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The Origami Module

Sandwich composition of the ribs: the Styrofoam core (gray) is laminated with carbon fiber (black).
Silicon Sensor and flexible circuits of the Origami module prior to folding.
Assembled Origami module (without cooling pipe) in a transport frame (green).
The rear side reveals the silicon sensor (gray), the structural ribs (black and white) and the flex circuits (orange) wrapped around the edge of the sensor.
HEPHY members performing a beam test at CERN. Several detector modules are visible in the background, including an Origami module.

The Art of Folding in High Energy Physics

In physics, measurement shall always minimize the influence on what is to be measured, even though this can never fully be accomplished. Nonetheless, optimization is always possible with proper technology, and this is exactly the approach of the Origami module.

Application: Belle II Experiment

The Origami concept was developed at HEPHY for the future Belle II experiment, where silicon strip detectors measure the tracks of penetrating particles that were created during the collisions of electrons and positrons. The colliding energy - and thus the energy of the resulting particles - is about three orders of magnitude lower than at the Large Hadron Collider (LHC), which means that the particles are much more prone to deflection. Consequently, the material budget in the detector must be reduced to a minimum, which is ensured by our light-weight construction.

Composition

The Origami module is built using silicon sensors, which have implanted strips (rotated by 90° on one side with respect to the other) in order to exactly detect the location of particle penetration. This also involves special amplifier integrated circuits, which are connected to the strips and measure the signals of the hit strips. In a classical arrangement, those amplifiers would be arranged on both sides, which would not only imply a double-sided electronics infrastructure, but also duplicate the cooling pipes. Even though the power dissipation of a single chip is only about 1/3 of a Watt, the total consumption of almost 2000 chips will add up to about 650W in a volume comparable to a tramper backpack - without cooling, the detector would quickly overheat.

Origami Concept

The trick of the Origami module is that all amplifier chips are aligned in a row, such that a single cooling pipe can service them all. The electrical connection to the strips on the bottom side is made by flexible circuits, which are bent around the edge of the sensor. The cooling of the chips is done by liquid CO2 at a temperature of -20°C and a pressure of 20bar through a pipe made of stainless steel with an outer diameter of 1.6mm and a wall thickness of just 0.05mm - cooling also saves material.

Mechnical Structure

The mechanical structure is made of two ribs made of carbon fiber laminated around a styrofoam core. The resulting composite is extremely light, but very rigid - similar materials are used for aeronautic and space applications. However, in our case there is an additional requirement which is the radiation resistance. Surprisingly, even mechanical components can fail in that aspect. In the fall of 2010, we learned from irradiation tests that two Styrofoam materials from different vendors behave quite differently: one was shattered into pieces, while the other one remained unaffected.

Layout in Belle II

Four layers of Origami modules are arranged around the beam pipe in the Silicon Vertex Detector of the Belle II Experiment, where the particle collisions occur. The modules are combined to "ladders", which consist of several silicon sensors. In order to cover the same angular region in each layer, the ladders get larger towards the outside. As the energy of the electron beam is higher than that of the positrons, the particles generated in collisions have a so called "boost" towards one direction which is called "forward". Consequently, the detector is slightly asymmetric and in the forward region there are slanted sensors in the three outermost layers. This not only improves the measurements in that region (particles at very shallow angles would have to traverse more material), but also reduces costs: if all ladders were straight, considerably more sensors and readout channels would be needed.

Made at HEPHY

The design and development of the Silicon Vertex Detector of the Belle II Experiment is done at HEPHY involving the departments of Semiconductor Detectors, Electronics and Machine Shop. This work essentially consists of four subjects:

  • Silicon Sensors
  • Readout Electronics
  • Mechanics
  • Cooling

The silicon sensors with their structures are designed in-house with the respective CAD tools; they are manufactured by highly specialized companies and tested in our clean room, before they are assembled into modules.

In parallel, various electronic readout systems were developed and built through several years, which can be connected to one or more detector modules in order to acquire measurement data with a computer.

