大型重離子對撞機實驗(ALICE)是大型強子對撞機(LHC)上唯一致力于研究極端相對論下的原子核碰撞的實驗。其目標是研究強相互作用物質在實驗室達到的極高能量密度下的物理特性。在極高能量密度下，能夠產生一種新的物質形態——夸克-膠子等離子體。宇宙被認為在大爆炸后的最初幾百萬分之一秒就處于夸克-膠子等離子體狀態。在實驗室里重現宇宙初期的物質形態并理解它是如何演化的，將有助于理解當今物質世界的形成和組分以及夸克和膠子的禁閉機制等物理學前沿重大科學問題。為此，ALICE 對重核(如鉛核)碰撞產生的強子、電子、繆子和光子進行了全面的探測和研究。為了與核-核碰撞相比較，ALICE 也研究質子-質子和質子-核碰撞。至2021 年，ALICE 將完成探測器的重大升級，以進一步增強其探測能力，并在未來十多年繼續在LHC上進行它的科學探索之旅。

01 ALICE 探測器升級簡介

ALICE今年將完成其探測器、數據采集和數據處理系統的升級，提高物理探測能力，從而提高夸克-膠子等離子體的特征的提取精度，并探索量子色動力學(QCD)中的新現象。

為了精確測量強相互作用物質，ALICE將專注于稀有探針，如重味粒子、夸克偶素、光子、低質量雙輕子，以及噴注淬火和奇異核的研究。觀測稀有現象需要非常大的數據樣本。在LHC第三次運行期間，鉛核-鉛核反應率預計將達到五萬赫茲，對應的瞬時亮度為6 × 1027 每平方厘米每秒。這將使ALICE 積累的積分亮度和數據樣本比目前所獲得的大十倍以上。此外，由于徑跡探測器精度的提高，升級后的探測器系統對含有重味夸克的短壽命粒子的探測效率更高。

在LHC 第二次長停機期間(2019~2021 年)，ALICE 要進行幾項重大升級：一個新的高分辨率、低物質量的硅像素內尋跡系統(ITS2)和一個新的前向繆子徑跡探測器(MFT)，時間投影室的讀出室升級為氣體電子倍增(GEM)探測器并采用全新的快速讀出裝置，升級多個子探測器的讀出電子學系統，新型快速相互作用觸發(FIT)探測器，和集成的在線-離線計算系統，以處理和存儲大量數據。

利用升級后的探測器，ALICE將實現如下物理目標：拓展對開粲、開底介子和重子的精確測量范圍至橫動量零，研究重夸克與夸克-膠子等離子體的相互作用，確定QGP的輸運系數，研究粲夸克熱化程度及其強子化。拓展對J/ψ，ψ ' 的精確測量至極低的橫動量區，并實現對瞬生和非瞬生J/ψ的有效分離，以探索熱密物質環境下粲偶素的離解和再產生，研究色禁閉解除和介質溫度。為確定QGP的初始溫度和狀態方程等提供重要信息，測量低不變質量、低橫動量區的雙輕子產生，探尋手征對稱性恢復的信號。通過測量噴注內強子組分、重味噴注的產額等，研究噴注淬火效應和熱密物質環境對部分子碎裂的影響。測量輕核和超核的產生，研究它們的產生機制和參與集體運動的程度。

本文主要介紹ALICE內尋跡系統的升級：這是2011 年啟動的一項重大國際合作研發工作。包括中國在內的15 個國家的35 個研究機構一起，經過為期五年的密集研發計劃，于2017~2019 年完成探測器各關鍵部件的成功原型制作和生產，運抵歐洲核子研究中心(CERN)后在CERN 167 號樓進行組裝和測試。建成的新的內尋跡系統于2021 年初安裝在LHC隧道ALICE實驗的洞穴里。

