University of Helsinki
LHC-kiihdyttimen koeasemat, CMS, ATLAS, ALICE ja LHCb muistuttavat perusrakenteeltaan toisiaan. Kaikissa näissä koeasemissa on pii-ilmaisimista koottu jälki-ilmaisin (englanniksi tracker) lähimpänä hiukkassuihkujen törmäyskohtaa.
Teoreettiset laskut ennustavat, että LHC pystyy tuottamaan Higgsin hiukkasen ainoastaan yhden kerran sadasta miljardista protonisuihkujen törmäyksestä ja tämän vuoksi LHC:ssä törmäytetäänkin hiukkasia 40 MHz taajuudella. Tällöin voidaan muutamassa vuodessa kerätä riittävästi tietoa, jota analysoimalla voidaan osoittaa Higgsin hiukkasen olemassaolo tai mahdollisesti se, ettei sitä olekaan.
Kaikista törmäystapahtumista vain murto-osa pystytään tallentamaan. Suurin osa poisheitetyistä törmäystapahtumista on kuitenkin ilmiöitä, jotka jo hallitsemme ja valintamekanismi pitää huolen, että mahdollisimman paljon kiinnostavista törmäystapahtumista tallennetaan. Mutta! Jokainen törmäys – tallennettu tai ei – tuottaa hiukkassäteilyä, joka vaurioittaa koeasemien mittalaitteita. Kovimmalle säteilyrasitukselle joutuvat hiukkasten ratoja mittaavat jälki-ilmaisimet, koska ne ovat lähimpänä protonisuihkujen törmäyskohtaa. Niinpä CMS-kokeeseen osallistuvan suomalaisryhmän eräs tärkeä tutkimusaihe on pii-ilmaisimien säteilynkeston parantaminen ja siihen tähtäävä perustutkimus.
Kuva 1. Säteilytasot CMS-kokeen eri osissa. Jälki-ilmaisin on lähellä törmäyskohtaa – kuvassa vasemassa alakulmassa, jonne kohdistuu suurin säteilyrasitus.
Kuten tässä blogissa aiemmin jo todettiin, CMS-kokeen jälki-ilmaisin on kuin jalkapallokentän kokoinen 76 megapikselin digikamera, joka ottaa sekunnissa 40 miljoonaa kuvaa. CMS:n jälki-ilmaisimessa on noin 25.000 pii-ilmaisinta, jotka ovat kytketty 26 miljoonalla bondausliitoksella 75.000 analogiseen esivahvistinmikropiiriin.
Pii-ilmaisimen toimintaperiaate on hieman samanlainen kuin esimerkiksi aurinkokennon. Itse asiassa aurinkokennokin on ilmaisin. Se vain on optimoitu havaitsemaan hieman erilaista säteilyä kuin mitä LHC-kiihdytin tuottaa.
Aurinkokennoilla tunnetusti pyritään muuttamaan taivaalta tulevaa sähkömagneettista säteilyä mahdollisimman hyvällä hyötysuhteella sähkövirraksi. Oleellinen ero aurikokennon ja pii-ilmaisimen välillä on kuitenkin se, että pii-ilmaisin on ammattikielellä ilmaistuna segmentoitu. Segmentoinnilla tarkoitetaan sitä, että ilmaisimen pinta on kuvioitu ja näin syntyneet “kanavat” on yksitellen liitetty (lankabondattu) kiinni lukuelektroniikkapiiriin.
Kun LHC:n protonisuihkujen törmäyksestä syntyneet hiukkaset lentävät pii-ilmaisimen läpi, menettävät ne osan kineettisestä energiastaan. Tämä energia muuttuu sähköiseksi varaukseksi eli puolijohteiden tapauksessa elektroni-aukko pareiksi. Kanavan lukupiiri mittaa ja vahvistaa tämän signaalin ja saadaan siis tarkka mittaus hiukkasen radasta.
Tyypillisesti ilmaisimet ovat pyöreältä piikiekolta irtisahattuja isoja komponenttaja, joiden koko on luokkaa 50-100 cm². Esimerkiksi mikropiiriithän ovat vain peukalon kynnen kokoisia siruja.
Hiukkasfysiikassa käytetään pääsääntöisesti kahdenlaisia ilmaisimia, pikseli- ja nk. piinauhailmaisimia:
- Pikseli-ilmaisin on hyvin samanlainen komponentti kuin digikameran CCD-kenno. Pikseli-ilmaisimen resoluutio on erittäin hyvä, ja siksi niitä käytetäänkin lähimpänä törmäyspistettä, jossa hiukkasten ratojen mahdollisimman tarkka mittaaminen on äärimmäisen tärkeää.
- Piinauhailmaisimen ioni-istutettu nauha on tyypillisesti noin 10 mikrometriä leveä ja se on yhtä pitkä kuin koko ilmaisinelementti eli useita senttimetrejä. Yhdessä ilmaisimessa on tyypillisesti 768 (6 lukupiiriä kertaa 128 kanavaa per lukupiiri) nauhaa eli kanavaa.
Kuva 2. Mikroskooppikuva piinauhailmaisimen kulmasta. Kuvassa näkyvät 10μm leveät nauhat, joiden päässä ovat leveät lankabondaukseen tarkoitetut alumiinikontaktit. Nauhojen päässä näkyvät zig-zag kuviot ovat nk. biasvastuksia. Biasvastusten viivanleveys on 3μm ja materiaali on plasmaprosessilla valmistettua wolframinitridiä, jonka paksuus on 40nm.
