CAD Design eines 96 Chip Modulträgers für den Large Prototype
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CAD Design eines 96 Chip Modulträgers für den Large Prototype Johann Tomtschak Bachelorarbeit in Physik Angefertigt im Physikalischen Institut vorgelegt der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn August 2014 Ich bedanke mich bei Prof. Dr. Klaus Desch für die Möglichkeit meine Bachelorarbeit in seiner Arbeitsgruppe verfassen zu können, bei Dr. Jochen Kaminski für die gute Betreuung und Unterstützung und der gesamten Arbeitsgruppe für das angenehme Arbeitsklima und Hilfsbereitschaft. Mein Dank geht auch an meine Familie, die mich bei meinem Studium immer wieder unterstützt hat. Ich versichere, dass ich diese Arbeit selbstständig verfasst und keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt sowie die Zitate kenntlich gemacht habe. Bonn, .................... Datum 1.Gutachter: Prof. Dr. Klaus Desch 2.Gutachter: Dr. Jochen Kaminski ................................... Unterschrift Inhaltsverzeichnis 1 Einführung 1.1 International Linear Collider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 International Large Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 2 2 Funktionsweise einer Zeitprojektionskammer 2.1 Ionisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Diffusion und Drift . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Gasverstärkung . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Beispiel einer Zeitprojektionskammer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 3 4 4 3 Der Large Prototype 3.1 Auslesemodul für den 3.1.1 Timepix Chip 3.1.2 InGrid . . . . 3.1.3 8-Chip Modul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 7 8 8 9 4 Entwurf eines 96 Chip Moduls 4.1 Erste Anordnung der Octoboards . 4.2 Kühlwanne und Octoboardträger . 4.3 Anodenplatte . . . . . . . . . . . . 4.4 Intermediate Board und Backframe 4.5 Gesamte Baugruppe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 10 11 14 16 20 5 Zusammenfassung LP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1 Einführung Die Teilchenphysik beschäftigt sich mit der Erforschung von kleinsten Körpern, aus denen sich die Materie um uns herum zusammen setzt. Dabei beschränkte man sich anfangs auf Moleküle, Atome und Nukleonen, entdeckte aber dass auch diese aus weiteren, noch kleineren Teilchen bestehen. Man versucht Elementarteilchen zu finden, durch deren Wechselwirkung alle beobachtbaren Phänomene erklärt werden können. Als Quelle für diese Teilchen nutzte man zunächst die Höhenstrahlung, später wurden dafür Maschinen, sogenannte Teilchenbeschleuniger gebaut. In einem solchen Beschleuniger werden Teilchen zur Kollision gebracht und die so entstehenden Reaktionsprodukte analysiert. So entstand das Standardmodell, das die bis heute bekannten Elementarteilchen und die Wechselwirkungen zwischen ihnen (starke, schwache und die elektromagnetische Wechselwirkung) umfasst. Doch dieses Modell ist unvollständig, da es z.B. die gravitative Wechselwirkung nicht erklärt. Damit das Standardmodell dennoch funktioniert, wird es durch Theorien vervollständigt, die ihm zum Beispiel das Higgs Boson als ein weiteres Elementarteilchen hinzufügen. Mit Hilfe von Experimenten versucht man ein solches Boson zu finden, oder damit die Theorie zu widerlegen. Im Juli des Jahres 2012 wurde auf einem Seminar am CERN die Entdeckung eines neuen Teilchens mit der Masse von 125 − 126 GeV, mit ähnlichen Eigenschaften, die für das Higgs-Boson vorhergesagt wurden, verkündet [1]. Doch da dieses Ergebnis am Large Hadron Collider erzielt wurde, wo Hadronen, die eine Substruktur besitzen, zur Kollision gebracht werden, können anhand dieser Reaktionen nicht alle Eigenschaften des neuen Teilchens genau und modellunabhängig vermessen werden. Da Elektronen und Positronen Elementarteilchen sind, damit keine Substruktur besitzen und ein solcher Strahl sich polarisieren lassen würde, wäre ein Elektron-Positron Beschleuniger für diese Messungen besser geeignet. Aufgrund der geringen Masse der Elektronen lässt sich mit einem Elektron-Positron Paar in einem Ringbeschleuniger nicht die gewünschte Schwerpunktsenergie erreichen, weil der Energieverlust durch die Synchrotronstrahlung zu hoch wird. Es wird also ein Linearbeschleuniger benötigt, der Schwerpunktsenergien von mehreren hundert GeV erzeugen kann. Der International Linear Collider, der sich zur Zeit in der Planungsphase befindet, würde dieses Kriterium erfüllen. 