在日常生活中，為了捕捉一瞬間的事件，人們通常利用相機(jī)抓拍，然后根據(jù)照片來回味那一刻的精彩，使瞬間成為永恒。為了拍攝百米賽跑撞線的那一剎那，更需要利用每秒可拍攝上千張照片的高速相機(jī)來進(jìn)行記錄，即使是百分之一秒的時(shí)間差，都有可能導(dǎo)致一個(gè)新的世界紀(jì)錄的誕生。
在粒子物理的世界中，為了研究比質(zhì)子、中子小得多的夸克、輕子等微觀粒子，人們只能利用高能加速器首先將粒子（質(zhì)子或電子等，在用對(duì)撞機(jī)情況下還要加速它們的反粒子）加速到接近光速，然后使兩個(gè)（團(tuán)）粒子發(fā)生對(duì)撞。在對(duì)撞的瞬間將產(chǎn)生大量粒子，它們的運(yùn)動(dòng)或衰變形成各自的徑跡。在北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)中，每秒將發(fā)生數(shù)百萬次這樣的碰撞。不幸的是，這其中有價(jià)值的碰撞事件每秒只有幾次，圖1就表示了眾多對(duì)撞中的一個(gè)有效對(duì)撞事例。而更不幸的是，對(duì)撞產(chǎn)生的多數(shù)粒子，如π介子、K介子等，壽命都小于千萬分之一秒（10－7 s），其后將衰變?yōu)楦鼮榉€(wěn)定的電子、μ子等。而鐘情于對(duì)未知世界探索的物理學(xué)家卻恰恰對(duì)那些初級(jí)粒子的行為感興趣，希望對(duì)它們的運(yùn)動(dòng)軌跡、能量和動(dòng)量進(jìn)行精確的分析。
圖1 北京譜儀Ⅲ的一個(gè)有效對(duì)撞事例
顯然，依靠人的觀察或記錄絕對(duì)無法完成這樣復(fù)雜且要求分析速度極高的實(shí)驗(yàn)，物理學(xué)家只能依靠粒子物理的高速相機(jī)首先將對(duì)撞的瞬間捕捉下來，然后再通過自動(dòng)化軟件來分析那一瞬間究竟發(fā)生了什么。這需要在浩如煙海的粒子徑跡中首先找出感興趣的事例，并準(zhǔn)確測(cè)量粒子運(yùn)動(dòng)方向和能量。同時(shí)，由于初級(jí)粒子的壽命極短，運(yùn)動(dòng)徑跡的長(zhǎng)度也因此很短，物理學(xué)家希望這臺(tái)高速相機(jī)能盡量靠近對(duì)撞中心來直接拍攝對(duì)撞時(shí)初級(jí)粒子的瞬間信息。如果相機(jī)功能較差，就只能通過拍攝次級(jí)粒子的行為來反推出原始事例，測(cè)量精度就大大降低。這就好比新聞的記錄，事件直接目擊的真實(shí)性總是遠(yuǎn)高于根據(jù)間接描述進(jìn)行的事件還原。
這臺(tái)粒子物理的高速相機(jī)一方面要求極高的拍攝速度，完成一次拍攝的時(shí)間需要小于百萬分之一秒；另一方面需要極高的拍攝精度，能將對(duì)撞中心高密度的粒子徑跡區(qū)分開來，并精確測(cè)量其到達(dá)時(shí)間和能量；此外還需要超強(qiáng)的信息處理能力，能將海量的數(shù)據(jù)交給自動(dòng)化軟件進(jìn)行分析。像素探測(cè)器就是這樣一臺(tái)粒子物理的高速相機(jī)。 信息技術(shù)的發(fā)展史相比，像素探測(cè)器的前世今生也許沒有那樣轟轟烈烈，但同樣凝聚了幾代粒子物理學(xué)家對(duì)技術(shù)的不斷探索和努力。他們不變的追求可以總結(jié)為四個(gè)最終目標(biāo)：精確性、高速傳輸、高速可靠的保存，以及高效自動(dòng)的處理。最早的粒子物理相機(jī)采用了最直接的思路——物理學(xué)家真的采用了照相的方法，只不過為了保存粒子事件，需要先將充滿純凈蒸汽的密封容器絕熱膨脹，使蒸汽變?yōu)檫^飽和狀態(tài)。帶電粒子在穿過氣體時(shí)將產(chǎn)生離子對(duì)，這些離子對(duì)即成為氣體的凝結(jié)核，好比下雨時(shí)空氣中的飽和水蒸氣依靠灰塵形成水滴。粒子運(yùn)動(dòng)路徑上結(jié)成的微小水滴便成為了粒子徑跡。然后用相機(jī)直接拍照并顯影膠片進(jìn)行分析。這就是最早的粒子徑跡探測(cè)器——威爾遜云霧室。
一、像素探測(cè)器的前世今生
同信息技術(shù)的發(fā)展史相比，像素探測(cè)器的前世今生也許沒有那樣轟轟烈烈，但同樣凝聚了幾代粒子物理學(xué)家對(duì)技術(shù)的不斷探索和努力。他們不變的追求可以總結(jié)為四個(gè)最終目標(biāo)：精確性、高速傳輸、高速可靠的保存，以及高效自動(dòng)的處理。最早的粒子物理相機(jī)采用了最直接的思路——物理學(xué)家真的采用了照相的方法，只不過為了保存粒子事件，需要先將充滿純凈蒸汽的密封容器絕熱膨脹，使蒸汽變?yōu)檫^飽和狀態(tài)。帶電粒子在穿過氣體時(shí)將產(chǎn)生離子對(duì)，這些離子對(duì)即成為氣體的凝結(jié)核，好比下雨時(shí)空氣中的飽和水蒸氣依靠灰塵形成水滴。粒子運(yùn)動(dòng)路徑上結(jié)成的微小水滴便成為了粒子徑跡。然后用相機(jī)直接拍照并顯影膠片進(jìn)行分析。這就是最早的粒子徑跡探測(cè)器——威爾遜云霧室。
云室技術(shù)首次顯示了肉眼可見的粒子徑跡，如圖2所示，今天它仍然作為一種能直觀展示粒子存在的“宣傳型”探測(cè)器，活躍在各大高能物理實(shí)驗(yàn)室中，引領(lǐng)公眾走進(jìn)高能物理的大門。同它原理類似的還有利用過沸液體工作的氣泡室，利用電離倍增效應(yīng)的火花室和流光室等。不過這些技術(shù)的測(cè)量精度都較差，并且需要進(jìn)行大量人工處理，無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。這便導(dǎo)致了高精度、自動(dòng)記錄技術(shù)的研究，例如將粒子徑跡直接保存在膠片上。這種膠片被稱為核乳膠，但是膠片經(jīng)過了特制，由于顆粒更小，對(duì)高能粒子的測(cè)量精度和靈敏度大大提升，特別適合探測(cè)前面提到的短壽命粒子。圖3就顯示了利用核乳膠探測(cè)方法首次發(fā)現(xiàn)的π介子和它衰變之后的次級(jí)粒子徑跡。核乳膠方法的分辨率可達(dá)亞微米量級(jí)，今天依然可算空間分辨率最高的探測(cè)器。而更重要的是，它實(shí)現(xiàn)了粒子物理事件的自動(dòng)保存。
圖2 德國(guó)電子同步輻射（DESY）實(shí)驗(yàn)室里的一個(gè)云室，顯示了宇宙線入射事例
圖3 介子的發(fā)現(xiàn)，顯示了多張膠片拼接成的粒子徑跡
