Wolfgang Treberspurg über Teilchendetektoren und das Problem des Alterns


Um elementare Teilchen, wie z.B das lang gesuchte Higgs-Boson nachweisen zu können werden im Teilchenbeschleuniger LHC am CERN Protonen kontrolliert zur Kollision gebracht. Die dabei entstehenden Teilchen können nur mit großen Experimenten, bestehend aus verschiedenen Detektorelementen, nachgewiesen werden. Sobald allerdings Teilchen den Detektor durchqueren erzeugen sie nicht nur ein Signal sondern tragen auch zu seiner Alterung bei. Im Zuge meiner Dissertation am Institut für Hochenergiephysik (HEPHY) untersuche ich diesen natürlichen Alterungsprozess mittels vorhandener Modelle um ihm entgegenzuwirken, die Modelle zu verbessern und robustere Detektoren zu entwickeln.

Der „Large Hadron Collider“ (LHC) am europäischen Kernforschungszentrum CERN bei Genf beschleunigt Protonen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit. Die Protonen befinden sich in einzelnen Paketen, welche an vier Punkten innerhalb des 27 km langen Ringbeschleunigers fokussiert und zur Kollision gebracht werden. Aufgrund der hohen Energien (E=mc2), wird im Kollisionspunkt eine Vielfalt von Teilchen erzeugt und in alle Richtungen gestreut.

Schematische Darstellung des CMS Experiments Aufnahme der 
schalenartig angeordneten Sensoren innerhalb des Tracker

Bild 1: Schematische Darstellung des CMS Experiments (links), Aufnahme der schalenartig angeordneten Sensoren innerhalb des Tracker (rechts).

Es ist eine große Herausforderung die Bahnen und Parameter der entstehenden Teilchen aufzuzeichnen. Dazu ist an einer Stelle des Beschleunigers das CMS Experiment („Compact Muon Solenoid“) mit den imposanten Ausmaßen von 21 m Länge, 15 m Höhe und einem Gewicht von rund 12500 kg, also schwerer als der Eifelturm, angebracht. Sein innerster Teil, sozusagen das Herzstück des Experiments, ist der Spurdetektor oder „Tracker“.

Die Aufgabe des Tracker ist es, die Spuren der produzierten und teils sehr kurzlebigen Teilchen zu rekonstruieren. Da diese in nächster Nähe zum Kollisionspunkt sehr eng beisammen liegen und sich pro Sekunde etwa 800 Millionen Kollisionen ereignen, müssen hier ausgesprochen schnelle Sensoren mit einer guten Auflösung eingesetzt werden. Nur Silizium-Halbleiterdetektoren kommen dafür in Frage. Ähnlich einer Digitalkamera, die mit fingernagelgroßen Sensoren ausgestattet ist und ein zweidimensionales Bild erzeugt, werden hier rund 25000 Sensoren schalenartig angeordnet (siehe Bild 1) um ein Bild in drei Dimensionen aufzunehmen. Diese Sensoren decken eine Fläche von 200 m2 ab, womit der CMS Tracker das bisher größte wissenschaftliche Gerät ist, das mit Halbleitertechnologie arbeitet.

Rekonstruktion der Teilchenbahnen (gelb) eines Higgs-Events, aufgenommen mit 
dem CMS-Tracker.

Rekonstruktion der Teilchenbahnen (gelb) eines Higgs-Events, aufgenommen mit dem CMS-Tracker.

Silizium-Halbleiterdetektoren

Silizium-Halbleiterdetektoren werden allerdings nicht nur in der Teilchenphysik verwendet. Auch wenn ihre Entwicklung durch diese voran getrieben wurde, kommen sie in ähnlicher Form z.B. im medizinischen Bereich zum Einsatz. Ihre Funktionsweise ist schnell erklärt: An der Vorder- und Rückseite des mehrere Quadratzentimeter großen Sensors wird eine elektrische Spannung von einigen hundert Volt angelegt, wodurch Elektronen, die sich frei im Silizium bewegen, zur Anode driften. Durchquert nun ein geladenes Teilchen den Sensor, so verursacht es wiederum freie Elektronen und Löcher, die dann zu der jeweiligen Seite driften und an einer bestimmten Position ein Signal erzeugen, das dann von einem elektronischen Chip verstärkt und weitergeleitet wird.