Tarkkuus tarkoittaa valitettavasti myös kalleutta, ja kuten jokainen voi arvata, veronmaksajat eivät ole valmiita rahoittamaan hiukkasfysiikan kokeita aivan loputtomiin. Tämän takia vähän kauempana törmäyskeskipisteestä, missä mahdollisimman hyvä resoluutio ei ole enää aivan yhtä tärkeää, käytetään hieman vähemmän tarkkoja piinauhailmaisimia.
Pinoamalla nauha ja pikseli-ilmaisimia useisiin päällekkäisiin kerroksiin, kolmessa eri dimensiossa, saadaan hiukkasten radoista kerätystä sähköisestä mittausdatasta muodostettua kolmiulotteinen kuva törmäystapahtumasta. Tätä kuvaa sitten verrataan laskettuihin ennusteisiin Higgsin hiukkasen hajoamisesta.
Miksi ilmaisimet valmistetaan nimenomaan piistä? Vastaus tähän on melko yksinkertainen. Pii on halpaa. Pii on maankuoren toiseksi yleisin alkuaine ja piin valmistustekniikka osataan hyvin. Meillä jokaisella on taskut ja olohuoneet täynnä elektroniikkaa. Kännykät, läppärit, muistitikut, taulutelkkarit jne. perustuvat kaikki piiteknologian skaalautumiseen suuren mittakaavan prosessiteollisuudeksi. Puolijohdeteollisuudessa käytettävät piikiekot valmistetaan metallurgisella valmistusprosessilla, jonka lähtöaine on piidioksidi eli hiekka. Piikiekot prossessoidaan mikropiireiksi tehtaissa erittäin automatisoiduilla tuotantolinjoilla, joilla robotit hoitavat lähes kaikki työvaiheet. Piin prosessointia voisi melkein verrata paperin tekemiseen. No, ei ehkei nyt ihan sentään. Piiteknologia on nimittäin ihmiskunnan hienostuneinta valmistustekniikkaa.
Vierailimme hiljattain ranskalais-italialaisen ST Microelectronics:in Grenoblen tehtaalla. Heidän pari vuotta sitten valmistunut 300mm:n kiekkojen valmistuslinjansa on Euroopan modernein. Investointikustannukset olivat luokkaa viisi miljardia euroa, eli useamman LHC-kiihdyttimen verran. Kyllä hiukkaskiihdytin, tai paperikonekin, maksaa miljardeja, muttei ihan noin montaa.
Eräs syy tuotantolaitteiden kalliiseen hintaan on se, että modernissa puolijohdetehtaassa mikropiireille kuvioidaan rakenteita, joiden koko on tällä hetkellä 90 nanometriä. Tuotekehitysvaiheessa ovat 60 nm:n piirit, jotka tulevat markkinoille muutaman vuoden kuluttua. Vertailun vuoksi, ihmisen hius on noin 200 mikrometriä, eli reilut 2000 kertaa leveämpi kuin modernin CMOS-transistorin kanavan leveys, ja toisaalta ihminen aistii näkyvänä sinisenä valona 400 nm aallonpituuksia.
Toinen syy puolijohdekomponenttien sofistikoituneeseen ja kalliiseen valmistusteknologiaan on vaadittava puhtaustaso. Minkä tahansa puolijohdekomponentin, oli se sitten digikameran CCD-kenno, muistipiiri, mikroprosessori tai hiukkasilmaisin, toiminta nimittäin perustuu siihen, että puolijohde on lähes täydellinen yksikide. Jokainen piiatomi on järjestäytynyt täydellisesti kidesuuntaansa nähden naapuriatomin suhteen. Joukossa ei saa olla muita kuin piiatomeja. Vaadittava puhtaustaso puolijohdekomponenteissa on, ettei kidevirheitä tai epäpuhtausatomeja saa olla enempää kuin 1×10¹¹ cm¯³ . Kiinteässä aineessa on atomeja luokkaa 1×10²³ cm¯³ , eli jokaista 10.000 miljardia piiatomia kohden saa olla yksi kidevirhe tai epäpuhtausatomi.
Tyypillisiä haitallisia epäpuhtauksia piissä ovat mm. rauta ja kupari, jotka molemmat ovat hyvin yleisiä alkuaineita. Meidän kaikkien elimistössä, tai jopa ihon pinnalla, on paljon enemmän Fe- ja Cu-ioneja kuin mitä piikiekossa saa olla epäpuhtauksia. Maailman mikroelektroniikan tuotanto on noin 10.000 tonnia vuodessa, joten yhdessä kolikossa on riittävästi metallia kontaminoimaan koko maailman puolijohdetuotanto vuodeksi!
Mitä tekemistä tällä olikaan hiukkasfysiikan ja Higgsin bosonin kanssa? No sitä, että LHC-kokeissa käytettävät pii-ilmaisimet, kuten jo aiemmin mainittiin, joutuvat voimakkaaseen hiukkasäteilyyn. Ilmaisimen läpi menevä hiukkanen ei ainoastaan generoi sähköistä varausta, jota haluamme mitata mahdollisimman hyvällä hyötysuhteella, vaan myös rikkoo läpi mennessään piikidettä.
Miten tästä selvitään? Tarvitaan säteilynkestäviä säteilyilmaisimia eli hiukkasenkestäviä hiukkasilmaisimia. Siitä lisää ensi kerralla…