Untersuchungen zu Materialien und Haltestrukturen für den CBM MVD Demonstrator

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1 Untersuchungen zu Materialien und Haltestrukturen für den CBM MVD Demonstrator Diplomarbeit vorgelegt am Fachbereich Physik im Institut für Kernphysik der Goethe Universität in Frankfurt am Main von Tobias Tischler Langenselbold, den 19. April 2010

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3 Zusammenfassung Im Rahmen dieser Arbeit wurden Materialien und Haltestrukturen für den CBM MVD Demonstrator untersucht. Das Konzept des Demonstrators wurde im Labor und in einer Teststrahlzeit am CERN getestet. Die im Labor und im Teilchenstrahl am CERN gewonnenen Ergebnisse zeigen, dass sich das Konzept des MVD Demonstrators bewährt hat. Eine Halterungsstruktur für die Positionierung und Kühlung der MIMOSA-20 Sensoren im aktiven Volumen des Micro Vertex Detectors wurde auf der Grundlage des Konzeptes des Demonstrators entwickelt und hergestellt. Die für diese Halterungsstruktur benötigten Materialien wurden nach den Eigenschaften einer großen Strahlungslänge, einer hohen Wärmeleitfähigkeit und nach einer möglichen Verwendung im Vakuum ausgewählt. Mit den Materialien Thermal Pyrolytic Graphite und Reticulated Vitreous Carbon konnte die Halterungsstruktur der MIMOSA-20 Sensoren im aktiven Volumen des MVDs hergestellt werden. Im Rahmen des Herstellungsprozesses wurden die Halterungsstrukturen ausgewählt, die ein optimales, homogenes Dickenprofil sowie eine möglichst geringe Variation der Oberfläche aufwiesen. Das Elastizitätsmodul und die Schwingungsmoden dieser Halterungsstrukturen wurde bestimmt. Mit dem Aufbau des Demonstrators im Labor konnten wichtige Erkenntnisse über das Zusammenspiel der einzelnen Demonstratormodule unter ersten realen Bedingungen gewonnen werden. Die mechanischen und thermischen Eigenschaften des Demonstrators konnten mit diesem Aufbau zum ersten Mal charakterisiert werden. Der Test der MIMOSA-20 Sensoren und der an diese angeschlossene Auslesekette in einem lichtdichten, gekühlten, in sich geschlossenen System trug zu einem besseren Verständnis dieser Sensoren bei. Aufbauend auf den in dem Aufbau des Demonstrators im Labor gewonnenen Erkenntnissen wurden zwei mechanische Halterungen für einen Test des Demonstrators in einem Teilchenstrahl am CERN entwickelt. Der Test der mechanischen und thermischen Eigenschaften dieser Halterungen konnte die im Labor erhaltenen Werte reproduzieren. Die Teststrahlzeit am CERN zum Test des gesamten Konzeptes des CBM MVD Demonstrators konnte mit diesen mechanischen Halterungen erfolgreich durchgeführt werden.

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5 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis i v ix 1 Einleitung Physikalische Motivation Compressed Baryonic Matter Experiment Micro Vertex Detector MVD Demonstrator Monolithic Active Pixel Sensors (MAPS) Signalführung Ausleseboard Halterung Materialien der Sensorenträger Thermal Pyrolytic Graphite (TPG) Reticulated Vitreous Carbon (RVC) Kleber Kupferfinger Kühlsenke Integration der Sensorenträger Sensorenträger der MIMOSA-20 Sensoren Vorbereitung der Materialien TPG RVC Verkleben der TPG- und RVC-Platten Messung des Dickenprofils Aufbau und Durchführung Auswertung Ergebnisse i

6 ii INHALTSVERZEICHNIS Schneiden der Sensorenträger Auswahl der Schnittkandidaten Dickenmessung der Sensorenträger Auswertung Ergebnisse Positionierung der Sensoren unter dem FPC Durchführung Ergebnisse Charakterisierung des Demonstrators V Bestimmung des Elastizitätsmoduls der Sensorenträger Theorie Aufbau Messvorgang Ergebnisse Beurteilung der Werte des Elastizitätsmoduls des TPG und der Sensorenträger Schwingungsmoden der Sensorenträger Aufbau Demonstrator Version Gehäuse für den Demonstrator Version Modul Kupferfinger Modul Ausleseboard-Kühlplatte Kühlungstests Demonstrator Version Ergebnisse der Kühlungstests Demonstrator V Diskussion der Temperaturübergänge Demonstrator Version Konstruktion der mechanischen Halterung Kühlungsstruktur Sensorenträger Kupferfinger Hauptkühlplatte Halterungsplatten für die Ausleseboards Gehäuse Kondensationsschutz Simulation des Zusammenbaus mit CAD Aufbau der mechanischen Halterung Fertigstellung der mechanischen Halterung Ergebnisse der Fertigstellung der mechanischen Halterung Kühlungstest Demonstrator Version Durchführung der Strahlzeit 92 Abschätzung der Vielfachstreuung

7 INHALTSVERZEICHNIS iii 7 Zusammenfassung und Ausblick 101 Ausblick A Theorie der Schwingungsmoden 105 B Beschreibung der konstruierten Bauteile 109 B.1 Bauteile des Gehäuses B.2 Gehäusebauteile für den Kondensationsschutz C Technische Zeichnungen 117 C.1 Hauptkühlplatte C.2 MIMOSA-18 Halterung des TAPI Literaturverzeichnis 119

8 iv INHALTSVERZEICHNIS

9 Abbildungsverzeichnis 1.1 Schema der Anforderungen an den MVD Darstellung des MVD Demonstrators Nicht maßstabsgetreue Darstellung eines MIMOSA-20 Sensors Darstellung des FlexPrint-Kabels Darstellung des Ausleseboards Übersicht der möglichen Materialien der Halterungsstruktur Darstellung der Anordnung von TPG und RVC Schematische Darstellung der vorhandenen Wärmeleitfähigkeiten CAD-Modell der Kühlsenke Skizze des Querschnitts der Sensorenträger Skizze zur Bestimmung der Krümmung einer TPG-Platte Dimensionsvergleich von TPG und RVC Darstellung der wirkenden Kräfte aufgrund der TPG-Platten-Krümmung Ergebnis des Verklebens von TPG und RVC Darstellung des Aufbaus zur Dickenprofilmessung Schematische Darstellung der Sensorenträger-Platte Ergebnis der ersten Messung des Dickenprofils Ergebnis der beiden Messungen des Dickenprofils Ergebnis der Herstellung des Sensorenträgers Ergebnis der Herstellung des Sensorenträgers Ergebnis der Herstellung des Sensorenträgers Ergebnis der Herstellung des Sensorenträgers Ergebnis der Betrachtung der Krümmungen der Sensorenträger Aluminiumblock zur Vorbereitung des Bondens Positionierung des FPCs über den Sensoren Resultat des Verklebens des FPCs mit den Sensoren Skizze zur Biegung eines einseitig eingespannten Balkens Koordinatensystem zur Biegung Aufbau zur Messung der Biegesteifigkeit Übersicht der Biegung des TPGs v

10 vi ABBILDUNGSVERZEICHNIS 4.5 Übersicht der Biegung des Sensorenträgers Ergebnis der Betrachtung der Nullmessungspaare Vergleich der Schwingungsmoden CAD-Modell des PVC-Gehäuses mit den platzierten Modulen CAD-Modell des Kupferfingers CAD-Modell der Halterung für das Ausleseboard Schema des Temperaturverlaufes im Demonstrator V Graphen der Kühlungsmessung des Demonstrators V Skizze der TAPI-Strahlteleskops-Anordnung Schematische Darstellung der Kühlungsstruktur CAD-Modell der Hauptkühlplatte CAD-Modell der Halterungsplatten für das Ausleseboard Schiene zum Verschieben der Kühlungsstruktur CAD-Bilder des einseitigen Aufbaus A CAD-Bilder des doppelseitigen Aufbaus B Teile der mechanischen Halterung Erster Aufbau der einseitigen mechanischen Halterung Position der MIMOSA-20 Sensoren zu dem Sensorenträger Schema des Temperaturverlaufes im Demonstrator V Graphen der Kühlungsmessung des Demonstrators V Skizze des Aufbaus am CERN Erste Teilchen im CBM MVD Demonstrator Version Position des Teilchenstrahls auf den MIMOSA-20 Sensoren Teilchenstrahl im CBM MVD Demonstrator Version Skizze des Aufbaus des MVD Demonstrator Teleskops Erste Daten des MVD Demonstrator Teleskops Korrelationen der Ortsinformationen der Sensoren 1 und A.1 Darstellung der Balkenschwingung B.1 CAD-Modell der Kopfwand für den einseitigen Aufbau B.2 CAD-Modell der Seitenwände für den einseitigen Aufbau B.3 CAD-Modell der Rückwand für den einseitigen Aufbau B.4 CAD-Modell der Deckelplatten für den einseitigen Aufbau B.5 CAD-Modell der Kopfwand für den doppelseitigen Aufbau B.6 CAD-Modell der Seitenwände für den doppelseitigen Aufbau B.7 CAD-Modell der Rückwand für den doppelseitigen Aufbau B.8 CAD-Modell des Winkels für die beiden Aufbauten B.9 CAD-Modell der Seitenwand für das einseitige Kondensationsschutzgehäuse. 113 B.10 CAD-Modell der Seitenwand mit Ausfräsung für das einseitige Kondensationsschutzgehäuse B.11 CAD-Modell der Rückwand für das einseitige Kondensationsschutzgehäuse.. 114

11 ABBILDUNGSVERZEICHNIS vii B.12 CAD-Modell der Deckel der Gehäuse für den Kondensationsschutz B.13 CAD-Modell der Seitenwand für das doppelseitige Kondensationsschutzgehäuse115 B.14 CAD-Modell der Seitenwand mit Ausfräsung für das doppelseitige Kondensationsschutzgehäuse B.15 CAD-Modell der Rückwand für das doppelseitige Kondensationsschutzgehäuse 116 C.1 Technische Zeichnung der Hauptkühlplatte C.2 Technische Zeichnung der MIMOSA-18 Halterung des TAPI

12 viii ABBILDUNGSVERZEICHNIS

13 Tabellenverzeichnis 1.1 Zerfallslängen der zu beobachtenden Teilchen Eigenschaften der MIMOSA-20 Sensoren Übersicht der möglichen Materialien der Halterungsstruktur Wärmeleitfähigkeiten im aktiven Volumen des MVD Demonstrators Krümmung der TPG-Platten Auflistung der möglichen Schnittkandidaten der Sensorenträger Übereinstimmung der Dickenprofile der Sensorenträger Auflistung der Krümmungradien der Sensorenträger Auflistung der Positionierungspunkte Übersicht der Gewichte und der Materialien für die Biegemessung Errechnete Biegungen für das TPG und den Sensorenträger Berechnete Flächenträgheitsmomente Errechnete Elastizitätsmodule für das TPG und den Sensorenträger Elastizitätsmodule von Aluminium, Kupfer und Messing mit statistischem Fehler Vergleich der über die Ausgleichsgeraden berechneten Elastizitätsmodule Vergleich der Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien Berechnete Schwingungsmoden für die Sensorenträger Temperaturverlauf im Aufbau des Demonstrators V Übersicht der konstruierten Gehäusebauteile Übersicht der konstruierten Gehäusebauteile für den Kondensationsschutz Temperaturverlauf im Aufbau des Demonstrators V Variablen zur Berechnung des Ablenkwinkels der Vielfachstreuung Berechnung der Strahlungslänge zur Bestimmung der Vielfachstreuung ix

14 x TABELLENVERZEICHNIS

15 Kapitel 1 Einleitung 1.1 Physikalische Motivation In der Schwerionenphysik ist das Studium der Eigenschaften von Kernmaterie bei hohen Temperaturen und Dichten von großem Interesse. Diese Zustände können in relativistischen Kern- Kern-Kollisionen erreicht werden. Einer dieser vorhergesagten Züstande von Kernmaterie, das Quark-Gluon-Plasma, zeichnet sich durch neue Freiheitsgrade der Wechselwirkung von Quarks und Gluonen untereinander aus. Im Gegensatz dazu steht der Grundzustand der Kernmaterie, welcher im wesentlichen durch die Wechselwirkung der Nukleonen untereinander bestimmt wird. Im Grundzustand der Kernmaterie sind die Quarks und die Gluonen aufgrund der starken Wechselwirkung innerhalb des Nukleons gebunden; sie bilden das Nukleon. Die elementaren, farbladungtragenden Quarks, auf denen die Kernmaterie aufbaut, dürfen aufgrund der starken Wechselwirkung nicht einzeln, sondern nur als (Anti-)Meson oder als (Anti-)Baryon auftreten. Für das Erreichen des Quark-Gluon-Plasmas bedarf es zusätzlicher Energie, wie sie unter anderem aufgrund der hohen Energie- und Baryondichten in Kern-Kern-Kollisionen bereitgestellt werden kann. Die Untersuchung des sogenannten Phasendiagramms der starken Wechselwirkung, welches durch die Temperatur und die Baryonendichte definiert werden kann, ist Gegenstand der aktuellen Forschung. Bei hohen Dichten und hohen Temperaturen, die in einer Kern-Kern-Kollision auftreten können, kann es zu einer Aufweichung der Grenzen der Nukleonen kommen, was letztlich zu einem Phasenübergang und dem Auftreten von neuen Freiheitsgraden (Quark- Gluon-Plasma) führen kann. In dem Quark-Gluon-Plasma befinden sich die Bausteine der Kerne nicht mehr in den Grenzen der Baryonen, sondern können sich frei bewegen. Die Thermodynamik ist in der Lage, den 1

16 2 KAPITEL 1. EINLEITUNG Zustand dieses Plasmas mit thermodynamischen Größen zu beschreiben. Mit Hilfe von Veränderungen in den Eigenschaften der jeweiligen Zustandsgröße kann auf den Übergang in diese neue Phase der Materie geschlossen werden. Das Compressed Baryonic Matter (CBM) Experiment an der zukünftigen Beschleunigeranlage FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt soll unter anderem nach Hinweisen auf die Existenz dieser Phase suchen. Zu diesem Zweck müssen die Reaktionsprodukte mit einem hochauflösenden Spektrometer vermessen werden. Nur eine hervorragende Ortsauflösung und der Nachweis nahezu aller entstehenden Teilchen macht es möglich, die interessanten Observablen für den Nachweis einer Veränderung in den Zustandsgrößen zu detektieren. Das Konzept des Detektors für das CBM Experiment verfolgt das Ziel, möglichst viele Observablen bei hohen Ereignisraten mit höchster Genauigkeit messen zu können, siehe [LoI]. Vektormesonen sind beispielsweise von besonderem Interesse, weil ihr leptonischer Zerfallskanal nicht von der starken Wechselwirkung beeinflusst werden kann und die Zerfallsprodukte somit ohne Informationsverlust nachgewiesen werden können. Teilchen, die als Quarkinhalt mindestens ein charm-quark tragen, sind in diesem Zusammenhang nicht weniger interessant. Diese Teilchen können erst ab einer ausreichend hohen Einschussenergie erzeugt werden. Mit den am FAIR möglichen Energien können als charm- Quark-tragende Teilchen die D-Mesonen (charmonium, open charm) und seltener auch charm- Quark-tragende Baryonen erzeugt werden. Die Entstehung dieser Teilchen erfolgt aufgrund der verfügbaren Energie an deren Produktionsschwelle, und führt zu einer geringen Wahrscheinlichkeit für die Produktion dieser Teilchen in einer einzelnen Reaktion. Für die Bereitstellung einer ausreichenden Statistik muss die Anzahl der zu messenden Teilchen erhöht werden. Dies erfordert eine hohe Strahlintensität in Zusammenspiel mit einem selektiven Trigger auf Reaktionen mit charm-inhalt. Die hohe Strahlintensität vergrößert die auf das gesamte Detektorsystem, durch die von einer erhöhten Anzahl von Teilchendurchgängen erzeugte, wirkende Strahlenbelastung. Die D-Mesonen erreichen aufgrund ihrer kurzen Lebensdauer und der, über c τ bestimmten, kurzen Flugstrecke, siehe Tabelle 1.1, nicht die Detektoren. Der Nachweis der D-Mesonen muss über deren Zerfallsprodukte und die Rekonstruktion des Ortes ihres Zerfalls, den sogenannten sekundären Zerfallsvertex, erfolgen. Es stellt eine große Herausforderung dar, diesen sekundären, vom ursprünglichen Kollisionspunkts versetzten Zerfallsort in dem hohen kombinatorischen Untergrund einer Kern-Kern-Kollision nachzuweisen. Nur der Einsatz von hochauflösenden Pixel- und Streifen-Halbleiterzählern, die gleichzeitig sehr strahlenhart und schnell sowie mit einem minimalen Material-Budget ausgestattet sind, ermöglicht den präzisen Nachweis von D-Mesonen in Schwerionenreaktionen.

