Elektronische Charakterisierung von DC-DC-Konvertern zur Spannungsversorgung des CMS-Spurdetektors am SLHC

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Der Large Hadron Collider

3 Das Compact Muon Solenoid Experiment
3.1 Der Siliziumstreifendetektor

4 Der Super-LHC und der geplante Ausbau des CMS-Detektors
4.1 Der SLHC
4.2 Physikalische Motivation für den Ausbau
4.3 Der Ausbau des CMS-Detektors

5 Serielle Stromversorgung und Gleichstromkonversion
5.1 Serielle Stromversorgung
5.2 Spannungsversorgung mit Gleichstromkonvertern

6 DC-DC-Konverter im Detail
6.1 Einführung
6.2 Kommerzielle Konverter
6.2.1 Enpirion EN5312QI
6.2.2 Enpirion EQ5382D
6.2.3 Micrel MIC3385
6.3 Nichtkommerzielle Konverter
6.3.1 Der CERN Konverter SWREG
6.3.2 Die LBNL Ladungspumpe
6.4 Linearregler mit geringem Spannungsabfall
6.5 Konverterintegration
6.5.1 Integration der kommerziellen Konverter
6.5.2 Integration des CERN Konverters
6.5.3 Integration der LBNL Ladungspumpe
6.6 Messung des Tastverhültnisses D mit Nahfeldsonden

7 Effizienzmessung
7.1 Einleitung und Grundlagen
7.1.1 Das Testsystem zur Effizienzmessung
7.2 Effizienzen der kommerziellen Konverter
7.2.1 Konverter mit internen Spulen
7.2.2 Konverter mit externen Spulen
7.2.3 Effizienz von Konvertern mit Linearreglern (LDO-Regulatoren)
7.2.4 Auswirkung von Spulenschirmung auf die Effizienz von Konvertern
7.2.5 Effizienzen des Micrel Konverters
7.3 Effizienz des CERN Konverters
7.4 Effizienzen der Ladungspumpen
7.5 Zusammenfassung der Ergebnisse

8 Magnetfeldmessung
8.1 Durchführung der Magnetfeldmessung am Forschungszentrum Julich
8.2 Magnetfeldresistenz der Konverter
8.2.1 Enpirion Konverter mit ferromagnetischer Spule
8.2.2 Enpirion Konverter mit Luftspule
8.2.3 Der CERN Konverter SWREG
8.2.4 Die LBNL Ladungspumpen

9 Spektrumanalyse
9.1 Das Testsystem
9.2 Gleich- und Gegentaktsignale
9.3 Der Spektrumanalysator
9.4 Spektren der Enpirion Konverter
9.4.1 Einführung - Spektren des TypL-Int
9.4.2 Konverter mit nur einer Ausgangsspannung - 1,25 V oder 2,50 V
9.4.3 Variation der Eingangsspannung beim TypL-Int
9.4.4 TypL-Int und TypS-Int im Vergleich
9.4.5 Wirkung des LDO-Regulators auf das Ausgangsrauschen
9.4.6 Konverter mit externer Spule
9.5 Spektren des Micrel Konverters TypL-Mic
9.6 Spektren des SWREG2 Konverters
9.7 Spektren der LBNL Ladungspumpen

10 Störfestigkeitsmessung
10.1 Einleitung und Beschreibung des Einstreuteststands
10.2 Vorbereitende Untersuchungen mit Gegentaktstürungen
10.3 Stürfestigkeit der Detektormodule
10.4 Testmessungen
10.5 Korrelation zwischen Spektrenanalysemessung und Systemtestmessung

11 Zusammenfassung und Ausblick

A Konverterplatinen der kommerziellen Konverter
A.1 Enpirion Konverter, Typ L mit interner Spule
A.2 Enpirion Konverter, Typ L mit interner Spule und LDO
A.3 Enpirion Konverter, Typ S mit interner Spule
A.4 Enpirion Konverter, Typ L mit externer solenoidaler Luftspule
A.5 Enpirion Konverter, Typ L mit ext. sol. Luftspule und LDO
A.6 Micrel Konverter, Typ L mit interner Spule
A.7 Weitere Enpirion Konverter

B Adapterplatine für die kommerziellen Konverter

C Trögerplatine und Sagezahngenerator för den CERN Konverter
C.1 Trägerplatine für den CERN Konverter
C.2 Sügezahngenerator fur den CERN Konverter

D Kalibrationsdaten der Stromzange

Kapitel 1 Einleitung

Ziele der Hochenergiephysik sind die experimentelle U^ü berpruüfung des Standardmodells der Teilchenphysik sowie die Suche nach bislang unentdeckten Teilchen, um Wissen uüber die elementaren Wechselwirkungen der Natur und damit den Aufbau der Materie zu erlangen.

Hierzu werden Streuexperimente an Teilchenbeschleunigern durchgeführt. Der neueste und weltweit grüßte Beschleunigerring, welcher erstmals am 10. September 2008 in Betrieb genommen wurde, ist der Large Hadron Collider (LHC) der europüischen Organisation für Kernforschung (CERN) bei Genf. Bei einer instan-tanen Designluminositat von L = 10³⁴ cm~² s^_1 sollen Protonen auf eine Energie von ca. 7TeV beschleunigt und zur Kollision gebracht werden.

Fuür den LHC ist innerhalb der naüchsten zehn Jahre eine Luminositüatssteigerung um einen Faktor 10 auf L = 10³⁵ cm~² s^_1 geplant. Im Rahmen dieses Ausbaus zum sogenannten Super-LHC muss der innere Teil des CMS-Experiments, bestehend aus Siliziumstreifen- und Pixeldetektor, ausgetauscht werden. Aufgrund der hoüheren Spurdichten sind Detektoren mit mehr Auslesekanaülen erforderlich. Fuür die Ausleseelektronik wird eine Halbleitertechnologie mit kleinerer Strukturbreite als im aktuellen System verwendet, wodurch die Versorgungsspannung dieser Elektronik kleiner wird. Angenommen, der Leistungsbedarf des Detektors bleibt gleich, so vergrößern sich hierdurch die Strüme in den Zuleitungen zum Detektor. Die Strüme müssen jedoch durch die vorhandenen Kabel zugeführt werden, was eine Überarbeitung der Stromversorgung notwendig macht. Einen Losungsansatz hierzu stellt die lokale Spannungskonvertierung mit DC-DC-Konvertern dar, die im Folgenden naüher untersucht wird.

