is uit een 4 mm dikke honingraatlaag gelijmd tussen 0.5 mm dikke koolstofvezelplaat. In totaal worden 300 silicium sensors op de ladders gemonteerd.

Karakteristiek voor een experiment waarbij twee deeltjes met elkaar in botsing gebracht worden, is de cylindervormige detector rondom het interaktiepunt. In dit geval is de cylinder ca. 65 cm lang en heeft een diameter van 30,9 cm. Figuur 3 toont een dwarsdoorsnede, waarop de positie van de bundelpijp en de rangschikking van de detectors is weergegeven. De bundeldeeltjes bevinden zich in een zeer hoog vacuüm. In de versneller worden de bundels afgebogen, dit geeft aanleiding geeft tot de emissie van synchrotronstraling in het horizontale vlak. Om interactie van deze straling met de detectors te voorkomen, en tegelijkertijd het interactiepunt zo dicht mogelijk te kunnen naderen met de silicium sensors, is gekozen voor een ellipsvormige bundelpijp.

Vooral gelimiteerd door de 4-inch wafers is de afmeting van de sensors 62.4 mm * 62.4 mm. Aan één zijde worden P-type strips geïmplanteerd op een onderlinge afstand van steeds 20 micrometer. Boven elke 6$^{de}$ strip wordt een aluminium strip aangebracht die verbonden wordt met de uitlezing. Twee sensors worden zo boven elkaar gemonteerd dat de striporiëntatie van de eerste loodrecht op die van de tweede staat. Op deze manier ligt de positie van een passerend deeltje in alle coördinaten vast.

Om het aantal uit te lezen kanalen te beperken, worden de strips van twee naast elkaar liggende sensors elektrisch verbonden. De precisie van de positiebepaling verandert hierdoor niet, maar de kans dat een strip door meerdere deeltjes tegelijk wordt geraakt wordt groter. Evengoed bestaat het hele systeem nog uit ruim 150.000 aparte kanalen die allemaal elke 100 nanoseconde klaar staan om een nieuwe botsing te detecteren. De dode tijd van het systeem is verwaarloosbaar dankzij het gebruik van een pijplijn, zie het hoofdstukje 'Snelheid'.

Om een cylinderachtige vorm te benaderen, worden deze ladders dakpansgewijs in een cirkelvorm gemonteerd zoals aangegeven in figuur 3. Naast het silicium wordt ook de elektronica en de koeling op de ladder gemonteerd. Verbindingen van de strips op de sensors met een andere sensor of met de uitleeselektronica worden gemaakt via een (flexibel) 50 $\mu$m dik kaptonfolie waarop koperen strips zijn aangebracht die precies aansluiten op de uitleesstrips van van de sensors. Het folie wordt strip voor strip aan de sensor verbonden met 17 $\mu$m dik draad. Het draadje wordt via een dunne naald ultrasoon gesoldeerd.

De hoge positie nauwkeurigheid die met silicium detectors kan worden verkregen stelt stringente eisen aan de precisie waarmee deze in de ruimte bevestigd worden. Temperatuurschommelingen en vochtigheid mogen geen invloed hebben op de stabiliteit van de constructie; bovendien mogen de deeltjes, geproduceerd bij de botsing, niet (of zo weinig mogelijk) verstrooid worden. Dit is de reden dat het gebruik van koolstofvezels een hoge vlucht heeft genomen als constructiemateriaal voor de huidige experimentele opstellingen.

Figuur 4: Foto van een prototype ladder, de silicium sensors zijn gelijmd op een stabiele drager gemaakt van een speciaal ontwikkeld composiet van koolstof en epoxy.