然而核乳膠技術(shù)仍然無法擺脫人工測(cè)量，無法實(shí)現(xiàn)完全的自動(dòng)化，處理速度仍然受到很大限制。20世紀(jì)中后期，物理學(xué)家對(duì)世界的探索進(jìn)入到夸克領(lǐng)域，粒子對(duì)撞產(chǎn)生了越來越高的事例率。以照相技術(shù)為代表的徑跡探測(cè)器一來記錄速度慢，二來需要大量人工處理，完全無法滿足微秒、納秒量級(jí)的處理速度要求，只得逐漸讓位于以電離室和閃爍體計(jì)數(shù)器為代表的電子學(xué)探測(cè)器。早期的電子學(xué)探測(cè)器功能簡(jiǎn)單，主要以對(duì)到達(dá)探測(cè)器的粒子數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)，或者測(cè)量帶電粒子形成的電流為主，后來逐漸發(fā)展到現(xiàn)在的多路探測(cè)器和電子學(xué)聯(lián)合探測(cè)，并配合高速傳輸總線和高速磁盤陣列進(jìn)行處理的超大規(guī)模系統(tǒng)。今天粒子物理實(shí)驗(yàn)的探測(cè)器已經(jīng)發(fā)展到圖4中那樣的巨大規(guī)模。而以核乳膠為代表的照相技術(shù)，只應(yīng)用于事例率不高的宇宙線等實(shí)驗(yàn)中，繼續(xù)發(fā)揮它高空間分辨率的特點(diǎn)。
圖4 世界上最大的探測(cè)器之一——ATLAS 探測(cè)器，左下角人和探測(cè)器的比例顯示了其規(guī)模
電子學(xué)探測(cè)器相比基于傳統(tǒng)照相技術(shù)的徑跡探測(cè)器，主要優(yōu)勢(shì)就在于高速的傳輸和高效的自動(dòng)化處理，而這兩者都只有依靠電子技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)。無論是前面提到的哪種徑跡探測(cè)器，都沒有實(shí)現(xiàn)粒子信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，最終的信息載體依然是膠片。雖然電子學(xué)探測(cè)器的空間分辨能力一直不如徑跡探測(cè)器，但轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)就能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，而自動(dòng)化就意味著高速化、規(guī)?；?。電子學(xué)探測(cè)器犧牲了一些空間分辨的精確性，卻贏得了高速傳輸、高速保存和自動(dòng)處理這三個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)。那么如果能將照片中的每個(gè)點(diǎn)的圖像信息都變成電信號(hào)傳送給計(jì)算機(jī)，是不是意味著在保留照相技術(shù)精確性的同時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)高速化和自動(dòng)化，從而使照相技術(shù)東山再起呢？答案是肯定的，像素探測(cè)器就是其中一個(gè)解答，但是做出這個(gè)解答，粒子物理學(xué)家花費(fèi)了超過40 年的時(shí)間，解答中的每一步，都得益于一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的誕生。 素探測(cè)器首先要解決的關(guān)鍵問題，就是如何將探測(cè)平面中每個(gè)點(diǎn)的位置、能量和時(shí)間等物理信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。說起探測(cè)平面，最經(jīng)典的平面探測(cè)器就是平行板探測(cè)器——一個(gè)經(jīng)典的電容結(jié)構(gòu)。圖5給出了平行板探測(cè)器的示意圖。帶電粒子穿過平行板探測(cè)器時(shí)，由于電離作用沉積能量，產(chǎn)生了等量的正負(fù)電荷。電荷在向正負(fù)極板運(yùn)動(dòng)時(shí)便形成了電流，我們只要對(duì)電流進(jìn)行探測(cè)，就能獲得帶電粒子的到達(dá)時(shí)間、能量等信息。雖然本質(zhì)上說平行板探測(cè)器屬于氣體探測(cè)器，而本文討論的像素探測(cè)器屬于半導(dǎo)體探測(cè)器，兩者的探測(cè)原理還是不完全相同的，但基于電離作用將物理事件轉(zhuǎn)換為電信號(hào)這一思路卻幾乎適用于所有的電子學(xué)探測(cè)器。
二、如何探測(cè)？ ——從電容器和二極管說起
像素探測(cè)器首先要解決的關(guān)鍵問題，就是如何將探測(cè)平面中每個(gè)點(diǎn)的位置、能量和時(shí)間等物理信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。說起探測(cè)平面，最經(jīng)典的平面探測(cè)器就是平行板探測(cè)器——一個(gè)經(jīng)典的電容結(jié)構(gòu)。圖5給出了平行板探測(cè)器的示意圖。帶電粒子穿過平行板探測(cè)器時(shí)，由于電離作用沉積能量，產(chǎn)生了等量的正負(fù)電荷。電荷在向正負(fù)極板運(yùn)動(dòng)時(shí)便形成了電流，我們只要對(duì)電流進(jìn)行探測(cè)，就能獲得帶電粒子的到達(dá)時(shí)間、能量等信息。雖然本質(zhì)上說平行板探測(cè)器屬于氣體探測(cè)器，而本文討論的像素探測(cè)器屬于半導(dǎo)體探測(cè)器，兩者的探測(cè)原理還是不完全相同的，但基于電離作用將物理事件轉(zhuǎn)換為電信號(hào)這一思路卻幾乎適用于所有的電子學(xué)探測(cè)器。
圖5 平行板探測(cè)器
然而這樣的兩個(gè)平板，卻只能提供我們單純的電流信息，我們無法獲知粒子到達(dá)平板上的精確位置。如果能將一整塊平板電容分割成許多塊小電容，使粒子在到達(dá)不同的電容時(shí)產(chǎn)生不同的信號(hào)，這樣就附帶上了位置信息。不過為了提供電壓，仍需如圖6所示保留其中一塊極板為公共極板平面，這樣分割極板可為地電位。然而，單純采用機(jī)械的分割方式單元尺寸仍然較大（一般在毫米量級(jí)），雖然已前進(jìn)一大步，但測(cè)量精度還達(dá)不到物理學(xué)家的要求。所謂像素者，其英文Pixel 原為圖像（Picture）和元素（Element）兩者的結(jié)合，即圖像的基本元素。要實(shí)現(xiàn)像素探測(cè)器，成為圖像中的點(diǎn)，獲得高位置精度，單元尺寸還應(yīng)該進(jìn)一步降低。