Die im Rahmen dieser Arbeit analysierten DC-DC-Konverter konvertieren eine angelegte Gleichspannung in eine niedrigere Gleichspannung, wodurch die Stroüme in den zum Konverter fuührenden Leitungen reduziert werden koünnen. Eine Herausforderung bei der Entwicklung dieser neuartigen Form der Spannungsversorgung von Detektoren ist die elektronische Charakterisierung der Konverter. Eine wichtige Eigenschaft ist der Wirkungsgrad, das heißt die Effizienz, von Schaltkonvertern. Das gesamte Schema der Detektorspannungsversorgung ist von der Effizienz abhaüngig, da Effizienzverluste den Eingangsstrom der Konverter wiederum erhoühen. Um diesen Aspekt zu untersuchen, wurde ein Effizienzmessstand aufgebaut, in Betrieb genommen sowie die Effizienzen der verschiedenen Konverter vermessen und analysiert. Ein Teil der Konverter verfügt uüber Spulen als Energiespeicher. Deshalb ist es von Bedeutung zu erfahren, ob die Konverter im Detektor innerhalb eines Magnetfelds mit einer Flussdichte von ca. 4T funktionieren. Um die Magnetfeldresistenz der Konverter zu überprüfen, wurden Effizienzanalysen im Magnetfeld durchgeführt. Bei den Konvertern handelt es sich um Schaltelektronik mit Taktfrequenzen in der Größenordnung von einigen Megahertz. Durch die Schaltvorgange entstehen Storstrome, was die Konverter zu Rauschquellen in einem sensitiven Detektorsystem macht. Um dieses Rauschen zu charakterisieren, wurde ein Spektrenanalyseteststand entwickelt, mit dem die Amplituden der Stoürsignale von Konvertern frequenzaufgeloüst dargestellt werden küonnen. Abschließend wird versucht, die frequenzabhüangige Stüorfestigkeit von Detektorkomponenten des aktuellen CMS-Siliziumstreifendetektors zu bestimmen, indem Einstreumessungen an einem Detektorteststand durchgeführt werden.

In Kapitel 2 wird eine kurze Einfuührung zum Beschleunigerkomplex am CERN bei Genf gegeben. Das CMS-Experiment, welches in Kapitel 3 vorgestellt wird, ist eines der vier Hauptexperimente am LHC. Die Details einer Luminositütssteigerung des LHC von der instantanen Designluminositat L = 10³⁴ cm~² s^_1 um einen Faktor 10 und die demnach erforderliche Überarbeitung des CMS-Detektors werden in Kapitel 4 angesprochen. In Kapitel 5 wird auf die technische Umsetzung der Spannungsversorgung der Detektorelektronik am SLHC eingegangen, für die es zwei Ansütze gibt: serielle Stromversorgung von Detektormodulen und die parallele Spannungsversorgung mit lokaler Spannungskonvertierung. Letztere soll in dieser Arbeit genauer untersucht werden. Dazu werden in Kapitel 6 die Funktionsweise und die Implementierung von DC-DC-Konvertern diskutiert. In Kapitel 7 werden Effizienzen der Konverter analysiert. Kapitel 8 beschreibt die Messungen der Magnetfeldresistenz von Schaltkonvertern. Der zur Untersuchung des Rauschverhaltens dieser zusüatzlichen Schaltelektronik im Detektorsystem aufgebaute EMV-Messstand wird in Kapitel 9 vorgestellt. Abschließend wird in Kapitel 10 der Einfluss von Stürungen auf ein Detektorsystem des CMS-Siliziumstreifentrackers untersucht.

Kapitel 2 Der Large Hadron Collider

Bei dem LHC [1] handelt es sich um den weltgroßten Teilchenbeschleuniger und Speicherring für Hadronen. Er wurde am 10. September 2008 in Betrieb genommen. Der LHC ist Teil des CERN¹, der europaischen Organisation fuür Kernforschung, einer nahe der schweizer Stadt Genf gelegenen Forschungseinrichtung. Die geographische Lage des Beschleunigerrings und der unterirdischen Experimentierkavernen ist in Abb. 2.1 illustriert. Der LHC, aufgebaut aus zwei konzentrisch verlaufenden Strahlrühren mit einem Umfang von 26,659 km, ist konzipiert, um Protonen bei einer Schwerpunktsenergie von yS = 14TeV oder Schwerionen mit einer Energie von Ea = 2,76 TeV pro Nukleon zur Kollision zu bringen [3]. Die zum Erreichen dieser Endenergie nüotige Vorbeschleunigung wird mit Hilfe einer Reihe von Linear- und Kreisbeschleunigern realisiert. Diese sogenannte Vorbeschleunigerkette ist in Abb. 2.2 dargestellt: Protonen werden im ProtonenLinearbeschleuniger (LINAC 2) beschleunigt, gefolgt vom Proton Synchrotron Booster (BOOSTER) und dem Proton Synchrotron (PS). Im Super Proton Synchrotron (SPS) erreichen die Protonen schließlich eine Energie von 450 GeV und werden uüber die Strahltransferleitungen TI2 und TI8 in den LHC eingeschossen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1: Illustration des LHC und der vier unterirdischen Wechselwirkungspunkte [2].¹ CERN = Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.2: Schematische Darstellung des LHCs sowie der zugehörigen Vorbeschleuniger [4].