1.1 International Linear Collider Der geplante Linearbeschleuniger (Abbildung 1 ) soll Elektronen und Positronen bei Schwerpunktsenergien von 500 bis 1000 GeV kollidieren lassen, wobei zunächst die niedrigere Energie realisiert und durch einen späteren Umbau das Maximum erreicht wird. Bisher konnte bei solchen Kollisionen an einem Kreisbeschleuniger eine maximale Schwerpunktsenergie von 209 GeV erreicht werden. Der Aufbau wird näherungsweise 31 km lang sein, zusätzlich kommen 2 Dämpfungsringe mit je 6.7 km Umfang dazu. Es werden 14000 Kollisionen pro Sekunde von 5 nm hohen Teilchenpaketen, die jeweils aus 2 · 1010 Teilchen bestehen, erzeugt [3]. Zwei Detektoren, der International Large Detector [4] und der Silicon Detector [5], sollen abwechselnd in den Teilchenstrahl geschoben werden können. 1 Abbildung 1: Schematischer Aufbau des ILC [2] 1.2 International Large Detector Der ILD besteht aus mehreren Schichten von verschiedenen Detektorarten, wie es bei modernen Hochenergiedetektoren üblich ist. Direkt am Wechselwirkungspunkt befindet sich ein Pixeldetektor, der sich aus mehreren Lagen Siliziumsensoren zusammen setzt, die eine sehr hohe Auflösung ermöglichen. Aufgrund der enormen Kosten beträgt der Radius dieses Detektorabschnittes nur wenige Zentimeter. Darauf folgt dann eine Zeitprojektionskammer (engl: Time Projection Chamber, kurz TPC), ein Spurdetektor, mit dessen Auslesemodul sich diese Bachelorarbeit beschäftigt. Die Auflösung hier ist zwar niedriger, aber die Flugbahnen ionisierender Teilchen können sehr zuverlässig rekonstruiert werden. Die TPC ist zusätzlich innen und außen von Siliziumstreifendetektoren umgeben, die weitere Messpunkte liefern. Nach der TPC folgen zwei Kalorimeter, zuerst das ECAL (electromagnetic calorimeter) und dann das HCAL (hadronic calorimeter). Beide bestehen aus sich abwechselnden Lagen von Absorbermaterial und Positionssensoren. Durch entsprechende Wahl des Absorbermaterials, wird im ECAL (Wolfram) die Gesamtenergie von Elektronen sowie Photonen und im HCAL (Stahl) von Hadronen, die aus Quarks und Gluonen bestehen, vermessen. Durch Wechselwirkung mit dem Wolfram und dem Stahl werden die jeweiligen Teilchen abgebremst und zum Stillstand gebracht. Daraus resultiert ein zu ihrer Gesamtenergie proportionaler Teilchenschauer, der vermessen werden kann. Die Positionssensoren werden entweder Szintillations- oder Spurdetektoren sein. Eine große supraleitende Zylinderspule umschließt die Kalorimeter und erzeugt ein axiales Magnetfeld von 3.5 Tesla. Da Myonen mit den bisherigen Bestandteilen des Detektors nur wenig wechselwirken, ist die äußerste Schicht ein Myondetektor. Dieser Abschnitt ist nach dem gleichen Schema aufgebaut wie die Kalorimeter, diesmal mit Eisen als Absorbermaterial [6]. 2 2 Funktionsweise einer Zeitprojektionskammer Eine Zeitprojektionskammer (engl: Time Projection Chamber, kurz TPC) ist ein mit Gas gefülltes sensitives Volumen, das meistens durch eine zentrale Kathode unterteilt ist, die ein starkes elektrisches Feld (mehrere 100 V/cm) zwischen der Mitte und den Endplatten erzeugt [7]. Wird die TPC von ionisierender Strahlung durchquert, so lassen sich die einzelnen Teilchenbahnen rekonstruieren, die dafür wichtigen Prozesse sollen hier kurz erklärt werden. 2.1 Ionisation Man unterscheidet bei der Ionisation zwischen einem primären und einem sekundären Vorgang. Von einer primären Ionisation spricht man, wenn ein Teilchen mit einem Atom wechselwirkt und dabei genug Energie überträgt, sodass ein oder mehrere Elektronen aus seiner Hülle heraus geschlagen werden. Dabei entstehen freie Elektronen und positiv geladene Ionen. Diese Ladungsträger können auf gleichem Wege weitere Atome ionisieren, falls sie über genügend Energie verfügen. Diesen Vorgang nennt man sekundäre Ionisation. 2.2 Diffusion und Drift Befinden sich nun nach der Ionisation freie Ladungsträger in einer TPC, besitzen sie anfänglich noch kinetische Energie. Verursacht durch Mehrfachstreuung an den Gasmolekülen, geht diese Energie schnell verloren, bis die Elektronen und Ionen sich schließlich im thermischen Gleichgewicht mit den Gasmolekülen befinden. Ihre thermische Energie ist durch eine Boltzmannverteilung gegeben. 3 Ethermisch = kB T 2 (1) Es stellt sich eine mittlere Diffusionsgeschwindigkeit, die in alle Richtungen zufällig verteilt ist, ein. r vthermisch = 2 · Ethermisch m (2) Wird ein elektrisches Feld angelegt, so erfahren die geladenen Teilchen durch die Coulombkraft eine Beschleunigung je nach Ladungsvorzeichen in Richtung der Kathode oder der Anode. Sie besitzen nun auch eine Driftgeschwindigkeit. In einer TPC ist das E-Feld meistens von einem dazu parallelen magnetischen Feld überlagert. Die Beschleunigung, die die geladenen Teilchen jetzt durch die externen Felder erfahren, ist durch die Lorentzkraft gegeben. ~ + ~v × B) ~ F~L = q · (E (3) Das B-Feld ist vor allem für die Krümmung der Bahn von geladenen Teilchen vorgesehen, um deren Impuls und Ladungsvorzeichen zu bestimmen. Darüber hinaus bewirkt es, dass die freien Ladungsträger sich in der TPC durch die Diffusionsgeschwindigkeit, in der zu den Endplatten parallelen Ebene, nicht immer weiter von ihrem Entstehungspunkt weg, sondern 3 auf einer Kreisbahn darum bewegen. Zusammen mit der Driftgeschwindigkeit resultiert daraus eine helixförmige Bewegung. Aufgrund von Stößen mit Gasmolekülen, ist die Driftgeschwindigkeit nach einer Zeit t (mit t viel größer als die durchschnittliche Zeit zwischen zwei Kollisionen) nicht mehr von der Zeit abhängig, sondern von der Stärke des E- und B-Feldes, der Masse und der Ladung des Teilchens und der freien Wegstrecke zwischen zwei Kollisionen. 