圖6 微結(jié)構(gòu)氣體探測(cè)器示意圖，采用整塊公共極板提供高壓，接收極被分割成大小相等的接收單元
單元尺寸的進(jìn)一步降低意味著電極尺寸將進(jìn)入微米量級(jí)，如果沒有半導(dǎo)體技術(shù)，我們很難想象如何構(gòu)造一個(gè)如此精密的電容陣列。
為了形成半導(dǎo)體電容器來探測(cè)粒子，我們分別在純凈硅的一側(cè)添加能提供富裕電子的n型摻雜，另一側(cè)添加能夠提供空位的p型摻雜（實(shí)際過程是首先進(jìn)行全面n摻雜，然后在一側(cè)進(jìn)行過量的p摻雜）。在兩種半導(dǎo)體的接觸區(qū)，可自由運(yùn)動(dòng)的正負(fù)電荷將發(fā)生中和，在這一區(qū)域內(nèi)，將留下只剩束縛電荷的離子，無法產(chǎn)生自由電荷，稱為耗盡區(qū)。這樣就形成了所謂的PN結(jié)，即一個(gè)形式上的二極管（圖7）。
圖7 摻雜半導(dǎo)體中的載流子擴(kuò)散（左）和PN 結(jié)形成（右），實(shí)心圓為電子，空心圓為空穴
在耗盡區(qū)中，形成了從N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)電場(chǎng)，已經(jīng)具有了電容器的特征，然而自然形成的PN結(jié)區(qū)域非常薄，有效探測(cè)區(qū)域很小。為了擴(kuò)大PN結(jié)的區(qū)域，我們可以給半導(dǎo)體加上反向電壓，使得電子和空穴分別流向電源的正負(fù)極。如果電壓足夠高（通常需要一、二百伏左右），這塊半導(dǎo)體中的所有自由電荷將全部被電源吸收，耗盡區(qū)將擴(kuò)散到半導(dǎo)體的全部區(qū)域，成為全耗盡PN結(jié)。此時(shí)內(nèi)電場(chǎng)分布在整個(gè)范圍內(nèi)，半導(dǎo)體區(qū)域全部成為探測(cè)靈敏區(qū)，它對(duì)粒子的探測(cè)行為就非常類似于平行板電容器了（圖8）。此時(shí)利用整塊公共極板提供反向偏壓，利用分割后的接收極實(shí)現(xiàn)對(duì)位置靈敏的探測(cè)。接收極的大小就決定了位置探測(cè)的精度。
圖8 外加反向偏壓的全耗盡PN 結(jié)對(duì)粒子的探測(cè)
利用半導(dǎo)體工藝，我們可以用精度更高的激光來控制分割精度（圖9）。首先利用激光在一塊不透光膠片上刻上微米尺寸的透光槽，然后將這塊膠片覆蓋在硅晶圓上，并利用摻雜離子束進(jìn)行照射。晶圓的大部分區(qū)域都將被不透光區(qū)域擋住，而只有開槽部分能夠接收離子束，這樣便實(shí)現(xiàn)了高位置精度的摻雜和離子注入，也就是半導(dǎo)體技術(shù)中有名的光刻過程，不透光的膠片被稱為掩膜（也有主要是透光區(qū)域的相反類型掩膜）?，F(xiàn)代半導(dǎo)體工藝能夠以亞微米尺寸對(duì)精度進(jìn)行控制，從而有可能實(shí)現(xiàn)微米量級(jí)的電極尺寸。這樣，我們終于成功的將物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并且實(shí)現(xiàn)了對(duì)位置信息的探測(cè)，由于探測(cè)電極尺寸很小，依然能夠保證很高的位置測(cè)量精度。
圖9 利用光刻和掩膜對(duì)半導(dǎo)體進(jìn)行摻雜，實(shí)現(xiàn)了接收極的分割
如果我們認(rèn)為一個(gè)成功的探測(cè)器就是照相技術(shù)問題的全部，那就大大低估了問題的復(fù)雜度。事實(shí)上，探測(cè)器只解決了前文提到四個(gè)目標(biāo)中的精確性問題。更大的困難在于，如何將這么小尺寸，這么密集的接收極的信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行處理。更準(zhǔn)確地說，這是三個(gè)問題：如何將接收極信號(hào)引出，如何對(duì)引出信號(hào)處理，以及計(jì)算機(jī)如何接收并進(jìn)行儲(chǔ)存。這也正好印證了四個(gè)目標(biāo)中的剩下三個(gè)。 日常生活中，各種電器的電源線，隨身聽的耳機(jī)線，閉路電視的電纜線，它們都有一個(gè)共同的特征——可以傳送電信號(hào)。探測(cè)器產(chǎn)生的也是電信號(hào)，也需要通過電信號(hào)線傳輸。然而我們誰也沒見過直徑僅微米量級(jí)的連接線。無論是機(jī)械強(qiáng)度，還是對(duì)信號(hào)的傳輸能力（電阻率），即使能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的連接線，它的性能也很難滿足要求。另一個(gè)更嚴(yán)重的問題在于，我們實(shí)際上需要的是對(duì)分割后的接收極陣列的并排傳輸，并且由于接收極尺寸變得很小，這些連接線的定位精度要求也變得非常高。
三、如何引出？——新工藝帶來的曙光
在日常生活中，各種電器的電源線，隨身聽的耳機(jī)線，閉路電視的電纜線，它們都有一個(gè)共同的特征——可以傳送電信號(hào)。探測(cè)器產(chǎn)生的也是電信號(hào)，也需要通過電信號(hào)線傳輸。然而我們誰也沒見過直徑僅微米量級(jí)的連接線。無論是機(jī)械強(qiáng)度，還是對(duì)信號(hào)的傳輸能力（電阻率），即使能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的連接線，它的性能也很難滿足要求。另一個(gè)更嚴(yán)重的問題在于，我們實(shí)際上需要的是對(duì)分割后的接收極陣列的并排傳輸，并且由于接收極尺寸變得很小，這些連接線的定位精度要求也變得非常高。
大家也許見過如同圖10中“夜光花”類似的玩具。它形象地表現(xiàn)了物理學(xué)家面臨的困境——如何實(shí)現(xiàn)這一束連接線同接收極陣列的精確連接，并正確傳輸信號(hào)？事實(shí)上，一束光導(dǎo)纖維在這個(gè)問題上面臨的困難要小得多，原因在于兩束臨近的光信號(hào)可以各自獨(dú)立遠(yuǎn)距離傳播而不互相影響，而兩條緊鄰的電信號(hào)線的問題在于，首先由于線電阻的存在，將使信號(hào)衰減，無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸；其次由于電容和電感的存在，一條信號(hào)線上的電信號(hào)將在另一條上疊加自身的一個(gè)比例復(fù)制，兩條線并行的距離越長(zhǎng)，互相間影響越大。如果連接線的直徑只有十幾微米，長(zhǎng)度也只有十幾微米，將可以保證小信號(hào)的原樣傳輸，減小線間的相互影響。因此下面要解決的問題就是要盡快將探測(cè)器的微小信號(hào)交給一個(gè)強(qiáng)力的接收器，也就是讀出電路，就可以利用第一手資料進(jìn)行處理，從而暫時(shí)完成傳輸任務(wù)。
