Elektronik für das KATRIN-Experiment

Ansprechpartner: Dr.-Ing. S. Wüstling, IPE (http://www.ipe.fzk.de/~wuestl/)

Stand 2010-07-05

Das KATRIN-Experiment

Beim KATRIN-Experiment (http://www-ik.fzk.de/~katrin/) soll die Masse des Elektron-Antineutrinos durch hochgenaue Energiebestimmung von Tritium-Zerfallselektronen (b-Strahlung) eingegrenzt werden. Die auffälligste Komponente des Experimentes ist ein sehr großes Retardierungsspektrometer, das durch einen Edelstahlgefäß von 10 m Durchmesser gebildet wird. Mittels einer Hochspannungsquelle (ca. 18,6 kV) wird darin ein elektrisches Gegenfeld gebildet, das einen Großteil der Elektronen zurückprallen lässt. Die wenigen das Spektrometer durchsetzenden b-Elektronen werden mit einem Siliziumdetektor registriert.

Ein solches Großexperiment erfordert auch im Bereich der Elektronik sehr hoch spezialisierte Komponenten, die die nur in enger interdisziplinärer Zusammenarbeit in der Experiment-Kollaboration entwickelt werden können.

Das IPE arbeitet zurzeit mit folgenden Beiträgen am KATRIN-Experiment mit:

 

KATRIN Task-Leiter am IPE

Der KATRIN-Taskleiter “Electronics and Signal Processing”, der stellvertretende Task-Leiter  “Data Acquisition” und der Co-Taskleiter “Slow Control” werden gegenwärtig vom IPE gestellt.

Slow Control und Daten-Management

Die Hauptkomponenten wie die Spektrometer und die Tritiumquelle sind hochkomplexe Anlagen. Eine Vielzahl von technischen Herausforderungen wie Ultrahochvakuum, hohe Magnetfelder, hohe Spannung im Bereich von einigen Kilovolt, kryogene Temperaturen in den supraleitenden Magneten oder Ausheiztemperaturen von 300Grad müssen teilweise gleichzeitig berücksichtigt werden. Neben rauscharmen Detektoren zum Nachweis geladener Elementarteilchen stellt das KATRIN Experiment auch an die Automatisierungstechnik, die sogenannte „Slow Control“, hohe Anforderungen. Um auf der einen Seite einen sicheren Betrieb zu gewährleisten und auf der anderen die notwendige Flexibilität eines physikalischen Experimentes zu gewährleisten, teilt sich die Slow Control in die Steuerung der Basis-Maschine und ein physikalisches Monitoring- und Control-System. Erstere wird durch robuste Prozessleittechnik realisiert. Die Steuerung der besonders sicherheitskritischen Tritiumquelle im Strahlenschutz-Überwachungsbereich wurde an den Instituten ITEP und IK entwickelt, wo bereits entsprechende Erfahrungen vorlagen. Das Monitoringsystem wird unter Federführung des IPE aufgebaut. Um eine flexible Integration verschiedenster Systeme zu erlauben, ist ein System entstanden, das die zentrale Erfassung und Steuerung der Subsysteme erlaubt. Zu den Aufgaben des physikalischen Monitoring- und Control-Systems gehören z.B. die 3D-Temperaturüberwachung, das verteilte Hochspannungssystem, Magnetfeldmonitoring und -korrektur sowie der gesamte Detektorbereich.

 

Als Kern des Monitoringsystems wird das am Forschungszentrum Karlsruhe entwickelte Kon­trollsystem ZEUS (Zentrale Erfassung und Steuerung) eingesetzt. Es bietet Module zur Datenerfassung, zur Verarbeitung und Verteilung von Prozessabbildern, einen Datenlogger, ein Meldesystem und Funktionen zur Erstellung von Bedienbildern, die unter LabVIEW® implementiert sind.