2.3 Gasverstärkung Die durch die Primärionisation entstandenen freien Ladungsträger werden zu den Endplatten der TPC driften, wo sich die Ausleseelektronik befindet, die sie registriert. Doch es ist nicht möglich solche einzelnen Ladungsträger zu detektieren. Eine Gasverstärkung für diese Signale wird über das angelegte elektrische Feld realisiert. Im Inneren der Kammer ist es homogen und sorgt für eine konstante Driftgeschwindigkeit. Kurz vor den Endplatten (im Bereich von 50 µm) wird es um ein Vielfaches erhöht, damit die Teilchen auf ihrem Weg durch Sekundärionisation weitere Elektronen erzeugen und das Signal, somit lawinenartig verstärken. Je kleiner das Gebiet ist, das von solch einer Lawine getroffen wird, desto mehr Spurpunkte kann man später voneinander unterscheiden. 2.4 Beispiel einer Zeitprojektionskammer Eine Zeitprojektionskammer ist oft, wie in Abbildung 2 zu sehen, ein Zylinder, der um die Strahlführung angebracht ist. Somit lässt sich fast der komplette Raum um den Kollisionspunkt herum beobachten. Wenn es von einem ionisierendem Teilchen passiert wird, hinterlässt es eine Spur aus Elektronen und Ionen, die durch das angelegte elektrische Feld zur Anode und Kathode driften. Damit das E-Feld im Inneren homogen ist, wird der Zylinder zusätzlich von einem Feldkäfig umschlossen. Parallel zu dem elektrischen Feld wird oft ein magnetisches Feld angelegt. Dies bewirkt durch die Lorentzkraft eine Krümmung der Teilchenspuren und verringert die durch Diffusion entstehende Unsicherheit, wie in 2.2 erklärt. Das verstärkte Signal wird dann an der Anode ausgelesen und man erhält zunächst eine zweidimensionale Spur (in der Ebene der Endplatte). Da die Driftgeschwindigkeit der Elektronen bekannt und der Zeitpunkt der Kollision messbar ist, kann man mit Hilfe dieser Informationen auch die Entfernung des primären Ereignisses zur Anode bestimmen. Damit entsteht nun eine dreidimensionale Spur, aus deren Krümmung sich Impuls und Ladungsvorzeichen des detektierten Teilchen bestimmen lassen. 4 Abbildung 2: Schema der Funktionsweise einer TPC [8] 5 3 Der Large Prototype Der Large Prototype (kurz LP) wurde als ein Ausschnitt aus der Large Collider TPC (kurz LC TPC) entwickelt (Abbildung 3), um in Vorbereitung auf den ILD verschiedene Möglichkeiten ausprobieren zu können, zum Beispiel die Strahlungslänge für den späteren Detektor zu senken. Der supraleitende Magnet PCMAG wurde dafür am DESY (Deutsches Elektronen SYnchrotron) in Hamburg installiert. Er besitzt einen Durchmesser von 85 cm und eine aktive Länge von 1 m und legt somit die maximale Größe fest, die der LP haben kann [14]. Die maximale Magnetfeldstärke die erreicht werden kann ist 1.2 T. Der Teststrahl, der aus dem DESY II, einem e+ /e− Synchrotron bezogen wird, besteht aus Elektronen mit einer zwischen 1 und 6 GeV einstellbaren Energie. Der LP bietet Platz für 7 auswechselbare Module, die so angeordnet sind, dass möglichst viele verschiedene Übergänge zwischen ihnen beobachtbar werden. Abbildung 3: Der LP als Ausschnnitt aus der LC TPC [12] Abbildung 4: Feldkäfig des LP [13] Der Feldkäfig (Abbildung 4) besteht aus Kupferringen (field strips & mirror strips), die über eine Widerstandskette so mit einander verschaltet sind, dass das Potential im Inneren möglichst homogen abfällt. Sie sind an einem Zylinder aus polymeren Kunststoff, der um Material zu sparen eine Bienenwabenstruktur besitzt und von zwei Lagen glasfaserverstärktem Kunststoff abgeschlossen wird, befestigt [13]. Nach außen hin ist der Feldkäfig durch eine Kupferschicht von elektrischen Feldern abgeschirmt. Sein innerer und äußerer Durchmesser betragen 72 und 77 cm. Die Entwürfe der Endplatte stammen vom LEPP an der Cornell University [15]. Zwei Modelle wurden entwickelt, um herauszufinden, auf welche Art sich die Endplatte für den ILD (dann mit einem äußeren Radius von 1.739 m) besser realisieren lässt. Es sollte so wenig wie möglich an Material verbaut werden, gleichzeitig aber auch genug Stabilität vorhanden sein außerdem muss eine plane Fläche eingestellt werden können. Ein vorläufiges Design der Endplatte der LC TPC wird in Abbildung 5 gezeigt. Zwei Endplattenmodelle wurden für den LP konstruiert und hergestellt, LP1 (Abbildug 6) und LP2 (Abbildung 7). Bei dem ersten Modell ging es vor allem um die Stabilität, sowie die Präzision bei der Herstellung und nicht um die