17 1.2. COMPRESSED BARYONIC MATTER EXPERIMENT 3 Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den mechanischen Eigenschaften und den Materialien einer Halterung für solche Detektoren. 1.2 Compressed Baryonic Matter Experiment Das CBM Experiment besteht zur Bewältigung dieser Herausforderung aus verschiedenen Detektoren, welche in Kombination für die Rekonstruktion der Teilchenspuren verantwortlich sind. Für den Nachweis eines Teilchens werden neben der Ortsinformation bei dem Durchgang durch die verschiedenen Detektorebenen auch die Informationen über die Flugdauer der Teilchen durch den Detektor sowie den Energieverlust in den einzelnen Ebenen und die Ablenkung des Teilchens durch das magnetische Feld benötigt. Diese Informationen können nur mit spezialisierten Detektoren gewonnen und untersucht werden. Die Geometrie der verwendeten Detektoren wird durch die Reaktionskinematik definiert. In einem Fixed-Target-Experiment, wie CBM, werden die Teilchen im Schwerpunktsystem der Kern-Kern-Kollisionen isotrop erzeugt, jedoch im Laborsystem des Detektors beobachtet. Der Zusammenhang zwischen diesen beiden Inertialsystemen wird über die Lorentztransformation hergestellt. Die Lorentztransformation und die Kinematik der Kern-Kern-Kollisionen sorgen dafür, dass die Teilchen im Laborsystem in einem sich nach vorne öffnenden Kegel erzeugt werden und die Akzeptanz des Detektors nach diesem Kegel definiert werden muss. Die verschiedenen Detektorebenen müssen mit zunehmendem Abstand von der Kollisionszone in radialer Richtung vergrößert werden. Zum Nachweis der Teilchen werden die folgenden Detektoren in das CBM Experiment integriert, siehe zur Ergänzung [LoI]. Jeder dieser Detektoren wird aufgrund der Anforderungen an das Experiment nach den Gesichtspunkten Akzeptanz, Auslesegeschwindigkeit und Fläche ausgewählt. Ausgehend von dem Target sind dies: Micro Vertex Detector (MVD) besteht aus hochauflösenden Silizium-Pixel-Sensoren für die Rekonstruktion des sekundären Vertex. Silicon Tracking System (STS) besteht aus Silizium-Streifenzählern und bildet ein hochauflösendes Detektorsystem im Magnetfeld zur Spurrekonstruktion der Teilchen. Ring Imaging Cherenkov Detector (RICH) ist ein sensitives Detektorsystem für hoch energetische Elektronen zur Spurmessung, Energiemessung und Teilchenidentifikation. Time of Flight (TOF) basierend auf einem Transition Radiation Detector (TRD) ist ein sensitives Detektorsystem zur Spurmessung, Energiemessung und Teilchenidentifikation.

18 4 KAPITEL 1. EINLEITUNG Resistive Plate Chambers (RPC) ist ein sensitives Detektorsystem zur Energiemessung und Teilchenidentifikation. Electromagnetic Calorimeter (ECAL) ist ein Detektor zur Messung der Energie der produzierten Photonen. Zusätzlich befinden sich an verschiedenen Punkten Detektoren zur Strahldiagnose. Der skizzierte Detektoraufbau entspricht der sogenannten Elektronkonfiguration. Für die Messung von Myonen wird ein veränderter Detektoraufbau ohne den RICH-Detektor und mit verschiedenen Detektoren zur Identifikation von Myonen verwendet, die sogenannte Myonenkonfiguration.

19 1.3. MICRO VERTEX DETECTOR Micro Vertex Detector Der Micro Vertex Detector (MVD) des CBM Experimentes definiert die ersten Detektorebenen nach der Kollisionszone strahlabwärts. Dieser wird - wie das Target - in einem moderaten Vakuum sowie in einem Magnetfeld der Stärke von 1 Tesla positioniert sein. Der MVD muss mehrere Hauptanforderungen des CBM Experimentes erfüllen, die sich mit den aus ihnen resultierenden Konsequenzen wie folgt darstellen, siehe zusätzlich Abbildung 1.1. Abbildung 1.1: Schema der Anforderungen an den MVD. Die hohe Strahlintensität, die für die Vermessung der in Kapitel 1.1 beschriebenen Physik benötigt wird, führt zu einer hohen Kollisionsrate der Kerne und zu einer hohen Produktionsrate von Teilchen.

20 6 KAPITEL 1. EINLEITUNG Zur Rekonstruktion der Flugbahn jedes einzelnen durch den gesamten Detektor gehenden Teilchens muss jede zu rekonstruierende Flugbahn der Teilchen durch den MVD getrennt aufgelöst werden. Die im MVD verwendeten Sensoren müssen aus diesem Grund über eine hohe Wiederholungsrate verfügen. Die unmittelbare Nähe des MVDs zu dem Target führt zu einer hohen Strahlenbelastung durch ionisierende und nicht-ionisierende Strahlung aufgrund der hohen Anzahl der durch den Detektor gehenden Teilchen. Die eingesetzten Sensoren und die zu deren Halterung in der Zone der Teilchendurchgänge verwendeten Materialien müssen strahlenhart gegenüber dieser Strahlung sein. Die hohe Präzision in der Ortsmessung der Teilchenspuren führt zu einer erforderlichen hohen Granularität der Sensoren und einer Minimierung der Vielfachstreuung zwischen und innerhalb der einzelnen Detektorebenen. Die hohe Granularität wird durch einen sehr geringen Abstand der einzelnen Pixel auf dem Sensor erreicht. Die Minimierung der Vielfachstreuung zwischen und innerhalb der Detektorebenen ist notwendig für die präzise Spurrekonstruktion. Die Teilchen besitzen jeweils eine für sie charakteristische Lebensdauer, welche sich in Kombination mit der Lichtgeschwindigkeit in eine Zerfallslänge umrechnen lässt. Die Zerfallslängen einer Auswahl der zu beobachtenden Teilchen werden in Tabelle 1.1 angegeben. Durch die Minimierung der Vielfachstreuung muss erreicht werden, dass die Zerfallspunkte der Teilchen klar rekonstruiert werden können. Nur dann kann ausgeschlossen werden, dass es sich bei dem beobachteten Zerfall nicht um eine Streuung von Teilchen handelt, sondern dass ein Teilchenzerfall nachgewiesen wurde. Die Zerfallslänge der Teilchen definiert somit die notwendige Präzision in der Bestimmung des sekundären Zerfallsvertices, dem von der ursprünglichen Kern-Kern-Kollision versetzten Zerfallspunkt der Teilchen. Die Präzision muss zum Nachweis aller genannter Teilchen kleiner als die Zerfallslänge des Λ + c sein. Teilchen Zerfallslänge cτ [µm] D ± 310 D Λ + c 60 Tabelle 1.1: Zerfallslänge der zu beobachtenden Teilchen. Die Minimierung der Vielfachstreuung lässt sich durch die Positionierung des MVDs in einem moderaten Vakuum erfüllen. Die für die Detektorebenen des MVDs verwendeten Materialien müssen aus diesem Grund zusätzlich auf ihre Vakuumtauglichkeit hin ausgewählt werden.

21 1.3. MICRO VERTEX DETECTOR 7 Die in die einzelnen Detektorebenen des MVDs eingesetzten Sensoren müssen zur Minimierung der Vielfachstreuung herstellungsbedingt dünn sein oder entsprechend vor ihrer Integration in die Detektorebenen gedünnt werden. Das für die Halterung der Sensoren in der Zone der Teilchendurchgänge benötigte Material muss ebenso nach dem Kriterium einer großen Strahlungslänge, welche als die Länge definiert ist, innerhalb derer ein hochenergetisches Elektron durch Bremsstrahlung seine Energie bis auf einen Anteil von 1/e verloren hat, ausgewählt werden. Die Strahlungslänge einer Ebene des MVDs in der Akzeptanz des CBM Experiments soll auf einen Wert von wenigen 0.1% X 0 reduziert werden. Zur Erreichung dieses Werts ist die Verwendung von Materialien mit einer geringen Kernladungszahl und einer geringen Dichte notwendig. Dies muss mit einer notwendigen Herausführung der durch die Sensoren produzierten Verlustleistung aus der Akzeptanz des Detektors für den Betrieb im Vakuum kombiniert werden. Die Suche nach einem Material, das sowohl eine hohe Wärmeleitfähigkeit als auch eine große Strahlungslänge besitzt, mündet in der Verwendung von hoch wärmeleitfähigem Graphit(Kohlenstoff) und/oder CVD Diamant. Eine einfache Handhabung der im Micro Vertex Detector verwendeten Materialien ist aufgrund einer möglichen Ersetzung der durch die Strahlung beschädigten Module, bestehend aus den Sensoren, deren Halterung und der ersten Stufe der Auslesekette, ebenso notwendig. Der Bau eines Demonstrators für den MVD bietet die Möglichkeit, die vorhandenen und bereits entwickelten Teile auf dem Weg zu einem finalen Detektor und deren Integration in einen experimentellen Aufbau zu testen. Die Konstruktion des Demonstrators legt einen Schwerpunkt auf die Sensoren, deren Auslese und Steuerung sowie einen zweiten Schwerpunkt auf die Entwicklung und die Herstellung einer Halterung für die Sensoren im aktiven Volumen des Detektors und die Auswahl der entsprechenden Materialien. Das Zusammenspiel zwischen einer mechanischen Halterung, den Sensoren und der Auslesekette unter definierten Bedingungen im Labor und unter realen Bedingungen in einem Teilchenstrahl am CERN wird mit diesem Demonstrator getestet. Der experimentelle Aufbau für einige erste Testreihen im Labor wird im Folgenden mit Demonstrator Version 0 (V0) und der Aufbau für eine Strahlzeit mit Demonstrator Version 1 (V1) bezeichnet. Gegenstand dieser vorliegenden Arbeit ist die Herstellung einer Halterungsstruktur für die Sensoren des MVD Demonstrators, die Charakterisierung dieser Halterungsstruktur im Hinblick auf deren Elastizitätsmodul, die Integration in erste experimentelle Aufbauten und die Charakterisierung der Wärmeleitung innerhalb dieser Aufbauten sowie die Konstruktion und Charakterisierung einer mechanischen Halterung für den Test des MVD Demonstrators in einem Teilchenstrahl am CERN.

22 Kapitel 2 MVD Demonstrator Der MVD Demonstrator ist die erste Umsetzung auf dem Weg, die genannten Voraussetzungen für einen hochauflösenden und schnellen MVD zu erfüllen. Der MVD Demonstrator, der sich mit der Integration von existierender Technologie befasst, setzt sich aus verschiedenen Modulen zusammen. Der Schwerpunkt wird dabei auf die Sensoren, deren Auslese und Steuerung sowie auf die Halterung der Sensoren im aktiven Volumen des Detektors gelegt. Die Funktionalität jedes einzelnen Moduls wird im Hinblick auf die Voraussetzungen an den MVD entwickelt, gefertigt und weiter verbessert. Das dieser Arbeit zugrunde liegende Konzept des MVD Demonstrators ist in Abbildung 2.1 dargestellt. Abbildung 2.1: Maßstabsgetreue Darstellung des MVD Demonstrators. Der MVD Demonstrator lässt sich mit Hilfe der Funktionalität der einzelnen Module in aktive und passive Module unterteilen. Die aktiven Module werden durch die MIMOSA-20 Sensoren (siehe Abschnitt 2.1), das FlexPrint- Kabel (siehe Abschnitt 2.2) und das Ausleseboard (siehe Abschnitt 2.3) repräsentiert. Die passiven Module werden durch den Sensorenträger (siehe Herstellungsprozess in Kapitel 3), bestehend aus einer Kombination von TPG und RVC, dem Kupferfinger (siehe Kapitel 4.3.2) und der Kühlsenke (siehe Kapitel 2.4.3) dargestellt. 8

23 2.1. MONOLITHIC ACTIVE PIXEL SENSORS (MAPS) 9 Die Eigenschaften dieser Module werden im Folgenden näher beschrieben. Der Schwerpunkt dieser Beschreibung und dieser Arbeit liegt auf der Entwicklung und dem Test der passiven Module. 2.1 Monolithic Active Pixel Sensors (MAPS) Die für den MVD Demonstrator verwendeten Sensoren entstammen der Gruppe der Monolithic Active Pixel Sensors (MAPS). Dabei handelt es sich um Halbleiter-Pixel-Detektoren aus Silizium, welche über ein Verfahren hergestellt werden, das auf dem CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)-Prozess beruht. Diese Sensoren erfüllen die geforderten Eigenschaften des Micro Vertex Detectors (hohe Strahlenhärte, hohe Auflösung, hohe Wiederholungsrate) aktuell noch nicht. Die Entwicklung der nachfolgenden MIMOSA-Generationen deuten auf das Erreichen dieser Eigenschaften hin. Die MIMOSA-Sensoren werden vor allem wegen ihrer guten Widerstandsfähigkeit gegenüber ionisierender und nicht-ionisierender Strahlung eingesetzt. Bereits durchgeführte Studien zum Thema MAPS und deren Beeinflussung durch auf diese einwirkende Strahlung können bei [SAY], [AB], [DD] und [MD] nachgelesen werden. Die Sensoren sind in unterschiedlichen Reihen verfügbar, wobei für den MVD Demonstrator die Sensoren des Typs MIMOSA-20 verwendet werden. Die Eigenschaften der MIMOSA-20 Sensoren sind in der Tabelle 2.1 aufgelistet und ein Sensor in Abbildung 2.2 dargestellt. Eigenschaften der MIMOSA-20 Sensoren Pixel 30 µm Pixelabstand 750 µm Dicke 0,7 % X 0 Strahlungslänge 2 ms Wiederholungsrate 2 cm 2 aktive Oberfläche Tabelle 2.1: Eigenschaften der MIMOSA-20 Sensoren. Abbildung 2.2: Nicht maßstabsgetreue Darstellung eines MIMOSA-20 Sensors. Die aufgelisteten Eigenschaften, insbesondere die Dicke und die damit verbundene Strahlungslänge, die Auslesegeschwindigkeit und die Strahlenhärte sind bei den MIMOSA-20 Sensoren nicht auf die Anforderungen an den MVD optimiert. Die Funktionweise der MIMOSA-20 Sensoren wird kurz beschrieben. Der Sensor besteht aus drei Schichten Silizium. Zwei dotierte Schichten umschließen die Epitaxialschicht. Die obere Schicht besitzt die für die Auslese wichtigen funktionalen Elektronik-Bauteile. Trifft ein nachzuweisendes Teilchen diesen Sensor und passiert diesen, so entstehen beim Teilchendurchgang

24 10 KAPITEL 2. MVD DEMONSTRATOR Ladungsträger, welche in der Epitaxialschicht des Sensors zu den Auslesedioden diffundieren können. An den Auslesedioden wird die Ladung gesammelt, bei den nachfolgenden Auslesezyklen aus dem System entfernt und als messbares Signal an die Ausleseelektronik gesendet. Die Notwendigkeit einer Kühlung der Sensoren besteht, da die bis zu 1 W hohe Verlustleistung der Sensoren nicht zu besseren Ergebnissen bei der Auslese der Sensoren beiträgt; viel- cm 2 mehr arbeiten diese effizienter, wenn sie gekühlt werden. Die entstehende Verlustleistung kann nur über das TPG, den Kupferfinger und die aktiv gekühlte Kühlsenke aus dem Bereich der MIMOSA-20 Sensoren abgeleitet werden, weil durch die Positionierung des MVDs im Vakuum eine Ableitung der Verlustleistung nur über diesen Weg möglich ist. 2.2 Signalführung Die Signalführung der von den MIMOSA-20 Sensoren gesendeten Signale geschieht durch ein FlexPrint-Kabel (FPC). Dieses dient zur Auslese, Steuerung und Stromversorgung der MIMOSA-20 Sensoren. Die Signalführung und die Stromversorgung der Sensoren wird durch 36 µm Kupfer in drei verschiedenen Lagen des FPCs gewährleistet. Die berechnete Strahlungslänge des FPCs beträgt einen Wert von 0.21% X 0 und zeigt bei einem Vergleich mit der für den MVD benötigten Strahlungslänge von wenigen 0.1% X 0, dass das FPC nicht auf eine große Strahlungslänge hin optimiert ist. Das FPC überdeckt mit den Maßen von cm 2 die Sensoren nahezu vollständig und besteht zusätzlich zu dem Kupfer aus unterschiedlichen Materialschichten zur elektrischen Isolation. Das FPC ist in Abbildung 2.3(a) dargestellt. Für die elektrische Verbindung zwischen dem FPC und den MIMOSA-20 Sensoren sind auf diesem 60 Bonding-Pads bereitgestellt. Ein FPC dient zur Auslese von zwei MIMOSA-20 Sensoren und besitzt für eine störungsfreie Übertragung der Signale zwei voneinander getrennte Bonding-Bänke, jeweils eine pro Sensor. Das FPC endet in einem Stecker auf dem Ausleseboard. Die MIMOSA-20 Sensoren werden mechanisch mit dem FPC verklebt, wobei das FPC auf die MIMOSA-20 Sensoren geklebt wird. Die mechanische Fixierung dient zum Schutz der zwischen diesen beiden Modulen hergestellten elektrischen Verbindung über Drahtbonden. Der Abstand zwischen der Kante des FPCs und den auf den Sensoren befindlichen Bonding-Pads ist für die elektrische Kontaktherstellung von entscheidender Bedeutung. Ein Schema für die beschriebene Positionierung und die elektrische Kontaktherstellung ist in Abbildung 2.3(b) angegeben. Der Vorgang des mechanischen Verbindens zwischen dem FPC und den MIMOSA-20 Sensoren wird in Abschnitt 3.2 näher beschrieben.