Das gesamte System ist konfigurierbar angelegt, wobei Informationen über die zu erfassende Datenquellen und deren Verarbeitung ebenso wie die abzulegenden Daten in einer MySQL-Datenbank gespeichert werden. Die Tools zur Konfiguration und den Datenzugriff sind in LabVIEW erstellt. Wegen der Unterstützung des OPC-Protokolls und der Möglichkeit der frei program­mierbarer TCP/IP Kommunikation lassen sich SPS Systeme ebenso ansprechen wie selbst entwickelte Messinstrumente. Aufgrund des modularen Designs können die einzelnen Systemfunktionen auf mehrere Rechner in einem Netzwerk verteilt werden, so dass eine Skalierbarkeit des Systems gewährleistet ist.

 

Um die relevanten Daten aus allen Systemteilen zentral zur Verfügung zu stellen, ist das ADEI Datenmanagement-System entstanden. Dieses System greift auf die Originaldaten der einzelnen Systeme zu und prüft Konsistenz und Datenqualität und führt anschließend Standard-Analysen durch. Der gesamte Datenbestand wird über das KATRIN Experiment-Portal der gesamten Experiment-Kollaboration im Internet zur Verfügung gestellt. Eine schnelle interaktive Navigation wird über eine intelligente Caching-Strategie ermöglicht.

 

Dieselben Systeme sind auch schon in Vorexperimenten mit dem sog. Vorspektrometer und mit dem Detektor erfolgreich eingesetzt und weiterentwickelt worden.

 

Weitere Information:

 

Flexible Slow-Control-Systeme mit ZEUS

 

Daten-Management mit ADEI – Advanced Data Extraction Infrastructure

 

Visualisierung der Temperaturverteilung des Hauptspektrometer-Tanks

 

Zentraler Steuerungs- und Monitoring-Bildschirm des Vorspektrometer-Experimentes

Beispiel für die Webbrowser-basierte Datenvisualisierung über das IPE-ADEI-System

Detektorelektronik

Das IPE hat die Elektronik für den Vorspektrometer-Detektor (64 Pixel bzw. Kanäle) und die Elektronik für den Hauptspektrometer-Detektor (148 Pixel bzw. Kanäle) entwickelt. In beiden Fällen handelt es sich um Multipixel-Silizium-PIN-Detektoren für niederenergetische b-Elektronen, die beim radioaktiven Zerfall von Tritium entstehen. Die besonderen Anforderungen sind dabei die hohe Integrationsdichte, das geringe Rauschen, der Betrieb im hohen Magnetfeld, der Betrieb im Vakuum und die galvanische Trennung, die durch eine Nachbeschleunigungseinrichtung nötig wird. Hinzu kommen Sicherheits- und Überwachungskomponenten für den Betrieb.
Auch für zahlreiche Hilfsexperimente wurde jeweils die Detektorelektronik entwickelt:

Um den Erfordernissen der Vakuumtechnik zu entsprechen und auch um ausreichend kleine Baugruppen zu erzielen, wird vielfach auf die Hybrid-Aufbautechnik zurückgegriffen.

 

Schnittzeichnung des KATRIN-148-Pixel-Hauptdetektors

Keramik-Baugruppe mit Hauptdetektor-Vorverstärkern

Der 64-pixel-Vorspektrometer-Detektor

Vorverstärkerstufe für den TRAP-Detektor, aufgebaut in Hybrid-Technik

Vorverstärkerstufe für den „Forward Beam Monitor“ (in Zusammenarbeit mit dem Institut für Kernphysik).

Elektronik-Boxen für den KATRIN-Veto-Detektor. In den Boxen werden schwache Lichtimpulse, die nur aus wenigen Photonen bestehen, in elektrische Impulse umgewandelt.

Detektor-Datenaufnahmesystem (Datenakquisition, DAQ)

Die KATRIN-Detektoren (incl. Veto-System) liefern auf mehr als 148 Kanälen Messsignale mit jeweils mehreren MHz Bandbreite. Um diese Daten ohne Informationsverlust weiter verarbeiten zu können, ist eine leistungsfähige Datenaufnahme-Elektronik erforderlich.