Menge an Material die verbaut wird. In dem Design des zweiten Modells wurde versucht das Gewicht zu reduzieren, zusätzlich wurde es mit Mechaniken versehen, durch die eine Feinjustage der Oberfläche möglich ist. 6 Abbildung 6: LP1 Endplatte, links Ansicht im inneren (mit der Kupferschicht für die Anode), rechts außerhalb des Detektors [15] Abbildung 5: Endplatte für die LC TPC [15] Abbildung 7: LP2 Endplatte (links) und Mechaniken zur Feinjustage (rechts) [15] 3.1 Auslesemodul für den LP Durch das Design der Endplatten ist die Form der Auslesemodule vorgegeben. Sie werden über den Backframe (ein Rahmen aus Aluminium, Abbildung 8) mit dem LP verschraubt. Dazu wird das ganze Modul gekippt, sodass es durch die Aussparungen ins innere des LP eingeführt werden kann. Im inneren der TPC werden die Module dann so ausgerichtet, dass sie beim Herausziehen auf die Öffnungen passen und mit Schrauben festgezogen werden können. Damit die TPC dicht abgeschlossen werden kann, ist der Backframe breiter als die Aussparungen und mit einem Dichtungsring versehen. Zusätzlich zu den Schrauben sorgt ein leichter Überdruck im LP dafür, dass die Module an die Endplatten gepresst werden. Um den Einbau zu vereinfachen wurde ein mechanischer Arm hergestellt (Abbildung 9). 7 Abbildung 9: mechanischer Arm für den Einbau der LP Module Abbildung 8: Ein Backframe für die LP Module 3.1.1 Timepix Chip Eine Art der Auslese der elektrischen Ladungen aus der TPC sind InGrids, die auf Pixelchips angebracht werden. Bei dem designten Modul kommen dafür die Timepix Chips zum Einsatz. Der Timepix Chip ist der Nachfolger des Medipix2 und hat eine aktive Fläche von 1.96 cm2 . 256 × 256 Pixel, der Größe 55 × 55 µm, sind auf seiner Oberfläche angeordnet und können entweder die ankommende Ladung, oder ihre Ankunftszeit vermessen. Die Ladung die auf einen Pixel trifft, wird integriert, verstärkt und mit einer Untergrundsmessung verglichen. Wenn die Ladung eine Zeit lang höher war als das Untergrundrauschen, dann wird vom Chip ein elektrischer Puls abgegeben, dessen Länge proportional zu dieser Zeit ist. Diesen Puls nennt man einen hit (Treffer). 3.1.2 InGrid Anstatt einem separaten Bauteil, das für die Gasverstärkung über den Timepix Chips montiert wird, entwickelte man InGrids (Integrated Grids), sehr kleine gitterartige Strukturen, die direkt auf den Chips angebracht sind (Abbildung 10). Sie bestehen aus einem dünnen Aluminium Gitter, das auf 50 µm hohen Fotolack Säulen, auf einer dünnen Schicht Silizium befestigt ist [11]. Die Säulen sind dabei so dimensioniert (30 µm Durchmesser), dass sie zwischen die Öffnungen des Gitters (50 µm Durchmesser) passen. Mit diesen Gittern kann eine Gasverstärkung von bis zu 104 erzielt werden. Der Vorteil eines solchen Aufbaus besteht darin, dass jeder Pixel des Timepix Chips unter genau einem Loch des Gitters liegt und der Abstand zwischen Gitter und Anode sehr klein ist. In einem direkten Vergleich zwischen InGrid- und GEM-Modulen, erwiesen sich die Ersteren als die geeigneteren für das Auslesen mit einem Pixelchip [9]. Dadurch, dass weniger Pixel durch ein ankommendes Elektron angesprochen werden, kann man mehr Spurpunkte von einander unterscheiden und die Ortsauflösung eines darauf basierenden Detektors ist damit höher. 8 Abbildung 10: Schema eines InGrids auf einem Pixelchip (links & rechts unten) und ein Foto, aufgenommen mit einem Mikroskop (rechts oben)[10] 3.1.3 8-Chip Modul Ein InGrid basiertes 8-Chip Modul (Abbildung 12) wurde bereits von R.Menzen an der Universität Bonn entwickelt und am LP getestet [9]. Die Timepix Chips sind für den Einbau in den Detektor zu acht auf einer Leiterplatte befestigt, verschaltet und mit Steckern für Ausleseelektronik und Hochspannung versehen (Abbildung 11). Mit 8 Chips sind nur 4.2% der Fläche des Moduls sensitiv. Mit Hilfe eines CAD-Programms soll ein Modell mit 12 Octoboards als Vorlage zur Herstellung konstruiert werden. Mit 96 Timepix Chips würde man die aktive Fläche auf 50.43% erweitern. Abbildung 11: Ein Octoboard mit 8 Timepix Chips Abbildung 12: Blick auf das InGrid Modul für 8 Timepix Chips, links Innenansicht & rechts Außenansicht 9 4 Entwurf eines 96 Chip Moduls Für das Designen des Moduls am PC wurde das CAD Programm SolidWorks benutzt. Die im folgenden beschriebenen Teile entstanden durch eine zweidimensionale Skizze der Grundform, die durch Hinzufügen einer Höhe zu dreidimensionalen Körpern vervollständigt wurden. Auf die gleiche Art wurden diese Rohköper durch Aufsätze und Schnitte modifiziert und ihrer Funktion angepasst. Manche Kanten mussten mit einer Verrundung versehen werden, wenn bei deren Herstellung ein Fräser zum Einsatz kommt. Aufgrund der runden Form des Werkzeugs, lassen sich an Stellen wie in Abbildung 13 keine Ecken realisieren. Je höher die Kanten sind, desto größer muss auch der