磁谱仪（AMS）超强磁场中硅微条核辐射探测器的磁阻效应抑制研究

Silicon trackers is one of the most important detectors in six detectors of the Alpha Magnetic Spectrometer, for detecting singularity particles’ type and energy in the universe , in fact it is a combination of several silicon microstrip nuclear radiation detectors. Working in ultra strong magnetic field environment, there is a great relationship between the detection sensitivity and the surrounding ultra strong magnetic field generated by the super magnet: stronger and more sensitive, particle energy detection range is wider (thus AMS-02 originally planned to use superconducting magnets). In our previous study, we found there was an obvious magnetoresistance (such as 1200% in 4T) when detectors were tested in a strong magnetic field (more than 2T). Such obvious magnetoresistance will seriously affect the detection results of the silicon microstrip nuclear radiation detector, and these results are mixed with the results caused by particles getting through the detectors—this problem will cause indistinguishable errors and mistakes which would not be removed and identificated. The purpose of this project is to further explore the magnetoresistance effect in ultra strong magnetic field in AMS, to explore the strategy on how to restrain magnetoresistance, to eliminate the errors caused by magnetoresistance in AMS.

硅微条轨迹探测器（Silicon trackers）是磁谱仪（AMS）中六个探测器中最重要的探测器，用于探测宇宙中奇异粒子的种类和能量等，其本质上就是本小组所研究的硅微条核辐射探测器（silicon microstrip detectors）的叠加组合而成。工作于超强磁场环境中，其探测灵敏度和范围与其周围超强磁体所产生的磁场强度有很大关系，磁场强度越大越灵敏，粒子能量探测范围越宽（因此AMS02原计划使用超导磁体）。在之前的研究当中，本小组发现硅微条核辐射探测器在强磁场（2T以上）中的存在非常明显的磁阻效应（4T低温下出现1200%磁阻），磁阻的出现会严重影响硅微条核辐射探测器的探测结果，并且其结果与粒子穿过探测器的结果相互混和，引起不可区分并不可去除和辨别的误差和错误。本项目旨在深入探索AMS超强磁场中磁电阻效应机理，探索抑制磁电阻效应策略，以消除AMS超强磁场中由磁阻引起的误差为目标。

硅微条核辐射探测器之所以成为AMS中用于探测奇异物质的非常重要的六大探测器之一，其主要原因如下：具有位置分辨率好、能量分辨率高、线性范围宽、响应时间短、体积小、工作温度范围宽包含常温，因而在太空粒子探测、地面高能物理实验、核医学等方面有着非常广泛的应用,使用数量很大。最近的研究当中发现，部分核辐射探测器存在明显的磁电阻效应。磁阻引起的和射入高能粒子引起的这两种电流变化对于探测器来说，包括输出终端来说，都无法区分。最终会导致输出终端输出错误结果。本项目的主要研究内容：（1）深入探索AMS超强磁场中硅微条核辐射探测器的磁电阻效应机理；（2）在不影响硅微条核辐射探测器的探测性能的基础上，探索抑制磁电阻效应策略。项目的主要结果有：（1）通过仿真发现内部电流在磁场作用的偏转，确认磁场对于电流的影响：磁阻的根本原因是电流在磁场中的偏转，导致电流密度重新分配，进而影响电阻，外部表现出来就是磁阻的存在。对于电子，当施加特定磁场时，从上到下电流通道在逐渐偏转聚集，到通道只有从左下角到右上角的窄通道，电子通道变窄了很多，因此表现出来电阻变大；而对于空穴形成的电流，电流逐渐向右侧靠拢，随着磁场的增强，空穴电流越来越集中，表现出来的电阻就越大，从而对外表现出磁阻效应；（2）根据同尺寸的探测器在同磁场强度，不同磁场与硅条的角度，不同电压下精确测量电流，进行磁阻计算，在测试的所有尺寸器件中，发现长宽比为4时磁阻异常的大，其次长宽比为2.5、5和3与4的形，磁阻在2~13.5之间，当长宽比为9或10，或者减小到1时，磁阻都可以忽略不计（0.4左右以下）。磁阻形成原因除了项目目前发现的长宽比因素之外，还可能合并边角切割的原因导致增加的缺陷从而额外增加不可控电流通道的原因。项目的意义在于，发现了长宽比对磁阻的影响，更重要的是找到了可以忽略磁阻的器件结构，在今后的探测器的设计制备过程中，只要遵循以上规律，就可以忽略磁阻，使得探测器输出的仅仅与探测的粒子有关。