25 2.3. AUSLESEBOARD 11 (a) (b) Abbildung 2.3: Darstellung (a) des FlexPrint-Kabels und (b) der Anordnung von TPG, MIMOSA-20 Sensoren, FPC und Bondingdrähten. 2.3 Ausleseboard Das Ausleseboard ist die erste aktive Ausleseeinheit in direkter Nähe zu den MIMOSA-20 Sensoren und sorgt für die Steuerung der Sensoren. Eine erste Verarbeitung der von den Sensoren durch das FlexPrint-Kabel gesendeten Signale und die Stromversorgung der Sensoren wird durch das Ausleseboard realisiert. Das Ausleseboard verstärkt die Signale der Sensoren, wandelt sie von einem analogen in ein digitales Signal um und leitet diese Signale weiter an einen Auslese-PC. Die Dimension des Ausleseboards ist mit cm 2 gegeben, wobei am vorderen Ende des Boards eine Lasche mit einer Größe von 3 3 cm 2 zur Aufnahme des FlexPrint-Kabels bereitgestellt wird. Zur Halterung und Kühlung des Ausleseboards wird die Kühlsenke, siehe Abschnitt 2.4.3, in Kombination mit dem Modul Ausleseboard-Kühlplatte, siehe Kapitel 4.3.3, verwendet. Das Ausleseboard wird in Abbildung 2.4 dargestellt und wurde in der Elektronikabteilung des Institutes für Kernphysik entwickelt und getestet. Abbildung 2.4: Nicht maßstabsgetreue Darstellung des Ausleseboards.

26 12 KAPITEL 2. MVD DEMONSTRATOR 2.4 Halterung Die Halterung des MVD Demonstrators muss zwei wichtige Eigenschaften miteinander kombinieren: Die sich im aktiven Volumen des Detektors, dem Positionierungsbereich der MIMOSA-20 Sensoren, befindliche Halterung muss mit Materialien ausgestattet werden, die unter Berücksichtigung einer möglichst großen Strahlungslänge ausgewählt wurden. Die Halterung der Sensoren muss zusätzlich über eine hohe Wärmeleitfähigkeit verfügen. Die Positionierung des MVDs im Vakuum lässt die Ableitung der von den Sensoren produzierten Verlustleistung nur über die Materialien der Halterungsstruktur zu. Außerhalb des Bereiches des aktiven Volumens wird Kupfer zur Ableitung der von den MIMOSA- 20 Sensoren produzierten Verlustleistung verwendet. Die Ableitung der entstehenden Verlustleistung wird durch die beiden anderen passiven Module des MVD Demonstrators, dem Kupferfinger und der Kühlsenke gewährleistet. Eine Übersicht der Materialien, die unter den genannten Aspekten für die Integration in die Halterungsstruktur der MIMOSA-20 Sensoren ausgewählt werden könnten, wird in Tabelle 2.2 angegeben. Material X 0 [cm] (Dahl) Dichte ρ [g/cm 3 ] Elastizitätsmodul E [kn/mm 2 ] Ausdehnungskoeffizient CTE [1/K] Wärmeleitfähigkeit k [W/mK] C 18,9 2,26 4,8 2, Al 8,99 2,7 68 2, Si 9,48 2, , Cu 1,47 8, , TPG 19,03 2, , RVC 728,95 0,059 0,05 2, ,04 CFC 25,11 1, , CVD 12,22 3, , Tabelle 2.2: Übersicht der möglichen Materialien der Halterungsstruktur: C (= Kohlenstoff), Al (= Aluminium), Si (= Silizium), Cu (= Kupfer), TPG (= Thermal Pyrolytic Graphite), RVC (= Reticulated Vitreous Carbon), CFC (= Carbon Fiber Composite) und CVD (= Chemical Vapor Depositon Diamant). Die angegebenen Materialien werden unter Berücksichtigung zweier Schwerpunkte in dem Diagramm der Abbildung 2.5 dargestellt. Für die y-achse wird das Verhältnis zwischen dem Elastizitätsmodul und der Dichte der Materialien und für die x-achse das Verhältnis zwischen

27 2.4. HALTERUNG 13 der Wärmeleitfähigkeit und dem Ausdehnungskoeffizienten aufgetragen, um eine Aussage über die am besten geeigneten Materialien tätigen zu können. Die Materialien, welche sowohl einen hohen Wert des Verhältnisses von k/ct E als auch des Verhältnisses von E/ρ auf sich vereinigen können, eignen sich besonders für die Verwendung in der Halterungsstruktur der MIMOSA-20 Sensoren im aktiven Volumen des Detektors. Abbildung 2.5: Übersicht der möglichen Materialien der Halterungsstruktur. Mit Hilfe dieses Diagramms werden TPG und RVC als Materialien, die für die Herstellung der Halterungsstruktur für die MIMOSA-20 Sensoren im aktiven Volumen des Detektors verwendet werden sollen, ausgewählt. Die Halterungsstruktur der MIMOSA-20 Sensoren wird im Folgenden mit dem Namen Sensorenträger bezeichnet. Außerhalb des aktiven Volumens des Detektors wird Kupfer zur Ableitung der entstehenden Verlustleistung verwendet Materialien der Sensorenträger Ein Schwerpunkt bei der Konstruktion der Träger für die MIMOSA-20 Sensoren des MVD Demonstrators liegt auf einer möglichst hohen Wärmeleitfähigkeit der verwendeten Materialien. Diese wird mit dem zweiten Schwerpunkt einer großen Strahlungslänge kombiniert, wobei die in den Sensorenträgern eingesetzten Materialstärken von TPG (d = 0,5 mm) und RVC (d = 3 mm) nicht auf die maximal mögliche Strahlungslänge hin optimiert sind.

28 14 KAPITEL 2. MVD DEMONSTRATOR Den Sensorenträgern liegt die in den Abbildungen 2.1 und 2.6 erkennbare Kombination der beiden Materialien TPG und RVC zugrunde. Zwischen zwei Lagen TPG wird der RVC mit dem Ziel, die Stabilität zu erhöhen, eingefügt. Die verwendeten Materialien TPG, RVC und die für das Verkleben benötigten Kleber werden im Folgenden näher beschrieben. Abbildung 2.6: Darstellung der Anordnung von TPG und RVC. Thermal Pyrolytic Graphite (TPG) Das Thermal Pyrolytic Graphite [TPG] wird von der Firma Momentive Performance Materials geliefert. Das TPG besteht aus einem nachbehandelten Graphit. Bei diesem wurde eine thermische Spaltung organischer Materialien (= Pyrolyse) durch eine Erhitzung auf hohe Temperaturen ( C) durchgeführt. Das Ziel ist es, einen Bindungsbruch innerhalb großer Moleküle herbeizuführen. Dieser Vorgang geschieht unter Ausschluss von Sauerstoff, um ein Verbrennen des Materials zu verhindern. Nach dieser Behandlung zeichnet sich das Material durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit von 1500 m K W aus. Dieser Wert gilt entlang der x- und y-achse des Materials. In z-richtung reduziert sich die Wärmeleitfähigkeit auf 20 m K W. Das TPG hat aufgrund einer geringen Dichte von 2.26 g eine große Strahlungslänge, siehe cm 3 Tabelle 2.2, und wird in 500 µm oder 1000 µm dicken und cm 2 großen Platten als Ausgangsmaterial bereitgestellt. Bei genauer Betrachtung des TPGs lässt sich erkennen, dass es sich um ein schieferartiges, leicht zerbrechliches Material handelt, weswegen bei seiner Handhabung mit Vorsicht vorgegangen werden muss. Unter Berücksichtigung dieses Aspektes kann das Ausgangsmaterial mit geeigneten Hilfsmitteln (zum Beispiel mit Schleifschablonen) auf jede gewünschte, benötigte Dicke reduziert werden. Die gemessene Rauheit der TPG-Oberfläche beträgt einen Wert von d = 50 µm.

29 2.4. HALTERUNG 15 Auch andere Experimente (vgl. zum Beispiel [HAB], [LHb]) in der Kern- und Teilchenphysik erwägen die Benutzung von TPG im aktiven Volumen ihres Detektors. Reticulated Vitreous Carbon (RVC) Der Reticulated Vitreous Carbon [RVC] ist ein netzartiger (= reticulated), glasartiger (= vitreous) Kohlenstoffschaum. Dieser zeichnet sich durch eine geringe Dichte sowie die damit verbundene sehr große Strahlungslänge aus, siehe Tabelle 2.2. Die Dichte beträgt 0,059 g. cm 3 Die von ERG hergestellten Platten haben eine Größe von cm 2 und eine Dicke von 3 mm. Die Dicke von 3 mm ist ein durch den im MVD Demonstrator benutzten Kühlungsaufbau vorgegebener Wert. Der RVC ist ein sehr offenporiger Kohlenstoffschaum und besitzt aus diesem Grund eine nur sehr eingeschränkte Wärmeleitfähigkeit von 0,05 m K W. Der RVC dient im Konzept des MVD Demonstrators dazu, die beiden dünnen Lagen TPG zu stabilisieren und widerstandsfähiger gegenüber äußeren Kräften zu machen, siehe Abbildung 2.6. Auch andere Experimente (vgl. zum Beispiel [STR], [ILC]) in der Kern- und Teilchenphysik benutzten RVC in einer Halterungsstruktur ihrer Sensoren in dem aktiven Volumen ihres Detektors. Kleber Für die Verklebung der verschiedenen Module untereinander werden unterschiedliche Kleber verwendet. Zum Verkleben des RVCs mit den beiden Lagen TPG wird ein flüssiger Kleber der Firma Huntsman [Hun] verwendet. Dieser hat sich bei Klebetests als geeignet erwiesen, da er durch den flüssigen Zustand in die Poren des RVCs eindringen und so zu einem akzeptablen Ergebnis der Verklebung führen kann. Der Kleber besitzt eine Wärmeleitfähigkeit von 0.22 m K W, eine Dichte von 1.05 g und einen Ausdehnungskoeffizienten von cm 3 K. Es handelt sich um einen Zwei-Komponenten-Kleber, der vor der Verklebung bei Raumtemperatur den Herstellerangaben entsprechend verrührt wird. Der Kleber wird mit einer Dicke von 100±20 µm auf die jeweilige zu verklebende Lage TPG aufgetragen. Der Kleber wurde aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit des RVCs nicht nach dem Merkmal einer hohen Wärmeleitfähigkeit ausgewählt, sondern muss für eine Verbindung zwischen dem TPG und dem RVC sorgen. Die Verbindung zwischen TPG und den MIMOSA-20 Sensoren sowie zwischen dem FlexPrint- Kabel und den MIMOSA-20 Sensoren wird mit einem 75 ± 7,5 µm dicken Kleber der Firma CMC [CMC] hergestellt. Hierbei handelt es sich um ein Klebeband, welches aus einer 50 µm dicken Kleberschicht und einer 25 µm dicken Trägerfolie besteht. Die Wärmeleitfähigkeit des Klebers beträgt 0.29 m K W, eine Angabe der Dichte ist nicht vorhanden.

30 16 KAPITEL 2. MVD DEMONSTRATOR Durch die geringe Dicke des Klebebands ist ein schneller Wärmetransport von den MIMOSA- 20 Sensoren auf das TPG gewährleistet. Eine Übersicht der im MVD Demonstrator befindlichen Materialübergänge und deren jeweilige Wärmeleitfähigkeit wird in Abbildung 2.7 und in Tabelle 2.3 angegeben. Verbindung Wärmeleitfähigkeit [W/mK] FPC - MIMOSA MIMOSA-20 - TPG 0.29 TPG - RVC 0.22 RVC - TPG 0.22 Tabelle 2.3: Wärmeleitfähigkeiten im aktiven Volumen des MVD Demonstrators. Abbildung 2.7: Schematische Darstellung der Wärmeleitfähigkeiten im aktiven Volumen des MVD Demonstrators Kupferfinger Der Sensorenträger wird im Bereich des Übergangs von dem aktiven Volumen des Detektors zum Passiven mit dem in Kapitel beschriebenen Kupferfinger verklebt. Die Eigenschaften des Kupferfingers und die Prozedur des Verklebens der beiden passiven Module werden in diesem Abschnitt beschrieben. Der Kupferfinger verbindet den Sensorenträger mit der Kühlsenke und gewährleistet somit die Ableitung der durch die MIMOSA-20 Sensoren produzierten Verlustleistung Kühlsenke Ein kleiner Block aus Kupfer mit einer Höhe von 30 mm, einer Breite von 30 mm und einer Länge von 60 mm dient als Kühlsenke. Die Kühlsenke ist in Abbildung 2.8 dargestellt. Die Kühlsenke wird zur Halterung des Moduls Ausleseboard-Kühlplatte (siehe Kapitel 4.3.3) und des Moduls Kupferfinger (siehe Kapitel 4.3.2) verwendet. Zu diesem Zweck werden auf der Oberseite der Kühlsenke verschiedene Bohrungen vorgenommen, damit die Module mit der Kühlsenke verschraubt werden können.

31 2.4. HALTERUNG 17 Die Kühlsenke wird zur Kühlung des Demonstrators Version 0 verwendet und kühlt in diesem Aufbau über das Modul Ausleseboard-Kühlplatte das Ausleseboard und über das Modul Kupferfinger den an diesen angeklebten Sensorenträger mit den MIMOSA-20 Sensoren. In die Kühlsenke werden für die Kühlung bis zur Blockmitte hin zwei Löcher gebohrt und zwei Kupferrohre eingelötet. Eine dazu quer verlaufende Bohrung sorgt für die Zirkulation der Kühlflüssigkeit in der Kühlsenke. Die Kupferrohre werden über Kühlschläuche mit einem Kühlsystem der Firma HUBER [HUB] verbunden. Als Kühlflüssigkeit dient Silikonöl, welches speziell für den einstellbaren Temperaturbereich ( 40 C bis 40 C) des Kühlsystems ausgewählt wird. Die zur Verfügung stehende Kühlleistung des Kühlsystems variiert mit der eingestellten Temperatur auf die die Kühlflüssigkeit gekühlt werden soll. Bei einer eingestellten Temperatur von 0 C ist eine Kühlleistung von 700 Watt verfügbar, während für eine Minimaltemperatur der Kühlflüssigkeit von 20 C eine Kühlleistung von 450 Watt zur Verfügung steht und für die Minimaltemperatur des Kühlsystems von 40 C die Kühlleistung auf einen Wert von 30 Watt absinkt. Die für den Wärmeübertrag in der Kühlsenke zur Verfügung stehende Fläche kann über die Mantelfläche eines Zylinders und einer angenommenen Kupferrohrlänge in der Kühlsenke von 10 cm zu einem Wert von A = 12 cm 2 bestimmt werden. Dieser Fläche in der Kühlsenke steht die Mantelfläche der Kühlleitungen von A = 1500 cm 2 bei einer Kühlleitungslänge von insgesamt 300 cm gegenüber. Abbildung 2.8: CAD-Modell der Kühlsenke.