Wie in Abb. 2.1 dargestellt, gibt es an vier Wechselwirkungspunkten unterirdische Kavernen für die Hauptexperimente: ALICE¹ [5], ATLAS² [6], CMS³ [7] und LHC-b⁴ [8]. ALICE ist ein Vielzweckdetektor und optimiert fuür die Detektion von Schwerionenkollisionen, wie zum Beispiel kollidierenden Bleikernen, mit denen ein neuer Zustand von Materie, das sogenannte Quark-Gluon-Plasma, untersucht werden soll. LHC-b und die Vielzweckdetektoren ATLAS und CMS untersuchen Proton-Proton-Kollisionen. LHC-b ist ein Spektrometer zur Untersuchung der CP-Verletzung durch die Analyse von B-Mesonen. ATLAS und CMS vermessen Parameter des Standardmodells der Teilchenphysik und sollen unter anderem nach dem Higgs-Teilchen und neuer Physik suchen. ATLAS und CMS sind so aufgebaut, dass eine gegenseitige Überprüfung der wissenschaftlichen Resultate müglich ist. Weitere kleinere Experimente teilen sich den Wechselwirkungspunkt mit den grüßeren Experimenten wie z.B. LHCf⁵ [9] bei ATLAS und TOTEM⁶ [10] bei CMS. An den Wechselwirkungspunkten von CMS und ATLAS betragt die instantane Designluminositüt L = 10³⁴ cm~² s^_1 und es werden mit einer Wiederholrate von 40 MHz im Mittel etwa 20 inelastische Proton-Proton-Kollisionen stattfinden, was eine enorme Anforderung nicht nur für die Detektoren, sondern auch an die Datenverarbeitung darstellt.

Kapitel 3 Das Compact Muon Solenoid Experiment

Der CMS-Detektor [7, 11], dargestellt in Abb. 3.1, ist ein 21,6m langer, zylinderfürmiger Vielzweckdetektor. Er hat einen Durchmesser von 14,6 m und ein Gesamtgewicht von ca. 12500 t, von denen alleine das Rückflussjoch des solenoidformigen Magneten 10000t beansprucht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.1: Der CMS-Detektor in einer schematischen Darstellung [7].

Betrachtet man den Flug eines Myons vom Wechselwirkungspunkt im Innern des Detektors senkrecht zur Strahlrühre nach außen (siehe hierzu Abb. 3.2), so erzeugt es zunachst eine Spur im Siliziumspurdetektor. Danach fliegt das Myon durch das elektromagnetische Kalorimeter, dessen Dicke senkrecht zur Strahlrüohre 25,8 Strahlungslüngen (X₀) betrügt und über Kristallszintillatoren aus Bleiwolframat (PbWO₄) verfügt. Weiter außen befindet sich dann das hadronische Kalorimeter mit Absorbermaterial aus Messing und Kunststoffszintillatoren, dessen Absorberdicke in der gezeigten Flugbahn 5,82 hadronische Wechselwirkungslangen (\j) betraügt. Die bisher genannten Detektorkomponenten befinden sich innerhalb des supraleitenden Magneten, der mit einer Lange von 12,9 m und einem inneren Durchmesser von 5,9 m eine homogene magnetische Flussdichte von 4T erzeugt. In das bereits erwahnte Rückflussjoch des Magneten sind die Myonkammern integriert, die die üaußerste Detektorlage bilden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.2: Orthogonal zur Strahlachse orientierter Ausschnitt aus dem CMS-Detektor. Die Spuren und Wechselwirkungen einiger Teilchen mit den Subdetektoren sind eingezeichnet [12].

3.1 Der Siliziumstreifendetektor

Ein Querschnitt des zylinderförmigen Siliziumspurdetektors ist in Abb. 3.3 dargestellt. Dieser sogenannte Tracker ist 5,8 m lang; der Durchmesser betragt 2,5 m. Der Tracker vermisst die Flugbahn der geladenen Teilchen. Durch das homogene Magnetfeld von 4T, in dem sich der Tracker befindet, ist eine prazise Messung der Impulse von geladenen Teilchen moglich. Der Pixeldetektor ist der innere Teil des Silizium-trackers. Er ist innerhalb eines 15cm-Radius um die Strahlrohre gebaut und besteht aus drei zylinderförmigen Sensorlagen sowie zwei Endkappen mit jeweils zwei Sensorlagen. Die Pixelgroße der Sensoren betragt 100 ^m x 150 ^m, wodurch eine dreidimensionale Rekonstruktion des genauen Wechselwirkungspunkts sowie die Ortsbestimmung von sekundören Vertizes möglich ist. Der den Pixeldetektor umgebende Subdetektor, der Siliziumstreifendetektor, hat einen Radius von 22 cm bis 110 cm.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.3: Schematischer Querschnitt durch den CMS-Spurdetektor, in dem jede Linie ein Detektormodul reprasentiert. Die verschiedenen Subdetektoren und ihre Komponenten sind gekennzeichnet. Des Weiteren sind die Ausdehnung in z-Richtung, der Radius r der Komponenten sowie die Pseudorapiditat n eingezeichnet [7].

Positionen innerhalb des CMS-Detektors und damit auch Positionen im Siliziumstreifentracker werden in einem rechtshöndigen Koordinatensystem angegeben, dessen Ursprung im nominellen Wechselwirkungspunkt, also im Zentrum des Detektors, liegt. Die x-Achse zeigt radial in Richtung des Mittelpunkts des LHC-Rings. Die y-Achse zeigt senkrecht nach oben, womit die x-y-Ebene orthogonal zur Strahlachse orientiert ist. Die z-Achse vervollstandigt das rechtshöndige Koordinatensystem. Man definiert weiter den Azimutwinkel der bei der x-Achse anfangt und sich innerhalb der x-y-Ebene bewegt, und den Polarwinkel 0, der beginnend bei der z-Achse gemessen wird. Als letztes wird noch die Pseudorapiditöt n definiert als n =^_ lntan(0/2), womit die Detektormodule des Streifentrackers die Pseudorapiditatsregion \n\ < 2,5 abdecken.

Wie in Abb. 3.3 dargestellt, ist der Streifendetektor wiederum unterteilt in vier Subdetektoren. Die inneren, zylinderföormig und konzentrisch angeordneten Detektorlagen bilden das sogenannten Tracker Inner Barrel (TIB) und die außeren Lagen das Tracker Outer Barrel (TOB). Der TIB Subdetektor wird seitlich von scheibenfoörmig in der x-y-Ebene liegenden Subdetektoren, den Tracker Inner Disks (TID), abgeschlossen. Die letztgenannten Subdetektoren und TOB werden von den Tracker End Caps (TEC+ und TEC-) abgeschlossen, also den Endkappen in positiver und negativer z-Richtung.