圖10 “夜光花”——一束光導(dǎo)纖維對(duì)光信號(hào)的傳輸（上），下圖顯示了試圖采用同樣方式引出的半導(dǎo)體像素探測(cè)器示意圖
當(dāng)連接線的長(zhǎng)度和直徑都只有十幾微米時(shí)，聽上去似乎這條線將退化為正圓柱形或球形？沒錯(cuò)，人們正是利用圖11中顯示的一種金屬銦的小球來實(shí)現(xiàn)這條連接線。首先在分割后的接收極半導(dǎo)體上沉積金屬鋁的薄層圓盤作為金屬接觸，然后在鋁盤上繼續(xù)通過特殊工藝沉積上高度和直徑都只有十幾微米的金屬銦小圓柱。在讀出芯片的對(duì)應(yīng)位置也沉積上鋁連接圓盤陣列后，探測(cè)器和讀出芯片終于可以正式連接了。然而如何讓讀出芯片的鋁盤陣列同探測(cè)器銦柱陣列精確對(duì)準(zhǔn)絕對(duì)是個(gè)難題，我們可以想象，這實(shí)際上要求兩者如圖12中那樣進(jìn)行面對(duì)面連接，稱為倒裝焊技術(shù)，于是其中之一將要面臨背向精確定位的問題。今天，利用現(xiàn)代精密機(jī)械，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)誤差只有幾微米的定位精度，然而幾十年前，人們無法想象如何才能完成這種高難度工藝。
圖11 利用銦球倒裝焊引出的像素探測(cè)器（左）， 右圖是掃描電鏡中完成預(yù)制成，準(zhǔn)備進(jìn)行連接的銦球陣列
圖12 正進(jìn)行倒裝焊定位的探測(cè)器系統(tǒng)（左）和已完成連接的一個(gè)像素單元結(jié)構(gòu)示意圖（右）
為了使探測(cè)器和讀出芯片連接緊密并導(dǎo)電良好，人們還要在保證兩者精確接觸的前提下加溫使銦球熔化。如同流線型的水滴般，在液體表面張力的作用下，熔化成液體的銦變?yōu)榍驙钊缓罄鋮s，填滿整個(gè)金屬接觸面，并使探測(cè)器和讀出芯片牢固地接合。這樣我們就把面對(duì)面的金屬接觸一一對(duì)應(yīng)地“焊接”在了一起。好在銦的熔點(diǎn)較低，只有大約156℃，我們可以用相比其他金屬低得多的溫度來完成這一操作，這對(duì)嬌貴的半導(dǎo)體材料和電路來說都是非常重要的。當(dāng)然，這也要得益于材料科學(xué)的發(fā)展，使我們得以發(fā)現(xiàn)金屬銦的優(yōu)良特性。
看起來我們似乎已經(jīng)做出了對(duì)分割后的接收極陣列信號(hào)如何引出問題的解答，解答的思路似乎很直接。然而不幸的是，由于制造工藝的限制，這一問題長(zhǎng)時(shí)間以來制約了半導(dǎo)體探測(cè)器真正成為像素探測(cè)器。一開始，物理學(xué)家只能采用圖13中的變通方案，并不將接收極平面分割成像素，而僅僅是分割成條形，這樣利用條形電極本身，就可以完成部分信號(hào)的引出功能，然后在探測(cè)器邊緣連接到讀出電路。這種探測(cè)器稱為硅微條探測(cè)器。顯然，除非同時(shí)在條形電極兩端引出信號(hào)并測(cè)量信號(hào)到達(dá)時(shí)間，否則這樣的方式將只能測(cè)量一個(gè)方向上的位置信息。后來，先進(jìn)半導(dǎo)體工藝發(fā)展使得人們可以同時(shí)在硅晶體的上下表面都進(jìn)行離子注入和摻雜，從而可以利用上下表面分別進(jìn)行X方向和Y方向的位置探測(cè)，實(shí)現(xiàn)二維位置分辨。然而當(dāng)兩條帶電粒子徑跡同時(shí)穿過二維條形探測(cè)器時(shí)，探測(cè)器將無法在讀出條的兩種組合中進(jìn)行正確分辨，如圖14中右圖所示，也即具有多次擊中問題。這樣一來，二維條形探測(cè)器只能對(duì)單粒子入射事例進(jìn)行測(cè)量，凡是兩個(gè)以上的粒子同時(shí)入射，只能放棄對(duì)它的進(jìn)一步分析，從而大大限制了入射的事例率。然而，正如即將討論的，在幾乎同樣的位置分辨下，它的電子學(xué)路數(shù)可比像素探測(cè)器大大減少，因此硅微條探測(cè)器近年來已有大量應(yīng)用，如在大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)LEP上的ALEPH，DELPHI 等。在LHC 上的ATLAS和CMS實(shí)驗(yàn)也用它作為內(nèi)徑跡室，安排在像素探測(cè)器之外。
圖13 一維硅微條探測(cè)器，接收極分割為條形，邊緣引出信號(hào)
圖14 利用雙面工藝實(shí)現(xiàn)二維位置分辨，由邊緣引出信號(hào)（左）；
右圖表示了二維條型探測(cè)器的多重性問題，兩條徑跡同時(shí)入射時(shí)，入射點(diǎn)組合（1，8）（3，6）和（1，6）（3，8）具有同樣的輸出表現(xiàn)
限制像素探測(cè)器發(fā)展的不是思想，而是技術(shù)。物理學(xué)家心中一直保留著那個(gè)目標(biāo)的最終形態(tài)，然而正如我們開始就提到的，正是一個(gè)個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的誕生，才使得像素探測(cè)器研究一步步向前推進(jìn)。今天，物理學(xué)家終于可以不用再曲折地回避信號(hào)引出問題，而可采用最直接的方法實(shí)施像素對(duì)像素的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)引出方案，得到比較完美的像素探測(cè)器結(jié)構(gòu)。
細(xì)心的讀者也許算另外一筆賬：采用每面N 條的二維條形探測(cè)器，我們一共需要2N 套讀出電路；而采用N 行N 列的像素探測(cè)器，則一共需要N2套讀出電路。顯然，像素探測(cè)器對(duì)讀出電路的需求相比條形探測(cè)器是呈指數(shù)上升的，那么必須將每套讀出電路的開銷降到最低，包括制造成本的開銷，功耗的開銷等。如果我們?cè)倏紤]到倒裝焊面對(duì)面連接的特點(diǎn)，這實(shí)際上還要求讀出電路單元的大小同探測(cè)器像素單元完全相同，否則將真的呈現(xiàn)“夜光花”的連接特點(diǎn)——越邊緣的單元銦球連接的長(zhǎng)度將越長(zhǎng)，無法完成大規(guī)模陣列的工藝制作。從實(shí)際功能上說，探測(cè)器單元產(chǎn)生的電信號(hào)也非常小，如果不采用一整套性能良好，功能復(fù)雜的讀出電路進(jìn)行處理，探測(cè)器信號(hào)也將最終湮沒在環(huán)境中無法讀出。總結(jié)以上幾點(diǎn)，我們實(shí)際上需要在和探測(cè)器單元等大的很小面積內(nèi)，設(shè)計(jì)一套功能復(fù)雜的讀出電路，電路的性能要求高，而成本、功耗開銷很小，使得整體消耗在可接受范圍內(nèi)。