32 Kapitel 3 Integration der Sensorenträger Das folgende Kapitel befasst sich mit der Herstellung und Vermessung der bereits erwähnten Sensorenträger zur Positionierung, Halterung und Kühlung der MIMOSA-20 Sensoren im aktiven Volumen des MVD Demonstrators sowie mit dem Verkleben und der Positionierung der MIMOSA-20 Sensoren zu dem FPC. 3.1 Sensorenträger der MIMOSA-20 Sensoren Die im Konzept des MVD Demonstrators, siehe Abbildung 2.1, vorgesehenen Sensorenträger besitzen eine Länge von 50 mm. Ein 10 mm langer Freiraum zwischen den beiden Lagen TPG dient dazu die Sensorenträger später mit dem Kupferfinger verkleben zu können. Die verbleibenden 40 mm der Sensorenträger sind für die Positionierung von zwei MIMOSA-20 Sensoren nebeneinander vorgesehen. Der in diesem Kapitel diskutierte Herstellungsprozess der Sensorenträger beginnt mit der Vorbereitung der benötigten Materialien und deren Verklebung zu der Sensorenträger-Platte. Die nachfolgenden Messungen des Dickenprofils definieren den ersten Schritt der Bestimmung von Sensorenträgern mit einem optimalen, homogenen Dickenprofil. Das Zuschneiden der Sensorenträger aus der Sensorenträger-Platte und der Vergleich der Dickenprofile vor und nach dem Zuschneiden liefert die Sensorenträger, die für die Biegemessungen verwendet werden können. Diese für die Biegemessungen verwendeten Sensorenträger besitzten eine Länge von 100 mm, die der zweier finaler Sensorenträger entspricht. Die finalen Sensorenträger mit einer Länge von 50 mm entstehen durch die Zerteilung der Sensorenträger in der Mitte und können anschließend in die experimentellen Aufbauten integriert werden. Die Sensorenträger der MIMOSA-20 Sensoren bestehen aus einer Kombination von TPG und RVC, siehe Kapitel Mit Hilfe dieser bereits vorgestellten Materialien ist es möglich, eine Anzahl von Sensorenträgern herzustellen, die sowohl die Eigenschaften einer möglichst großen 18

33 3.1. SENSORENTRÄGER DER MIMOSA-20 SENSOREN 19 Strahlungslänge als auch einer hohen Wärmeleitfähigkeit besitzen. Mit diesen Sensorenträgern soll die durch den Betrieb der MIMOSA-20 Sensoren entstehende Verlustleistung aus der Akzeptanz des Detektors abgeleitet werden. Außerhalb dieser Akzeptanz ist es möglich, Kupfer als Material zur weiteren Ableitung der Verlustleistung zu verwenden. Eine schematische Zeichnung der Sensorenträger ist in Abbildung 3.1 gezeigt. Die dargestellten Materialien besitzen die Dicken: 500 µm je Lage TPG, 3000 µm für die Dicke des RVCs und 100 µm je Lage Kleber. Die direkt auf die jeweilige Lage TPG geklebten MIMOSA-20 Sensoren sind in dieser Abbildung nicht dargestellt. Die Dicke des RVCs ist durch die Verwendung des Kupferfingers mit einer Dicke von 3 mm vorgegeben. Eine Reduzierung der Dicke der TPG-Platten findet bei der Herstellung der Sensorenträger nicht statt. Die TPG-Platten werden mit einer Ausgangsdicke von 500 µm verwendet. Abbildung 3.1: Nicht maßstabsgetreue Skizze des Querschnitts der Sensorenträger. Die Herstellung der Sensorenträger wird im Folgenden beschrieben Vorbereitung der Materialien TPG Für die Herstellung der Sensorenträger wird eine Platte TPG mit einer Dicke von 500 µm verwendet. Die TPG-Platten besitzen eine durch ihren Herstellungsprozess bedingte Krümmung, die nach den Angaben des Herstellers einen Wert von 4 mm auf eine gemessene Länge von 100 mm nicht überschreiten sollte. Vor dem Zuschneiden einer der vorhandenen TPG-Platten in zwei cm 2 große Platten wird deren Krümmung gemessen und mit den genannten Angaben des Herstellers verglichen. Die Kenntnis der vorhandenen Plattenkrümmungen soll bei dem Verkleben der TPG-Platten mit dem RVC ausgenutzt werden. Die in Abbildung 3.4 dargestellte Anordnung der beiden Materialien zueinander soll dazu beitragen, dass sich die durch die Verklebung der beiden Materialien und die Krümmung des TPGs möglicherweise hervorgerufenen Kräfte kompensieren. Der Aufbau zur Messung der Krümmung der TPG-Platten ist in Abbildung 3.2 schematisch dargestellt.

34 20 KAPITEL 3. INTEGRATION DER SENSORENTRÄGER Abbildung 3.2: Skizze zur Bestimmung der Krümmung einer TPG-Platte. Zur Durchführung der Messung werden die TPG-Platten auf den Messtisch [Mes] gelegt und auf einer der Längsseiten mit einem Eisenklotz beschwert. Zur Vermeidung einer Beschädigung der zu messenden TPG-Platten wird zwischen den Eisenklotz und das TPG eine Styroporplatte gelegt. Nach der Beschwerung einer der Längsseiten wird deutlich, wie sehr sich die nicht belastete Längsseite der TPG-Platten von dem Messtisch abhebt. Die Krümmung wird nun alle 5 mm entlang der abgehobenen Längsseite von der Oberseite des Messtisches bis zur Plattenkante gemessen. Nach einer anschließenden Fehlerrechnung, in der der Mittelwert und die Standardabweichung der gemessenen Krümmung bestimmt werden, ergeben sich folgende Ergebnisse: Nummer TPG-Platte Krümmung auf 100 mm 1 (2.8 ± 0.4) mm 2 (2.2 ± 0.2) mm 3 (1.02 ± 0.3) mm 4 (1.29 ± 0.4) mm Tabelle 3.1: Krümmung der TPG-Platten. Die gemessenen Krümmungen stimmen mit den Toleranzangaben des Herstellers einer Krümmung von maximal 4 mm auf eine gemessene Länge von 100 mm überein. Die Beschriftung der Platten sorgt für eine eindeutige Zuordnung zu diesen Ergebnissen. Für die Herstellung einer ersten Anzahl von Sensorenträgern wird die Platte mit der Nummer 2 verwendet. Die gemessene Krümmung dieser Platte weist weder den maximalen noch den minimalen Wert auf. Falls das Ergebnis des ersten Herstellungsprozesses der Sensorenträger nicht optimal sein sollte, kann mit einer weiteren TPG-Platte mit einer geringeren gemessenen Krümmung der Herstellungsprozess zur Optimierung des Ergebnisses erneut durchlaufen werden.

35 3.1. SENSORENTRÄGER DER MIMOSA-20 SENSOREN 21 Die TPG-Platte wird mit Hilfe einer Tischkreissäge [Sag] in der Mitte in die genannten Maße zerschnitten. Die Platte wird per Hand mit gleichem Druck in das Diamantsägeblatt hineingeschoben, wobei darauf zu achten ist, dass der Abstand zwischen dem Sägeblatt und der seitlich einstellbaren Begrenzung des Schnittbereiches unverändert bleibt. RVC Für die Herstellung der Sensorenträger wird eine Platte RVC mit der Dicke von 3000 µm verwendet. Die Abmessung der zu verwendenden RVC-Platte soll 8 12 cm 2 betragen. Im Vergleich mit den cm 2 großen geschnittenen TPG-Platten ist diese Platte auf zwei Seiten zu kurz und auf zwei Seiten zu lang, siehe Abbildung 3.3. Die beiden zu langen Seiten dienen zur besseren Handhabung der späteren Sensorenträger- Platte. Die beiden zu kurzen Seiten erzeugen nach dem Verkleben mit den beiden Lagen TPG auf jeder dieser Seiten einen 1 cm tiefen Freiraum. In diesen Freiraum wird später ein Kupferfinger mit Wärmeleitkleber hineingeklebt. Über diesen Kupferfinger können die Sensorenträger mit der Kühlsenke verschraubt und das Abführen der Verlustleistung der MIMOSA-20 Sensoren zur Kühlsenke gewährleistet werden. Abbildung 3.3: Dimensionsvergleich von TPG und RVC.

36 22 KAPITEL 3. INTEGRATION DER SENSORENTRÄGER Verkleben der TPG- und RVC-Platten Im ersten Schritt wird eine der beiden TPG-Platten auf einer Fläche von 8 10 cm 2 mit einer 100 ± 20 µm dünnen Schicht des flüssigen Klebers versehen, das Auftragen geschieht mit Hilfe eines Dispensers [Dis]. Die Verwendung eines flüssigen Klebers ist der offenporigen Struktur des RVCs geschuldet, siehe Kapitel Der flüssige Kleber wird aus zwei unterschiedlichen Komponenten bei Raumtemperatur den Herstellerangaben entsprechend zusammengerührt. Der Dispenser ermöglicht es, den Kleber gleichmäßig und in geringen, feineinstellbaren Dosen auf die TPG-Platte aufzutragen. Ohne Verzögerung wird der RVC auf die mit dem Kleber vorbereitete Fläche gelegt und mit einem definierten Druck, welcher von einem 2 kg schweren Block aus Aluminium aufgebracht wird, auf diese gedrückt. Zuvor wurde über Nacht ein Belastungstest mit mehreren unter den Block gelegten Streifen aus RVC durchgeführt, um eine Aussage darüber tätigen zu können, ob das Gewicht des Blockes die Struktur des RVC beschädigt. Eine visuelle Kontrolle zeigt, dass dies nicht der Fall ist. Der Block wird für die gleichmäßige Beschwerung des RVCs auf dem Kleber verwendet und über Nacht bei Raumtemperatur während dem Trocknen des Klebers auf dem RVC positioniert. Eine Darstellung der erhaltenen Kombination aus TPG und RVC ist in Abbildung 3.3 zu sehen. Im zweiten Schritt wird die zweite TPG-Platte mit einer 100 ± 20 µm dünnen Schicht flüssigen Klebers auf einer Fläche von 8 10 cm 2 versehen. Bevor die im ersten Schritt hergestellte Kombination aus TPG und RVC auf diese zweite TPG- Platte gelegt und anschließend während dem Trocknen des Klebers beschwert wird, werden die beiden TPG-Platten so zueinander ausgerichtet, dass sich die herstellungsbedingten, gemessenen Krümmungen gegenüberstehen. Eine schematische Darstellung dieser Anordnung ist in Abbildung 3.4 zu sehen. Abbildung 3.4: Darstellung der wirkenden Kräfte aufgrund der TPG-Platten-Krümmung. Die Absicht dieser entgegengesetzten Ausrichtung der TPG-Platten besteht darin, dass sich mit dem Trocknen des Klebers die durch die Krümmungen möglicherweise auftretenden Kräfte im RVC gegenseitig kompensieren. Insbesondere sollen nach dem Zuschneiden der Sensorenträger die Krümmungen in der Dickenmessung der Sensorenträger nicht auftreten und somit eine hohe Planarität der Sensorenträger-Oberfläche erreicht werden.

37 3.1. SENSORENTRÄGER DER MIMOSA-20 SENSOREN 23 Die diesem Schritt zugrunde liegende Annahme besteht darin, dass die in Tabelle 3.1 gemessenen Krümmungen der nicht zerschnittenen TPG-Platten homogen sind und diese sich nach dem Zerschneiden gleichmäßig auf die beiden Plattenhälften verteilen. Insbesondere werden alle eventuell vorhandenen Materialinhomogenitäten nicht berücksichtigt. Nach dem erneuten Trocknen des Klebers über Nacht bei Raumtemperatur ist die SensorenträgerPlatte fertig gestellt. Es handelt sich zunächst um eine Platte, aus welcher nach einer Dickenmessung die verwendbaren Sensorenträger herausgeschnitten werden müssen. Das Resultat des Verkleben von TPG, RVC und TPG ist in Abbildung 3.5 dargestellt. (a) (b) Abbildung 3.5: Resultat des Verklebens: (a) Sensorenträger-Platte und (b) Querschnitt der Sensorenträger-Platte Messung des Dickenprofils Die Kenntnis des genauen Dickenprofils der Sensorenträger-Platte ist von großer Bedeutung für die späteren Schritte des Zuschneidens der Sensorenträger, deren Einbau in erste experimentelle Aufbauten sowie für das Verkleben der MIMOSA-20 Sensoren im Hinblick auf den MVD Demonstrator. Für die Sensorenträger-Platte wird zunächst ein Dickenprofil erstellt. Anhand dessen werden die möglichen Sensorenträger im Hinblick auf ein homogenes Dickenprofil ausgewählt und aus der Platte herausgeschnitten. Der Vergleich des Dickenprofils vor und nach dem Schneiden soll die Frage beantworten, ob durch das Zuschneiden der Sensorenträger aus der SensorenträgerPlatte das Dickenprofil beeinflusst wird. Die für die Beantwortung dieser Frage notwendigen Schritte werden im Folgenden beschrieben.

38 24 KAPITEL 3. INTEGRATION DER SENSORENTRÄGER Aufbau und Durchführung Die Messung des Dickenprofils der Sensorenträger-Platte wird mit einem Längenmessgerät [KLM] mit einer Genauigkeit von 10 µm durchgeführt. Dieses wird in mit einem kleinen Schraubstock fixiert. Die Platte wird so zu dem Messgerät positioniert, dass während des Messprozesses auf die Platte keinerlei Kräfte, außer die des Messgerätes selbst, wirken und die Voraussetzungen, unter denen das Dickenprofil gemessen werden kann, sich immer gleichen. Die Platte befindet sich auf gleicher Höhe mit dem Messgerät, siehe Abbildung 3.6. (a) (b) Abbildung 3.6: (a) Aufbau der Dickenmessung und (b) Skizze zur Dickenmessung. Für die Messung wird die Sensorenträger-Platte mit einem äußeren Koordinatensystem versehen. Dieses ermöglicht es, an definierten Markierungen das Dickenprofil zu messen. Eine Messung des Dickenprofils der Platte erfolgt alle 5 mm entlang der x-achse und alle 5 mm entlang der y-achse. Es wird ein Netz von 441 Messpunkten über die Plattenoberfläche gelegt. Der Positionierungsfehler wird mit 0,5 mm angenommen. Um eine Aussage über die Reproduzierbarkeit der gemessenen Werte des Dickenprofils tätigen zu können, wird die Messung des Dickenprofils der Sensorenträger-Platte erneut durchgeführt. Auswertung Die Auswertung wird unter dem Gesichtspunkt vorgenommen Sensorenträger für die MIMOSA- 20 Sensoren zu bestimmen, deren Dickenprofil einer möglichst geringen Variation unterliegt. Die Auswertung erfolgt mit Hilfe von ROOT [Roo]. Die Abbildung 3.7 stellt die Sensorenträger-Platte schematisch dar. Eine besondere Betrachtung bei der Auswertung erfährt der Bereich x = mm. In diesem Bereich werden in den experimentellen Aufbauten des MVD Demonstrators Version 0 und Version 1 die MIMOSA- 20 Sensoren auf das TPG aufgeklebt. Die Abbildung 3.7 stellt zusätzlich zu dem Positionierungsbereich der MIMOSA-20 Sensoren die mögliche Schnittrichtung zum Ausschneiden der Sensorenträger aus der Sensorenträger-Platte dar.

39 3.1. SENSORENTRÄGER DER MIMOSA-20 SENSOREN 25 Abbildung 3.7: Schematische Darstellung der Sensorenträger-Platte mit Kennzeichnung des Bereiches zur Positionierung der MIMOSA-20 Sensoren, der möglichen Schnittrichtung zum Ausschneiden der Sensorenträger und einer angedeuteten Inhomogenität, siehe Text. Das Dickenprofil wird in einem ersten Messdurchgang ermittelt und in Abbildung 3.8(a) in einem drei-dimensionalen Graphen aufgetragen. Dazu werden für die jeweiligen x- und y-werte eines zwei-dimensionalen Histogrammes, welches durch die Abmessungen der Sensorenträger- Platte definiert ist, die entsprechenden gemessenen Dicken als z-wert eingefügt. Die Abbildung 3.8(b) zeigt die relative Abweichung der gemessenen Dicke zum Mittelwert der Dicke ( x = x x x ) in dem für die Positionierung der MIMOSA-20 Sensoren wichtigen Bereich von x = mm. Eine zweite Dickenmessung wird analog zu der Ersten durchgeführt. Durch die Kombination der beiden Dickenmessungen der Sensorenträger-Platte können die Unterschiede zwischen den Messungen herausgestellt und eine Aussage über die Reproduzierbarkeit der Messungen getätigt werden. In Abbildung 3.9(a) wird der Mittelwert der beiden Messungen für die jeweiligen x- und y- Werte in dem für die Positionierung der MIMOSA-20 Sensoren wichtigen Bereich von x = mm dargestellt. Diese Darstellung wird als Ausgangspunkt für alle später nachfolgenden Auswertungsschritte, die durch das Auswählen der Schnittkandidaten für die Sensorenträger und dem Vergleich des Dickenprofils vor und nach dem Herausschneiden der Sensorenträger aus der Sensorenträger-Platte definiert sind, ausgewählt. Die Abbildung 3.9(b) stellt den relativen Fehler zwischen den beiden Messungen in dem Bereich von x = mm dar.

