Das Origami-Modul

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.
Ansicht des Silizium-Vertex-Detektors von außen. Auf flexiblen Leiterplatten (orange) sind die in einer Reihe angebrachten Verstärker-Chips (schwarz) mitsamt dem darüber liegenden Kühlrohr zu sehen.
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.

Faltkunst in der Hohenergiephysik

Wie immer in der Physik soll die Messung das zu Messende möglichst wenig beeinflussen, aber das kann natürlich nie zur Gänze erreicht werden. Sehr wohl möglich ist freilich eine Optimierung im Rahmen der technischen Möglichkeiten, und genau das ist der Ansatz beim Origami-Modul.

Einsatz beim Belle II-Experiment

Das Origami-Konzept wurde am HEPHY für das künftige Belle II-Experiment entwickelt, wo Silizium-Streifen-Detektoren die Spuren von durchtretenden Teilchen messen, die bei der Kollision von Elektronen und Positronen entstehen. Die Kollisionsenergie - und damit auch die Energie der entstehenden Teilchen - liegt bei Belle II um etwa drei Größenordnungen niedriger als etwa am Large Hadron Collider (LHC), wodurch die Teilchen wesentlich leichter aus ihrer Bahn abgelenkt werden können. Daher muss das Material im Detektor so weit wie möglich reduziert werden, was mit unserer Leichtbauweise der Fall ist.

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