Сотрудники Научно-методического отдела кремниевых трековых систем (НМОКТС) Лаборатории физики высоких энергий Объединенного института ядерных исследований разработали устройство для сборки супермодулей кремниевой трековой системы (КТС) эксперимента «Барионная материя на нуклотроне» (BM@N NICA). Экспериментальная установка BM@N – это один из ключевых элементов мегасайенс-проекта NICA, нацеленный на обнаружение фазового перехода и исследование свойств сверхплотной ядерной материи. Изобретение ученых ЛФВЭ позволяет с высокой точностью размещать кремниевые сенсоры на углекомпозитную опорную ферму в процессе сборки. Высокая точность позиционирования сенсоров необходима для существенного упрощения алгоритмов онлайн-обработки, что позволит снизить требования к вычислительным мощностям за счет сборки сенсоров в супермодуль «стрип в стрип».

Установка BM@N

В настоящее время при создании трековых систем для экспериментальных установок в области физики высоких энергий широко используются кремниевые сенсоры. Данные сенсоры позволяют получить рекордное пространственное разрешение, однако имеют ограниченную площадь, так как изготавливаются на пластинах монокристаллического кремния по технологиям, применяемым в микроэлектронике.

«Площадь трековых систем в современных установках может достигать нескольких квадратных метров. Поэтому при проектировании таких установок на основе кремниевых сенсоров применяется так называемая черепичная схема расстановки детекторов, при которой заданная площадь покрывается большим количеством сенсоров. Пространственное разрешение современных кремниевых сенсоров может составлять от единиц до десятков микрон; для того чтобы не ухудшить этот параметр при сборке широкоапертурных систем, необходимо обеспечить высокую точность позиционирования каждого элемента», — рассказал об особенностях современных трековых систем ведущий инженер сектора проектирования и изготовления кремниевых трековых систем ЛФВЭ ОИЯИ Владимир Елша.

Для решения данной задачи группой сотрудников ЛФВЭ было разработано устройство, предназначенное для сборки супермодулей кремниевых трековых систем. Устройство разрабатывалось для сборки трековых систем экспериментов BM@N и CBM (FAIR, Германия), однако может использоваться и для других экспериментов.

Структура КТС

Кремниевая трековая система

Кремниевая трековая система является одним из ключевых элементов установки, которые планируется ввести в эксплуатацию в процессе модернизации детекторных систем эксперимента «Барионная Материя на Нуклотроне». «Усовершенствование установки BM@N направлено на решение физической задачи по изучению свойств сверхплотной барионной материи, образующейся в столкновениях тяжелых ионов (до ядер золота ¹⁹⁷Au⁷⁹⁺) при энергиях до 4,65 ГэВ/нуклон. КТС будет включать в себя четыре станции на основе трековых модулей с двусторонними микростриповыми кремниевыми сенсорами. Задачами КТС являются реконструкция траекторий вторичных заряженных частиц с целью определения вершин их рождения и их импульсов», — объяснил назначение КТС BM@N инженер Лаборатории физики высоких энергий.

Базовым элементом КТС является трековый модуль, состоящий из двустороннего микрострипового кремниевого сенсора, двух плат со считывающей электроникой для чтения сигналов с обоих сторон детектора и комплекта сверхлегких плоских алюминиевых кабелей на полиимидной основе. Кабели используются для передачи аналогового сигнала со стрипов сенсора на входы считывающей микросхемы. Каждый двухсторонний микростриповый сенсор КТС имеет по 1024 стрипа на каждой из сторон. Конструкция модуля открывает возможность для создания позиционно-чувствительных систем большой площади, позволяя разместить считывающую электронику в периферийной области станций. Такая компоновка станций, в свою очередь, позволяет минимизировать количество вещества, с которым взаимодействуют вторичные частицы при прохождении через трековую систему.

Модули разных типоразмеров определенным образом размещаются на легких углепластиковых фермах, образуя супермодуль.

Модуль КТС способен обеспечить пространственное разрешение до 58/√12 ≈ 17 мкм. В реальности же точность восстановления координат вторичных частиц определяется не только разрешением используемых сенсоров, но и точностью их позиционирования как в супермодуле, так и в станции. В процессе калибровки трековой системы ошибки, связанные с неточной установкой элементов трековых плоскостей, компенсируются при помощи математических алгоритмов финальной юстировки системы, или «выравнивания». Единственным средством улучшения результатов работы алгоритмов юстировки служит уменьшение диапазонов возможных вариаций параметров.