四、如何處理？ ——大顯身手的集成電路技術(shù)
細(xì)心的讀者也許算另外一筆賬：采用每面N 條的二維條形探測(cè)器，我們一共需要2N 套讀出電路；而采用N 行N 列的像素探測(cè)器，則一共需要N2套讀出電路。顯然，像素探測(cè)器對(duì)讀出電路的需求相比條形探測(cè)器是呈指數(shù)上升的，那么必須將每套讀出電路的開銷降到最低，包括制造成本的開銷，功耗的開銷等。如果我們?cè)倏紤]到倒裝焊面對(duì)面連接的特點(diǎn)，這實(shí)際上還要求讀出電路單元的大小同探測(cè)器像素單元完全相同，否則將真的呈現(xiàn)“夜光花”的連接特點(diǎn)——越邊緣的單元銦球連接的長(zhǎng)度將越長(zhǎng)，無法完成大規(guī)模陣列的工藝制作。從實(shí)際功能上說，探測(cè)器單元產(chǎn)生的電信號(hào)也非常小，如果不采用一整套性能良好，功能復(fù)雜的讀出電路進(jìn)行處理，探測(cè)器信號(hào)也將最終湮沒在環(huán)境中無法讀出?？偨Y(jié)以上幾點(diǎn)，我們實(shí)際上需要在和探測(cè)器單元等大的很小面積內(nèi)，設(shè)計(jì)一套功能復(fù)雜的讀出電路，電路的性能要求高，而成本、功耗開銷很小，使得整體消耗在可接受范圍內(nèi)。
事物的發(fā)展都是由多種因素共同影響的。半導(dǎo)體工藝使得實(shí)現(xiàn)微米大小的像素單元成為可能，但連接技術(shù)卻限制了接收極朝像素方向的進(jìn)一步分割，而讀出電路的設(shè)計(jì)則是另一個(gè)重要的限制因素。今天，我們可以不假思索地給出這個(gè)問題的答案——集成電路技術(shù)，然而20年前，當(dāng)物理學(xué)家還在使用干電池大小的單個(gè)晶體管制作簡(jiǎn)單放大器時(shí)，怎能想到這樣的一套電路，今天可以在僅僅幾十微米見方的面積內(nèi)，實(shí)現(xiàn)更高的性能。集成電路的飛速發(fā)展，使這一切成為可能。
現(xiàn)在探測(cè)器單元已經(jīng)將粒子能量轉(zhuǎn)換為了電信號(hào)，并且通過銦球倒裝焊，將電信號(hào)傳遞給了讀出電路。留給讀出電路的將是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。
讀出電路的根本任務(wù)，也是最大挑戰(zhàn)，就是將探測(cè)器微弱的電信號(hào)從環(huán)境噪聲中分離開來。在電世界中的噪聲是電信號(hào)的無規(guī)則組合。電噪聲產(chǎn)生的原因是多樣的，但有一點(diǎn)可以確定——噪聲是無法避免和徹底消除的，因此我們只能盡量降低噪聲對(duì)目的信號(hào)的影響。
圖15形象地說明了讀出電路的首要任務(wù)。探測(cè)器信號(hào)在傳遞到讀出電路時(shí)，已不可避免地疊加上了環(huán)境噪聲的影響。讀出電路需要從這樣的混合信號(hào)中，盡量將探測(cè)器信號(hào)提取出來，還原為最真實(shí)的物理信息。當(dāng)然，讀出電路本身也會(huì)不可避免地產(chǎn)生噪聲，這也要求電路本身的噪聲盡量低。然而對(duì)于讀出電路來說，探測(cè)器信號(hào)和噪聲信號(hào)都是電信號(hào)，本質(zhì)上沒有區(qū)別。幸好圖15給了我們這樣兩個(gè)直觀的印象：探測(cè)器信號(hào)通常具有特定的形狀，而噪聲的形狀是雜亂無章的；探測(cè)器信號(hào)的大?。▓D中點(diǎn)的明暗）跟被探測(cè)粒子的能量有關(guān)，而噪聲的大小通常只在一個(gè)平均值附近波動(dòng)。
圖15 噪點(diǎn)均勻分布的照片（左） 和噪聲過濾后（右）的照片
大家對(duì)篩子應(yīng)該都很熟悉：一堆形狀不同的物體，形狀跟篩孔相符合的將被自動(dòng)選出，而其他形狀的都將被過濾掉。讀出電路中也利用了這個(gè)思想。探測(cè)器信號(hào)的特定形狀本質(zhì)上是由于電信號(hào)具有特定的頻率特性。如果我們能將低于和高于探測(cè)器信號(hào)頻率的信號(hào)都剔除掉，就將只剩下探測(cè)器頻率的信號(hào)，從而完成選擇任務(wù)。我們將電路中的這個(gè)信號(hào)篩稱為濾波器。圖16就顯示了粒子物理讀出電路中的一種典型的濾波器結(jié)構(gòu)。
圖16 CR-RC 有源濾波器及其頻率響應(yīng)（時(shí)間常數(shù)1微秒）
我們知道，電容器是由兩個(gè)極板構(gòu)成，電荷無法從一個(gè)極板直接運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)極板，這也因此賦予了電容器“通高頻、阻低頻”的特性。我們的濾波器中的核心器件還是這個(gè)神奇的電容，我們調(diào)節(jié)電阻、電容值的大小，使電路允許通過的頻率正好等于探測(cè)器信號(hào)頻率，這樣就使非探測(cè)器頻率的信號(hào)都被濾掉，只剩下目標(biāo)信號(hào)。不幸的是這只是非常理想的情況，實(shí)際中探測(cè)器信號(hào)有一定的頻率范圍，既有低頻成分，也有高頻成分，我們?cè)跒V掉噪聲的同時(shí)也使探測(cè)器信號(hào)受到了損失，就好比圖15中右圖的亮度變暗，細(xì)節(jié)變得模糊；同樣，任何頻率都有噪聲的存在，在我們的允許頻率內(nèi)，該頻率的噪聲也通過了電路，溜到了輸出端，圖15中我們也能看到這部分噪點(diǎn)的存在。但是，縱然有許多不理想，我們?nèi)员Ａ袅舜蟛糠钟杏眯盘?hào)，剔除了絕大部分噪聲，使信號(hào)分量和噪聲分量的比例相比未處理前大大增加了，即噪聲的影響被大大降低了。