Eine Photographie der Endkappe TEC+, welche in Aachen gebaut wurde, ist in Abb. 3.4 zu sehen. Sie setzt sich zusammen aus neun parallelen, koaxial mit der z-Achse angeordneten Scheiben, den sogenannten Disks, die jeweils auf der Ober- und Unterseite mit acht sogenannten Petals bestuöckt sind, welche die sensitiven Detektorelemente zur Spurdetektion tragen. Ein solches mit Siliziumstreifensensoren bestuöcktes Petal, dargestellt in Abb. 3.5, wird in Aachen als Testsystem verwendet. Dieses System und der zugehorige Teststand sind ausführlich in [13] beschrieben.

Die in den Endkappen auf Petals montierten Module sind aufgebaut aus Siliziumstreifensensoren, welche auf einem Karbonfaserrahmen befestigt sind. Die Sensoren sind mit der Ausleseelektronik uöber Drahtbonds verbunden. Die Ausleseelektronik ist auf einer Tragerplatine, dem sogenannten Front-End-Hybrid installiert. Ein beschriftetes Bild eines Moduls ist in Abb. 3.6 dargestellt. Bei der Ausleseelektronik der Module handelt es sich um APV25-Chips [14], die öber jeweils 128 Auslesekanöle mit ladungssensitiven Vorverstarkern und weiteren Signalverarbeitungsmodulen verflögen. Im Folgenden soll jedoch zunachst auf das Spannungsversorgungssystem des CMS-Siliziumstreifentrackers eingegangen werden. Details zu den Sensoren und zur Ausleseelektronik werden in Kapitel 10 erlöautert, da dort Messungen mit einem Petal-Testsystem vorgestellt werden.

Im gesamten Streifendetektor befinden sich 15148 Siliziumstreifenmodule, mit zusammen ca. 10⁷ Auslese-kanölen. Ein Streifenmodul benötigt fur die Sensordepletierung eine Hochspannung (HV) von bis zu 500 V und zwei Niederspannungen (LV) von +1,25 V und +2,50 V för die Front-End-Elektronik. Es gibt Module mit 512 oder 768 Streifen bzw. Auslesekanalen; jedes dieser Module hat einen Leistungsbedarf von 1,8W bzw. 2,7 W, abhöngig vom jeweiligen Modultyp. Die große Anzahl an Auslesekanölen föhrt zu einem Gesamtleistungsbedarf des Streifentrackers von ca. 33 kW im unbestrahlten Zustand. Detailliert wird das aktuelle System zur Spannungsversorgung des CMS-Siliziumstreifentrackers in [15] beschrieben.

Die parallele Spannungsversorgung der in sogenannte Powergruppen aufgeteilten Module (jeweils 2-11 Module in den Tracker End Caps) wird durch ca. 50 m lange Kabel realisiert, welche mit CAEN-Netzteilen [16] verbunden sind, die sich außerhalb des Detektors in der Experimentierkaverne befinden. Der widerstandsbedingte Spannungsabfall in diesen langen Kabeln fuöhrt zu einem Leistungsverlust von ca. 34 kW, das heißt ca. 50% der gesamten zugeföhrten Leistung geht in den Kabeln verloren. Diese Warmeverluste P_cablesind proportional zum Widerstand R_cabder Kabel und steigen quadratisch mit I_tracker, dem durch die Kabel fließenden Strom, an:

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Die Kabelwiderstöande köonnten nur durch eine Vergroößerung der Kabelquerschnitte reduziert werden, was jedoch nicht moglich ist, da die Kabel bereits jetzt den gesamten, för die Verlegung zur Verfögung stehenden Raum ausfuöllen. Außerdem ist ihr Anteil am Gesamtmaterialbudget des CMS-Trackers bereits jetzt sehr groß, was in Abb. 3.7 dargestellt ist.

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Abbildung 3.4: Photographie einer Streifendetektor-Endkappe, wie sie vom Wechselwirkungspunkt aus gesehen wird [7].

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Abbildung 3.5: Photographie der Rückseite eines mit Modulen bestückten Petals. Die Textmarker geben die Position der Module auf dem Petal an [7].

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Abbildung 3.6: Photographie eines Streifendetektormoduls [7].

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Abbildung 3.7: Materialbudget des CMS-Spurdetektors unterteilt in seine Einzelbeitrage von Sensoren (Sensitive), Kuhlsystem, Kabel, Tragestruktur (Support) und anderen Komponenten. Dargestellt ist die Materialdicke in Anzahl von Strahlungslängen X₀als Funktion der Pseudorapiditat n =-lntan(0/2) [7].

Kapitel 4 Der Super-LHC und der geplante Ausbau des CMS-Detektors

4.1 Der SLHC

Die instantane Designluminositaüt des LHCs betrüagt an den Wechselwirkungspunkten von CMS und ATLAS, wie in Kapitel 2 beschrieben, L = 10³⁴ cm~² s^_1. Sie wird berechnet durch

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Dabei ist N_b= 1,15 • 10¹¹ die Anzahl der Protonen pro Teilchenbundel, dem sogenannten Bunch. Ein Teilchenstrahl besteht aus n_b= 2808 Bunches. Die Umlauffrequenz betragt f_rev= 11,25 kHz, die effektive Ausdehnung des Strahls am Wechselwirkungspunkt in x- und y-Richtung ist a% = ay = 16 im und der Faktor F = 0,83 berücksichtigt den Winkel der zusammentreffenden Teilchenstrahlen von 6_c= 283 irad [17].