Radius der Verrundungen gewählt werden, da es sonst keine passenden Fräser dafür gibt. Der Grundriss des gesamten Moduls ist durch den in Abschnitt 3.1 erwähnte Backframe vorgegeben. Das Modul darf nicht über dessen Umriss hinaus gehen, da es sonst nicht eingebaut werden kann. Abbildung 13: links: Schnitt ohne Verrundung, rechts: Schnitt mit Verrundung 4.1 Erste Anordnung der Octoboards In Abbildung 14 wurden die Octoboards so platziert, dass sie in die Umrisse des Backframes passen. Sie mussten um 0.31◦ gegenüber der Spiegelachse des Rahmens gekippt werden. Da die Chips nicht direkt am Rand der Boards angebracht sind, entsteht ein toter Bereich, in dem kein Teilchen detektiert werden kann. Um dem entgegen zu wirken wurden die Octoboards 7 mm, was einer halben Chipbreite entspricht, gegeneinander verschoben. Durch eine solche Überlagerung wird gewährleistet dass die inaktiven Bereiche sich nicht durch das gesamte Modul ziehen. 300 µm Platz wurde zwischen den angrenzenden langen Seiten der Boards vorgesehen, damit sie, trotz nicht auszuschließenden Ungenauigkeiten bei der Herstellung, verbaut werden können. Zwischen ihren kurzen Seiten sind ebenfalls Freiräume zu sehen. Sie sind 3.2 mm breit und mussten hinzugefügt werden, um später eine bessere Auflagefläche für eine Anodenplatte zu ermöglichen. Wegen diesen Freiräumen entstehen weitere tote Bereiche, doch die Octoboards können nicht weiter gegeneinander verschoben werden, da sie sonst aus den Umrissen des Backframes heraus ragen würden. 10 Abbildung 14: Anordnung der Octoboards (Bemaßungen sind in mm) 4.2 Kühlwanne und Octoboardträger Elektrische Bauteile, so auch die Timepix Chips, entwickeln während des Betriebs Hitze. Jeder Chip arbeitet mit einer Leistung von 1 W. Ein Großteil wird dabei als thermische Energie abgestrahlt. Ohne eine entsprechende Kühlung stellt sich bei einem Chip eine Temperaturdifferenz von 7◦ C ein [9]. In einem großen Detektor müssten die Chips auf die Temperatur des Gases im inneren der TPC herunter gekühlt werden. Für das Modul ist eine Kühlwanne aus Aluminium vorgesehen. Es wurde sich gegen eine komplexe CO2 Kühlung entschieden und Wasser als Kühlmaterial gewählt. Der Wasserdruck in den Stadtleitungen Hamburgs schwankt je nach Bezirk zwischen 2 und 6.5 bar [16]. Dadurch sollte ein Volumenstrom von ∼ 4 l/min erreicht werden können. Die Temperatur in Kaltwasserleitungen liegt bei 6 bis 10◦ C und kann trotz Isolierung von den Außentemperaturen abhängen, was zu Schwankungen in der Kühlleistung führt. Die Kühlkanäle sollten alle Octoboards abdecken und die Flüssigkeit unter ihnen gleichmäßig verteilen. Es gibt verschiedene Möglichkeiten wie man die Kanäle unter allen Boards anordnen kann, aber nicht alle sind gleich effizient. Zwei Versionen sind in Abbildung 15 zu sehen. Die linke Kühlung deckt zwar den gesamten Bereich ab, verliert aber im Verlauf an Wirkung. Die anfangs kalte Flüssigkeit ist beim Wiederaustritt so weit aufgeheizt, dass sie von dem letzten Bereich den sie erreicht kaum noch thermische Energie absorbiert. Mit Hilfe einer Struktur, wie der des rechten Kühlkanals, lässt sich die Wärme besser verteilen. Hier liegt die Flüssigkeit die schon aufgeheizt wurde immer neben einer kälteren. Eine weitere Option wäre das Wasser auf parallel verlaufende Kanäle aufzuteilen, damit es mehrere Stellen gleichzeitig erreichen kann. Eine solche Verteilung des Wassers wird durch die 4.15 mm hohe Kühlwanne in Abbildung 16 erzielt. Damit das Wasser nicht bevorzugt nur durch einige Kanäle fließt, muss der Strömungswiderstand und damit der Weg über die 5 waagerechten Kühlrillen gleich lang sein. Im Optimalfall müsste man dafür die Anschlüsse auf Höhe des obersten und untersten waagerechten Kanals platzieren. Dies ist leider nicht möglich, weil an diesen Stellen später der Backframe angebracht wird. Der Weg über die beiden äußeren Kühlrillen ist damit länger. Aus diesem Grund werden diese beiden Bereiche mit weniger Kühlwasser versorgt. Da sie unter 12 statt 24 Chips liegen, ist hier die Hitzeentwicklung und 11 Abbildung 15: Zwei Versionen einer Kühlung mit einem Kanal damit auch der Kühlungsbedarf geringer, somit wirkt das einander entgegen. Die Tiefe und Breite der Kühlrillen spielt bei der Verteilung des Wassers ebenfalls eine Rolle. Die Summe der Querschnitte der senkrechten Kanäle (3 mm tief, 5 mm breit) ist gleich der Summe der Querschnitte des waagerechten Kanäle (2 mm tief, 3 mm breit). Dadurch werden Verwirblungen in der Strömung verringert, was wiederum eine gleichmäßigere Verteilung der Flüssigkeit ermöglicht. Abbildung 16: Kühlwanne für 96 Chips Damit das Wasser nur in den dafür vorgesehenen Kanälen bleibt, muss, auf die in Abblidung 16 zu sehende Kühlwanne, ein Deckel angebracht werden. Dieser wird nicht verschraubt, sondern durch Diffusionsschweißen befestigt. Bei diesem