The mechanical design of the detector is also a core competence of HEPHY, and it naturally implies the manufacturing of prototypes in our machine shop. The cooling system is closely related; and it is also being designed in-house in collaboration with CERN and the Max Planck Institute of Physics in Munich.

Prototyping and Testing

The prototype modules built at HEPHY are tested in our lab with a radioactive source. Certain properties, however, can only be determined with a highly energetic particle beam, as it is available at CERN. Thus, we are guest users there once a year in order to perform a so called "beam test". Moreover, irradiation campaigns are conducted to test electronic components and materials for their suitability in the experiment. In fall 2010, such an irradiation was performed in parallel to a beam test, such that the properties of detector modules could be measured in the beam before and after the irradiation. The results of this effort will be used to iterate the design of the components such that an optimum detector will finally be installed in the Belle II Experiment.

Contact:
DI Dr. Markus Friedl

Aufbau

Das Origami-Modul besteht aus einem Silizium-Sensor, auf dem beidseitig um 90° versetzte Streifen angebracht sind, um dadurch den Ort des Teilchendurchtritts genau bestimmen zu können. Dazu braucht man natürlich auch besondere Verstärker-Chips, die mit den Streifen elektrisch verbunden sind und die Signale der betreffenden Streifen messen. Klassisch würde man diese beidseitig anordnen, aber das benötigt nicht nur die doppelte elektronische Infrastruktur, sondern auch zwei Kühlleitungen. Obwohl die Leistungsaufnahme eines Chips nur etwa 1/3 Watt ist, kommt man bei fast 2000 Chips in Summe doch auf etwa 650W in einem Volumen, das einem Tramper-Rucksack entspricht - ohne Kühlung würde sich der Detektor sehr schnell übermäßig aufheizen.

Origami-Konzept

Der Trick beim Origami-Modul besteht nun darin, alle Chips auf einer Seite in einer Reihe anzuordnen, sodass ein einziges Kühlrohr auf alle Chips gelegt werden kann. Die elektrische Verbindung zu den Streifen auf der Unterseite erfolgt durch flexible Leiterplatten, die um den Rand des Sensors gebogen werden. Zur Kühlung der Chips wird flüssiges CO2 mit einer Temperatur von -20°C und einem Druck von 20bar durch ein Rohr aus Edelstahl gepumpt, das einen Außendurchmesser von 1.6mm und eine Wandstärke von nur 0.05mm hat - auch bei der Kühlung wird Material gespart.

Mechanische Struktur

Die tragende Struktur besteht aus zwei Rippen mit einem Schaumstoff-Kern, um den Kohlefasern laminiert werden. Die so entstehende Struktur ist federleicht, aber extrem biegesteif - ähnliche Verbundmaterialien werden auch in Luft- und Raumfahrt verwendet. In unserem Anwendungsfall kommt jedoch als weitere Anforderung hinzu, dass alle Materialien eine hohe Strahlenbelastung aushalten müssen, was selbst bei mechanischen Komponenten nicht immer der Fall ist. Bei einer Bestrahlung eines Origami-Moduls im Herbst 2010 mussten wir feststellen, dass zwei Schaumstoffe verschiedener Hersteller, die dort verbaut wurden, völlig unterschiedlich reagierten. Der eine zerbröselte komplett, während der andere keinerlei Veränderung zeigte.

Anordnung im Belle II-Experiment

Im Silizium-Vertex-Detektor des Belle II-Experiments sind die Origami-Module in vier Lagen rund um das Strahlrohr angeordnet, in dessen Zentrum die Teilchenkollisionen stattfinden. Die Module sind dabei in so genannten "Ladders" zusammengebaut, die jeweils aus mehreren Silizium-Sensoren bestehen. Um stets denselben Winkelbereich messtechnisch zu erfassen, werden die Ladders nach außen hin immer länger. Da die Energie des Elektronen-Strahls höher ist als diejenige der Positronen, haben die bei den Kollisionen erzeugten Teilchen einen "boost" in eine Richtung, die als "vorwärts" bezeichnet wird. Dementsprechend ist auch der Aufbau des Detektors leicht asymmetrisch und im Vorwärts-Bereich gibt es in den äußeren drei Lagen je einen Sensor, der abgewinkelt ist. Dies dient einerseits dazu, die Messung zu verbessern und Material zu reduzieren, denn bei sehr schrägen Winkeln müssten die Teilchen mehr Sensor-Material durchqueren, andererseits aber auch, um Kosten zu sparen: würde man alle Ladders gerade bauen, bräuchte man deutlich mehr Sensoren und Auslese-Kanäle.