40 26 KAPITEL 3. INTEGRATION DER SENSORENTRÄGER (a) (b) Abbildung 3.8: (a) Ergebnis der ersten Messung des Dickenprofils und (b) relative Abweichung der gemessenen Dicke zum Mittelwert für den Bereich von x = mm.

41 3.1. SENSORENTRÄGER DER MIMOSA-20 SENSOREN 27 (a) (b) Abbildung 3.9: Ergebnis der beiden Messungen des Dickenprofils für den Bereich von x = mm : (a) Mittelwert der beiden Dickenprofile und (b) relative Abweichung der beiden Dickenprofile zueinander.

42 28 KAPITEL 3. INTEGRATION DER SENSORENTRÄGER Ergebnisse Die in Abbildung 3.8(a) sichtbare Abnahme der Dicke im Bereich von x < 10 und x > 90 ist durch den Herstellungsprozess der Sensorenträger-Platte zu erklären. Für das spätere Einkleben eines Kupferfingers ist eine Strecke von 10 mm an zwei Enden der TPG- Platten nicht mit RVC unterlegt. Die Abbildung 3.9(b) zeigt eine maximale relative Abweichung der beiden Messungen zueinander von 1% an. Mit Hilfe des Mittelwerts (mean) des in die Abbildung gelegten Gaußfits lässt sich die Genauigkeit der Dickenmessung zu einem Wert von 0, 016 mm = 16 µm bestimmen. Dies deckt sich nahezu mit der Messgenauigkeit des Messgerätes von 10 µm. Abbildungen 3.8(a) und 3.9(a) zeigen im Bereich der x-werte X = 40 mm und der y- Werte Y = 60 mm eine Erhöhung an. Diese Erhöhung ist durch einen sichtbaren Fehler im Material einer der TPG-Platten erklärbar, siehe Abbildung 3.7. Die Abbildungen 3.8(a) und 3.9(a) zeigen bei y-werten größer als 80 mm über die gesamten x- Werte Erhöhungen der Dicke an, welche nicht erklärbar sind. Die Ursache dieser Erhöhung könnte über eine genaue Untersuchung der Sensorenträger-Platte unter einem Mikroskop bestimmt werden. Dazu müsste die Verklebung zwischen dem RVC und dem TPG näher untersucht werden. Für die Beantwortung der Frage, ob die in Tabelle 3.1 gemessenen Krümmungen der TPG-Platten einen Einfluss auf das Dickenprofil der Sensorenträger haben, muss auf die Auswertung nach dem Zuschneiden der Sensorenträger aus der Sensorenträger-Platte verwiesen werden. Die Strahlungslänge dieser Dickenverteilung kann unter Berücksichtigung der verwendeten Materialien zu einem Wert von 0,6 % X 0 bestimmt werden Schneiden der Sensorenträger Bevor aus der hergestellten und vermessenen Sensorenträger-Platte die sogenannten Sensorenträger als Halterung für die MIMOSA-20 Sensoren im aktiven Volumen des Detektors herausgeschnitten werden können, wird das an die Platte beim Vermessen angelegte Koordinatensystem auf diese übertragen. Dazu wird für die y-werte 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 und 90 parallel zur x-achse je eine Linie mit einer Reißnadel auf die Oberfläche der Platte geritzt. Diese Linien dienen nach dem Herausschneiden der Sensorenträger als Orientierung für Auswertungen.

43 3.1. SENSORENTRÄGER DER MIMOSA-20 SENSOREN 29 Auswahl der Schnittkandidaten Mit einer weiterführenden Auswertung der gewonnenen Daten über das Dickenprofil der Sensorenträger-Platte werden die Punkte entlang der y-achse gefunden, von welchen ausgehend beim Zuschneiden entlang der x-achse die Sensorenträger mit einer optimalen Homogenität des Dickenprofils erhalten werden können. Die Breite der Sensorenträger soll einen Wert von 11 mm (definiert durch die Breite der MIMOSA-20 Sensoren) betragen. Für die Bestimmung eines optimalen Dickenprofils für die Sensorenträger werden zunächst die y-werte für die jeweiligen Mittelpunkte dieser Sensorenträger bestimmt. Ausgehend von diesen Mittelpunkten werden zwei Punkte im Abstand von ± 5, 5 mm als Kanten der Sensorenträger ausgewählt. Zum besseren Verständnis können die in Abbildung 3.7 eingezeichneten drei möglichen Schnitte symbolisch als ein einzelner Sensorenträger angesehen werden. Der mittlere mögliche Schnitt symbolisiert den Mittelpunkt, die anderen beiden die Kantenpunkte des Sensorenträgers. Mit diesen drei Werten wird unter Zuhilfenahme von linearer Regression der Wert der Dicke für den Mittelpunkt des Sensorenträgers sowie dessen Fehler in Form der Standardabweichung berechnet. Der berechnete Wert der Dicke wird mit den Fehlerbalken auf die x-achse projiziert. Mit diesem Verfahren werden alle Werte entlang der x-achse zu jeder möglichen Mitte der Sensorenträger (y-wert) analysiert. Am Ende dieses Verfahrens existiert für jeden beliebigen Punkt auf der y-achse ein berechnetes Dickenprofil entlang der x-achse mit entsprechenden Fehlerbalken. Es ist so möglich, eine Empfehlung für die optimalen Sensorenträger bezüglich der Dickenhomogenität zu erstellen. Als mögliche Schnittkandidaten werden die folgenden Mittelpunkte ausgewählt: Name Mittelpunkt y [mm] Kantenpunkt y [mm] Sensorenträger ,5-15,5 Sensorenträger ,5-27,5 Sensorenträger ,5-41,5 Sensorenträger ,5-53,5 Tabelle 3.2: Auflistung der möglichen Schnittkandidaten der Sensorenträger. Die in Tabelle 3.2 genannten Kantenpunkte werden als Werte für die Schnitte übernommen. Die Platte wird mit Hilfe einer Tischkreissäge, die maximal 1 mm des Materials wegschneidet, an den Kantenpunkten zerschnitten. Die Vorgehensweise beim Zuschneiden der Sensorenträger entspricht der in Abschnitt beschriebenen Methode.

44 30 KAPITEL 3. INTEGRATION DER SENSORENTRÄGER Dickenmessung der Sensorenträger Die Dickenprofile der Sensorenträger werden nach dem Zuschneiden aus der Sensorenträger- Platte gemessen. Ein Vergleich der Dickenprofile vor und nach dem Zuschneiden der Sensorenträger soll die Frage beantworten, ob das Zuschneiden einen Einfluss auf das Dickenprofil selbst hat. Für jeden Sensorenträger und für jeden x-wert wird die Dicke an den beiden Kantenpunkten sowie an dem Mittelpunkt des Sensorenträgers gemessen, insgesamt werden 63 Messpunkte pro Sensorenträger gemessen. Auswertung Die Auswertung dieser gewonnenen Daten erfolgt wieder mit Hilfe von ROOT, die Vorgehensweise wird im Nachfolgenden beschrieben. 1. Die beiden gemessenen Dickenprofile vor und nach dem Zuschneiden der Sensorenträger sowie der Positionierungsbereich der MIMOSA-20 Sensoren auf den Sensorenträger wird dargestellt, siehe Abbildung 3.10(a), 3.11(a), 3.12(a) und 3.13(a). 2. Die Differenz der gemessenen Dickenprofile vor und nach dem Schneiden wird für den Positionierungsbereich der MIMOSA-20 Sensoren auf den Sensorenträger aufgetragen, siehe Abbildung 3.10(b), 3.11(b), 3.12(b) und 3.13(b). 3. Eine Projektion der Differenz der Dickenprofile auf die y-achse wird vorgenommen und aus dieser die Abweichung der beiden gemessenen Dickenprofile vor und nach dem Zuschneiden der Sensorenträger bestimmt, siehe Abbildung 3.10(c), 3.11(c), 3.12(c) und 3.13(c). Diese Auswertungsschritte werden für alle Sensorenträger dargestellt.

45 3.1. SENSORENTRÄGER DER MIMOSA-20 SENSOREN 31 (a) Vergleich der linearen Regressionen der Dickenprofile vor und nach dem Zuschneiden, Sensorenträger 1, Mittelpunkt y = 10 mm. (b) Differenz der beiden Dickenprofile vor und nach dem Zuschneiden im Bereich x = mm, Sensorenträger 1. (c) Projektion der Differenz der Dickenprofile auf der y-achse vor und nach dem Zuschneiden im Bereich x = mm, Sensorenträger 1. Abbildung 3.10: Ergebnis der Herstellung des Sensorenträgers 1.

46 32 KAPITEL 3. INTEGRATION DER SENSORENTRÄGER (a) Vergleich der linearen Regressionen der Dickenprofile vor und nach dem Zuschneiden, Sensorenträger 2, Mittelpunkt y = 22 mm. (b) Differenz der beiden Dickenprofile vor und nach dem Zuschneiden im Bereich x = mm, Sensorenträger 2. (c) Projektion der Differenz der Dickenprofile auf der y-achse vor und nach dem Zuschneiden im Bereich x = mm, Sensorenträger 2. Abbildung 3.11: Ergebnis der Herstellung des Sensorenträgers 2.

47 3.1. SENSORENTRÄGER DER MIMOSA-20 SENSOREN 33 (a) Vergleich der linearen Regressionen der Dickenprofile vor und nach dem Zuschneiden, Sensorenträger 3, Mittelpunkt y = 36 mm. (b) Differenz der beiden Dickenprofile vor und nach dem Zuschneiden im Bereich x = mm, Sensorenträger 3. (c) Projektion der Differenz der Dickenprofile auf der y-achse vor und nach dem Zuschneiden im Bereich x = mm, Sensorenträger 3. Abbildung 3.12: Ergebnis der Herstellung des Sensorenträgers 3.

48 34 KAPITEL 3. INTEGRATION DER SENSORENTRÄGER (a) Vergleich der linearen Regressionen der Dickenprofile vor und nach dem Zuschneiden, Sensorenträger 4, Mittelpunkt y = 48 mm. (b) Differenz der beiden Dickenprofile vor und nach dem Zuschneiden im Bereich x = mm, Sensorenträger 4. (c) Projektion der Differenz der Dickenprofile auf der y-achse vor und nach dem Zuschneiden im Bereich x = mm, Sensorenträger 4. Abbildung 3.13: Ergebnis der Herstellung des Sensorenträgers 4.

49 3.1. SENSORENTRÄGER DER MIMOSA-20 SENSOREN 35 Ergebnisse Die Dickenprofile der Sensorenträger zeigen in dem für die Positionierung der MIMOSA-20 Sensoren wichtigen Bereich von x = mm eine Übereinstimmung im Rahmen der Fehlerbalken. Diese Übereinstimmung wird durch die Darstellungen der Differenzen der beiden Dickenprofile bestätigt. Mit der Projektion dieser Differenzen auf die y-achse und der damit verbundenen Aussage, welche der Differenzen wie oft gemessen wurden, ist es möglich, einen maximalen Wert für die Variation der Dickenprofile vor und nach dem Zuschneiden der Sensorenträger anzugeben. Dieser wird für den jeweiligen Sensorenträger in Tabelle 3.3 angegeben. Name mean [µm] σ (RMS) [µm] Verwendung Sensorenträger 1 4,51 11,64 Demonstrator Version 0 Sensorenträger 2 0, 2 8, 46 Biegemessungen Sensorenträger 3 0,8 8,7 Demonstrator Version 1 Sensorenträger 4 2,7 6,9 Demonstrator Version 1 Tabelle 3.3: Übereinstimmung der Dickenprofile der Sensorenträger und deren jeweilige Verwendung. Die in Tabelle 3.3 angegebenen Werte weisen eine Standardabweichung der Dickenprofile vor und nach dem Zuschneiden der Sensorenträger von 7 µm bis 12 µm auf. Die Standardabweichung σ wird hierbei als Root Mean Square (RMS) angegeben. Eine Verbesserung der in Tabelle 3.3 dargestellten Werte ist aufgrund der geringen Anzahl an Messpunkten (17) nicht möglich. Bei einer höheren Anzahl von Messpunkten könnten die jeweiligen Standardabweichungen für eine Folge von kleinen Bereichen entlang der Verteilung separat berechnet und somit ein besseres Ergebnis erzielt werden. Die Werte spiegeln die Abweichungen der beiden Dickenprofile der Sensorenträger vor und nach dem Zuschneiden nicht genau wieder. In den Abbildungen 3.10(b), 3.11(b), 3.12(b) und 3.13(b) sind Anhäufungen der eingetragenen Werte um den Wert 0 der Dickendifferenz sowohl im negativen als auch im positiven Bereich sichtbar. Diese Anhäufungen führen bei der in den Abbildungen 3.10(c), 3.11(c), 3.12(c) und 3.13(c) durchgeführten Projektionen auf die y-achse zu einer Verschiebung der Verteilung weg von dem eigentlichen Wert. Diese Anhäufung der Werte der Abweichungen der beiden Dickenprofile der Sensorenträger vor und nach dem Zuschneiden im negativen oder positiven Bereich kann als Anzeichen für eine entstandene Veränderung der Dickenprofile durch das Zuschneiden angesehen werden. Ein optimales Ergebnis des Zuschneidens der Sensorenträger aus der Sensorenträger-Platte würde keine Veränderungen innerhalb des Dickenprofils hervorrufen. Dies ist nicht der Fall, vielmehr zeigen die Abweichungen in den genannten Abbildungen,

50 36 KAPITEL 3. INTEGRATION DER SENSORENTRÄGER dass durch das Zuschneiden ausreichend starke Kräfte auf die Sensorenträger einwirken, die in der Lage sind, die Verbindungen zwischen dem TPG, dem RVC und dem Kleber so zu beeinflussen, dass messbare Veränderungen auftreten. Diese wirkenden Kräfte könnten das Auseinanderbrechen einer der Verbindungen zwischen dem RVC und dem Kleber bewirken, und somit die Rückkehr in den Ausgangszustand nach dem Ende des Zuschneideprozesses verhindern und dadurch zu den messbaren Abweichungen führen. Auf das Zuschneiden der Sensorenträger aus der Sensorenträger-Platte kann jedoch nicht verzichtet werden. Eine Reduzierung des Drucks mit der die Sensorenträger-Platte in die Kreissäge zum Zuschneiden der Sensorenträger geschoben wird, könnte zu einer Minimierung der Abweichungen der beiden Dickenprofile voneinander beitragen. Dies könnte bei einem erneuten Durchlauf des Herstellungsprozesses der Sensorenträger berücksichtigt werden. Beim Schneiden der Sensorenträger-Platte zu den Sensorenträgern wird diese auf das Sägeblatt der Tischkreissäge zugeschoben. Das Sägeblatt drückt das TPG am Rand herunter und verursacht die sichtbaren Abweichungen in den Abbildungen 3.10(a), 3.11(a), 3.12(a) und 3.13(a), die sofort verschwinden, sobald die Kreissäge die mit RVC unterlegten Bereiche erreicht (Positionierungsbereich der MIMOSA-20 Sensoren). Eine Reduzierung dieser Abweichungen könnte durch das Einschieben eines 3 mm dicken (Dicke des RVCs) und mindestens 10 mm langen Materials für die Dauer des Zuschneidens der Sensorenträger erreicht werden. Das TPG könnte durch das Sägeblatt nicht mehr herunter gedrückt werden und die Abweichungen der gemessenen Dickenprofile in diesem Bereich könnten reduziert werden. Für die Bestimmung der Krümmung der Sensorenträger wird in die Vergleiche des Dickenprofils vor und nach dem Zuschneiden der Sensorenträger jeweils mit Hilfe eines Kreisfits ein Kreisbogen eingefügt. Dieser wird so angepasst, dass die in den Graphen dargestellten Daten möglichst gut durch den Kreisbogen beschrieben werden. Für den Sensorenträger Nummer 2 wird dies exemplarisch in Abbildung 3.14(a) dargestellt. Der erhaltene Krümmungsradius wird für die jeweiligen Sensorenträger in Tabelle 3.4 angegeben. Mit Hilfe der in Abbildung 3.14(b) dargestellten Methode und den Formeln zur Berechnung eines Kreisradiuses R = x 2 + y 2 sowie y = R y(x) können die Krümmungen berechnet werden. Dies gilt insbesondere für den Abstand des Kreisbogens von der Geraden g (vergleiche Abbildung 3.14(b) und 3.2), sowie die Krümmungen der Sensorenträger an den Stellen x = l = 100 mm (siehe Tabelle 3.1), x = l = 80 mm und x = l = 20 mm (Länge eines MIMOSA- 20 Sensors). Diese Werte werden zusätzlich in Tabelle 3.4 angegeben.