Trotz der Herausforderung, die instantane Designluminositüt des LHCs nach einigen Jahren Laufzeit zu erreichen, sind bereits weiterfuührende Entwicklungen geplant. Um die Leistungsfüahigkeit des LHCs zu verbessern, ist ein Ausbau des LHCs zum sogenannten Super-LHC oder kurz SLHC geplant [18, 19, 20]. Dabei soll die instantane Luminositüt auf L = 10³⁵ cm~² s^_1 erhoht werden. Der dafür notwendige Ausbau der Vorbeschleunigerkette des LHCs ist in zwei Phasen gegliedert:

- Der Ausbau in Phase 1 betrifft den Linearbeschleuniger LINAC 2, der durch den LINAC 4 ersetzt wird und eine hohere Qualitüt der in den LHC injizierten Strahlen gewahrleisten soll. Im LINAC 2 werden Bunches von Protonen mit einer Energie von 50 MeV in den BOOSTER injiziert. Diese Energie soll mit dem LINAC 4 auf 160 MeV erhoht werden. Des Weiteren soll die Strahlfuhrung an den Wechselwirkungspunkten geündert werden. Eine Verkleinerung der Betafunktion⁷ ß^x am Wechselwirkungspunkt von 0,50 m auf 0,25m ist geplant. Die instantane Luminositüt soll durch diese Maßnahmen auf einen Wert von L = (2 — 3) • 10³⁴ cm^_2 s^_1 gesteigert werden.

- In Phase 2 sollen weitere Umbauten der Vorbeschleunigerkette stattfinden: der BOOSTER soll durch einen weiteren Vorbeschleuniger ersetzt werden, den Low Power Superconducting Proton Linac (LPSPL), welcher die Teilchenenergie nach dem LINAC 4 von 160 MeV auf einige Gigaelektronenvolt erhüht. Dem soll ein neues 50 GeV Synchroton folgen, das sogenannte Proton Synchrotron 2 (PS2). Letzteres soll die Einschussenergie des SPS erhoühen und den Protonenfluss verdoppeln. Durch die Integration dieser neuen Beschleuniger soll die instantane Luminositat auf L = (8 — 10) • 10³⁵ cm^_2 s^_1 erhüoht werden.

Fuür die Strahlparameter des LHC-Speicherrings waührend der Phase 2 sind zwei unterschiedliche Szenarien in der Diskussion: das sogenannte “early-separation-Szenario” (ES-Szenario) und das “large-Piwinski-angle-Szenario” (LPA-Szenario).

- Im ES-Szenario betragt die Zeit zwischen zwei Bunch-Bunch-Wechselwirkungen 25 ns. Die Betafunktion wird an den Wechselwirkungspunkten von CMS und ATLAS auf ß* = 0,1m verkleinert. Eine Notwendigkeit dieses Modells ist, dass zusätzliche Dipolmagnete innerhalb der Detektorvolumina - in ca. 3 m Entfernung vom Wechselwirkungspunkt - sowie spezielle, die instantane Luminosität erhöhende Hohlraumresonatoren installiert werden mussen.

- Der zeitliche Bunchabstand im LPA-Szenario betragt 50 ns und die Bunches wärden eine langere, aber longitudinal flache Form haben und mehr Protonen enthalten als die Bunches im ES-Szenario. Der Wert der Betafunktion von ß* = 0,25 m verändert sich nicht im Vergleich zu den Strahlparametern in Phase 1, jedoch treffen die Bunches unter einem sogenannten Piwinski-Winkel zusammen, was für hadronische Teilchenstrahlen bislang unerprobt ist. Eine weitere Herausforderung ist die große Zahl von bis zu 400 Untergrundereignissen, die in diesem Modell pro Bunch-Bunch-Wechselwirkung auftreten koännen.

Eine Darstellung dieser Ausbaupläne ist in Abb. 4.1 dargestellt. Demzufolge soll Phase 1 im Jahr 2013 beginnen und Phase 2 schließt sich 2017 oder 2018 an.

Nach der ersten Inbetriebnahme des LHCs am 10. September 2008 kam es am 19. September 2008 im Sektor 3-4 zu einer Storung einer elektrischen Verbindung zwischen zwei Magneten [22]. An dieser Stelle ist die Stromleitung geschmolzen und es hat sich ein Lichtbogen ausgebildet, der wiederum Kählleitungen beschädigte, sodass große Mengen Helium in den Tunnel entweichen konnten. Nach den notwendigen Reparaturen der entstandenen Schäden ist eine erneute Inbetriebnahme der Beschleunigermaschine fär September 2009 geplant [23], sodass der Zeitplan fär den Betrieb des LHCs um ca. ein Jahr verzägert wird. Es ist anzunehmen, dass sich die Reparaturen ebenfalls auf den vorgestellten Zeitplan fur das Luminositatsupgrade auswirken. Dies ist in dem in Abb. 4.1 gezeigten Zeitplan noch nicht beräcksichtigt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4.1: Zeitplan für die verschiedenen LHC-Ausbauphasen. Die linke y-Achse gibt die maximale instantane Luminosität an, die rechte y-Achse die integierte Luminosität [21].

4.2 Physikalische Motivation für den Ausbau

Durch die Luminositäatssteigerung des SLHCs soll die integrierte Luminositaät nach einigen Jahren Laufzeit um eine Gräßenordnung erhäht werden. Wie in Abb. 4.1 dargestellt, soll der LHC vor dem Ausbau in Phase 1 eine integrierte Luminositat von ca. 250 fb¹ erreichen. Zum Ende der SLHC-Laufzeit soll dieser Wert auf ca. 2500 fb^-1 vergrößert werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 4.1: Erwartete Strahlenbelastung und Hadronenfluss in verschiedenen radialen Lagen des CMS-Silizium,spurd,etektors für eine integrierte Luminositat von ,500fb^-1 bzw. eine ungefähre Laufzeit von 10 Jahren. Der Fluss von schnellen Hadronen entspricht in guter Naherung der Strahlenbelastung des 1 MeV-Neutronenaquival-ents [7].

Die physikalische Motivation des Beschleunigerausbaus hangt im Wesentlichen von eventuellen Entdeckungen am LHC ab. Angenommen das Standardmodell-Higgs-Boson würde am LHC entdeckt, so ware die Messung der Kopplungen dieses Higgs-Bosons an Fermionen und Bosonen und die Messung der Higgs-Selbstkopplung zwar moglich, die Prüzision jedoch durch die geringe Statistik eingeschrünkt. Eine Lumino-sitütssteigerung würde aus diesem Grund eine präzisere Messung ermüglichen.