Verfahren werden die zu verschweißenden Oberflächen auf bis zu 1400◦ C erhitzt und unter einem Druck von bis zu 1500 kN aneinander gepresst. Bei solch einem Prozess verformt sich das Material nur sehr geringfügig und es wird kein fremdes Material hinzugefügt, was die Genauigkeit der Kühlrillen begünstigt. Der 3.63 mm hohe Deckel und die Kühlwanne mit den Kanälen werden für das Schweißen nicht mit allen Details versehen. Es werden nur die Durchbrüche mit einem Wasserstrahl hinein geschnitten und die Kühlrillen mit einem Fräser eingearbeitet. Durch die verringerte Fläche beider Teile, kann bei dem Schweißvorgang mit gleicher Kraft ein höherer Druck ausgeübt werden 12 (da Druck = Kraft pro Fläche). Nach dem Schweißen müssen mit einem Fräser eventuelle Verformungen ausgebessert und die noch nicht eingearbeiteten Vertiefungen und Bohrungen gemacht werden. Abbildung 17: Kühlwanne mit Octoboards In Abbildung 17 werden die Octoboards auf der Kühlwanne platziert (zur Anschaulichkeit sind die Aluminiumteile noch nicht verschweißt). Für eine bessere Wärmeleitfähigkeit zwischen dem PCB und dem Aluminium sorgt eine Wärmeleitpaste mit einer thermischen Leitfähigkeit in W . Bei den Durchbrüchen für die Hochspannungsanschlüsse musste der Größenordnung von 1 m·K mehr Abstand eingehalten werden als die Stecker selbst benötigen, da sonst eine Gefahr von Spannungsüberschlägen droht. Die Stecker selbst sind weit genug von den Wänden entfernt. Das Lötmaterial mit denen sie am PCB befestigt werden bewirkt jedoch eine zusätzliche Ausdehnung , deshalb müssen hier bis zu 3 mm Platz frei gelassen werden. Der Deckel enthält Vertiefungen für die Boards, sodass sie darin bis zur Oberseite des PCBs einsinken und eine plane Auflagefläche entsteht auf der die Anode aufliegt. Diese wird auf der Kühlwanne mit Schrauben befestigt, damit sie sich nicht verformt. Die Gewinde für die Schrauben kommen in die in 4.1 erwähnten Freiräume. Um Platz zu sparen wurde an dieser Stelle nur so viel frei gelassen, dass lediglich die Schrauben dazwischen passen. Diese müssen aus Kunststoff gefertigt sein, damit sie die Spannung von der Anode nicht in die Kühlwanne übertragen. Das dazugehörige Gewinde wird in die Aluminiumplatte unter den Octoboards geschnitten. Als zusätzliche Auflagefläche für die Anode wurden kleine Blöcke (blaue Markierung) über und unter den Gewinden vorgesehen (Abbildung 18). Mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit wird es defekte Octoboards geben, die es auszutauschen gilt. Um Zeit zu sparen wäre es vorteilhaft, wenn man dafür nicht das ganze Modul auseinander schrauben müsste. Da die Stecker auf den Boards sehr viele Pins haben, ist eine Kraft von bis zu 4 N notwendig um sie alle herauszulösen [17]. Um diese von einander zu lösen, wird einiges an Geschicklichkeit abverlangt. Die InGrids sind aber sehr empfindlich, wodurch beim Auswechseln eines defekten Teils schnell weitere beschädigt werden könnten. Damit das Wechseln erleichtert wird, wurden unter allen Boards mindestens zwei Vertiefungen angebracht (rote Markierung in Abbildung 18). Mit einer Breite von 3 mm und einer Tieffe von 2.6 mm 13 Abbildung 18: Detailansicht Deckel mit Octoboards bieten sie genug Platz für die Spitze eines Feinmechanikschraubenziehers. Diese Stellen sind so platziert, dass maximal zwei andere Boards herausgenommen werden müssen, um ein defektes bequem heraushebeln zu können. 4.3 Anodenplatte Die Anodenplatte besteht aus einer Leiterplatte (PCB), die einseitig mit einer dünnen Kupferschicht versehen ist. Sie muss den gesamten Modulträger bis auf die aktiven Bereiche der Timepix Chips abdecken (Abbildung 19). Abbildung 19: Anodenplatte auf der Kühlwanne und den Octoboards 14 Die inaktiven Bereiche zwischen den Chips sollten auch verdeckt werden. Um das zu gewährleisten müsste man ein schmales Gitter aus der Anode fräsen. Die Timepix Chips sind nur 100 µm von einander entfernt. Aber durch den inaktiven Bereich der Chips können diese Stege 500 µm breit sein ohne sensitive Flächen zu verdecken. Bei der Herstellung (durch Fräsen) würde eine solche Struktur dennoch auseinander brechen. Trotzdem soll versucht werden, zumindest die mittleren Streifen, wie in Abbildung 20, zu realisieren. Wenn einige dieser Stege bei der Herstellung nicht gelingen sollten, könnte man die Unterschiede in den elektrischen Feldern und Messergebnissen vergleichen und daraus folgern, ob diese dünnen Stege an dieser Stelle notwendig sind. Abbildung 20: Unterseite der Anodenplatte Auf der Unterseite der Anodenplatte befinden sich Aussparungen für die inaktiven Bereiche der Timepix Chips und die dazugehörigen Lötstellen auf dem Octoboard (Abbildung 20). Zusätzlich bieten diese Vertiefungen Schutz für die InGrids, die aufgrund von möglichen Ungenauigkeiten ein wenig durch die Anode abgedeckt werden könnten. So