Zusammenarbeit mit der Industrie

An dieser Stelle beleuchten wir unsere Zusammenarbeit mit industriellen Partnern. Momentan gibt es zwei Berichte zu diesem Thema:

  • Bestrahlungstests in Zusammenarbeit mit der ZAG Zyklotron AG zum Artikel
  • Bestückung von DC-DC-Konverter-Modulen bei Kuttig Electronic GmbH zum Artikel

Bestrahlung von Detektor-Komponenten für das Phase-2 Upgrade bei der ZAG Zyklotron AG, Karlsruhe

Der CMS-Detektor ist während des Betriebs einer hohen Strahlenbelastung ausgesetzt, welche potentiell Schäden in den aktiven und passiven Detektorelementen verursachen kann. Die Strahlung wird üblicherweise quantifiziert als sogenannte Fluenz mit der Einheit Teilchen pro Fläche, und wird normiert auf den Effekt von Neutronen mit einer Energie von 1 MeV, als 1MeV-Neutronenequivalent pro Fläche, neq/cm2. Die Fluenz nimmt im Detektor von innen nach außen ab, so dass der um das Strahlrohr herum installierte Spurdetektor die größte Fluenz verkraften muss. Verglichen mit dem heute im Betrieb befindlichen Detektor wird das Phase-2 Upgrade einer ca. 10 Mal höheren Strahlenbelastung ausgesetzt sein. Besonders die Siliziumsensoren selbst leiden unter der Strahlung, da sich hierduch im Kristallgitter Defekte ausbilden können. Die negativen Folgen sind ein höherer Leckstrom im Sensor, was zu einer unerwünschten Erwärmung des Detektors führen kann, eine höhere benötigte Verarmungsspannung, und ein geringeres Ladungssignal. Aber auch Elektronikkomponenten wie etwa Auslesechips und sogar passive Materialien wie Klebstoffe können unter der Bestrahlung leiden. Alle Komponenten müssen daher für die entsprechenden Fluenzen ausgelegt werden. Nur durch dedizierte Bestrahlungstests kann geprüft werden, ob die Komponenten ausreichend strahlenhart sind und im Detektor verwendet werden können.

Aufbau zur Bestrahlung mit Protonen. Zu sehen sind das Strahlrohr (links) und eine kühlbare Kiste, in der die zu bestrahlenden Objekte befestigt werden. Die Objekte werden mittels Verfahrtischen vom Protonenstrahl abgerastert.

Das Bestrahlungszentrum Karlsruhe am KIT unter Leitung von Dr. Alexander Dierlamm koordiniert Bestrahlungstests für Komponenten des CMS-Spurdetektors. Die Bestrahlung nutzt Protonen mit einer Energie von 25 MeV, welche in einem Kompaktzyklotron auf dem Campus Nord des KIT erzeugt werden. Das Kompaktzyklotron wird von der Firma ZAG Zyklotron AG betrieben, welche 2000 als Ausgründung des KIT entstand und unter anderem radioaktive Isotope für medizinische Anwendungen herstellt. Das Kompaktzyklotron kann Protonen mit Energien von 15 bis 40 MeV und einem Strahlstrom von bis zu 200 µA zur Verfügung stellen.

Die Zusammenarbeit mit der ZAG Zyklotron AG findet seit 2001 sehr erfolgreich statt. Das Bestrahlungszentrum Karlsruhe übernimmt die Planung und Sample-Vorbereitung und führt die eigentliche Bestrahlung durch. Typische Strahl-Parameter sind eine Protonenergie von ca. 23 MeV am Target, ein Strom von 2.0 μA, und ein Fluss von ca. 2.5·1013 p/(s·cm2). Bei einer Strahlbreite von ca. 7 mm müssen größere Objekte mit Hilfe eines Verfahrtisches abgerastert werden. Eine spezielle Box erlaubt die Bestrahlung des Samples bei einer Temperatur von -30°C, wodurch unkontrollierte sogenannte Ausheileffekte verhindert werden. Typische Fluenzen für das Phase-2 Upgrade von 1015-1016 neq/cm2 können schon in einer Sitzung erreicht werden.

Pro Jahr werden für den CMS-Streifentracker typischerweise 6 Bestrahlungsprojekte mit zusammen 10-15 Bestrahlungen durchgeführt. Beispiele sind Streifen- und Makropixel-Sensoren, Module für das Pixel Phase-2 Upgrade, und DC-DC-Konverter für das Phase-1 Upgrade des Pixeldetektors, aber auch Proben von im Modulbau verwendeten Klebstoffen oder Vergußmassen für Drahtbonds, sowie elektronische Bauteile wie beispielsweise Kondensatoren.

Aus "The Phase-2 Upgrade of the CMS Tracker", Technical Design Report, CERN-LHCC-2017-009.

Die nebenstehende Abbildung zeigt als Beispiel für eine detaillierte Bestrahlungsstudie eine Messung mit bestrahlten 2S-Streifensensoren. Die gemessene Ladung ist als Funktion der angelegten Spannung dargestellt. Sensoren unterschiedlicher Dicke wurden entweder nur mit Protonen (gefüllte Symbole) oder mit Protonen und Neutronen (aus einem Reaktor) bestrahlt. Alle Sensoren erreichen die geforderte Ladungsmenge von 12 000 Elektronen, jedoch bei unterschiedlichen Spannungen. Die Fluenz der Bestrahlung entspricht der zweifachen erwarteten Fluenz am HL-LHC.

Weitere Informationen:
Homepage der ZAG Zyklotron AG: Link
Homepage des Bestrahlungszentrums Karlsruhe: Link

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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