互动科普

硅微带探测器

Alan M. Litke，Andreas S. Schwarz

这类探测器是采用制造集成电路所用的同样工具制造的，它们最近帮助科学家发现了顶夸克，而且对于高能粒子物理学的其它一些最关键的实验来说也是非常重要的。

硅是电子学革命的灵丹妙药，长期以来一直被认为是一种具有非凡适用性的材料。在最终迎来当今世界无所不在的计算机、通信技术和光电电池等发明之后约半个世纪，这种多方面适用性目前似乎正朝着令人吃惊的绝顶攀登。未来的年代将使电子学与人类神经和微型机器联系起来的芯片能够施行显微外科手术。

此外，硅的另一个有魅力的应用则是探测带电粒子，在探测应用中，人们将一种硅基显微镜用来窥视物质的真正核心。在十五年的发展进程中，硅微带探测器使物理学家们有可能对粒子位置的测量精度达到10微米或更小范围。如此精确的测量——比采用以前的电子粒子检测技术容易达到的精度至少高出10倍——已在粒子物理学和其他科技领域中开辟了一些新实验的可能途径。

在高技术与高能物理的交叉点上，硅微带探测器已经帮助科研人员证实了他们长期探寻的顶夸克的存在。最近完成的为完全确认其存在所作的研究工作仅仅是使用这类探侧器解决一些基本问题（而如果不用这类探测器，解决这些问题则会困难得多）的若干科研项目之一。这些项目中值得注意的将是对希格斯玻色子的搜寻，希格斯玻色子是物理学家们所认为的一种给物质赋予质量的不可思议的，难于捉摸的粒子。

而且本文的内容还远远超出了粒子物理学范围。由于这种基础性硅技术的多方面适用性和广泛性多，所以一些新型探测器可随时准备投人广泛的科研应用领域。人们正在积极地寻找一些可能的应用，其应用范围包括从X射线和γ射线天文学到医疗成像技术。事实上，硅微带探测器是科技成像技术中一次广泛革命的一部分，在这场革命中，现代半导体技术正在用于探侧光、X射线、带电粒子乃至神经生理信号。因此这类探测器也令人满意地说明了科学与技术之间欣欣向荣的共生现象。

硅微带探测器的工作原理

硅微带探测器是采用二极管来检测粒子的，二极管是一种允许电流朝着一个方向而不能朝另一个方向流动的电子“单行道”。这种阻挡电流流动的能力是使用二极管作为检测元件的全部出发点；一个大电流中的其他统计学波动现象可能会掩盖掉所要检测的粒子产生的相对微弱信号。

采用集成电路制造工艺技术将这些二极管淀积到硅片上。它们可以被制为几乎任何一种几何图案，但通常被制作为平行条带，每个条带是一个长几厘米的二极管。条带间距一般为25微米，精确度达到几分之一微米.

通过硅片的带电粒子，或被吸收人硅片的X射线，都会在少数条带上产生电信号。这个信号能揭示出粒子沿着一维方向穿过硅片的位置，其精度为条带间距的几分之一。对于上面所提及的典型间距而言，其分辨率可能约为5~10微米。在大多数重要实验中，科研人员目前正在使其实验仪器升级，他们采用一些硅片两面都有二极管条带而一面上的条带与另一面上的条带成一定角度（或者用两块硅晶片以相同基本位形粘合在一起）的探测器。这种双面微带探测器为一个碰撞提供两个独立的坐标，因而能确定出空间中的一点。

把一块未加工的硅片变为一种精密仪器将采用某种特殊的加工处理。在硅片上，这里加一小撮磷，那里加少许硼以及其他几种精选配料就能巧妙而明显地改变硅的电特性。最开始是一块结晶硅薄片，一般厚300微米，直径为10厘米。这种硅晶体具有一种金刚石状结构：每个原子与其最近的四个原子保持相等的距离，并且与每个邻近原子共享其四个外层电子中的一个电子。

然后在这种完全纯净的硅中稍稍掺入一个杂质原子（例如磷，它具有5个外层电子）。我们这样说确实是“稍许”掺入：每500亿左右的硅原子中仅掺入一个杂质原子。与硅原子一样，居于晶格点阵中的每个磷原子与其四个邻近原子共享四个外层电子。这样，该磷原子的第五个电子便会轻易地游离出来传送电流。因而这种类型掺杂被称之为n型掺杂；n指的是该自由电子所带的负电荷。