wird sicher gestellt dass die betroffenen Chips beim Zusammenschrauben nicht direkt beschädigt werden. Die gängige Dicke von kupferbeschichtetem Leiterplatten ist 1.6 mm, doch für die Anodenplatte wird ein Material von mindestens 2 mm Stärke benötigt, da die Timepix Chips sich sonst zu dicht an der Kupferschicht befänden, was zu Spannungsüberschlägen führen würde. Eine passende 2 mm starke PCB Platte befindet sich im Produktsortiment der Firma Bungard. Die Anodenplatte benötigt nun noch einen Anschluss für die Hochspannung, der an eine geeignete Stelle gesetzt werden muss. Aus der Abbildung 14 ist ersichtlich, dass sich dafür lediglich die (dort) obere linke Ecke anbietet (rote Markierung). Nur an dieser Stelle ist genug Platz gegeben, um einen solchen Anschluss von der Anode aus durch die Kühlwanne hindruch zu führen und dabei genug Sicherheitsabstand einzuhalten, um einen Spannungsüberschlag zu verhindern. Ein Stecker der Firma Samtec (FTSH-102-04-F-D, Abbildung 21) mit geraden Pins auf beiden Seiten wird dafür auf der PCB Seite der Anodenplatte angebracht. Die grauen Pins werden durch die Anodenplatte durchgeführt, in der Länge angepasst und an die Kupferschicht angelötet. Bei den vergoldeten Kontakten ist es vor allem wichtig, dass sie länger als die der Stecker auf den Octoboards sind. Denn durch das PCB der Boards liegen die restlichen Kontakte 1.6 mm höher, aber die dazugehörigen Kontaktbuchsen auf dem Intermediate Board befinden sich alle in der selben Ebene (Abbildung 22). 15 Abbildung 21: Stecker für Anodenanschluss Samtec-FTSH-102-04-F-D Abbildung 22: Anodenplatte und Octoboards werden auf dem Intermediate Board angeschlossen 4.4 Intermediate Board und Backframe Intermediate Board Das Intermediate Board (IMB), von J.Kaminski für diesen Modulträger erstellt (Abbildung 23), ist eine mehrlagige Leiterplatte, an die die Octoboards und die Anode angeschlossen werden. Auf der anderen Seite befinden sich Buchsen für Ausleseelektronik und Spannungsversorgung, die mit elektrischen Bauteilen verschaltet sind. Eine zusätzliche Funktion des IMBs ist, dass es das Innere der TPC nach außen hin gasdicht abschließt. In der Kammer soll zwar kein großer Überdruck (2-3 mbar) vorliegen, aber der Sauerstoffgehalt soll auf unter O(20 ppm) fallen und nicht ansteigen. Innerhalb des Backframes, das auf das Intermediate Board geklebt wird, ist das IMB das einzige Teil, das für diese Dichtigkeit sorgt. Abbildung 23: Intermediate Board für 12 Octoboards, links: Stecker für die Ausleseelektronik und Hochspannung, rechts: Rückseite mit Buchse für die Stecker der Octoboards 16 Im nächsten Schritt mussten die Anschlüsse für die Kühlung durch das IMB angebracht werden. Geplant waren zwei kleine Durchbrüche, damit die Schnellverschlüsse an die Kühlwanne geschraubt werden können. Diese Verschlüsse sind mit Dichtungsringen versehen, die auf der Leiterplatte wieder für die Gasdichtigkeit gesorgt hätten. Dadurch, dass die Octoboards und das IMB nur 7.78 mm von einander entfernt sein dürfen (weil sonst die Pins der Stecker nicht lang genug sind), kann die Wandstärke der Kühlwanne nicht beliebig verstärkt werden. So bleibt nur 1 mm Aluminium, in das ein Gewinde für die Wasseranschlüsse geschnitten werden kann. Das lange Gewinde der Anschlüsse ließe sich zwar kürzen, aber es würde nicht mehr stark genug greifen. Alternativ könnten die Schnellverschlüsse auch geklebt werden, doch dann ließe sich die Kühlwanne von dem Intermediate Board und dem Backframe nicht mehr lösen. Zwei zylinderförmige Aufsätze mit einem Durchmesser von 8 mm mussten der Kühlung hinzugefügt werden. Mit 2.55 mm Höhe bieten sie genug Platz für das Gewinde der Schnellverschlüsse CK-M5-PK-3 der Firma Festo (Abbildung 24). Die Durchbrüche in dem IMB mussten wegen diesen Zylindern fast doppelt so groß gefräst werden. Ihre Position lag an einer für die Platzierung der HDMI Stecker ohnehin ungünstigen Stelle. Durch die Wahl der nur 9 mm (Durchmesser) großen Schnellverschlüsse konnte 1 mm Platz gespart werden, doch in der oberen linken Ecke reichte es dennoch nicht aus, weshalb hier das Octoboard um 180◦ gedreht wurde (Abbildung 25). Trotz den Umrissen des Backframes, die die Möglichkeiten der Positionen des Anschlusses von oben her begrenzen, sieht es so aus, als wäre er von freiem Raum umgeben. Tatsächlich befinden sich in der Umgebung der Durchbrüche viele Leiterbahnen im PCB (in Abbildung 26 sieht man rechts von dem Anschluss einen Stecker mit den Pins, die mit dem IMB verschaltet werden müssen), weshalb ein gewisser Abstand eingehalten wird. Für die Gasdichtigkeit werden die Durchbrüche mit Silikonkleber verschlossen, da er sich nach Bedarf wieder entfernen lässt. Abbildung 25: Kühlungsanschluss und umgedrehtes Octoboard Abbildung 24: Festo Schnellverschluss über dem Zylinderaufsatz Backframe Das Design für den Backframe stammt von D.Peterson (Cornell University). Zahlreiche Materialaussparungen wurden dem alten Model des 8-Chip Moduls hinzugefügt, bis es so aussah wie in Abbildung 27. Die rote Markierung zeigt wo die Vertiefung für den Dichtungsring verläuft. 