02 新的內尋跡系統

新的內尋跡系統(即ALICE第二代內尋跡系統——ITS2) 是一種基于互補金屬氧化物半導體(CMOS)的單片有源像素傳感器(MAPS)的全像素硅探測器，覆蓋中心快度區(|η|<1.3)。在MAPS 技術中，用于電荷收集的傳感器和用于數字化的讀出電路都在同一塊硅片中，而不是通過凸點連接在一起。ALICE 開發的芯片稱為ALPIDE。使用該芯片，ITS2 每層材料的輻射厚度比第一代ITS 減少了7 倍。ALPIDE芯片的尺寸為15×30 平方毫米，包含50 多萬像素。它的低功耗(<40 毫瓦每平方厘米)和當前國際上最出色的空間分辨率(<5 微米)非常適合ALICE的內層徑跡探測。

如圖1 所示，ITS2 是由ALPIDE 芯片構成的七個圓柱形筒組成，分為兩個子系統：內筒(IB)由27厘米長的三層組成，半徑分別為2.3、3.1 和3.9 厘米；外筒(OB)由兩個84 厘米長的中間層(ML)組成，半徑分別為24 和30 厘米，兩個148 厘米長的外層分別位于42 和48 厘米處。芯片總面積為10 平方米，含125 億個像素單元。新設計的束流管半徑為18.6 毫米(以前為39 毫米)，允許ITS2 的最內層以22.4 毫米的半徑靠近束流軸。

ITS2 將提高碰撞參數分辨率，橫向平面(r?)提高三倍，束流軸(z)方向上提高五倍。它將把尋跡能力擴展到更低的橫動量，使ALICE能夠以前所未有的精度對重味強子進行測量。ITS2 還將增強讀出能力，允許在超過五萬赫茲的反應率下進行數據讀出和記錄。讀出速度的提高以及新的數據采集系統的部署，將允許記錄所有碰撞事例，若轉化為可收集的最小偏差統計數據，比升級前的ALICE的數據采集能力提升了大約兩個數量級。表1 給出了內尋跡系統升級前后的性能比較。

03 ALPIDE 芯片

ITS2 所期望的高水平的頂點重建和尋跡性能對探測器的粒度和材料的輻射厚度提出了嚴格的要求。為迎接這一挑戰，包含中國組在內的ALICE-ITS2 芯片研發合作組聯合開發了一款專用的MAPS芯片，即ALPIDE，將像素傳感器和讀出電子學器件集成在一起。

ALPIDE 芯片的大小為15×30 平方毫米，采用Tower 半導體公司提供的180 納米CMOS工藝。該工藝的一個關鍵特征是深p-阱層(深p-型植入物)，如圖2，將包含PMOS晶體管的n-阱(n-阱植入物)從外延層屏蔽并且防止它們收集信號電荷，從而允許在像素電路中實現完整的CMOS(N 型金屬氧化物半導體NMOS和P 型金屬氧化物半導體PMOS)電路，并使ALPIDE 成為第一個具有類似于混合像素探測器的稀疏讀出的CMOS 芯片。總電離劑量(TID)容限要求是用小厚度柵氧化層實現的，而電阻率大于1000 歐姆厘米的25 微米p 型外延層和對襯底施加反向偏壓的可能性增加了對非電離能量損失(NIEL)的耐受性。束流測試表明，在TID 和NIEL 輻射后，在大的閾值范圍下，ALPIDE 芯片具有良好的性能，探測效率大于99%，空間分辨率在5微米以下。