Werden supersymmetrische Teilchen, oder kurz SUSY-Teilchen, am LHC entdeckt, so künnen diese - je nach Modell - sehr schwer sein. In diesem Fall ist die Messung der Massen aller existierenden SUSY-Teilchen aufgrund ihrer kleinen Wirkungsquerschnitte nicht am LHC moglich. Die prüzise Massenbestimmung erfordert oft die Analyse von seltenen Zerfallsmoden, deren Ereignisrate am LHC sehr gering sein wird. Der SLHC erhoüht die Statistik dieser seltenen Zerfüalle und erweitert mit der groüßeren integrierten Luminositaüt generell das Entdeckungspotenzial fuür neue Teilchen zu groüßeren Massen hin.

Neben dieser sogenannten neuen Physik jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik ist eine große integrierte Luminositat und die damit verbundene hohe Statistik nutzlich, um die Präsizion von Standardmodellmessungen zu erhühen, das heißt um die statistischen Fehler zu verkleinern. Mit der Designluminositat des LHC von L = 10³⁴ cm^-2 s^-1 würe nach vier bis funf Jahren Laufzeit die Zeit, die notig ist, um statistische Fehler zu halbieren, langer als fünf Jahre.

4.3 Der Ausbau des CMS-Detektors

Aufgrund von Strahlenschaüden muüssen Detektorkomponenten nach einigen Jahren Laufzeit am LHC ausgetauscht werden; dies betrifft den Siliziumpixel- und Streifendetektor. Der Siliziumpixelsensor widersteht einer Strahlenbelastung von 6 • 10¹⁴ n_eqcm^-2. In Tab. 4.1 ist die erwartete Strahlenbelastung in verschiedenen radialen Lagen des CMS-Trackers für eine integrierte Luminositat von 500 fb^-1, das heißt für eine ungefüahre Laufzeit von 10 Jahren, angegeben.

Die innere Lage des Pixeldetektors hat bei der instantanen Designluminositaüt des LHCs eine Lebensdauer von zwei Jahren. Die Ausleseelektronik des Streifendetektors, das heißt insbesondere der APV25-Chip, ist in einem Standard-0,25 ^m-CMOS Prozess produziert worden, welcher aufgrund von Materialeigenschaften und Entwurfsregeln intrinsisch strahlenhart ist. Demnach ist die Strahlenharte des Streifentrackers durch die Strahlenresistenz der Siliziumstreifensensoren vorgegeben. Nach ca. 10 Jahren LHC-Laufzeit betragt die Verarmungsspannung der Sensoren, die für eine effiziente Ladungssammlung notwendig ist, bis zu 500 V, womit die Spannungsfestigkeit der Sensoren und Detektorsysteme erreicht ist.

Neben dem aufgrund der Strahlenbelastung notwendigen Austausch des CMS-Spurdetektors hat die geplante Verzehnfachung der instantanen Luminositüat beim Ausbau des LHC zum SLHC weitreichende Konsequenzen für die Anforderungen an die neuen Detektoren am SLHC [24], sodass es nicht ausreichend ist, die durch Bestrahlung geschüadigten Bauteile lediglich zu ersetzen.

Da die Teilchenraten um eine Groüßenordnung zunehmen und damit verbunden hoühere Spurdichten auftreten, werden Detektoren mit mehr Auslesekanülen benütigt. Der Teilchenzerfall H [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] ZZ [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] mit Untergrundereignissen ist in Abb. 4.2 fur verschiedene instantane Luminositaten von L = 10³² cm~² s^_1 bis L = 10³⁵ cm~² s^_1 dargestellt. Bei der hächsten Luminositat gibt es neben dem gesuchten Ereignis je nach Szenario 200 bis 400 Untergrundereignisse, wodurch eine genaue Rekonstuktion der Teilchenspuren mit dem aktuellen CMS-Tracker aufgrund der dann zu hohen Besetzungsdichte der Auslesekanaäle nicht mehr moäglich ist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4.2: Teilchenzerfall H [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] ZZ [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] eepp mit Untergrundereignissen für verschiedene Luminositaten von L = 10³² cm,² s¹ bis L =10^ih cm,² s¹ bei einem angenommenen Bunch-Abstand von 25 ns [21].

Fur den bereits angesprochenen Neubau des CMS-Trackers, genauer fär die dabei eingesetzte Ausleseelektronik, ist die Verwendung einer CMOS-Halbleitertechnologie mit einer Strukturbreite von 0,13 im geplant. Die Betriebsspannung dieser Elektronik skaliert mit der Strukturbreite und wird demzufolge ca. 1,2 V betragen. In jedem Fall wird sie kleiner sein als bei der aktuell verwendeten 0,25 im-Technologie.

Es ist wichtig, bei der Neukonzipierung der Detektoren den Leistungsverbrauch pro Auslesekanal zu senken, das heißt den Stromverbrauch pro Kanal zu minimieren. Letzteres ist moäglich, da die Sensoren uäber kleinere aktive Flächen bzw. kurzere Sensorstreifen und damit eine geringere Kapazitat verfägen. Eine kleinere Sensorkapazitäat erlaubt eine geringere Signalverstäarkung und dadurch einen geringeren Stromverbrauch pro Kanal [25].

Die Funktionalitäat zukuänftiger Elektronik wuärde durch eine moägliche Integration von Triggerelektronik, dem sogenannten Track-Trigger, steigen, was den Stromverbrauch wiederum erhoht. Dieser Aspekt zusammen mit der groäßeren Zahl der Auslesekanaäle laässt im Voraus annehmen, dass der Leistungsverbrauch der Elektronik bestenfalls auf gleichem Niveau bleiben wird, sich vermutlich jedoch vergrößert. Da die Betriebsspannung der Ausleseelektronik kleiner wird, fährt dies zu einem größeren Stromfluss in den Zuleitungen des Detektors.