一旦制备好一块恰当掺杂的硅晶片，便采用集成电路行业的一些标准工艺技术（例如，光刻法和离子注入术）将数百个乃至数千个条带置于硅晶片上。通过在硅品片表面植入一行宽5~10微米，厚约0.05微米的杂质原子而形成条带。用于植入的杂质原子（例如硼原子）具有三个外层电子，这是值得注意的，因为当一个硼原子取代了晶格点阵中的一个硅原子时，它便很容易通过键接到其四个邻近原子上而获得第四个电子。这一额外电子的获得使得晶体中其他某个地方缺少一个电子，即产生“空穴”。以这种方式掺杂的硅——采用具有三个外层电子的杂质原子的掺杂——被称为p型掺杂硅，因为这种有效的载流子（空穴）实际上是一个带正电的粒子。

于是，一个二极管便由一层n型材料，一层n型材料以及两层材料之间的界面（即“结”）组成。在这个结区内，来自n型材料的电子扩散人p型材料并且被空穴中和，在结的两侧便我留下离子化的杂质原子。空穴从p型区向n型区扩散也有同样的结果。这些固定的带电原子产生了一个电场，该电场的作用就象一个阻挡层，倾向于使空穴保留在p侧，使电子继续留在n侧。其最终结果是在该结处形成一个薄薄的“空[耗尽]”区，该区不含载流子而有一个强电场。适当扩大后，当二极管作为微带探测器的一部分时，这个空区（耗尽区）便是检测粒子有效区。

为了同时有效地检测带粒子和X射线，耗尽区厚度必须符合实际需要。较大的厚度意味着当带电粒子经过硅晶片时它将在较长路径上产生一个信号，借此产生一个较强的信号。在X射线情况下，由于有更多的材料用于吸收X射线，所以检测效率提高。

给二级管施加一个适当极性的电压，这样就能增加耗尽区的厚度。在微带探测器中，将负极接头连接到p型微带上并将正极接头连接到n型基底上。在外加电压作用下，载流子便被驱离结区，使耗尽区进一步扩大。

现在二极管耗尽区即可用子检测粒子了。当带电粒子通过时，它便以电方式同晶格点阵相互作用，沿着其路经在一个狭窄柱状带中存储能量和释放出电子-空穴对。在离子化杂质原子建立的电场作用下，这些电子和空穴沿相反的方向漂移，空穴朝着微带移动。这些载流子的运动在一个或附近几个微带上产生一个电信号。此外，由于闯入的粒子所释放的这些载流子仅漂移非常短的距离，所以其信号生成时间仅为五千万分之一秒左右。

一旦信号产生，这些信号在能够用于确定该粒子轨迹上的某一点之前必须加以放大并记录下来。这些关键性功能由装备有一系列放大电路的特制电子读出芯片执行，这些放大电路的密度与探测器硅片上的微带相差不大。通过一种丝焊工艺，探测器上每个微带以一条仅为头发四分之一粗细的铝丝用超声波接合到读出芯片上对应的放大器上。

除了上述细节之外，微带探测器还具有优越的主体分辨率——这是它们之所以存在的真正原由。在这些探测器于20世纪80年代逐步得以使用之前，粒子轨迹通过使一种气体离子化，在一根导线上探测到信号，以电子方式完成探测。大约27年前发展起来的气态金属线盒仍是所有现有和计划中的高能物理实验的一个重要部分，它们的发明是使Georges Charpak获得1992年诺贝尔物理学奖的一个重要成就。然而，微带探测器的精度与之相比还要高出十倍左右。

在粒子物理学方面的应用

虽然硅微带探测器的应用已经以一些最初令人难以想象的方式蓬勃发展起来，但是它们却产生了一种特殊的科学需要：检测和研究一些具有“魅力”的粒子——即含有粲夸克的粒子。粲夸克是物理学家们推定的关于物质基本粒子及其相互作用的标准模型中的六种夸克之一。在这一模型中，所有的物质都是由六种夸克（上夸克，下夸克，粲夸克，奇异夸克，顶夸克和底夸克），以及六种称为轻子的粒子和与这些夸克与轻子相对应的十二种反粒子组成的。

粲粒子的寿命大约为万亿分之一秒（1微微秒）。粲粒子在高能碰撞中被撞出之后，通常在衰变为若干其他粒子之前还将前进几毫米远，这取决于它的能量和类型。产生和释放粲粒子的位置被称为第一顶点；它衰变时所在的位置称为第二顶点。将第二顶点与第一顶点区分开是检测粲粒子和测定其性质的关键要求之一。

这些顶点通过用一组布置在发生碰撞的位置附近的探测器跟踪碰撞所产生的粒子的轨迹而寻找到。在一个碰撞束实验中，这组探测器一般是由若干同心层硅微带探测器组成的，在这些探测器外部是一些气态金属线盒。这些探测器所记录的轨迹可回推到第一顶点附近。由粲粒子衰变而产生的粒子轨迹汇聚于第二顶点，如果一切正常，那么这个第二顶点与第一顶点截然不同。

