Fraunhofer liefert Know-how für das Schwarze Loch

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Seit einigen Tagen laufen im Genfer Teilchenbeschleuniger, dem Large Hadron Collider, die ersten Versuche, Protonen in einem 27 Kilometer langen Ringtunnel ineinander krachen zu lassen. Ziel ist bekanntlich ein Mini-Urknall. Nun hat sich das Berliner Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM zu Wort gemeldet.

Der Arbeit der Berliner habe man nämlich ein wesentliches Element der Anlage zu verdanken. In dem unterirdischen Ring von 8,6 km Durchmesser sind an mehreren Kollisionspunkten Detektoren installiert worden, die die Entstehung unbekannter, instabiler Teilchen registrieren sollen. Diese kleiden mit insgesamt 80 Millionen Pixel nahezu 2 m² der Innenwand am Kollisionsort aus – gewissermaßen als größte Digitalkamera der Welt. Diese Sensormodule detektieren zweifelsfrei sowohl Aufschlagort als auch Energiemenge der winzigen Teilchen. Dabei befinden sich auf einem visitenkartenkleinen Silizium-Plättchen über 46.000 Pixel.

Weil alle 25 Nanosekunden erneut Teilchenpakete im Detektor aufeinanderstoßen, müssen alle Pixel mit rasanten 40 MHz einzeln abgefragt werden, was eine riesige Anzahl an Ausleseleitungen notwendig macht. Um dieses Volumen entsprechend zu reduzieren, bedienen sich die Forscher für die Auswerteelektronik der so genannten Flip-Chip-Technik, einer Spezialität des Fraunhofer IZM. Und dieses Wissen wurde hier besonders gefordert, denn die Dicke des strahlenharten Chips übersteigt die eines Blatt Papiers nur geringfügig (150 µm). Der vom Fraunhofer IZM realisierte Aufbau reduziere die geometrischen Abmessungen und Signalwege und ermögliche zugleich einen verbesserten elektrischen, mechanischen und thermischen Kontakt.

Bis die enorm effizienten Sensor-Einheiten jedoch zur Auslieferung kommen, durchlaufen sie eine Vielzahl an Zuverlässigkeitstests. Beispielsweise werden sie ein Viertel Jahr lang Temperaturen zwischen 80 und 150 ° C und über 1000-fachem extremem Klimawechsel (von -55 bis 125 ° C) ausgesetzt – ohne Beeinträchtigung der einzelnen Kontakte. Diese enorme Zuverlässigkeit mit einer Bauteilausbeute von über 98 Prozent wurde bisher von keinem anderen Forschungslabor erreicht.

Und damit nicht genug haben die Experten am Fraunhofer IZM die Pixel-Detektoren nicht nur entwickelt, sondern auch gefertigt und zugeliefert: Über 19.000 einzelne Chips und damit mehr als 1000 Pixel-Module sind es bislang, wofür die Forscher auch den ATLAS-Supplier-Award gewonnen haben.