Das IPE entwickelte für das Pierre-Auger-Observatorium (http://www.auger.de/) ein flexibles digitales Datenaufnahmesystem, das sich durch hohe Abtastraten (10 MHz), eine große Kanalanzahl (über 400 pro Rack) sowie die freie Programmierbarkeit der digitalen Datenvorverarbeitung auszeichnet. Das System wird inzwischen bei einer ganzen Reihe von Experimen­ten eingesetzt und eignet sich auch für KATRIN.

Es ist in der Lage, der hohen Dynamik der Ereignisraten (mHz bis MHz) in den verschiedenen Mess­modi bei KATRIN Rechnung zu tragen und ist für Kalibrationsmessungen mit hohen Zähl­raten innerhalb einiger 10 ms vollständig rekonfigurier­bar.

Das DAQ-Software ORCA wurde an den Universitäten in Washington und North Carolina für die Messung mit Detektoren in der Teilchenphysik entwickelt. Der Katalog der unterstützen Messgeräte wurde um die universelle DAQ-Elektronik des IPE erweitert. Auch die durch Umprogrammierung der Elektronik erreichten verschiedenen Funktionalitäten werden unterstützt. ORCA koordiniert den Datenstrom und bietet Monitoring-Funktionen an. Inzwischen besteht auch eine Schnittstelle zur sogenannten Slow Control (s.o.). Durch das integrierte Skripting lassen sich komplexe Abläufe hervorragend automatisieren. ORCA ist damit ein ideales Werkzeug für die Entwicklung von Messsystemen in der Physik.

 

Weitere Information:

 

Schnelle Datenerfassung für Detektoren in der Physik.

 

IPE-DAQ-Rack der Version 4. Auf der Rückseite können bis zu 440 Detektorsignale eingespeist werden. Der DAQ-Rechner ist integriert und befindet sich auf der Einsteck-Baugruppe in der Mitte.

Textfeld:

Bedienfenster des Softwarepaketes ORCA für die KATRIN-Hauptdetektor-Auswertung

Dynamische Hochspannungsstabilisierung

Die Retardierungsspannung des Hauptspektrometers, die für Kalibriermessungen bis zu 35 kV betragen kann, ist eine der wichtigsten genauigkeitsrelevanten Schlüsselgrößen des KATRIN-Experimentes: Es wird eine Genauigkeit im ppm-Bereich bis in den Hochfrequenzbereich hinein verlangt, zudem liegen komplexe EMV-Anforderungen durch die unabgeschirmte, räumlich weit ausgedehnte Anordnung (Hauptspektrometer-Tank) vor. Die von der Universität Münster (http://www.uni-muenster.de/Physik.KP/AGWeinheimer/Forschen-de.html) entwickelte Ultrapräzisionsmessung der Hochspannung wird durch eine speziell entwickelte Regelungstechnik ergänzt, die die genaueste Einhaltung der Hochspannung auch bis in den MHz-Bereich sicherstellt.

Ferner muss aufgrund der großen Ausdehnung des Experimentes dem von verschiedenen Anlagenteilen genutzten elektrischen Referenzpotential besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden. Trotz der Gefahr der Störeinkopplung muss hier sichergestellt sein, dass das Referenzpotential an allen Stellen im mV-Bereich akkurat ist.

Blockschaltbild der Hochspannungserzeugung

Schema der hochpräzisen Retardierungsspannungs-Nachregelung

Referenzpotential-Konzept für das KATRIN-Experiment

Magnetometer

Für das Monitoring des Magnetfeldes am Hauptspektrometer, das durch das Low Field Coil System (LFCS, Luftspulen mit 12 m Durchmesser!) erzeugt wird, entwickelt das IPE ein preiswertes Multi-Point-3D-Magnetometer. Eine erhebliche Kostenersparnis gegenüber kommerziellen Magnetometern konnte durch optimale Anpassung an die KATRIN-Anforderungen erreicht werden.

 

Querschnittsaufgaben