51 3.1. SENSORENTRÄGER DER MIMOSA-20 SENSOREN 37 (a) (b) Abbildung 3.14: Ergebnis der Betrachtung der Krümmungen der Sensorenträger: (a) Vergleich der Dickenprofile für den Sensorenträger 2 mit dem die Datenpunkte am besten beschreibenden Krümmungsradius und (b) Schema zur Berechnung des Abstandes des Kreisbogens von der Geraden g.

52 38 KAPITEL 3. INTEGRATION DER SENSORENTRÄGER Name Krümmungsradius [mm] Abstand y [mm] von Geraden g für Länge x=l 100 mm 80 mm 20 mm Sensorenträger , 2 0, 13 0, 008 Sensorenträger , 2 0, 13 0, 008 Sensorenträger , 28 0, 18 0, 012 Sensorenträger , 25 0, 16 0, 01 TPG-Platte Nummer 2 2,2 Tabelle 3.4: Auflistung der Krümmungen der Sensorenträger und Abstand des Kreisbogens von der Geraden g für eine gegebene Länge l, sowie der Vergleich der Krümmungen der Sensorenträger mit der Krümmung der TPG-Platte Nummer 2. Der Vergleich der Krümmungen der Sensorenträger für eine Länge von 100 mm mit den Werten der gemessenen Krümmungen der TPG-Platten in Tabelle 3.1 vor der Herstellung der Sensorenträger zeigt, dass die Werte der Krümmungen der Sensorenträger um einen Faktor 10 besser sind, als die der TPG-Platten. Die gegenüberliegende Anordnung der gekrümmten TPG-Platten, siehe Abbildung 3.2, hat zu den gewünschten Ergebnissen in der Reduzierung der messbaren Kümmungen geführt. Für einen MIMOSA-20 Sensor, der auf diese gekrümmten Sensorenträger geklebt wird, bedeutet diese Krümmung eine Biegung von 10 µm entlang seiner Längskanten. Insbesondere für auf 50 µm gedünnte Sensoren bedeutet die Krümmung, dass die Sensoren nicht mehr planar sind, sondern sich der Krümmung der Sensorenträger anpassen. Die z-position der MIMOSA- 20 Sensoren ist somit im Detektor, siehe Abbildung 6.1, nicht mehr konstant. Für den finalen MVD ist eine konstante Position jedes einzelnen Sensors in z-richtung unabdingbar. Die Krümmung der Sensorenträger muss aus diesem Grund für zukünftige Sensorenträger reduziert werden. Eine Reduzierung der Krümmungen könnte mit der Verwendung einer TPG-Platte mit einer geringeren Krümmung, siehe Tabelle 3.1, und dem erneuten Durchlauf des Herstellungsprozesses der Sensorenträger, oder mit der Verwendung eines Verfahrens, welches die Oberfläche der TPG-Platten vor der Herstellung der Sensorenträger mechanisch planar fräst, erreicht werden.

53 3.2. POSITIONIERUNG DER SENSOREN UNTER DEM FPC Positionierung der Sensoren unter dem FPC Eine reproduzierbare und mit hoher Genauigkeit durchgeführte Positionierung der MIMOSA- 20 Sensoren zu dem FPC ist zwingend erforderlich. Der Betrieb der Sensoren wird über die Auslesekette bestehend aus den aktiven Modulen des MVD Demonstrators - dem Ausleseboard, dem FPC und den Sensoren selbst - realisiert. Die elektrische Verbindung der MIMOSA- 20 Sensoren mit dem FPC geschieht über Bondingdrähte. Hierbei werden die Bänke des FPCs, siehe Abbildung 2.3(b), mit den Bonding-Pads auf den MIMOSA-20 Sensoren mit 25 µm dünnen Aluminiumdrähten [PRW] verbunden. Bei der Positionierung der Sensoren dürfen die Sensoren nicht beschädigt werden. Zusätzlich darf die elektrische Verbindung zwischen den Sensoren und dem FPC nicht zerstört werden, da ein fehlerfreier Betrieb der Sensoren sonst nicht mehr gewährleistet werden kann. Die Positionierung der Sensoren muss neben einer hohen Reproduzierbarkeit und Genauigkeit noch den Aspekt eines mechanischen Schutzes der Bondingdrähte, siehe Abbildung 2.3(b), erfüllen. Dieser mechanische Schutz wird über das Verkleben der MIMOSA-20 Sensoren mit dem FPC erreicht Durchführung Für die Positionierung der MIMOSA-20 Sensoren unter dem FPC wird ein Aluminiumblock als Werkzeug verwendet. Der Block besitzt auf der Oberseite eine Vertiefung, in die zwei MIMOSA-20 Sensoren nebeneinander eingelegt werden können. Die beiden MIMOSA-20 Sensoren liegen hierbei auf Stoß aneinander. Die Einfräsung hat eine Tiefe von 750 µm. Die Breite und die Länge der Einfräsung orientieren sich an Maßen der MIMOSA-20 Sensoren und sind so gewählt, dass zwischen den Sensoren und den Rändern der Vertiefung ein Abstand von maximal 250 µm zu messen ist. Die Position der MIMOSA-20 Sensoren in der Vertiefung des Aluminiumblocks wird mit Unterdruck fixiert. Die dazu notwendigen Bohrungen sind ebenso wie der Aluminiumblock und ein Querschnitt der Anordnung auf dem Aluminiumblock (MIMOSA-20, FPC und Positionierungshilfe) in der Abbildung 3.15 dargestellt. Der Rand der Oberseite des Aluminiumblocks ist zusätzlich mit Bohrungen in verschiedenen Abständen zueinander versehen. Diese erlauben die Fixierung des FPCs in dem noch zu beschreibenden Prozess des Verklebens der MIMOSA-20 Sensoren mit dem FPC. Für das Verkleben von je zwei MIMOSA-20 Sensoren mit einem FPC wird das FPC zunächst gereinigt. Auf die Unterseite des FPCs wird der in Kapitel beschriebene Kleber von CMC geklebt. Dieser soll für die mechanische Verbindung des FPCs mit den MIMOSA-20 Sensoren sorgen. Das Aufbringen des Klebebands geschieht von Hand und wird für eine möglichst hohe Präzision unter einem Mikroskop vorgenommen. Bis zum endgültigen Kleben des FPCs auf den Sensoren nach der Positionierung dessen über den Sensoren wird die Schutzfolie des Klebebands nicht abgelöst. Die Positionierungsversuche des FPCs über den MIMOSA-20 Sensoren können ohne ein Anhaften der Sensoren an dem Kleber durchgeführt werden.

54 40 KAPITEL 3. INTEGRATION DER SENSORENTRÄGER (a) (b) Abbildung 3.15: (a) Oberseite des Aluminiumblocks als Werkzeug zum Verkleben des FPCs mit den Sensoren und für das Bonden und (b) Querschnitt durch den Aluminiumblock, die MIMOSA-20 Sensoren, das FPC und die Positionierungshilfe. Die Positionierung des FPCs über den Sensoren geschieht mit Hilfe von je zwei markanten Punkten auf den Sensoren und dem FPC. Diese sind in Abbildung 3.16 gekennzeichnet. Der erste Punkt (P1), welcher die Position des FPCs auf den Sensoren in x-richtung festlegt, ist die Stoßkante der beiden Sensoren aneinander. Diese muss mit der Lücke zwischen den Bonding-Bänken des FPCs übereinstimmen. Der zweite Punkt (P2), der die Position in y-richtung definiert, ist der Abstand zwischen der Kante des FPCs und der Kante der Sensoren. Das FPC wird so positioniert, dass neben den Bonding-Pads noch deren Codierung auf dem Sensor selbst sichtbar ist. Das FPC wird mit Hilfe eines Winkels, nachdem es in die endgültige Position über den MIMOSA- 20 Sensoren gebracht wurde, fixiert. Dazu wird das FPC festgehalten und der Winkel als Positionierungshilfe an dieses angelegt, siehe Abbildung Der Winkel wird mit den Bohrungen am Rand des Aluminiumblocks verschraubt. Die Positionierungspunkte werden visuell auf ihre Übereinstimmung überprüft und die Position des FPCs zu den Sensoren gegebenenfalls angepasst. Der letzte Schritt in der Positionierung der MIMOSA-20 Sensoren zu dem FPC ist das Verkleben. Nach der Entfernung der Schutzfolie des Klebers wird das FPC in den Winkel geschoben und vorsichtig auf die Sensoren heruntergelassen, wobei ein stetiger Druck mit dem FPC auf den Winkel ausgeübt wird, um die über den Winkel eingestellte Position des FPCs auf den Sensoren zu erreichen. Sobald das FPC auf den Sensoren aufliegt, werden die Positionierungspunkte erneut überprüft. Bei einer Übereinstimmung wird das FPC auf die beiden MIMOSA-20 Sensoren gedrückt.

55 3.2. POSITIONIERUNG DER SENSOREN UNTER DEM FPC 41 Abbildung 3.16: Positionierung des FPCs über den Sensoren mit den Positionierungspunkten Ergebnisse Die Genauigkeit des Positionierungsprozesses der MIMOSA-20 Sensoren zu dem FPC wird durch die Übereinstimmung der Positionierungspunkte bestimmt. Diese werden während der Positionierung mehrfach auf ihre Übereinstimmung hin überprüft, um eine größtmögliche Genauigkeit zu erhalten. Die wiederholte Überprüfung der Positionierungspunkte empfiehlt sich, da eine Korrektur der Position des FPCs auf den Sensoren nach dem Entfernen der Schutzfolie des Klebers ohne eine Beschädigung des FPCs und der Sensoren nur eingeschränkt möglich ist. In Abbildung 3.16 sind zusätzlich zu den genannten Positionierungspunkten noch weitere angegeben. Diese wurden nach mehreren Positionierungsdurchläufen des FPCs über den MIMOSA- 20 Sensoren gemessen (jedoch nicht für die in den Demonstrator Versionen 0 und 1 verwendeten Kombinationen aus MIMOSA-20 Sensoren und FPC) und die jeweiligen Mittelwerte der Abstände werden in Tabelle 3.5 angegeben. Die Reproduzierbarkeit der Positionierung ist somit gegeben. Das Resultat der Positionierung ist in Bild 3.17 dargestellt und kann der Elektronikabteilung des Institutes für Kernphysik zum Herstellen des elektrischen Kontaktes zwischen den MIMOSA-20 Sensoren und dem FPC über die Bondingdrähte übergeben werden.

56 42 KAPITEL 3. INTEGRATION DER SENSORENTRÄGER Positionierungspunkt Merkmale Abstand [µm] P1 Abstand zwischen der 50 ± 5 Stoßkante der Sensoren und den Bondingbänken P2 Abstand zwischen der Kante 440 ± 10 der Sensoren und der Kante des FPCs P3 Breite eines Bonding-Pads 100 P4 Abstand zwischen den 20 ± 10 Sensoren P5 Versatz der beiden Sensoren maximal 30 P6 Abstand zwischen der Kante 1000 des FPCs und den Bondingbänken P7 Abstand zwischen den Bondingbänken 100 Tabelle 3.5: Auflistung der Positionierungspunkte auf dem FPC und den MIMOSA-20 Sensoren. Abbildung 3.17: Resultat des Verklebens des FPCs mit den Sensoren.

57 Kapitel 4 Charakterisierung des Demonstrators V0 Die Charakterisierung des Demonstrators Version 0 befasst sich mit den Eigenschaften der Sensorenträger, deren Integration in einen experimentellen Aufbau im Labor sowie mit Kühlungstests dieses Aufbaus. 4.1 Bestimmung des Elastizitätsmoduls der Sensorenträger Für die in Kapitel 3.1 hergestellten Sensorenträger für die Sensoren des Demonstrators werden Messungen zur Bestimmung eines Wertes für deren Elastizitätsmodul durchgeführt. Die hergestellten Sensorenträger werden für die Integration in die experimentellen Aufbauten mit den Kupferfingern verklebt. Die Anordnung ist in Abbildung 2.1 dargestellt. Die Kupferfinger werden fest mit der Kühlsenke verschraubt. Das Ergebnis ist eine starre Verbindung der Sensorenträger zur Seite der Kühlsenke hin. Auf der anderen Seite ragen die Sensorenträger für die MIMOSA-20 Sensoren in den freien Raum hinein. Diese Anordnung erfüllt alle Voraussetzungen für eine Betrachtung als ein sogenannter einseitig fest eingespannter Balken. Für einen einseitig eingespannten Balken ist es wichtig, seine Reaktion auf eine Gewichtsbelastung zu kennen. Die Frage, wieviel Gewicht auf die Sensorenträger wirken darf, bevor es zu irreparablen Schäden in der inneren Struktur selbst kommt, ist wichtig in Bezug auf das Alignment im MVD Demonstrator (Verschiebung der Position der Sensoren), genauso wie die Kenntnis der durch die wirkende Kraft verursachten Auslenkung. Neben der durch eine Gewichtsbelastung der Sensorenträger verursachten Auslenkung wird geprüft, ob die Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien bei Erwärmung oder Abkühlung zu Veränderungen der Stabilität der Sensorenträger führen können und zu welchen Auslenkungen die Lorentzkraft bei einem Betrieb des Demonstrators in einem dem finalen Aufbau des CBM- Experiments entsprechenden Magnetfeld führen kann. 43

58 44 KAPITEL 4. CHARAKTERISIERUNG DES DEMONSTRATORS V0 Zur Beantwortung dieser Fragen werden die Sensorenträger für die MIMOSA-20 Sensoren sowie ein 1 mm dünner TPG-Streifen mit den gleichen Maßen Belastungstests unterzogen. Für die Eichung des Versuchsaufbaus werden drei Streifen aus Messing, aus 99, 9%-igem Kupfer und aus Aluminium mit den entsprechenden Maßen zusätzlich diesen Belastungstests unterzogen. Der für diese Messungen notwendige experimentelle Aufbau wird in Kapitel beschrieben. Die für die Berechnung des Elastizitätsmoduls benötigten mathematischen Zusammenhänge werden in Kapitel hergeleitet, zur Ergänzung siehe [BUB] Theorie Unter der Annahme, dass die auf die Sensorenträger der MIMOSA-20 Sensoren wirkende Kraft proportional zu der daraus resultierenden Auslenkung ist, handelt es sich um eine elastische Verformung der Sensorenträger. Dies ist solange richtig, wie es dem Material selbst möglich ist, sich nach der Beendigung der wirkenden Belastung in den Ausgangszustand zurückzuversetzen. Im Bereich dieser elastischen Verformungen ist die Normalspannung σ = F/A definiert als Kraft pro Querschnitt, proportional zur relativen Längenänderung ε = l/l. Als Proportionalitätsfaktor im Hooke schen Gesetz wirkt das Elastizitätsmodul E. Die Formel ergibt sich zu σ = E ε. (4.1) Im Geltungsbereich des Hooke schen Gesetzes wird bei einer Belastung des einseitig eingespannten Balkens und der daraus resultierenden Biegung die obere Hälfte des Querschnitts des Balkens gedehnt, während die untere Hälfte gestaucht wird. Dies wird in Abbildung 4.1 dargestellt. Die neutrale Faser ist definiert durch den Bereich des Balkenquerschnitts, der bei einer Belastung weder eine Stauchung noch eine Streckung erfährt. In der Darstellung 4.1 ist a der Abstand zweier Querschnitte des Balkens im unbelasteten Zustand, gemessen entlang der neutralen Faser. Bei einer Krafteinwirkung auf das freie Ende des Balkens wird dieser Abstand durch die Krümmung des Balkens verändert. Diese Krümmung kann mit dem Krümmungsradius R(x), der entlang der neutralen Faser definiert ist, beschrieben werden. Der Krümmungsradius ist im Allgemeinen abhängig von dem Ort, an dem auf dem Balken gemessen wird. Der Abstand a zwischen den beiden betrachteten Querschnitten des Balkens ist bei der Krümmung abhängig von der Entfernung zur neutralen Faser. Diese Entfernung wird mit y beschrieben. Unter Zuhilfenahme des Strahlensatzes gilt R(x) + y R(x) = a a.

