Detektortechnologien für Experimente von morgen gestalten
Das EU-finanzierte Projekt AIDAinnova(öffnet in neuem Fenster) ist eine gemeinschaftliche Anstrengung, an der Europas führende Forschungsanlagen und akademische Institutionen beteiligt sind, die zusammen daran arbeiten, die Grenzen der Teilchendetektortechnologie zu erweitern. Die Projektarbeit, an der sich fünfzehn Länder und die Europäische Organisation für Kernforschung (CERN) beteiligten, baute auf den Erkenntnissen der früheren Initiative AIDA-2020 auf. Neben der Weiterentwicklung der Detektoren für den Großen Hadronen-Speicherring und weitere Beschleuniger befasste sich das Team von AIDAinnova mit zukünftigen Herausforderungen wie der Entwicklung fortgeschrittener Instrumente für eine potenzielle Higgs-Fabrik(öffnet in neuem Fenster) wie dem kürzlich empfohlenen FCC-ee-Collider sowie mit Beiträgen zur Neutrinoforschung und einer verstärkten Zusammenarbeit mit der Industrie. „Wir haben innovative Detektortechnologien einschließlich monolithischer und hybrider Pixel, kalorimetrischer, gasförmiger und kryogener Detektoren sowie der Elektronik, Mechanik und Software entwickelt, die für Teilchenphysikexperimente der nächsten Generation benötigt werden“, erklärt Projektkoordinator Paolo Giacomelli.
Mit fortgeschrittenen Sensoren Strahlungstoleranzgrenzen überschreiten
Im Rahmen einer Forschungsarbeit wurde untersucht, ob ein neuer Sensortyp in Form verarmter monolithischer aktiver Pixelsensoren (Depleted Monolithic Active-pixel Sensor; DMAPS), der die bei Hochenergiekollisionen entstehenden Teilchenbahnen nachverfolgt, die für zukünftige Beschleuniger-Spurdetektoren geltenden strengen Leistungsanforderungen erfüllen kann. Im Mittelpunkt stand die Fähigkeit, intensive Strahlung zu verarbeiten und hohe räumliche Auflösung zu liefern. Mithilfe fortschrittlicher CMOS-Technologie baute und verbesserte das Team DMAPS-Prototypen mit kleinem Pitch. Tests ergaben eine hervorragende Detektionseffizienz, eine präzise räumliche Auflösung und stabile Leistungen bei extremen Strahlungswerten (über 10^15 neq/cm2). Mit diesem Durchbruch werden die bisherigen Grenzen der Strahlungstoleranz überwunden, wobei verarmte monolithische aktive Pixelsensoren als gute Kandidaten für zukünftige Spurverfolgungssysteme erscheinen. Die Arbeiten zur Maßstabserweiterung, Optimierung und Integration dieser Sensoren in größere Systeme werden fortgesetzt.
In Raum und Zeit hochpräzise Spursensoren
Eine weitere Projektaktivität war die Entwicklung von aktiven Pixelsensoren, die eine extrem präzise räumliche Auflösung (wenige Mikrometer) mit einer ultraschnellen zeitlichen Auflösung (einige zehn Pikosekunden) kombinieren, denn diese Präzisionsniveaus sind für die genaue Rekonstruktion von Teilchenbahnen unerlässlich. Diese Sensoren werden mit der Ausleseelektronik in Hybriddetektoren kombiniert, die die Signale des hochresistiven Sensors verarbeiten, der die Teilchen erkennt. Die Forschenden arbeiteten an Hybriddetektoren, da diese Detektoren gegenwärtig die einzige Technologie sind, die diese Präzisionsanforderungen erfüllen liefern kann. Das Team entwickelte Low-Gain-Avalanchedioden (LGAD) (die in hochresistiven Sensoren zu finden sind) zur Verstärkung von Teilchensignalen und verbesserte 3D-Pixelstrukturen, um die Zeitgenauigkeit zu erhöhen. Zudem wurden neue Verbindungsmethoden zwischen LGAD und aktiven Pixelsensoren wie zum Beispiel anisotrope leitfähige Schichten, Pasten und Wafer-zu-Wafer-Bonden realisiert.
Nachhaltige Gasdetektortechnologie
Einen weiteren Schwerpunkt bildete die Entwicklung umweltfreundlicher Gasgemische für zukünftige Gasdetektoren, um die derzeit gebräuchlichen zu ersetzen, die aufgrund ihres hohen Erwärmungspotenzials oder ihrer fluorierten Bestandteile die Umwelt belasten. Das Team arbeitete außerdem mit der Industrie zusammen, um einen neuen Typ von Mikromuster-Gasdetektor zu entwickeln. „Dabei handelt es sich um einen bedeutenden Meilenstein für den Technologietransfer von der Wissenschaft zur Industrie, der weitreichende Auswirkungen hat: Zukünftige großmaßstäbliche Gasdetektoren, die aus Mosaiken ähnlicher Mikromuster-Gasdetektoren bestehen, könnten direkt industriell hergestellt werden. Die Technologie könnte auch an den Einsatz in anderen Bereichen, etwa der inneren Sicherheit und Gesundheitsversorgung, angepasst werden“, berichtet Giacomelli.
Grenzen der Detektorleistung sprengen
Das Team von AIDAInnova hatte auch risikoreiche Ideen im Fokus, um die Detektortechnologie neu zu gestalten, wobei die frühe experimentelle Validierung anstelle schrittweiser Verbesserungen im Vordergrund stand. Als Erfolg war die Entwicklung fortgeschrittener LGAD-Sensoren zu verzeichnen, die auch bei extremen Strahlungswerten (bis zu 5×10^15 neq/cm2) stabile Leistungen erbringen, womit die Möglichkeiten der Präzisionszeitmessung auf Strahlungswerte ausgedehnt werden, die zuvor mit Gain-basierten Siliziumsensoren als unerreichbar galten. „Eine weitere Errungenschaft war der Bau eines drahtlosen Hochgeschwindigkeits-Auslesesystems unter Nutzung von 60-GHz-Verbindungen, das eine Multi-Gigabit-Datenübertragung mit geringer Latenz und stabiler Leistung ermöglicht. Diese Fortschritte übertreffen die gegenwärtig verfügbare Technologie und werden nun für zukünftige Detektorsysteme weiterentwickelt“, erläutert Giacomelli abschließend.