ALPIDE 芯片包括一個由29.24×26.88 平方微米的像素單元組成的512×1024 矩陣(圖3)，以及模擬偏置、控制、讀出和接口。每個像素單元包含一個感測二極管、一個前端放大器和整形器、一個甄別器和一個數字電路部分。像素單元按雙列排列，并由優先級編碼器讀出，該編碼器將記錄命中的像素的地址發送到芯片外圍電路讀出。沒有擊中的像素不被讀出，使得讀出過程更快，并且降低了功耗，每個像素的功耗約為40 納瓦。信號感測二極管比像素單元小100 倍。穿過傳感器的帶電粒子通過電離釋放材料中的自由載流子。在外延層中釋放的電子向側向擴散，而保持在縱向位置基本不變。當它們到達感測二極管的耗盡區(或直接在其耗盡區釋放)時，耗盡區中的電場將它們掃向二極管觸點。空穴由基板和p 型阱收集。由外延層中的載流子運動引起的二極管電流由像素前端讀出。在襯底上施加適當的反向偏壓可以增加收集二極管周圍的耗盡區，提高信噪比。

04 探測器建造

ITS 的升級對機械工程提出了挑戰。ALPIDE傳感器的結構支撐需要嵌入冷卻系統，并要盡量減少材料的輻射厚度，以確保高性能。為此，ALICE開發出超輕高導熱碳結構冷卻板，板中嵌入能在亞大氣壓下工作的微型聚酰亞胺水冷管。

ALPIDE芯片散發的熱量通過碳板進入冷卻管道，最后通過管道中流動的水排出。聚酰亞胺管的直徑非常小，小于1 毫米，ITS2 內三層的管壁厚度僅為25微米。

為確保機械穩定性，冷板由空間框架支撐，空間框架是一種具有三角形橫截面的輕質絲纏繞碳結構。這一概念既適用于ITS2 內筒(IB)三層的狹板(如圖4)，也適用于外筒(OB)的四層狹板。每一層基于不同的幾何和熱約束來定制。每個IB 狹板(包括冷卻管)的重量僅為1.7克。

IB 狹板由一個IB 混合集成電路(HIC)模塊組成。IB HIC 模塊由九個厚50 微米的ALPIDE 芯片組成(見圖5)。這些芯片在ALICE定制的模塊組裝機器ALICIA 中對齊，并粘貼在鋁基柔性印刷電路(FPC)上。芯片焊盤通過導線綁定到FPC過孔。每個芯片分別以十二億比特每秒的速度與其他芯片并行讀出。最后，IB HIC被粘在一個冷板上。


OB狹板由兩個半狹板組成。OB分為兩個中間層和兩個外層，它們具有相同的設計，但長度不同，中間層的半狹板由四個OB HIC模塊組成，而外層由七個OB HIC 模塊組成。OB HIC 由14 個厚100 微米的ALPIDE芯片組成，分為兩行：每行的第一個芯片作為主芯片，在同一行的其他6 個芯片之間傳輸控制信號和數據。與時鐘信號、控制信號和數據線相對應的芯片焊盤與銅基柔性線路板連接。對于OB，供電線是通過6 個鋁卡普頓交叉電纜直接焊接到FPC上。

使用坐標測量機(CMM)，將4 個(用于中間層)或7 個(用于外層)OB HIC 對齊，并粘在碳復合冷板上。HIC 通過在其短邊上焊接導電橋而彼此互連。FPC 擴展被添加到第一個HIC 上，以將全鏈連接到外部讀出和控制系統。這樣就建造出OB半狹板。

將兩個半狹板對齊并部分重疊地粘合到具有相應長度的空間框架上，形成完整的OB狹板。然后將半狹板的左右兩側延伸的交叉電纜焊接到一個鋁卡普頓電源總線上。

狹板按半層組裝，并插入結構筒殼中，如圖6 所示為內筒，而圖7 為外筒組裝時拍攝的照片。三個內半層構成內筒的一半，而四個外半層構成外筒的一半。

ITS2 的桶部和整個機械裝置的設計受到了新的探測器布局和新的安裝要求的進一步挑戰。服務設施只能在一側連接，以便在每年冬季LHC停機期間能較快接近ITS2，而無需拆卸周圍的探測器。