59 4.1. BESTIMMUNG DES ELASTIZITÄTSMODULS DER SENSORENTRÄGER 45 Abbildung 4.1: Skizze zur Biegung eines einseitig eingespannten Balkens bei Belastung. Dies lässt sich so umformen, dass die Relation von y und R(x) gleich der Relation der beiden Abstände zwischen den Querschnitten ist - was wiederum gleich der relativen Längenänderung ist. Es gilt die Gleichung y R(x) = a a = ε = σ(x,y) a E. (4.2) Die Spannung ist nun abhängig von dem Ort x auf dem Balken, an dem gemessen wird, und dem Abstand dieses Ortes zu der neutralen Faser. Die Biegung verursacht in den Querschnitten des Balkens verschiedene Zug- und Druckkräfte, die aus der Streckung und Stauchung der jeweiligen Hälfte des Querschnittes ober- und unterhalb der neutralen Faser resultieren. Diese erzeugen ein Drehmoment innerhalb des Balkens, welches mit einer Integration über den Querschnitt bestimmt werden kann: M (x) = y σ(x,y)da. (4.3) Für die Spannung kann der Wert aus Formel 4.2 eingesetzt werden: M (x) = E R(x) y 2 da. (4.4) Das Integral kann als I = y 2 da

60 46 KAPITEL 4. CHARAKTERISIERUNG DES DEMONSTRATORS V0 geschrieben werden. Mit dem Symbol I wird das Flächenträgheitsmoment und mit y der Abstand eines Flächenelementes da zur neutralen Faser bezeichnet. Das Flächenträgheitsmoment kann je nach Definition der Achsen als I y oder I z geschrieben werden. Mit Hilfe der Abbildungen 4.2 kann das Flächenträgheitsmoment zu I y bestimmt werden. (a) (b) Abbildung 4.2: (a) Koordinatensystem zur Biegung und (b) Skizze zum Auswählen des Flächenträgheitsmoments. Die Berechnung des Flächenträgheitsmoments kann unter Verwendung der Höhe h und der Breite b mit der Formel I y = h3 b (4.5) 12 erfolgen. Durch die von außen auf den Balken einwirkende Kraft entsteht an jeder beliebigen Stelle x im Balken ein Drehmoment: M (x) = (L x) F. (4.6) Der Wert L gibt die Länge des Teils des Balkens an, welcher nicht eingespannt ist. Das Drehmoment an dem Ort x muss gleich dem Drehmoment sein, das innerhalb des Balkens erzeugt wird. Es gilt somit M (x) = (L x) F = E R(x) I y. (4.7) Für den Krümmungsradius R(x) kann die differential-geometrische Beziehung d 2 D(x) dx 2 = 1 R(x) eingesetzt werden, wobei D(x) die Auslenkung im Punkt x ist. Die Formel 4.7 wird zu

61 4.1. BESTIMMUNG DES ELASTIZITÄTSMODULS DER SENSORENTRÄGER 47 d 2 D(x) (L x) dx 2 =. (4.8) E I y Diese Formel kann mittels zweimaliger Integration unter der Berücksichtigung, dass die neutrale Faser in der Einspannstelle horizontal verläuft und keine Durchbiegung vorliegt - das heißt es gilt bei x = 0 y = 0 und dd(x) dx = 0 - in ihre Grundform übergeführt werden. Das Ergebnis der Integration ist D(x) = F ) (L x 2 x3. (4.9) 2 E I y 3 An der Stelle x = L, welche den äußersten Punkt des freien Balkens darstellt, ergibt sich die Formel 4.9 zu D(L) = F L 3 mit I y = h3 b 4 F folgt D(L) = 3 E I y 12 E h 3 b L3. (4.10) Mit diesen Formeln können die Belastungsmessungen durchgeführt und mit dem Ziel, das Elastizitätsmodul zu bestimmen ausgewertet werden Aufbau Für die Messungen der Biegesteifigkeit der Sensorenträger, des TPGs sowie der Referenzmaterialien Messing, Kupfer und Aluminium wird ein Messstand gebaut. Dieser besteht aus einem Aluminium-Flexlink-Rahmen und kann mit dem Messtisch verschraubt werden. Die Halterung für die zu messenden Materialien ist ein zu einem U gefräster Aluminium-Block. Dieser wird von oben und unten mit Bohrungen versehen, so dass das zu testende Material zwischen zwei kleinen Aluminium-Plättchen geschraubt und fixiert werden kann. Mit weiteren Schrauben wird die Halterung höhenverstellbar an dem Flexlink-Rahmen befestigt. Zur Messung der Biegung bei der Belastung der Materialien wird eine Messuhr [HHW] mit einer Genauigkeit von 1 µm auf einem fahrbaren Schlitten unter die Oberseite des Rahmens montiert. Die Messuhr wird zu den zu messenden Materialien in der Weise angeordnet, dass der Messkopf während der Messung von oben auf die Materialien herabgelassen und die Auslenkung direkt an der Skala der Uhr abgelesen werden kann. Der Aufbau für die Messungen der Biegesteifigkeit ist in Abbildung 4.3 dargestellt.

62 48 KAPITEL 4. CHARAKTERISIERUNG DES DEMONSTRATORS V0 (a) (b) Abbildung 4.3: (a) Aufbau zur Messung der Biegesteifigkeit und (b) Skizze Messvorgang Die Messungen werden exemplarisch für den Sensorenträger Nummer 2 (siehe Tabelle 3.2) und für das 1 mm dicke TPG durchgeführt. Als Referenz und zur Eichung des gesamten Messstandes wird zusätzlich das Biegungsverhalten von einem 1 mm dicken Aluminium-, Kupferund Messing-Streifen gemessen. Ein Kontakt zwischen der Messuhr und dem Material muss bei der Positionierung der Messuhr über den zu messenden Punkten auf der Materialoberfläche verhindert werden, da die Kraft, mit der der Messkopf der Messuhr auf das Material drückt, ausreicht, um dieses sichtbar zu biegen. Mit Hilfe eines Ohmmeters wird die Beeinflussung der Messergebnisse durch den Messprozess selbst minimiert. Ohne den Kontakt zwischen den Materialien, die alle elektrisch leitend sind, und dem Messkopf zeigt das Ohmmeter einen Kurzschluss an. Sobald der Messkopf das zu messende Material berührt, wird der Stromkreis geschlossen, das Ohmmeter misst einen indirekten Widerstand und der Wert auf der Skala der Messuhr kann notiert werden. Ein Messvorgang wird nach dem folgenden Schema durchgeführt: Zu Beginn eines Messvorganges wird eine Nullmessung durchgeführt. Bei dieser Messung wird der Verlauf des Materials über die gesamte Materiallänge ohne Belastung gemessen. Entlang des Materials werden alle 5 mm Messpunkte definiert. Jeder dieser Messpunkte wird hintereinander zehn Mal gemessen, um eine ausreichende Statistik für die spätere Fehlerrechnung zu gewinnen und um Ablesefehler an der Skala der Messuhr zu minimieren.

63 4.1. BESTIMMUNG DES ELASTIZITÄTSMODULS DER SENSORENTRÄGER 49 Die Nullmessung definiert vor jeder Belastungsmessung einen unabhängigen Ausgangszustand. Es soll verhindert werden, dass auftretende Schäden an der inneren Struktur der Materialien, die durch die Biegung des Materials verursacht werden könnten, nicht erkannt werden und die nachfolgenden Messungen dadurch beeinträchtigt werden könnten. Für die Belastungsmessung wird am freischwebenden Ende des Materials ein Gewicht positioniert. Die durch die Gewichtsbelastung hervorgerufene Biegung des Materials wird über die gesamte Materiallänge gemessen. Analog zu der Messung ohne Belastung werden entlang des Materials alle 5 mm Messpunkte definiert, von denen jeder zehn Mal hintereinander gemessen wird. Ein weiterer Messvorgang beginnt mit einer erneuten Nullmessung. Eine Übersicht über die Gewichte und die mit diesen belasteten Materialien ist in Tabelle 4.1 angegeben. Gemessene Materialien Gewicht [g] Kraft F [N] TPG Sensorenträger Aluminium Messing Kupfer 10 0, 0981 X X X 20 0, 1962 X X X X X 30 0, 2943 X X X 40 0, 3924 X X 50 0, 4905 X X X X X 60 0, 5886 X X 70 0, 6867 X X 80 0, 7848 X X 90 0, 8829 X X 100 0, 981 X X X X X Tabelle 4.1: Übersicht der Gewichte und der Materialien für die Biegemessung Ergebnisse Die wirklichen Biegungen der Materialien werden durch die Subtraktion der Nullmessung von der Belastungsmessung erhalten. Die Biegungen werden für alle beschriebenen Gewichte gemessen. Als Ausgangspunkt der maximalen Biegung mit welcher im weiteren Verlauf das Elastizitätsmodul bestimmt wird, wird für alle Messungen der Punkt gewählt, der auf dem Balken 50 mm von der Einspannstelle in die Halterung entfernt ist. Die Biegung wird somit nach einem freien Verlauf von x = L = 50 mm gemessen. Die errechneten Werte der Biegung, Belastungsmessung minus Nullmessung, an dieser Stelle

64 50 KAPITEL 4. CHARAKTERISIERUNG DES DEMONSTRATORS V0 werden für den Sensorenträger und für das TPG in der Tabelle 4.2 angegeben und in den Abbildungen 4.4(a), 4.5(a) graphisch dargestellt. Biegung an der Stelle D(L) Gewicht [g] Kraft F[N] TPG [µm] Sensorenträger[µm] 10 0, ± ± , ± ± , ± ± , ± ± , ± ± , ± ± , ± ± , ± ± , ± ± , ± ± 4 Tabelle 4.2: Errechnete Biegungen für das TPG und den Sensorenträger; die Bestimmung des angegebenen Fehlers erfolgt über den Mittelwert und die Standardabweichung der Biegemessungen. Mit den errechneten Werten der Biegung an der Stelle L kann das Elastizitätsmodul berechnet werden. Bis auf das Flächenträgheitsmoment sind alle Werte der Formel 4.10 bekannt. Das Flächenträgheitsmoment wird mit Hilfe der Formel 4.5 zu den Werten in Tabelle 4.3 bestimmt, wobei für die Breite der Materialien jeweils b = 11 mm, für die Höhe der TPGs h = 1 mm und die Höhe des Sensorenträgers h = 4,5 mm eingesetzt wird. Flächenträgheitsmoment TPG Flächenträgheitsmoment Sensorenträger I = mm 4 = 0,92 mm 4 I = mm 4 = 83,53 mm 4 Tabelle 4.3: Berechnete Flächenträgheitsmomente. Die Formel 4.10 wird zur Berechnung des Elastizitätsmoduls nach diesem umgeformt und somit die Beziehung erhalten. E = 4 F D(L) h 3 b L3 (4.11) Die verwendeten Parameter und Messgrößen zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls sind fehlerbehaftet, weswegen eine Fehlerrechnung zur Bestimmung von E durchgeführt werden

65 4.1. BESTIMMUNG DES ELASTIZITÄTSMODULS DER SENSORENTRÄGER 51 muss. Der Fehler, welcher in die Messungen eingeht, setzt sich aus einem systematischen und einem statistischen Fehler zusammen. Zur Bestimmung des statistischen Fehlers werden die Messungen pro Messpunkt zehn Mal wiederholt; zur Bestimmung des systematischen Fehlers werden neben den zu messenden Materialien zusätzlich Materialien mit einem bekannten Elastizitätsmodul gemessen. Zur Bestimmung des Fehlers muss die Messungenauigkeit von allen an der Berechnung des Elastizitätsmoduls beteiligten Parameter mit in die Rechnung einbezogen werden. Die Fehler für den Parameter F (die Gewichte mit hoher Genauigkeit [PrG]) und I (Abmessungen des TPGs und des Sensorenträgers) werden in der Fehlerrechnung nicht berücksichtigt, da diese durch die angenommenen Fehler in x dominiert werden. Für die Bestimmung des statistischen Fehlers werden die folgenden Schritte unternommen: Der Fehler in der Positionierung der Messuhr über den zu messenden Materialien wird mit ± 0,5 mm angenommen. Ausgehend von der Formel 4.9 und deren Abhängigkeit von dem Ort x auf dem Material, dient die Gaußsche Fehlerfortpflanzung als Grundlage der Fehlerrechnung, welche übertragen auf den vorliegenden Fall, über E = ( E x x ) 2 ( ) E 2 + D(x) D(x) (4.12) definiert ist. Die beiden Terme in Formel 4.12 werden separat betrachtet und berechnet. Für den vorderen Term ergibt sich die Formel zu Für den hinteren Term wird die Formel [ E D(x) D(x) = E x x = F (2Lx x 2) x. (4.13) 2 D(x) I y F 2 D(x) I y (2Lx x 2) + F 2 D(x) 2 (Lx 2 x 3 /3 ) ] D(x) (4.14) I y bestimmt. Die zusammengesetzte Formel der Fehlerrechnung ergibt sich zu E = + ( ( F (2Lx x 2) ) 2 x 2 D(x) I y ([ F (2Lx x 2) F + 2 D(x) I y 2 D(x) 2 (Lx 2 x 3 /3 ) ] ) 2 1/2 D(x)). (4.15) I y

66 52 KAPITEL 4. CHARAKTERISIERUNG DES DEMONSTRATORS V0 Die Werte für D(x) ergeben sich aus der Berechnung des Mittelwertes und der Standardabweichung der Null- und Belastungsmessungen. Der Wert von D(x) in Formel 4.14 wird mittels einer Abschätzung bestimmt. Dazu wird in die Abbildungen 4.4(b), 4.5(b) je eine lineare Ausgleichsgerade gelegt. Die erhaltene Geradengleichung wird in Formel 4.14 für D(x) eingesetzt. Das errechnete Elastizitätsmodul des TPGs und des Sensorenträgers wird in Tabelle 4.4 und in den Abbildungen 4.4(c), 4.5(c) dargestellt. Gewicht [g] Elastizitätsmodul TPG [kn/mm 2 ] Elastizitätsmodul Sensorenträger [N/mm 2 ] 10 66,5 ± 1,4 482 ± ,8 ± 1,2 440 ± ,9 ± 1,4 437 ± ,6 ± 1,5 611 ± ,2 ± 1,4 599 ± ,1 ± 1,4 650 ± ,3 ± 1,0 701 ± ,9 ± 1,3 634 ± ,0 ± 1,4 669 ± ,4 ± 1,4 606 ± 13 Tabelle 4.4: Errechnete Elastizitätsmodule für das TPG und den Sensorenträger, inklusive des statistischen Fehlers. Die Ausgleichsgeraden in Abbildung 4.4(c) und 4.5(c) ergeben für den Sensorenträger einen Wert von 550±95 N/mm 2 und für das TPG einen Wert von 61,2±7,1 kn/mm 2. Die angegebenen Fehler dieser Ausgleichsgeraden resultieren aus der Standardabweichung des Mittelwertes der Elastizitätsmodule aus der Biegemessung, vergleiche Tabelle 4.4. Der Wert des Elastizitätsmoduls für das TPG ist doppelt so groß, wie der vom Hersteller angegebene Wert von 34,5 kn/mm 2. Dies deutet auf einen größeren systematischen Fehler hin. Zur Bestimmung dieses systematischen Fehlers werden Biegemessungen für die Materialien Aluminium, Kupfer und Messing mit den Abmessungen des TPG-Streifens durchgeführt. Die den Biegungen zugrunde liegenden Massen sind in Tabelle 4.1 aufgeführt. Die errechneten Elastizitätsmodule werden mit ihrem jeweiligen statistischen Fehler in Tabelle 4.5 angegeben. Die Mittelwerte der Elastizitätsmodule für die drei als Referenz gemessenen Materialien Messing, Aluminium und Kupfer betragen die Hälfte der aus der Literatur bekannten Werte, vergleiche 4.5.

67 4.1. BESTIMMUNG DES ELASTIZITÄTSMODULS DER SENSORENTRÄGER 53 (a) Auslenkung gegen Belastung auf das TPG; Abweichungen vom linearen Zusammenhang zwischen der Belastung und der Auslenkung können aus der Rauheit des TPGs resultieren. (b) Biegungsverlauf 100 Gramm auf dem TPG. (c) Ausgleichsgerade für die Elastizitätsmodule des TPGs. Abbildung 4.4: Übersicht der Biegung des TPGs.