17 Abbildung 26: Blick unter das PCB des IMB An dieser Stelle wird die Gasdichtigkeit außerhalb des Modulträgers gewährleistet. Abbildung 27: Erleichterter Backframe Beim Platzieren des Backframes fällt auf, dass einige HDMI-Buchsen auf dem Intermediate Board sehr nah am Rand liegen, oder sogar von dem Rahmen überdeckt werden (Abbildung 28, blau markiert: nah, rot markiert: überdeckt). Das Design des Backframes ist durch die Endplatte des Large Prototype vorgegeben und darf an diesen Stellen nicht zugunsten der Buchsen verändert werden. Um zu prüfen, ob und welche Stecker nun anders zu platzieren sind, wurden handelsübliche HDMI Kabel implementiert (Abbildung 29). Trotz einer schlanken Variante der Verkleidung der HDMI Stecker wäre bei einigen der Backframe für den Einbau im weg (rot markiert). Außer einer Buchse lassen sich die übrigen betroffenen leicht versetzen. Der HDMI Anschluss, der komplett eingekreist wurde, kann nicht ganz so einfach wie die restlichen verschoben werden. Er muss um ganze 4 mm versetzt werden und das in eine Richtung, in der sich viele Leiterbahnen im IMB befinden. 18 Abbildung 28: HDMI Buchsen sehr nah an dem Backframe Abbildung 29: Kontrolle mit implementierten HDMI Kabeln Zwei Veränderungen wurden an dem Rahmen vorgenommen. Zuerst musste das Modul um zwei Chassisbuchsen für Hochspannung vervollständigt werden. Das Modell 22 H4-50-0-1 der Firma Huber+Suhner (Abbildung 30) kommt hierfür zum Einsatz. Ein gebogenes Stück Aluminium mit passenden Durchbrüchen fungiert für sie als Rahmengestell. Dieses Stück Blech muss an dem Backframe (möglichst in der Nähe des Anodenplattenanschlusses liegend) mit Schrauben befestigt werden. Aus Erfahrungen, die bei dem 8 Chip Modul gesammelt wurden (es mussten nachträglich mühsam Unterlegscheiben hinzugefügt werden), ist bekannt, dass ein Abstand zwischen dem Buchsengestell und dem Rahmen eingehalten werden sollte. In Abbildung 31 sind die für diesen Zweck angebrachten Aufsätze zu erkennen. Abbildung 31: Rahmengestell mit HVBuchsen angebracht am Backframe Abbildung 30: Chassisbuchsen für die Hochspannungsversorgung Die zweite Veränderung des Backframes war erforderlich, damit das gesamte Modul eine Höhe von 45 mm erreicht. Die Fläche, die auf das IMB geklebt wird, wurde dafür einen Aufsatz von 6.52 mm erweitert (Abbildung 32). 19 Abbildung 32: Erhöhung des Backframes 4.5 Gesamte Baugruppe Mit der Anpassung des Backframes ist das letzte Teil der Baugruppe fertig gestellt. Das komplette Model ist in den Abbildungen 33 bis 36 zu sehen. Für zusätzliche Stabilität wird die Anodenplatte an den Backframe durch alle dazwischen liegenden Teile mit Senkkopfschrauben (auch hier wieder aus Kunststoff) befestigt. 6 Abbildung 33: Gesamte Baugruppe, Ansicht außerhalb der TPC Abbildung 34: Gesamte Baugruppe, Ansicht innerhalb der TPC 20 Abbildung 35: Erste Explosionsansicht des Modulträgers Abbildung 36: Zweite Explosionsansicht des Modulträgers 21 5 Zusammenfassung Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wurde ein Modul für den Large Prototype mit Hilfe eines CAD Programms entworfen. Ziel war 12 Octoboards so unterzubringen, dass alle gewünschten Funktionalitäten erhalten bleiben. Der Umgang mit SolidWorks ermöglichte es, die Grundkenntnisse aus den Tutorials zu erweitern und neue Möglichkeiten der Konstruktion, die für das Design sehr nützlich waren, zu finden. Für die Planung des Modulträgers war das Erstellen eines 3D CAD Modells eine große Hilfe. So konnte man direkt feststellen, ob die geplanten Bauteile realisierbar sind. Gleichzeitig war es möglich, Änderungen vorzunehmen und verschiedene Versionen auszuprobieren, ohne die einzelnen Bauteile anfertigen zu müssen. Durch die Computersimulaionen konnten höhere Kosten eingespart werden. Ein weiterer Vorteil eines solchen Programms war die Möglichkeit CAD Dateien von Herstellern implementieren zu können, um zu entscheiden, welche Modelle von z.B. Steckern oder Buchsen besser geeignet sind. Für das Design des Intermediate Boards war das 3D Modell ebenfalls eine Hilfe. Die Positionen der Pins der Octoboards konnten am PC µm genau abgelesen und übertragen werden, damit ein möglichst reibungsloser Zusammenbau des Moduls gewährleistet wird. Das Ziel, einen für die 96 Timepix Chips geeigneten Aufbau zu finden wurde erfüllt. Der Modulträger kann hergestellt werden, um ihn für den Einsatz am Large Prototype zu testen. 22 Literatur [1] CERN experiments observe particle consistent with long-sought Higgs boson, Pressemitteilung von CERN, 4. 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