Модель супермодуля КТС BM@N

Для того чтобы ограничить степени свободы параметров финальной юстировки, необходимо обеспечить точность позиционирования сенсоров трековых плоскостей в процессе сборки детектора не хуже ±100 мкм в плоскости станции, ортогонально линиям магнитного поля.

Задачей ученых являлась разработка технологического процесса сборки супермодуля КТС с обеспечением точности взаимного позиционирования сенсоров ±15 мкм в направлении существенном для точности измерения импульса частицы на опорной ферме длиной до 1200 мм. Для решения этой задачи была предложена оригинальная процедура сборки супермодулей, созданы и испытаны на практике специальное устройство для их сборки, набор оснасток и программное обеспечение для управления работой созданного устройства.

Устройство сборки супермодулей

Для качественной сборки супермодулей КТС BM@N сотрудниками НМОКТС совместно с научно-производственным холдингом точного машиностроения «Планар» (Минск) было разработано и создано специализированное оптико-механическое устройство, позволяющее монтировать сенсоры с точностью ±15 мкм на углепластиковую ферму длинной до 1200 мм. Такая точность взаимного позиционирования сенсоров дает возможность объединять стрипы соседних сенсоров в единую цепочку для минимизации каналов считывающей электроники в зонах с малыми загрузками. Также для обеспечения необходимых параметров установки сенсоров была изготовлена специализированная прецизионная оснастка и разработано программное обеспечение.

Основанием устройства является гранитный стол весом 600 кг. Использование такой массивной конструкции позволяет избежать вибраций в процессе работы. На столе расположены две позиционирующие системы. Первая служит для размещения сборочного шаблона супермодуля, состоящего из набора вакуумных столиков для сенсоров. Вторая используется для позиционирования углекомпозитной фермы. В верхней части сборки находятся трехкоординатная система перемещения целеуказательной камеры, обладающая пространственным разрешением ±2 мкм, а также монитор персонального компьютера. Для поддержания работоспособности всех систем устройство расположено в специальном помещении, оснащенном климатическим оборудованием, которое позволяет поддерживать постоянную температуру.

Схема устройства для сборки супермодулей: 1 — гранитный стол; 2 — шаблон супермодуля, состоящий из вакуумных столиков для сенсоров; 3 — поддержки для кабелей и плат со считывающей электроникой детектора; 4 — кран для установки углекомпозитной фермы с рубиновыми шариками для блоков позиционирования; 5 — оптическая система с системой линейного перемещения; 6 — ПК; 7 — углекомпозитная ферма

Сборка супермодуля проходит в два этапа. «Сначала сенсоры модулей укладываются на прецизионной скамье с вакуумными столиками-присосками, положение которых юстируется оператором до совмещения всех реперных точек сборки с заданными табличными координатами. Затем, на втором этапе сборки, между всеми L-образными креплениями сенсоров и фермой, во избежание повреждения элементов, наносятся капли мягкого эластичного клея, и, таким образом, заданное взаимное положение сенсоров и фермы фиксируется после полимеризации клея в одном процессе», — отметил Владимир Елша.

Как объяснил сотрудник ЛФВЭ ОИЯИ, положения двух выбранных реперных меток на сенсоре модуля должны совпасть с соответствующими точками расстановочной «карты» для заданного программно шаблона. Для этого оптическая система устройства последовательно реализует передачу данных о положении двух выбранных точек на экран ПК, а затем оператор итерационно перемещает сенсор, закрепленный на соответствующем позиционере сборочного шаблона ручными трехкоординатными манипуляторами, добиваясь максимального совмещения видимых микрометок на сенсоре с их желаемым расчетным положением. Конечная точность итоговой сборки будет определяться точностью перемещений видеокамеры-указателя и аккуратностью оператора.

Устройство для сборки супермодулей

Поскольку процедура сборки КТС может быть использована для любых сенсоров и чипов, имеющих на своей поверхности прецизионные маркеры, изобретение может найти применение в таких экспериментах в области физики высоких энергий, как MPD и SPD NICA. Кроме того, устройство может использоваться для сборки изделий электроники, имеющих широкий спектр применений: от медицинской техники до систем дистанционного досмотра.

Патент на изобретение № 2816242 был получен Объединенным институтом ядерных исследований 27 марта 2024 года.