為了進(jìn)一步擴(kuò)大戰(zhàn)果，在濾波之后我們進(jìn)一步利用了噪聲的第二個(gè)特性，即噪聲的大小通常只在一個(gè)平均值附近波動(dòng)。圖17給出了一個(gè)形象的比喻：站在一片高高雜草中的小孩我們可能難以發(fā)現(xiàn)，而大人的存在卻一目了然，即使是在同一片雜草中。這表明，只要信號(hào)的幅度顯著大于噪聲，那么我們也能很容易地將目標(biāo)信號(hào)同噪聲分辨開?？梢越o電信號(hào)的大小設(shè)定一道關(guān)卡，凡是大于關(guān)卡的信號(hào)，就認(rèn)為是探測(cè)器信號(hào)，關(guān)卡以下的信號(hào)，都認(rèn)為是噪聲。我們將這道關(guān)卡稱為甄別閾。顯然，應(yīng)該將甄別閾設(shè)定得比噪聲的最大幅度稍大，這樣能夠保證將所有的噪聲都排除；同時(shí)應(yīng)該在此基礎(chǔ)上將甄別閾設(shè)定得盡量低，因?yàn)樵谠O(shè)定甄別閾的同時(shí)，也會(huì)將一些幅度很小的有用信號(hào)當(dāng)作噪聲排除，需要盡量減少這部分的損失。
圖17 放大甄別的思想和甄別閾的設(shè)定
像素探測(cè)器輸出信號(hào)的問題在于其信號(hào)幅度很小，如果直接進(jìn)行甄別，可能同噪聲的區(qū)分不太明顯，這樣將損失掉很多真實(shí)信號(hào)。因此還需要利用放大器將信號(hào)放大。雖然放大器在放大信號(hào)的同時(shí)也對(duì)噪聲進(jìn)行了等量的放大，但是放大器沒有改變信號(hào)頻率特性，所以我們還是能夠配合采用濾波的方法，一方面得到較大的探測(cè)器信號(hào)，另一方面增大信號(hào)和噪聲的區(qū)別，從而很容易地利用一道甄別閾將信號(hào)分辨出來。
值得注意的是，噪聲是無處不在的，放大器本身也會(huì)產(chǎn)生噪聲，因此我們應(yīng)該讓濾波器和甄別器兩者緊密相連，避免因?yàn)轭~外添加的中間過程使本來取得的濾波成果變差，于是最終演變成了圖18中讀出電路經(jīng)典的“放大-濾波-甄別”結(jié)構(gòu)。
圖18 像素單元電路：放大-濾波-甄別結(jié)構(gòu)
讀出電路之后的任務(wù)就根據(jù)粒子物理實(shí)驗(yàn)的需求而五花八門了。甄別信號(hào)是否過閾的“0”和“1”標(biāo)志，實(shí)際上將敏感的信號(hào)大小信息（稱為模擬量）轉(zhuǎn)換為了對(duì)噪聲不敏感的二進(jìn)制信號(hào)（稱為數(shù)字量）——即使噪聲增加到一個(gè)相當(dāng)大的程度，“有”就是“有”，“無”就是“無”。于是我們可以利用甄別信號(hào)對(duì)一段時(shí)間內(nèi)到達(dá)的粒子數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而反映圖像強(qiáng)弱的變化；利用芯片內(nèi)的數(shù)字秒表（計(jì)數(shù)器），也能測(cè)量甄別信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間，分析不同位置像素單元發(fā)生事件的因果關(guān)系；甚至還能測(cè)量放大濾波后信號(hào)的大小，即不經(jīng)過甄別器而直接測(cè)量粒子的能量，獲得第一手的能量測(cè)量數(shù)據(jù)。然而不管需求如何變化，“放大-濾波-甄別”方法都是粒子物理實(shí)驗(yàn)中讀出芯片進(jìn)行信號(hào)處理的主要手段。
本來，對(duì)一般探測(cè)器來說，讀出電路的任務(wù)到這里就算告一段落了。然而每個(gè)像素單元間都不是獨(dú)立的個(gè)體，它們需要組成一臺(tái)精密相機(jī)，只有當(dāng)每個(gè)單元在相同輸入時(shí)都給出相同輸出，最終的照片才會(huì)反映真實(shí)的世界，否則有的單元亮度很高，有的單元信號(hào)基本不放大，最后就會(huì)出現(xiàn)圖19中的哈哈鏡效果。這樣的相機(jī)也肯定無法用來測(cè)量精密度要求非常高的粒子物理事件。因此像素探測(cè)器還要求很好的像素單元一致性，不光是放大器的增益，還包括濾波器的允許頻率，以及各個(gè)單元的甄別閾等。由于單元數(shù)很多，這些不一致性大小的隨機(jī)分布最后都將等價(jià)為電路的噪聲。不幸的是，集成電路工藝在制造過程中將不可避免地引入不一致性。為了抵消這種不一致性，我們只能首先測(cè)量每個(gè)單元的實(shí)際甄別閾，然后利用一個(gè)可控制的修正器，人為地將每個(gè)單元的閾值修正到一個(gè)統(tǒng)一值。只有完成了這一步，所有的像素單元才能統(tǒng)一工作，否則永遠(yuǎn)只能各自為陣，無法給出整幅粒子物理的圖像。
圖19 凸面鏡（非平面鏡）和增益不一致時(shí)導(dǎo)致的圖像畸變
五、如何存儲(chǔ)？——最后的考驗(yàn)
現(xiàn)在看起來探測(cè)器微弱的信號(hào)經(jīng)過讀出芯片的處理后終于安全了，然而九九八十一難，克服了最后一難才算功德圓滿。雖然像素單元將一切都處理得很好了，但是不要忘了，我們的單元總數(shù)是巨大的，如何將處理完成的單元信息儲(chǔ)存下來將是我們面臨的最后一個(gè)難關(guān)。
顯然我們不可能為每個(gè)像素單元提供一臺(tái)計(jì)算機(jī)專門處理，只能依靠數(shù)量有限的信號(hào)線將單元信息依次傳出，發(fā)送給計(jì)算機(jī)。好在讀出線路留給我們的數(shù)字信號(hào)已經(jīng)不像探測(cè)器信號(hào)一樣?jì)扇?，抗干擾能力比較強(qiáng)，也適合遠(yuǎn)距離傳輸，于是我們可以靈活地采用各種手段，從像素單元中收集信息。
研究中小學(xué)課堂如何收作業(yè)能給我們很多啟發(fā)。無論是由小組長(zhǎng)負(fù)責(zé)將每個(gè)組員的作業(yè)依次收集，再交到學(xué)習(xí)委員手中，還是每排從后往前依次將作業(yè)往前傳，都是老師們根據(jù)長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出的一套高效的作業(yè)收集方式。它們的特點(diǎn)是，基本上每個(gè)人都有作業(yè)需要提交，采取的無意義操作很少；而采用的這兩種方式都可以僅僅利用單一通道或人員完成高效的收集。類似的方法也用在像素單元普遍工作，信息量很足的情況。對(duì)應(yīng)于小組長(zhǎng)收作業(yè)的方式，稱為令牌輪詢方式。當(dāng)令牌有效時(shí)，像素單元占用公共信號(hào)線，將本單元信息傳出，然后將令牌傳遞給同列相鄰的下一個(gè)像素單元，這樣每列只需要一根公共信號(hào)線就能完成全部信息的有序送出。而從后往前依次的傳遞，對(duì)應(yīng)串行鏈的傳輸方式。不需要通過小組長(zhǎng)（令牌）的審查，直接將所有信息從前往后依次輸出。當(dāng)有少量空閑單元時(shí)，串行鏈方式可能會(huì)花費(fèi)稍多的讀出時(shí)間。