正如所证明的那样，为了使不同的顶点保持焦点上而推算这些轨迹所需要的精度应远远小于该粒子寿命与光速的乘积。就粲粒子而言，所要求的精度为几十微米，这是一个正好处于硅微带探测器检测能力范围之内的数值。

相当令人意外的是，有两种其他类型的粒子具有与粲粒子不相上下的寿命。τ轻子是已知轻子家族成员中最重的轻子，其寿命为0.3微微秒。底粒子是含有底夸克的粒子，其寿命大约为1.5微微秒。硅微带探测器正好适合检测和研究诸如此类的粒子。

能说明问题的底粒子

探测底粒子对于高能物理学是特别重要的，它是许多现有和计划中的微带探测系统的主要探测目标之一。举例来说，可以预料这些粒子的行为不同于其对应的反粒子，因而对它们进行研究将弄清楚物质与反物质之间对称现象中的微妙的缺陷（物理学家将这种情况称之为“cp违背”)。此外，含有顶克的粒子(“顶粒子”)几乎总是衰变为底粒子，而且，如果希格斯玻色子不太重的话，那么它在大部分时间里则衰变为一对粒子，即一个底粒子和一个反底粒子。这样看来，三个现代物理学最迫切的实验探索与底粒子密切相关，因而也依赖于微带探测器。

产生和研究底粒子的一种有效途径是使高能电子和反电子（正电子）束对撞，产生称之为Z°的粒子，然后Z°衰变为底粒子和反底粒子。Z°是传递那些支配放射性衰变的弱力的三种“规范玻色子”中的一种；另外两种则称为W+和W-。用于此目的的一种对撞机为大型电子-正电子对撞机（LEP），该对撞机位于跨越日内瓦附近法国-瑞士边界的一条27公里长的环形隧道中。LEP是CERN（欧洲粒子物理实验室）的一部分。有四个实验在包括一台称为Aleph系统在内的LEP上搜集数据，我们与另外400名物理学家对所收集的数据进行研究。

Aleph系统的中央是一个由圆柱形配置的双面硅微带探测器组成的顶点探测器，这些探测器制作成两个同心层，放置在含有碰撞区的束管周围。顶点探测器的周围则是一个粒子探测器的大型阵列，包括封装于超导磁体中的两个气态径迹室。这种复杂的检测系统用于识别每当Z°衰变时从碰撞区飞出的粒子并测定其动量。

大约在70%的时间里，Z°衰变为从碰撞区向外行进的几束（通常为2束）窄束簇射粒子，即“射流”。约在1/5的这类事件中，有一束射流将含有一个底粒子，而另一束射流则将包含一个反底粒子。每个底粒子在衰变之前平均要前进几毫米，在大多数场合，每个底粒子将衰变为一个粲粒子和一个或一个以上的其他粒子。

有了硅微带探测装置，Aleph顶点探测器就能揭示出该事件的一幅格外清晰的放大图像。第一顶点和第二顶点都清晰地显示出来，Z°在第一顶点处衰变并且底粒子也产生于此，而在第二顶点处底粒子将衰变为一个粲粒子。甚至第三顶点（粲粒子在此发生衰变）也将保持清晰状态。

这类详细的信息从大量事件中收集得来，它们揭示出底粒子的一些基本特性。它们的寿命告诉我们底夸克具有弱相互作用特性，这些寿命是根据其衰变长度加以测定的，所谓衰变长度即第一顶点到第二顶点之间的距离，而且，这同一长度还是测定中性底粒子变成其反粒子的事件的发生频率时的一个系数，这种现象是物质向反物质转换的一个极为有趣的例证。

顶夸克与希格斯玻色子

硅微带探测器在成功探测长期寻求的顶夸克（六种夸克中最重的一种）中起着重要的作用，并且对于将来探寻高能物理学中“最想要的”粒子——希格斯玻色子来说也将是重要的。今年三月初，伊诺斯州巴达维费来国家加速器实验室证实了顶夸克的存在，该实验中有全世界最高能量的粒子对撞机——Tevatron对撞机，它使质子以9000亿电子伏特能量向具有相同能量的反质子猛撞。

在极少数质子-反质子碰撞中，会产生一些含有顶夸克的粒子。几乎所有这些顶粒子都衰变成一个底粒子和一个带电的规范玻色子（一个W+或W-）。人们将一台硅顶点探测器用于挑选含有底衰变的事件，借此将顶事件与本底事件分开并且重点突出这种顶信号。

较难于捉摸的仍然是希格斯玻色子，在三十多年的理论与实践研究之后，它仍然是粒子物理学梦寐以求的东西。人们假设，是它将质量注入给夸克和带电轻子，以及Z°，W+与W-。