Das bereits in Abschnitt 3.1 angesprochene Problem des bereits vollstandig ausgefällten Raums fär die Stromkabel im aktuellen System erzwingt eine vollstandige Überarbeitung der Stromversorgung fär den zukänftigen Tracker. Da der Kabelwiderstand nicht verkleinert werden kann, der Stromverbrauch jedoch zunimmt und somit die Kabelverluste P_cab= R_cab• Itracker weiter steigen, wärde die Effizienz dieses Systems noch kleiner werden als der aktuelle Wert von ca. 50%.

Zwei moägliche Loäsungsansäatze hierzu stellen die serielle Stromversorgung von Modulen und die lokale Spannungskonvertierung mit DC-DC-Konvertern dar. Diese beiden Vorschläge fur die Spannungsversorgung des Spurdetektors fur das CMS-Experiment am SLHC werden im nächsten Kapitel diskutiert.

Das Luminositüatsupgrade, bzw. der in Phase 2 geplante Umbau des CMS-Detektors, hat außer den bereits genannten Konsequenzen für den Spurdetektor folgende Auswirkungen für die restlichen Subdetektoren [20]:

- Für das hadronische Kalorimeter (HCAL) ist ein Austausch der Hybrid-Photodetektoren (HPDs) durch Silizium-Photomultiplier (SiPMs) vorgesehen, welche sich durch eine grüßere Verstarkung und ein verbessertes Rauschverhalten auszeichnen. Daruüber hinaus ist durch die kleinere Bauform der SiPMs eine feinere Detektorsegmentierung müoglich. Aufgrund der erhoühten Zahl der Untergrundereignisse insbesondere in Vorwürtsrichtung, das heißt bei großen Pseudorapiditüten n, ist ein Austausch der Szintillatoren der Endkappen des HCALs im Rahmen des Umbaus in Phase 2 sehr wahrscheinlich.

- Aufgrund der grüoßeren Zahl von Auslesekanüalen und der erhoühten Datenmenge muüssen neue Triggerkarten in den Detektor integriert werden. Die Level-1 Trigger-Rate soll wie beim LHC unverändert bei 100 kHz belassen werden. Hierzu sollen Informationen des Spurdetektors in den Level-1 Trigger integriert werden; dazu ist jedoch der schnelle Transfer von großen Datenmengen aus dem Tracker in den Trigger erforderlich, was den Leistungsbedarf des Trackers erhüht. Ein Ansatz ist die Integration eines sogenannten Track-Triggers, zwei mit kleinem radialen Abstand hintereinanderliegenden Sensorlagen. Dies soll die schnelle Impulsmessung durchfliegender Teilchen ermüglichen.

- Die Überarbeitung des Triggersystems betrifft ebenfalls das elektromagnetische Kalorimeter (ECAL), dessen Messung der Teilchenenergien kombiniert mit der Energiemessung des HCALs die Triggerentscheidung verfeinern bzw. die Cluster-Rekonstruktion im HCAL verbessern soll. Die Endkappenkristalle koünnten durch die erhüohte Strahlenbelastung Schaden erleiden.

- Die Myonkammern sind fuür hohe Teilchenfluüsse entwickelt und in Bezug auf die instantane Design-luminositüt des SLHC strahlenhart. Um Beschränkungen im Datentransfer zum Level-1 Trigger zu beheben, wird ein Teil der Triggerelektronik in den Kathodenstreifenkammern des Myondetektors ausgetauscht werden. Des Weiteren ist die Nachrüstung der Myonkammern ME4/2 vorgesehen. Modifikationen der Strahlrühre, genauer die Abschirmung von Vorwürtsstrahlung, also Strahlung bei großem n, vermindert moglicherweise die Akzeptanz des Myondetektors von \n\ < 2,5 auf \n\ < 2,0.

Kapitel 5 Serielle Stromversorgung und Gleichstromkonversion

Die Detektorelektronik im Spurdetektor des CMS-Trackers wird zur Zeit parallel mit Spannung versorgt, das heißt, fuür jede Gruppe von Detektormodulen existiert ein separates Stromkabel und innerhalb dieser Gruppe sind die Module parallel miteinander verbunden. Dieses Konzept, bei dem große Stroüme durch die langen Zuleitungen fließen und somit die Effizienz durch Wüarmeverluste sehr gering ist, kann - wie in den vorherigen Kapiteln begruündet - bei einem Neubau des Spurdetektors fuür das CMS-Experiment am SLHC nicht mehr verwendet werden.

Um die Stroüme in den uüber 50 m langen Verbindungskabeln zwischen Netzgerüaten und Detektoren zu reduzieren und damit sowohl die Würmeverluste gering zu halten, als auch um das Materialbudget des neuen Detektors nach Müglichkeit zu senken, gibt es zwei sich grundsützlich unterscheidende Lüsungsansütze [24]: die serielle Stromversorgung von Detektormodulen und die parallele Spannungsversorgung mit lokaler Gleichstromkonvertierung.

5.1 Serielle Stromversorgung

Bei der seriellen Stromversorgung von Detektormodulen werden letztere in Reihe geschaltet und mit Hilfe einer Konstantstromquelle betrieben, wie in Abb. 5.1 dargestellt ist. Daraus folgt, dass der insgesamt im Zuleitungskabel fließende Strom I_SPdem eines einzelnen Moduls I₀entspricht, was die Kabelverluste drastisch reduziert. Fallt an einem Modul die Spannung V₀ab, so betrügt die Versorgungsspannung von n seriell verschalteten Modulen dementsprechend die n-fache Spannung eines einzelnen Moduls, also V_SP= n • V₀. Die in Serie geschalteten Detektorkomponenten haben jeweils ihr eigenes Bezugspotenzial, genauer ist die Ausgangsspannung des (n — 1)-ten Moduls das Bezugspotenzial des nachfolgenden Moduls n. Dadurch muüssen die Module potenzialgetrennt voneinander aufgebaut werden, was insbesondere bedeutet, dass die Datenuübertragung und Anbindung an den Gesamtdetektor uüber zusüatzliche Koppelkondensatoren erfolgen muss.