相對(duì)而言，如果課堂中有人舉手，將吸引全班同學(xué)傾聽他的發(fā)言，則是另一種有效的信息收集方式?？梢韵胂螅@要求有發(fā)言要求的人比較少，否則如果全班都舉手，一來需要老師一一允許依次發(fā)言，二來其他同學(xué)都要等待前一位同學(xué)發(fā)言完畢才能輪到自己。顯然，當(dāng)舉手的同學(xué)很多時(shí)，逐一詢問是否發(fā)言是非常浪費(fèi)時(shí)間的。對(duì)應(yīng)像素芯片中的讀出方式稱為觸發(fā)方式。芯片中任何單元有粒子信號(hào)時(shí)，都將引起全芯片讀出單位的注意，盡快處理該信號(hào)。這種方式比較適合于事例率高，但粒子擊中單元較少的情況。
這里看上去講的還是信息的引出，實(shí)際上正是如何儲(chǔ)存的關(guān)鍵問題。如同蓄滿水的水池需要通過有限大小的管道排水，我們也不可能瞬間將所有的單元信息取出，然后要求計(jì)算機(jī)立即把這些信息儲(chǔ)存下來——不要忘了像素?cái)?shù)量是巨大的，這要求傳輸、處理和保存的可能是每秒數(shù)太（1太=1兆兆=1012）字節(jié)，約相當(dāng)于50部藍(lán)光高清電影的大小。沒有任何一種數(shù)據(jù)傳輸方式（總線協(xié)議）能實(shí)現(xiàn)這樣高速的傳輸，沒有任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)能完成這樣高數(shù)據(jù)率的處理，也沒有任何一塊硬盤能將這樣大的數(shù)據(jù)量瞬間儲(chǔ)存。這也就是為什么家用相機(jī)從來無法號(hào)稱是高速相機(jī)。即使單反已能實(shí)現(xiàn)很高精度的拍攝，卻需要較長(zhǎng)時(shí)間的存儲(chǔ)過程，如果需要的話，每張照片也是幾十兆字節(jié)的大容量。高速配上高精度，就需要付出相當(dāng)?shù)拇鷥r(jià)，需要一整套設(shè)備的支持。我們也只能在像素單元暫存的海量信息中拉出幾條數(shù)據(jù)流大水管，使信息盡量快地流入到計(jì)算機(jī)和硬盤中進(jìn)行處理和存儲(chǔ)。得益于計(jì)算機(jī)迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)處理效率也越來越高，使得這樣大的數(shù)據(jù)量最終能被計(jì)算機(jī)接收并處理，在硬盤上找到歸宿，否則粒子物理學(xué)家可能只能退而求其次，采用較少的單元數(shù)降低精度，或者降低粒子事件率來降低速度，使好不容易得到的數(shù)據(jù)不會(huì)因?yàn)闊o法儲(chǔ)存而浪費(fèi)。 精密的儀器就需要越仔細(xì)的保護(hù)。我們可以想象，將一臺(tái)相機(jī)直接靠近一枚炮彈的落點(diǎn)進(jìn)行拍攝，對(duì)這臺(tái)相機(jī)的穩(wěn)定性將提出多大的考驗(yàn)。更何況我們的像素探測(cè)器需要常年累月的記錄高能粒子炮彈的對(duì)撞信息。粒子炮彈對(duì)撞后的彈片——高能次級(jí)粒子不斷的轟擊我們的探測(cè)器和讀出電路，將對(duì)敏感的硅晶體造成各種瞬間或持續(xù)的影響。水滴石穿，繩鋸木斷，何況是粒子炮彈數(shù)十年如一日的不斷轟擊？相比隱蔽在后排的各種其他探測(cè)器，粒子炮彈對(duì)像素探測(cè)器的影響要大得多。這些炮彈一方面有可能將硅晶體中的原子撞離它原有位置，影響晶體中的載流子濃度，另一方面這些帶電粒子有可能停留在氧化絕緣層上，將電荷積累下來，形成一個(gè)逐漸變強(qiáng)的電場(chǎng)同外加電場(chǎng)相對(duì)抗，阻止PN結(jié)的形成。天長(zhǎng)日久，探測(cè)器的性能將越來越差，最終無法使用。對(duì)于讀出電路來說，除了上面這些效應(yīng)外，高能粒子還有可能瞬間改變讀出電路的一些記憶信息，例如將已保存的甄別信號(hào)從“1”變?yōu)椤?”，就好比全黑的照片上突然出現(xiàn)一個(gè)白點(diǎn)。更有甚者，某些極高能量的粒子還有可能造成讀出電路局部的短路放電，使電路燒毀，造成永久性的致命損傷。
六、奮戰(zhàn)在槍林彈雨中的“戰(zhàn)地記者”
越精密的儀器就需要越仔細(xì)的保護(hù)。我們可以想象，將一臺(tái)相機(jī)直接靠近一枚炮彈的落點(diǎn)進(jìn)行拍攝，對(duì)這臺(tái)相機(jī)的穩(wěn)定性將提出多大的考驗(yàn)。更何況我們的像素探測(cè)器需要常年累月的記錄高能粒子炮彈的對(duì)撞信息。粒子炮彈對(duì)撞后的彈片——高能次級(jí)粒子不斷的轟擊我們的探測(cè)器和讀出電路，將對(duì)敏感的硅晶體造成各種瞬間或持續(xù)的影響。水滴石穿，繩鋸木斷，何況是粒子炮彈數(shù)十年如一日的不斷轟擊？相比隱蔽在后排的各種其他探測(cè)器，粒子炮彈對(duì)像素探測(cè)器的影響要大得多。這些炮彈一方面有可能將硅晶體中的原子撞離它原有位置，影響晶體中的載流子濃度，另一方面這些帶電粒子有可能停留在氧化絕緣層上，將電荷積累下來，形成一個(gè)逐漸變強(qiáng)的電場(chǎng)同外加電場(chǎng)相對(duì)抗，阻止PN結(jié)的形成。天長(zhǎng)日久，探測(cè)器的性能將越來越差，最終無法使用。對(duì)于讀出電路來說，除了上面這些效應(yīng)外，高能粒子還有可能瞬間改變讀出電路的一些記憶信息，例如將已保存的甄別信號(hào)從“1”變?yōu)椤?”，就好比全黑的照片上突然出現(xiàn)一個(gè)白點(diǎn)。更有甚者，某些極高能量的粒子還有可能造成讀出電路局部的短路放電，使電路燒毀，造成永久性的致命損傷。