Veranschaulichung des Funktionsprinzips eines Siliziumdetektors

Veranschaulichung des Funktionsprinzips eines Siliziumdetektors

Da die detektierten Teilchen aber nicht nur mit den Elektronen der Schale wechselwirken, sondern auch mit den Kernen der Siliziumatome, beginnen die Sensoren nach einiger Zeit zu altern. Wie in jedem kristallinen Festkörper sind auch im Silizium Atome in einer gitterartigen Struktur angeordnet. Werden nun einzelne Atome aus dieser Struktur heraus geschlagen kommt es zu Fehlstellen im Kristall. Diese agieren als zusätzliche Energieniveaus innerhalb der Bandlücke und sind in weiterer Folge für ein erhöhtes Rauschen und ein geringeres Signal des Sensors verantwortlich. Ein wichtiger Faktor des Rauschens ist dabei jener geringe Strom, der durch den Sensor oder das empfindliche Material fließt. Dieser Dunkelstrom macht den größten Teil des Detektorrauschens aus und steigt linear mit der Anzahl der den Sensor durchquerenden Teilchen an. Ein höherer Dunkelstrom im Sensor macht eine höhere Leistung notwendig, um die angelegte Spannung konstant zu halten. Diese wiederum erhitzt den Sensor, wodurch das Kristallgitter in Schwingungen versetzt wird, welche direkt auf die vorhandenen Fehlstellen einwirken. Dementsprechend muss die Kühlung des Systems angepasst werden um den Schaden möglichst gering zu halten.

Diese Alterserscheinungen haben zur Folge, dass der aktuelle Tracker nach vielen Jahren im Betrieb ausgetauscht werden muss. Bis dahin gilt es die aufgetretenen Schäden zu analysieren und zu simulieren, um einerseits die angelegte Spannung und die Kühlung der Module optimal zu wählen und andererseits die Möglichkeiten eines robusteren Nachfolgemodells zu erforschen.

Eines der 15 148 Silizium-Sensor-Module des CMS Tracker

Eines der 15 148 Silizium-Sensor-Module des CMS Tracker

Strahlenschäden im CMS Tracker

Leider findet diese Alterung auch im aktuellen CMS Tracker statt. Je mehr Teilchen ihn durchdringen, desto schwächer wird das aufgenommene Signal. Nach vielen Einsatzjahren muss er erneuert werden. Bis dahin ist es wichtig, die Betriebsparameter entsprechend anzupassen. Gemeinsam mit internationalen Kollegen arbeiten wir deswegen daran, den Dunkelstrom der Detektoren, der den größten Anteil des Rauschens ausmacht, für jedes der mehr als 15.000 Module einzeln zu ermitteln. Nimmt man einen möglichen Temperaturverlauf und eine Anzahl von Teilchen, die den Sensor durchqueren werden an, so können Vorhersagen über die Lebensdauer des Tracker gemacht werden. Die Gültigkeit der Vorhersage lässt sich im Nachhinein leicht ermitteln. Hier wird das erste Mal das theoretische Modell zur Berechnung dieser Schäden in so großem Umfang detailliert angewendet. Es ist zu erwarten, dass aufgrund der Komplexität des Modells und der großen Anzahl an freien Parametern auch das Modell verbessert werden muss.

Zeitliche Verlauf ...

Zeitliche Verlauf des Dunkelstroms einzelner Module aus den vier Tracker-Sektionen. Die durchgezogene Linie stellt die Simulation dar, die einzelnen Punkte die Messung.

Anhand des Verlaufs des Dunkelstroms in den vier oben gezeigten Diagrammen kann man leicht sehen, dass die inneren Module (TIB) einen höheren Dunkelstrom aufweisen und die Vorhersagen für die verschiedenen Teile unterschiedlich gut zutreffen. Das Modell muss verbessert werden. Außerdem sind die verschiedenen Perioden des LHC Betriebs zu unterscheiden. In den Wintermonaten wird das Experiment wegen des hohen Strompreises und aufgrund von Wartungsarbeiten abgeschaltet. Der Dunkelstrom bleibt währenddessen konstant oder sinkt. Nach dem Einschalten im Frühjahr folgen Phasen mit vielen Kollisionen in denen der Strom ansteigt.

Entwicklung von Sensoren

Wenn nach zehn Betriebsjahren die Detektoren des CMS Tracker aufgrund von Alterungseffekten getauscht werden müssen, ersetzt man sie nicht durch Sensoren derselben Bauart. Die Randbedingungen der Experimente ändern sich derart, dass ein höherer Teilchenfluss erwartet wird und Nachfolgemodelle wesentlich robuster sein müssen. Um diese Herausforderung zu bewältigen, entwickelt eine Arbeitsgruppe am HEPHY gemeinsam mit der Firma Infineon Technologies AG eine neue Generation von Sensoren. Erst kürzlich wurde die erste Produktionsreihe im Villacher Werk von Infineon abgeschlossen. Diese Sensoren konnten bereits elektrisch vermessen und mit einem Teilchenstrahl am CERN auf ihre Eigenschaften im Betrieb getestet werden.

Das am HEPHY erstellte Design der einer der produzierten Wafer

Das am HEPHY erstellte Design (links) und einer der produzierten Wafer (rechts).

CV Wolfgang Treberspurg (geb. 1985)

Ausbildung: Abschluss in technische Physik an der TU Wien und Philosophie an der Uni Wien. Arbeitet für sein Doktorat an der Entwicklung strahlenharter Detektoren für zukünftige Experimente an Teilchenbeschleunigern am Institut für Hochenergiephysik (HEPHY) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften.


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