Um die Eingangsspannung fuür jedes Modul konstant zu halten und bei einem Ausfall eines Moduls den sogenannten Lichterketteneffekt, das heißt den Ausfall aller in Reihe geschalteten Module, zu verhindern, wird jedem Modul ein Shunt-Regulator parallel geschaltet. An letzterem fallt bei Modulausfall die Spannung Vo ab, sodass die restlichen Module weiterhin funktionieren. Da der in einer Reihenschaltung von Modulen fließende Strom durch das Modul mit dem hüochsten Strombedarf definiert wird und in den anderen Modulen die überflüssige Leistung in den Regulatoren Würmeverluste erzeugt, ist dieses System nur für die Stromversorgung von Modulen mit sehr üahnlichem Strombedarf effizient.

Benoütigt die Detektorelektronik zwei verschiedene Eingangsspannungen fuür den Analog- und Digitalteil, so muss die niedrigere Spannung bei der seriellen Stromversorgung durch lineare Spannungsregler erzeugt werden, was wiederum die Effizienz dieses Systems senkt.

In einem Versuch der ATLAS Kollaboration wurde ein Testsystem bestehend aus sechs ATLAS-Pixeldetektor-modulen mit Spannungsregulatoren ausgestattet und seriell mit Strom versorgt. Dabei wurde keine negative Beeinflussung des Rauschverhaltens des Testsystems festgestellt [26].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5.1: Serielle Stromversorgung von Detektormodulen mit Regulatoren.

5.2 Spannungsversorgung mit Gleichstromkonvertern

Im Gegensatz zur seriellen Stromversorgung werden die Detektormodule bei der Spannungsversorgung mit lokalen Gleichstromkonvertern individuell oder parallel in einem Stromkreis angeschlossen, wie es in Abb. 5.2 dargestellt ist. Um die in den Kabeln fließenden Strome zu minimieren, wird eine hähere Spannung Vdcdc als von der Detektorelektronik benoätigt zugefuährt, welche lokal mit Gleichstromkonvertern zu einer kleineren Spannung V0 konvertiert wird. Die Funktionsweise dieser Konverter wird ausfährlich im nachsten Kapitel diskutiert. Definiert man das Konvertierungsverhältnis r der Konverter durch das Verhaltnis der Aus- zur Eingangsspannung r = V_out/Vi_nund somit im dargestellten Beispiel durch r = V₀/V_DCDC, wobei r < 1 ist, so verkleinert sich der Strom I_DCDCin der Zuleitung linear mit r, sodass die Leistungsverluste in den Kabeln proportional zu r² sinken.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5.2: Parallele Spannungsversorgung mit Gleichstromkonvertern.

Der Vorteil dieses Systems besteht in seiner großen Flexibilitat: die Gleichstromkonverter funktionieren gleichzeitig als Spannungsregulatoren. Aus einer festen Eingangsspannung koännen verschiedene Ausgangsspannungen generiert werden, was, wie im vorherigen Abschnitt 5.1 genannt, fär den Analog- und Digitalteil der Detektorelektronik nätig sein kann.

Anstelle des Einsatzes eines einzelnen Konverters mit dem Konvertierungsverhäaltnis r ist es weiterhin mäglich, eine zweistufige Konvertierung in das Detektorsystem zu integrieren, wobei sich die Einzelkonvertierungsverhaltnisse r₁und r₂der Konverter multiplizieren, sodass r₁• r₂= r gilt. Dabei konnte fär das oben genannte Problem der verschiedenen Spannungen fuär die Analog- und Digitalelektronik in der ersten Stufe ein Konverter mit einem festen Konvertierungsverhältnis und zwei verschiedene Konverter fär die zweite Stufe eingesetzt werden, welche erst dann die spezifischen Ausgangsspannungen generieren. Bei diesem Ansatz gilt es allerdings zu beachten, dass sich die Effizienzen der in Serie geschalteten Konverter ebenfalls multiplizieren.

Im Rahmen dieser Arbeit werden einige der Herausforderungen des Konzepts der Spannungsversorgung mit DC-DC-Konvertern naäher untersucht:

- Die Effizienz bzw. der Wirkungsgrad n ist definiert als das Verhüaltnis der Ausgangs- zur Eingangsleistung des DC-DC-Konverters. Die Effizienz sollte wesentlich großer als das Verhültnis der Aus- zur Eingangsspannung sein, damit das Ziel dieser neuartigen Spannungsversorgung von Detektorelektronik, die Strüme in den Detektorzuleitungen zu reduzieren, realisiert werden kann. Die Effizienz der Konverter wird in Kapitel 7 analysiert.

- Die Konverter mussen in einem starken Magnetfeld (B « 4T) funktionieren, was bei der Verwendung von Spulen als Energiespeicher gewisse Einschraünkungen an die Bauform darstellt. Hierzu wird in Kapitel 8 die Messung der Konvertereffizienzen im Magnetfeld beschrieben.

- Des Weiteren handelt es sich bei den meisten Konvertern um Schaltelektronik, sodass eine Stüorquel-le in ein empfindliches Detektorsystem integriert wird. Zur Untersuchung des Rauschverhaltens der Konverter wird die Messung der Stürspektren in Kapitel 9 vorgestellt.

Neben diesen Aspekten, die in den nachfolgenden Kapiteln untersucht werden, muüssen bei der Entwicklung von DC-DC-Konvertern zwei weitere Anforderungen erfuüllt werden:

- Die Schaltkonverter muüssen strahlenhart sein, da sie im Spurdetektor hohen Strahlendosen ausgesetzt sind (vergleiche hierzu Tab. 4.1).

- Die Konverter erhüohen das Materialbudget der Detektoren. Deshalb ist auf eine kompakte Bauweise, duünne Trüagerplatinen und eine müoglichst kleine Dimensionierung der externen Komponenten wie Kondensatoren und Spulen zu achten.

[...]

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¹ ALICE = A Large Ion Collider Experiment.

² ATLAS = A Toroidal LHC ApparatuS.

³ CMS = Compact Muon Solenoid.

⁴ LHC-b = Large Hadron Collider beauty.

⁵ LHCf = Large Hadron Collider forward experiment.

⁶ TOTEM = TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement.

⁷ Die Betafunktion ß* ist ein Maß für die Strahlfokussierung am Wechselwirkungspunkt.