Zusammenarbeit mit der Industrie

Fertigung von Platinen zur Spannungsversorgung des Pixeldetektors bei Kuttig Electronic GmbH

Ein DC-DC-Konverter für den Pixeldetektor

Für das Phase-1 Upgrade des CMS-Pixeldetektors mußte eine neue Spannungsversorgung entwickelt werden. Diese basiert auf sogenannten DC-DC-Konvertern, welche es ermöglichen, die benötigte Leistung über die ca. 60m langen Zuleitungskabel bei höherer Spannung und daher niedrigerem Strom zuzuführen. Dies verringert drastisch die Leistungsverluste aufgrund der Kabelwiderstände. Nur so war es überhaupt möglich, den neuen Pixeldetektor, welcher doppelt so viele Kanäle hat wie der ursprüngliche Pixeldetektor, zu betreiben, denn zusätzliche Kabel zu verlegen wäre nicht möglich gewesen.

Während die benötigten strahlenharten DC-DC-Konverter-Chips vom CERN entwickelt wurden, zeichnete die Arbeitsgruppe von Prof. Lutz Feld vom 1. Physikalischen Institut der RWTH Aachen verantwortlich für die Entwicklung der DC-DC-Boards. Diese tragen außer den Chips noch diverse andere Komponenten: unter anderem eine spezielle Luftspule und eine elektromagnetische Abschirmung, Rauschfilter, und eine Stromsicherung. Da beim Ausfall eines solchen Boards bis zu vier Pixelmodule betroffen sind, war die Zuverlässigkeit sehr wichtig. Dies ist besonders auch deshalb relevant, weil die Komponenten des Pixeldetektors während des Betriebs von CMS nicht zugänglich sind, und Reparaturen daher nicht möglich sind.

Die Bestückung der DC-DC-Boards wurde bei der Kuttig Electronic GmbH in Auftrag gegeben. Die Kuttig Electronic GmbH ist eine mittelständische Firma mit Sitz in Roetgen. Sie ist spezialisiert auf die Fertigung elektronischer Baugruppen. Die Bestückung wurde nach der sogenannten Klasse 3 (IPC-A-610D) durchgeführt, welche besonders hohe Anforderungen an Präzision und Qualitätssicherung stellt. Letztere beinhaltete unter anderem eine automatische optische Inspektion, und die Aufnahme von Röntgenbildern von jeder Baugruppe. Mehrere Bauteile mußten von Hand aufgelötet werden; weitere ungewöhnliche Arbeitsschritte waren das Applizieren von Wärmeleitpaste und Isolationslack. Wichtig war auch die zuverlässige automatische Bestückung sehr kleiner Bauteile (sogenannte 0201-SMD-Komponenten).

Herr Kuttig (links) und Austin Ball (rechts), der Technical Coordinator von CMS, bei der Preisverleihungs-Zeremonie.

Eine besondere Herausforderung entstand, als nach mehreren Monaten einwandfreien Betriebs ab Oktober 2017 einige DC-DC-Konverter ausfielen, was auf eine Fehlfunktion der Chips in einem bestimmten Betriebszustand und unter Bestrahlung zurückgeführt werden konnte. Ausfälle aufgrund der Fertigung wurden nicht beobachtet. Während der Betriebsunterbrechung im Winter 2017/2018 mussten alle Spannungsversorgungsmodule des CMS-Pixeldetektors wegen der Fehlfunktion des Chips ausgetauscht werden. Hierfür mussten unter enormem Zeitdruck innerhalb von zwei Monaten 1200 neue DC-DC-Konverter hergestellt und getestet werden. Dies war nur möglich durch den beispielhaften Einsatz der Bestückungsfirma und durch das persönliche Engagement des Firmenleiters. Die Kuttig Electronic GmbH wurde hierfür mit dem CMS Industry Gold Award ausgezeichnet, "for the successful fast track production of 1200 replacement DCDC converters for the pixel detector during the year end technical stop 2017/18". Die Verleihung fand am 3.12.2018 im Rahmen des CMS-Kollaborationstreffens am CERN statt. Der Firmeninhaber Herr Kuttig nahm den Preis entgegen, und nutzte die Gelegenheit, den CMS-Detektor zu besichtigen.

Obwohl die neuen DC-DC-Konverter den gleichen Chip verwenden, konnte der Betrieb im Detektor soweit angepasst werden, dass im Jahr 2018 kein einziger DC-DC-Konverter ausfiel. Momentan werden nochmals 1200 DC-DC-Konverter hergestellt, welche mit einem neuen, robusteren Chip bestückt werden, welcher inzwischen am CERN entwickelt wurde. Auch diese Produktion wird von der Kuttig Electronic GmbH ausgeführt. Der Einbau ist aktuell für Sommer 2020 geplant.

Für das CMS-Experiment müssen immer wieder Elektronik-Komponenten wie die DC-DC-Konverter entwickelt und gefertigt werden, die unter kommerziellen Gesichtspunkten eher Prototypen entsprechen, im CMS-Experiment jedoch unter härtesten Bedingungen zuverlässig funktionieren müssen. Oft stellen sie ungewöhnliche Anforderungen an die herstellenden Firmen. Die dabei gewonnenen Erfahrungen und Weiterentwicklungen kommen anschließend auch anderen Projekten zugute. Nur durch die enge und vertrauensvolle Zusammenarbeit mit ausgewählten Partnern in der Industrie ist es überhaupt möglich, die technologischen Herausforderungen beim Aufbau und der Weiterentwicklung des CMS-Detektors zu meistern.

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