一種新的安裝策略允許半個ITS2 探測器沿束流管平移約3 米。在平移過程中，兩個半個ITS2 逐漸接近最終位置，最內層與束流管的徑向距離僅為2毫米。

05 探測器預調試

所有機械結構于2018 年完工。第一批裝備齊全的內筒狹板于2017 年完成生產，并在CERN 的SPS 重離子碰撞實驗條件下進行了測試，而其他狹板的生產于2019 年底完成。所有其他主要探測器組件(讀出電子設備、配電系統、觸發器、數據采集、探測器控制)和運行保障設備(電源、冷卻設備)也已生產并成功測試。

自2018 年5 月以來，合作組開始用宇宙射線測試不同的探測器組件。在CERN的167 號樓的一個特定區域內，值班人員控制探測器的各種參數，并收集數據。預測試取得了大量的試驗結果，各子系統的運行參數及其整體性能得到了優化。此外，這些測試結果允許仔細檢查任何遺留問題，并在2021年初安裝到ALICE洞穴之前得到解決。

測試結果表明，探測器的熱噪聲極低，小于6 e，加上約20 e 的閾值偏差，探測器工作時的信噪比大于10，探測效率大于99%。探測器的各項性能均超出原設計指標要求。圖8 所示為假命中率(在無束流的環境下以50 kHz讀出率采集數據時，有信號輸出(稱為被擊中)的像素計數除以總事例數和總像素數)隨屏蔽掉的像素數的變化情況。在屏蔽掉2800萬個像素中擊中率較高的42 個像素后，第0 半層的假命中率下降到10-10/像素/事件以下。此外，測試結果證實了所采用的技術的可靠性，因為隨著時間的推移，探測器的性能保持非常穩定。

由于幾何結構的重疊，一個單一的半層有一個小的、但不可忽略的重疊區，能使粒子穿越三個傳感器，從而產生徑跡上的三個點。基于此，可以重建出宇宙線的徑跡。研究小組已經收集了大量的宇宙線樣本(圖9 顯示了大約1400 個)。這些數據能用于驗證事件讀取和重建中的時間對齊，驗證狹板的幾何位置，并將依次(包括更多探測器層)用于ITS2的不同層之間所需的超精密空間位置校正。

06 結語

新的ITS 探測器是升級版ALICE 的一部分，在LHC的下一次運行中，它將提供一系列新的更精確的測量，以實現研究QCD和夸克-膠子等離子體特性的長期目標。

ITS2不僅將提高ALICE實驗的物理性能，而且它的許多技術已經超越了國際上最先進的水平。目前，這項研發工作的成果不僅被應用于其他高能物理實驗( 如BNL 的RHIC sPHENIX 和JINR 的NICA MPD實驗的內尋跡系統)，而且也被應用于其他領域。其中一個最熱門的例子是，研發用于強子治療癌癥的質子計算機斷層掃描(pCT)探測器。為ITS 升級而開發的ALPIDE芯片可以顯著提高圖像重建的精度，而同時能減少對患者輻照時間。

ALICE 合作組經過近10 年的巨大努力，成功研制出了ITS2 探測器，并將在今年內完成最終安裝和調試，為2022 年投入LHC 第三期運行取數和發現新的物理現象鋪平道路。

ALICE 中國團隊(華中師范大學、中國原子能科學研究院、中國科技大學和復旦大學)在ITS2 研制過程中發揮了重要的作用。中方與ALICE 硅像素團隊聯合研發了國際上最先進的基于MAPS 技術的硅像素芯片，完成了450 個混合集成電路模塊的集成與測試，在國內率先掌握了硅像素芯片設計和5 微米定位精度的芯片集成技術；并同期參與了基于MAPS硅像素芯片技術的ALICE 前向繆子徑跡探測器的研制工作。通過國際合作，推動了國內自主研發新型TopMetal 芯片在蘭州大科學實驗裝置束流檢測中得到應用，以及將MAPS技術推廣應用到我國CEPC 的硅像素頂點探測器的預研工作中，為國家重大科技戰略服務。