在LEP上对希格斯玻色子的搜寻最后仍一无所获，这表明它太重了以至于无法用现有的LEP碰撞能量以一种可检测的速率产生。可是这种搜寻不久还将以新的活力继续下去，那时LEP的能量大约将翻一番并且科研人员还将使用改进的硅顶点探测器来辨认他们的捕获物所具有的底衰变特征。

这种搜寻最终可能要采用一种更高能的对撞机。也许最有可能寻找到希格斯玻色子乃至超越标准模型的新物理学的对撞机是由CERN建造的大型强子对撞机（LHC）。它的能量大约为Tevatron对撞机的八倍，它将在LEP隧道内让质子对撞并将把对希格斯玻色子的搜寻质量扩展到现今仪器所能探测的任何粒子的质量大若干倍。

即使在高能LHC中，希格斯玻色子实际上也将是很难看到的。一些调研人员将通过为相互作用设定一个格外高的频率——几乎达到旬秒10亿次——来加以弥补，但是这一频率又将促使产生一些困难的实验条件。人们必须将这些极其罕见的重要事件从极其大量的碎片中分离出来，并且这些探测器和电子装置将受到强烈的辐照。

在这种可怕环境中的关键性技术之一将是硅微带探测器。它所具有的检测元件的高速度和致密间距将使科研人员能够将事件与一些不同的束碰撞区分开并且在其中辨认出少数重要径迹。它的高精度将有可能准确测定在磁场中轨迹稍稍弯曲的高能带电粒子的动量。

观看恒星

由硅微带探测器器所推进的精确径迹跟踪方面的革命正在开始扩展到其他一些科研领域，特别是在天体物理学和X射线成像等领域。有一个振奋人心的可能性在以卫星为基础的，射线天文学研究方面。斯坦福大学和其他一些研究机构的研究小组正在从事γ（射线）大面积硅望远镜的初步设计研究工作，这种望远镜能以前所未有的精度和灵敏度绘制出银河系和河外星系γ射线源。

在这台望远镜中，将把一些微带探测器与薄金属板交织在一起，这些金属板通常将把一根入射的高能γ射线转化成一个电子-正电子对。这一电子-正电子对将在多层微带探测器上留下径迹，借此提供关于入射γ射线方向的信息。

虽然微带探测器是有用的，但是它并非完美无缺。配置有独立的相互垂直探测带组的双面探测器其本身每次可确认不多于一个的碰撞。单个粒子在每一面产生一个信号——这些信号能够明显地联系起来从而给出一个二维点。然而，多个粒子产生出多个信号，这便造成模糊——一面上产生的一个信号可能与另一面上产生的多个信号中的任何一个联系起来。

许多应用场合（例如X射线成像）都要求对每一次碰撞确定一个明确的位置，包括同时发生的碰撞在内。具有这种能力的所谓象素探测器的制作是一个十分活跃的领域。CERN和其他机构正在研制中的一种探测器便是混合象素探测器。这类探测器中的探测器芯片的制作方式与微带探测器差不多，但是条带被由边长一般为50~500微米的小正方形或矩形（象素）组成的二维阵列取代。这块芯片夹在另一块携带着放大器/信号处理元件的对应阵列的芯片中，以便借助于一组导电挡板将每个象素与其元件之一联系起来。

象素探测器计划用于大型LHC实验的带电粒子跟踪系统的最内层。由于靠近碰撞区的粒子密度很高，所以径迹辨认和再现的最佳方法是采用象素装置进行精细的空间位置测量。

象素探测器的另一种可能应用（仍处于最初发展阶段）的医疗成像的X射线摄影术领域，特别是乳腺X射线摄影术。象素探测器中所吸收的X射线直接产生一些信号，这些信号能转变成一种适于直接计算机显示、分析和存储的电子数字形式的图象；这样便可免掉与照相软片有关的保存与不能及时看到的结果等问题。

活跃的共生现象

硅微带探测器是一种还没有被人们充分认识的合作的极好例证。为深入了解自然界所进行的科学探索常常会推进新技术和新仪器的研制开发，并且有时还会导致一些全新产业的创立，然后这些创新仪器又导致科学的进一步发展。

例如，在20世纪20年代时人们了解原子的愿望就曾导致了量子力学的出现。量子力学的出现同样又促使人们对固态物质更深入的了解和1947年晶体管的发明。晶体管又带来了仍在发展中的电子学和计算机革命；而它的发展曾是半导体工业的奠基石，目前半导体工业的技术正在被用于制造微带探测器。这些装置正在帮助解答基础物理学中的一些最紧迫的问题。此处仅给出两个实例，即顶夸克和希格斯玻色子的本质特征的问题。

科学和技术不可避免地交织在一块，组成一幅极为绚丽的织锦。这一整体远远大于各部分之和。

【赵学庆/译  郭凯声/校】