Universität Tübingen
Thermal Management of the Silicon Tracking System of the CBM Experiment at FAIR
Abstract
Die zunehmende Miniaturisierung von Siliziumbasierter Mikroelektronik in Verbindung mit gestiegenen Anforderungen an die Signalverarbeitung der Detektoren hat dazu geführt, dass Siliziumdetektoren zu einem Eckpfeiler moderner Hochenergiephysikexperimente geworden sind. Solche Detektoren sind von zentraler Bedeutung für Experimente, die sich auf ein tieferes Verständnis des Standardmodells bei Hadronenkollisionen und die Untersuchung der Quantenchromodynamik (QCD) unter extremen Bedingungen bei Schwerionenkollisionen konzentrieren. Die vorliegende Forschungsarbeit bezieht sich auf das Silicon Tracking System (STS) des Compressed Baryonic Matter (CBM) Experiments an der Beschleunigeranlage Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR), mit dem der Bereich hoher Dichte des QCD-Phasendiagramms und ein möglicher Phasenübergang zum Quark-Gluon Plasma (QGP) erforscht werden soll. Das Projekt untersucht einen kritischen Aspekt, der in letzter Zeit für die Entwicklung und den dauerhaften Betrieb moderner Silizium-Tracker in Experimenten der Hochenergiephysik von zentraler Bedeutung geworden ist: das Wärmemanagement. Das CBM-STS ist ein Vorwärtsspektrometer, welches Silizium-Mikrostreifensensoren verwendet, die auf die besonders herausfordernde Vermessung von Zerfallsteilchen mit geringem Impuls in Schwerionenkollisionen spezialisiert sind. Die stark bestrahlten STS-Siliziumsensoren müssen mit minimalem Materialeinsatz gekühlt werden, während die Front-End-Elektronik bis zu 40 kW Leistung in dem 3.5 m³ großen Detektorvolumen verbraucht. Durch theoretische Berechnungen und Simulationen wurde ein neuartiges Kühlungskonzept - die flüssigkeitsunterstützte Luftkühlung - entwickelt. Dieses Konzept integriert die Luftkühlung für die Siliziumsensoren und die Flüssigkeitskühlung für die Front-End-Elektronik, um die Anforderungen an das Wärmemanagement auszugleichen und gleichzeitig das Materialbudget zu minimieren. Das Kühlkonzept wurde experimentell unter realistischen Betriebsbedingungen mit dem CBM-STS Thermal Demonstrator verifiziert, der gemeinsam an der Universität Tübingen und dem GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt entwickelt und gebaut wurde. Dies hat entscheidende Erkenntnisse über die Betriebsparameter für die STS-Kühlung geliefert und die Eignung von Prototyp- und Vorserien-Detektorkomponenten sowie deren Integrationsmethoden unter STS-ähnlichen Randbedingungen bewertet. Die Ergebnisse sind von entscheidender Bedeutung zur Ermöglichung der Serienproduktion der Detektorkomponenten, um die langfristige Zuverlässigkeit des CBM-STS zu gewährleisten. Die Systemintegration ist für 2024-25 geplant und die Datennahme mit hochintensiven Schwerionenstrahlen bei FAIR wird für 2028-29 erwartet.
Author and committee
dc:creator, dc:contributor.*- Author
-
- Agarwal, Kshitij
Identifiers
dc:identifier.*- Identifier
- hdl:10900/161162