為了盡量延長(zhǎng)像素探測(cè)器的壽命，人們一方面采用增加外加電壓等方法抵消電荷效應(yīng)，另一方面改進(jìn)半導(dǎo)體工藝，試圖降低輻射損傷的影響。對(duì)于記憶單元，也采用容錯(cuò)設(shè)計(jì)來提高它對(duì)高能粒子干擾的抵抗能力。不過這些抗輻射加固方法還沒有從根本上解決輻射損傷問題，雖然比起過去，像素探測(cè)器的壽命已經(jīng)大大延長(zhǎng)，但畢竟還是有限的，大約經(jīng)過十年左右的使用時(shí)間，就需要考慮采用一套全新的探測(cè)器來更換已經(jīng)老化的設(shè)備。 多新粒子的發(fā)現(xiàn)，都得益于當(dāng)時(shí)的先進(jìn)技術(shù)和新探測(cè)器的研究。利用照相徑跡技術(shù)的鼻祖——威爾遜云室，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了正電子、μ 子等粒子；利用核乳膠技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了π介子、K介子等。這些都是照相徑跡技術(shù)在昨天取得的輝煌。雖然經(jīng)歷過低谷，像素探測(cè)器今天又重新站在了粒子探測(cè)的第一線——最靠近對(duì)撞中心，事例率最高，位置分辨率最高，設(shè)計(jì)最精密。它重新代表了粒子探測(cè)器領(lǐng)域的最前沿。今天，在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）中的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)ATLAS、CMS 中，像素探測(cè)器正發(fā)揮著舉足輕重的作用（圖20）。以ATLAS實(shí)驗(yàn)的像素探測(cè)器為例，每個(gè)像素單元的尺寸僅僅250微米長(zhǎng)、50微米寬。由于每個(gè)單元的讀出電路同時(shí)測(cè)量了粒子的能量、到達(dá)時(shí)間等信息，使得位置測(cè)量的精度最終能夠好于10微米。與此同時(shí)，每平方厘米的面積內(nèi)，每秒的平均擊中粒子數(shù)將達(dá)到驚人的四億次，這使得每塊讀出芯片每秒將有20兆字節(jié)的信息需要輸出并被儲(chǔ)存，而整個(gè)像素探測(cè)器共有數(shù)千塊這樣的讀出芯片，這需要采用特殊的壓縮算法才能將信息讀出。即使這樣，每秒仍然有幾十吉字節(jié)的信息量。對(duì)于受輻射損傷最嚴(yán)重的像素探測(cè)器來說，每塊像素芯片需要承受250兆拉德以上的總輻射照射量，相當(dāng)于僅一克的物質(zhì)承受2500焦耳的能量。即使采用了最先進(jìn)的工藝和電路設(shè)計(jì)，探測(cè)器整體壽命預(yù)計(jì)也只有區(qū)區(qū)十年左右的時(shí)間。
七、像素探測(cè)器的昨天、今天和明天
許多新粒子的發(fā)現(xiàn)，都得益于當(dāng)時(shí)的先進(jìn)技術(shù)和新探測(cè)器的研究。利用照相徑跡技術(shù)的鼻祖——威爾遜云室，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了正電子、μ 子等粒子；利用核乳膠技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了π介子、K介子等。這些都是照相徑跡技術(shù)在昨天取得的輝煌。雖然經(jīng)歷過低谷，像素探測(cè)器今天又重新站在了粒子探測(cè)的第一線——最靠近對(duì)撞中心，事例率最高，位置分辨率最高，設(shè)計(jì)最精密。它重新代表了粒子探測(cè)器領(lǐng)域的最前沿。今天，在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）中的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)ATLAS、CMS 中，像素探測(cè)器正發(fā)揮著舉足輕重的作用（圖20）。以ATLAS實(shí)驗(yàn)的像素探測(cè)器為例，每個(gè)像素單元的尺寸僅僅250微米長(zhǎng)、50微米寬。由于每個(gè)單元的讀出電路同時(shí)測(cè)量了粒子的能量、到達(dá)時(shí)間等信息，使得位置測(cè)量的精度最終能夠好于10微米。與此同時(shí)，每平方厘米的面積內(nèi)，每秒的平均擊中粒子數(shù)將達(dá)到驚人的四億次，這使得每塊讀出芯片每秒將有20兆字節(jié)的信息需要輸出并被儲(chǔ)存，而整個(gè)像素探測(cè)器共有數(shù)千塊這樣的讀出芯片，這需要采用特殊的壓縮算法才能將信息讀出。即使這樣，每秒仍然有幾十吉字節(jié)的信息量。對(duì)于受輻射損傷最嚴(yán)重的像素探測(cè)器來說，每塊像素芯片需要承受250兆拉德以上的總輻射照射量，相當(dāng)于僅一克的物質(zhì)承受2500焦耳的能量。即使采用了最先進(jìn)的工藝和電路設(shè)計(jì)，探測(cè)器整體壽命預(yù)計(jì)也只有區(qū)區(qū)十年左右的時(shí)間。
這樣先進(jìn)的探測(cè)器系統(tǒng)源自于物理學(xué)家對(duì)真實(shí)世界的不懈探索——不斷的改進(jìn)探測(cè)器性能，改進(jìn)制造工藝，利用先進(jìn)技術(shù)，最終凝聚為像素探測(cè)器的四個(gè)最終目標(biāo)：精確性、高速傳輸、高效自動(dòng)的處理、以及高速可靠的保存。這同樣也是其他所有探測(cè)器發(fā)展歷程的一個(gè)縮影。
圖20 CMS 像素探測(cè)器結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)讀出方案
物理學(xué)家并沒有滿足于今天比較完美的像素探測(cè)器形態(tài)，他們還想更精確的了解物質(zhì)世界。他們想要更高的位置測(cè)量精度，為此想要更小的像素尺寸，于是他們考慮將讀出電路折疊成幾層設(shè)計(jì)，形成圖21中三維結(jié)構(gòu)的電路，將面積疊放到縱向，為此需要采用最先進(jìn)的硅超級(jí)通孔技術(shù)來連接讀出電路的各層信號(hào)。他們想要更高效的處理，為此嘗試采用最先進(jìn)的、可以媲美CPU工藝的65納米集成電路工藝，在更小的面積上實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能。他們還想要更高速的傳輸和存儲(chǔ)，為此一系列高速總線傳輸協(xié)議、高速磁盤陣列技術(shù)都在火熱的研究中。也許看上去很瘋狂很異想天開，但昨天正是物理學(xué)家的瘋狂和執(zhí)著，才推動(dòng)了今天如此復(fù)雜技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。我們期待著看到像素探測(cè)器更精彩的明天。
圖21 三維電路示意圖，左為傳統(tǒng)像素，右為三維像素結(jié)構(gòu)
(本文選自《現(xiàn)代物理知識(shí)》2012年第4期，作者：魏 微 中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所/ 核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,時(shí)光摘編)
