面向 LHC Run 4 的 ALICE ITS3 MOSS 表征

ALICE 是 CERN LHC 的四个主要实验之一，致力于研究超相对论能下的重离子碰撞。对于 LHC Run 4（始于 2030 年），ALICE 将在长期停机 3（2026-2029）期间替换其内部径迹系统最内的三层圆柱体层。全新的 ITS3 将把指向分辨率提高一倍，并改善低横动量（$p_T < 0.3$ GeV/c）下的径迹效率。它将采用采用 65 nm CMOS 图像技术的超薄（< 50 微米）、拼接晶圆级单片有源像素传感器（MAPS）。这些传感器可弯曲，形成真正的圆柱形桶部，最内半径为 19 mm，平均材料预算为每层 0.09 $X/X_0$。ITS3 的研发涉及前沿技术，包括 65 nm CMOS MAPS 生产、拼接晶圆级制造、超轻力学结构以及新型空气冷却系统。65 nm CMOS 技术已使用多层掩膜版 1（Multi-Layer Reticle 1）测试结构进行了验证。2023 年中，首批拼接原型——单片拼接传感器（MOnolithic Stitched Sensors, MOSS）被制造出来，以演示拼接的可行性并评估晶圆级传感器的良率和性能。每个 MOSS 芯片（1.4 cm x 25.9 cm）包含 10 个重复的传感器单元，共计 670 万个像素，每个单元有 8 个像素矩阵：顶部矩阵（256 x 256 像素，22.5 微米节距）和底部矩阵（320 x 320 像素，18 微米节距）。这些布局有助于评估基于密度和间距的良率变化。本工作展示了 MOSS 表征的结果，包括电源域阻抗、DAC 性能、像素读出、阈值以及假击中率扫描。束流和实验室测试确认其效率大于 99%，假击中率低于 0.1 pixel$^{-1}$ s$^{-1}$，满足 Run 4 对 ITS3 的要求。