Made at HEPHY

Das Design und die Entwicklung des Silizium-Vertex-Detektors für das Belle II-Experiment wird am HEPHY in den Fachbereichen Halbleiterdetektoren, Elektronik und Werkstatt durchgeführt und beinhaltet vier wesentliche Bereiche:

  • Silizium-Sensoren
  • Auslese-Elektronik
  • Mechanik
  • Kühlung

Die Silizium-Sensoren mitsamt ihrer  Strukturen werden bei uns mit entsprechenden CAD-Tools entworfen, von hoch spezialisierten Firmen hergestellt und anschließend im HEPHY-eigenen Reinraum vermessen und getestet, bevor sie in Modulen verbaut werden.

Parallel dazu wurden über mehrere Jahre verschiedene elektronische Auslese-Systeme am HEPHY entwickelt und gebaut, an die ein oder mehrere Detektor-Module angeschlossen werden können, um mittels Computer die Messdaten zu erfassen und auszuwerten.

Das mechanische Design des Detektors ist ebenfalls eine Kernkompetenz am HEPHY, die natürlich auch die Fertigung von Prototypen und Detektor-Modulen in der hauseigenen Werkstatt beinhaltet. Eng damit verknüpft ist das Kühlsystem, das ebenfalls bei uns - in Zusammenarbeit mit dem CERN und dem Max-Planck-Institut für Physik in München - entwickelt wird.

Prototypen-Entwicklung und Tests

Die bei uns gebauten Prototyp-Module werden im Labor mit radioaktiven Quellen getestet. Bestimmte Eigenschaften können jedoch nur mit einem hochenergetischen Teilchenstrahl gemessen werden, wie er etwa am CERN zur Verfügung steht. Deshalb sind wir einmal jährlich dort, um einen so genannten "beam test" durchzuführen. Weiters kommen Bestrahlungs-Tests hinzu, wo Detektor-Module, elektronische Komponenten und Materialien auf ihre Eignung im Experiment geprüft werden. Im Herbst 2010 wurde eine solche Bestrahlung zeitgleich mit einem beam tests durchgeführt, sodass die Eigenschaften der Detektor-Module vor und nach Bestrahlung im Teilchenstrahl vergleichend gemessen werden konnten. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse fließen in die Verbesserung der Komponenten ein, sodass aus diesem iterativen Prozess ein optimaler Detektor für Belle II entsteht.

Kontakt:
DI Dr. Markus Friedl

3D-Schnittzeichnung des Belle-Silizium-Detektors. Die Origami-Module sind in vier Lagen rund um das zentrale Strahlrohr angeordnet. Der dargestellte Bereich ist etwa 1m lang und hat einen Durchmesser von 30cm.
Ladder mit Origami-Modulen (ohne Kühlrohr).
Ansicht der Ladder von unten. Deutlich erkennbar sind die beiden Rippen (tragende Struktur) und die flexiblen Leiterplatten, die um den Rand der Silizium-Sensoren (grau) gefaltet sind.
Sandwich-Konstruktion der Rippen: Ein Schaumstoff-Kern (grau) wird mit Kohlefasern (schwarz) verstärkt.
Silizium-Sensor und flexible Leiterplatten des Origami-Moduls vor der Faltung.
Zusammengebautes Origami-Modul (ohne Kühlrohr) im Transportrahmen (grün).
Auf der Rückseite sind der Silizium-Sensor (grau), die Rippen (schwarz-weiß) und die um den Rand gefalteten Flex-Leiterplatten (orange) deutlich zu erkennen.
HEPHY-Mitarbeiter bei einem beam test am CERN. Im Hintergrund befinden sich mehrere Detektor-Module, darunter auch ein Origami-Modul.