68 54 KAPITEL 4. CHARAKTERISIERUNG DES DEMONSTRATORS V0 (a) Auslenkung gegen Belastung auf dem Sensorenträger; Abweichungen vom linearen Zusammenhang zwischen der Belastung und der Auslenkung können aus der Rauheit des TPGs resultieren. (b) Biegungsverlauf 100 Gramm auf dem Sensorenträger. (c) Ausgleichsgerade für die Elastizitätsmodule des Sensorenträgers. Abbildung 4.5: Übersicht der Biegung des Sensorenträgers.

69 4.1. BESTIMMUNG DES ELASTIZITÄTSMODULS DER SENSORENTRÄGER 55 Elastizitätsmodul [kn/mm 2 ] Gewicht [g] Aluminium Messing Kupfer 10 38,7 ± 0, ,9 ± 0,6 53,4 ± 1,1 60,9 ± 1, ,7 ± 0, ,8 ± 0,7 48,1 ± 1,0 59,3 ± 1, ,4 ± 0,6 49,3 ± 1,0 50,3 ± 1,0 Mittelwert 33,3 ± 0,7 50,3 ± 1,0 56,8 ± 1,2 Literaturwert 70, Tabelle 4.5: Elastizitätsmodule für 1 mm Aluminium, 1 mm Kupfer und 1 mm Messing mit statistischem Fehler. Als Gründe für die Reproduzierbarkeit dieses Faktors können sowohl Abweichungen von den für die Materialien bekannten Zusammensetzungen (Aluminium = AlMg3, Messing = CuZn37, Kupfer = SF CU F24), als auch vorhandene aber nicht bekannte innere Spannungen, die die Messung des eigentlichen Werts des Elastizitätsmoduls verhindern, oder ein zu einfacher Aufbau zur Messung des Elastizitätsmoduls angesehen werden. Weitere Biegemessungen mit Materialien von einem höheren Reinheitsgrad und keinerlei inneren Spannungen wurde während dieser Arbeit nicht durchgeführt, ebenso wenig wurde eine Änderung an dem Aufbau zur Bestimmung der Elastizitätsmodule und eine anschließende erneute Bestimmung der Elastizitätsmodule vorgenommen. Die mit den Referenzmaterialien durchgeführte Eichung des Aufbaus zur Bestimmung der Elastizitätsmodule des TPGs und der Sensorenträger führt zu einem gemessenen systematischen Fehler von einer Größe eines Faktors 2. Dieser zusätzliche Faktor muss in den Angaben für die entsprechenden Elastizitätsmodule berücksichtigt werden; die Elastizitätsmodule für diese beiden Materialien werden mit dem Faktor 2 multipliziert. Das mit dem systematischen Fehler korrigierte Elastizitätsmodul für das TPG wird zu einem Wert von 122,4 ± 7,1 kn/mm 2 bestimmt. Für die Sensorenträger wird das Elastizitätsmodul zu einem Wert von 1100 ± 95 N/mm 2 bestimmt. Das mit dem systematischen Fehler korrigierte Elastizitätsmodul für das TPG liegt um einen Faktor 3,5 über dem vom Hersteller angegebenen Wert des Elastizitätsmoduls für TPG.

70 56 KAPITEL 4. CHARAKTERISIERUNG DES DEMONSTRATORS V Beurteilung der Werte des Elastizitätsmoduls des TPG und der Sensorenträger Die Streuung der Werte der Elastizitätsmodule des TPGs und des Sensorenträgers um die Ausgleichsgerade in den Abbildungen 4.4(c) und 4.5(c) legen Zweifel an der Grundannahme einer Verwendung von homogenen Materialien nahe. Der Sensorenträger ist durch das Verkleben des RVCs und des TPGs per Konstruktion kein homogenes Material, wird jedoch für die Biegemessungen als solches betrachtet, um die Bedingungen zur Anwendung des Hooke schen Gesetzes zu erfüllen. Diese Annahme wird im Folgenden überprüft. Die Abbildungen 4.4(a) und 4.5(a) und die Tabelle 4.4 werden als Ausgangspunkte für diese Überprüfung gewählt. Die Abbildungen werden mit linearen Ausgleichsgeraden versehen, um die Korrelation zwischen der Auslenkung und der wirkenden Kraft zu bestimmen. Die ermittelten Geradengleichungen werden zusammen mit den aus diesen berechneten Elastizitätsmodulen in Tabelle 4.6 eingetragen. Zusätzlich wird die Tabelle mit dem Mittelwert und der Standardabweichung der Elastizitätsmodule aus der Tabelle 4.4 versehen. Im Fall des Sensorenträgers zeigt die ermittelte Geradengleichung einen großen Abstand von dem Koordinatenursprung an. In die beiden Abbildungen wird je eine zusätzliche Ausgleichsgerade mit der Bedingung eines Durchganges durch den Koordinatenursprung hinzugefügt. Die erhaltenen Geradengleichungen werden zusammen mit den aus diesen berechneten Elastizitätsmodulen in Tabelle 4.6 eingetragen. TPG [kn/mm 2 ] Sensorenträger [N/mm 2 ] E (Mittelwert) 63,7 ± 7,1 583 ± 95 E (Ausgleich) 61,4 ± 7,1 711 ± 95 E (Ausgleich (0/0)) 61, 8 ± 7, ± 95 Geradengleichung 740,3x 3,1 701,7x + 62,6 Geradengleichung (0/0) 735, 75x 792, 96x Tabelle 4.6: Vergleich der über die Ausgleichsgeraden berechneten Elastizitätsmodule. Für eine Betrachtung der Abweichungen der über die Ausgleichsgeraden bestimmten Elastizitätsmodule wird jeweils der errechnete Mittelwert aus Tabelle 4.4 zugrunde gelegt. Für das TPG stimmen die mit den Ausgleichsgeraden bestimmten Elastizitätsmodule mit einer Abweichung von 3% auch im Rahmen der ermittelten statistischen Fehler überein. Die Elastizitätsmodule des Sensorenträgers weichen um bis zu 20% von dem errechneten Mittelwert der Elastizitätsmodule aus den Biegemessungen ab und liegen somit über den ermittel-

71 4.1. BESTIMMUNG DES ELASTIZITÄTSMODULS DER SENSORENTRÄGER 57 ten statistischen Fehlern. Die große Streuung der Elastizitätsmodule im Falle des Sensorenträgers kann als ein erstes Anzeichen für die Widerlegung der Annahme eines homogenen Materials gedeutet werden. Eine Betrachtung der Nullmessungen wird zur Festigung oder zur Widerlegung dieses Anzeichens unternommen. Für den Sensorenträger und das TPG wurden je eine Nullmessung vor der jeweiligen Belastungsmessung durchgeführt. Als Ausgangspunkt wird die Nullmessung zu der Gewichtsbelastung mit 20 Gramm festgelegt. Die Betrachtung wird nach dem folgenden Schema durchgeführt: Die Mittelwerte der jeweiligen Messpunkte der Nullmessung für eine Belastung mit 20 Gramm werden von den Mittelwerten der jeweiligen Messpunkte der Nullmessung für eine Belastung von 10 Gramm subtrahiert. Die Mittelwerte der jeweiligen Messpunkte der Nullmessung für eine Belastung mit 40 Gramm werden von den Mittelwerten der jeweiligen Messpunkte der Nullmessung für eine Belastung von 30 Gramm subtrahiert. Eine doppelte Einbeziehung der gleichen Nullmessungen in die Analyse wird somit verhindert. Der Subtraktionsvorgang wird für alle Nullmessungen durchgeführt, bis keine Nullmessungspaare mehr zur Verfügung stehen. Der Mittelwert über die erhaltene Differenz der Mittelwerte der Nullmessungspaare wird erneut gebildet und dieser gegen die jeweiligen Messpunkte aufgetragen. Zusätzlich wird die Standardabweichung der Mittelwerte als Fehlerbalken dargestellt. Das Ergebnis dieser Betrachtung ist in Abbildung 4.6 abgebildet. Während die aufgetragenen Werte für die Nullmessungspaare des TPGs sich um die Null anordnen und kein klarer Trend sichtbar ist, zeigen die Werte für die Nullmessungspaare des Sensorenträgers einen durchgängigen Abstand von der Null an. Dieser kann bis zu 70 µm betragen. Die Kombination der Betrachtung der Nullmessungspaare und der Bestimmung der Elastizitätsmodule über die Ausgleichsgeraden lassen die folgenden Schlüsse zu: Die Annahme, dass es sich bei TPG um ein homogenes Material handelt, welches zwischen den einzelnen Belastungsmessungen in den Ausgangszustand zurückkehren kann, ist gerechtfertigt. Die beobachteten Variationen können mit Hilfe der bekannten statistischen Fehler erklärt werden. Die Annahme, dass es sich bei dem Sensorenträger um ein homogenes Material handelt, kann nicht aufrecht gehalten werden. Im Gegensatz zum TPG kann die Materialkombination aus RVC, Kleber und TPG zwischen den einzelnen Belastungsmessungen nicht in den Ausgangszustand zurückkehren.

72 58 KAPITEL 4. CHARAKTERISIERUNG DES DEMONSTRATORS V0 (a) (b) Abbildung 4.6: Ergebnis der Betrachtung der Nullmessungspaare (a) für den Sensorenträger und (b) für das TPG; die angegebenen Fehlerbalken entsprechen den Standardabweichungen der dargestellten Mittelwerte der Nullmessungspaare.

73 4.1. BESTIMMUNG DES ELASTIZITÄTSMODULS DER SENSORENTRÄGER 59 Als Ursache dafür kann die Möglichkeit einer Verzahnung zwischen dem Kleber und dem offenporigen RVC in Betracht gezogen werden. Dies ist leicht vorstellbar, wenn der flüssige Kleber auf die TPG-Oberfläche aufgebracht wird und der RVC auf die Klebeschicht aufgelegt wird. Der Kleber dringt in die Poren des Kohlenstoffschaumes ein und sorgt für eine feste Verzahnung. Bei einer Gewichtsbelastung für die Biegemessungen bricht eine dieser Verzahnungen auf; die zu der Verzahnung gehörigen Komponenten verschieben sich gegeneinander und können bei der nachfolgenden Entlastung nicht in den Ausgangszustand zurückkehren. Der Sensorenträger kann nicht als homogenes Material angesehen werden. Die erhaltenen Ergebnisse für das Elastizitätsmodul des Sensorenträgers sind aus diesem Grund nur eingeschränkt verwendbar, weil eine Hauptannahme, die für die Anwendung des benötigten Formalismus notwendig ist, nicht erfüllt werden kann. Das Zerbrechen einer solchen Verzahnung zwischen dem Kleber und dem RVC sowie das Verhindern der Rückkehr in den Ausgangszustand muss nicht allein durch eine Gewichtsbelastung hervorgerufen werden. Die Verwendung von Materialien mit verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten kann dazuführen, dass sich bei einer Abkühlung oder Erwärmung der miteinander verklebten Materialien aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungen Spannungen zwischen den Materialien bilden. Das Entladen dieser Spannung kann in einer Zerstörung der Verzahnung zwischen dem RVC und dem Kleber enden. Eine Aufstellung der Ausdehnungskoeffizienten der Materialien und der daraus resultierenden Längenänderungen bei einem Kühl- und Erwärmungsvorgang während des Betriebs des Demonstrators wird in Tabelle 4.7 angegeben. Längenänderung Material Ausdehnungskoeffizient [1/K] T = 30 K T = 40 K TPG RVC Kleber Silizium Tabelle 4.7: Vergleich der Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien. Wie der Tabelle 4.7 zu entnehmen ist, befinden sich die Ausdehnungskoeffizienten von TPG und RVC in derselben Größenordnung. Der Ausdehnungskoeffizient des Klebers hingegen ist um einen Faktor 40 höher als der des RVCs. Eine Zerstörung der Verzahnung zwischen dem offenporigen RVC und dem getrockneten Kleber ist gut vorstellbar, da sich der RVC bei einem Temperaturunterschied von T = 30 K und T = 40 K entsprechend um zwei Größenordnungen weniger ausdehnt als der Kleber. Die Verbindung zwischen Kleber und RVC wird bei Temperaturunterschieden auf der Seite des Klebers stärker bewegt als auf der Seite des RVCs. Die Rückkehr des Klebers in die Ausgangsposition könnte durch den Bruch der Verzahnung verhindert werden.

74 60 KAPITEL 4. CHARAKTERISIERUNG DES DEMONSTRATORS V0 Neben der Zerstörung der Verzahnung durch eine Gewichtsbelastung oder die unterschiedlichen Ausdehnungen des RVCs und des Klebers bei Temperaturunterschieden, könnte eine durch das Magnetfeld, in dem der finale Micro Vertex Detector arbeiten wird, resultierende Kraft eine ähnliche Auslenkung hervorrufen. Für eine Abschätzung der zu erwartenden Kraft wird die Lorentz-Kraft für einen im Magnetfeld fließenden Strom verwendet. Diese ist über F = I l B sinα definiert. Das Magnetfeld mit einer Stärke von 1 Tesla wird senkrecht auf den stromleitenden FlexPrint-Kabeln stehen. Es gilt der Wert von sinα = 1. Für die Stromstärke wird ein Wert von 10 Ampere eingesetzt und für die Länge des stromdurchflossenen Leiters wird die Länge des FPCs von 50 mm eingesetzt. Die auf den Sensorenträger wirkende Kraft ergibt sich somit zu F = I l B sinα = 0,5 N. Aus Tabelle 4.2 lässt sich entnehmen, dass eine auf den Sensorenträger einwirkende Kraft von 0, 5 N eine Auslenkung von 408 µm verursacht. Die Biegung des Sensorenträgers durch das Magnetfeld darf somit nicht unberücksichtigt bleiben. Die Verwendung der Sensorenträger birgt somit viele mögliche Fehlerquellen, die bei einer endgültigen Integration der Sensorenträger in einen Detektor beachtet werden müssen.

75 4.2. SCHWINGUNGSMODEN DER SENSORENTRÄGER Schwingungsmoden der Sensorenträger Mit der Berechnung der Schwingungsmoden der Sensorenträger kann sichergestellt werden, dass von außen auf die Sensorenträger einwirkende Frequenzen von zum Beispiel Vakuumpumpen den Aufbau nicht zum Schwingen anregen und die Kenntnis über die Position der Sensoren im experimentellen Aufbau trüben könnten. Eine Gefährdung des Aufbaus könnte mit der Berechnung der Schwingungsmoden (Anregen von Resonanzfrequenzen, die zu einer Beschädigung der inneren Struktur der Sensorenträger führen könnten) ausgeschlossen werden. Der benötigte Formalismus wird vor der Berechnung der Schwingungsmoden im Anhang A, ab Seite 105, hergeleitet. Die relevanten Formeln werden im Folgenden aufgelistet. Die Beziehung 4 ω x 4 + ρ A 2 ω E I y t 2 = 0 (4.16) geht aus der Herleitung des Formalismus für die Schwingungsmoden hervor. Hierbei ist ω die Schwingungsmode, x der Ort auf dem einseitig eingespannten Balken, ρ die Balkendichte, A die Querschnittsfläche, E das Elastizitätsmodul und I y das Flächenträgheitsmoment. Mit dem Lösungsansatz ω(x,t) = W(x)(αsinωt + β cosωt) findet man entsprechend der Herleitung die gesuchte Formel zur Berechnung der Schwingungsmoden Der Vorfaktor κ ergibt sich über die Formel ω = κ 2 E I y ρ A. (4.17) cosκl = 1 coshκl (4.18) zu den ersten fünf möglichen Lösungen aus der graphischen Bestimmung der Schnittpunkte der cos- und cosh-funktionen κ 1 = 1,8751 L,κ 2 = 4,6941 L,κ 3 = 7,8548 L,κ 4 = 10,996 L Der Wert L ist die Länge des einseitig eingespannten Balkens.,κ 5 = 14,137. (4.19) L Die Berechnung der Schwingungsmoden kann mit Gleichung 4.17 durchgeführt werden. Für das Elastizitätsmodul wird der gemittelte Wert der Sensorenträger aus Abbildung 4.5(c) von 550 ±95 N/mm 2 sowie der mit dem systematischen Fehler korrigierte Wert von 1100 ±95

76 62 KAPITEL 4. CHARAKTERISIERUNG DES DEMONSTRATORS V0 N/mm 2 eingesetzt. Der Wert für das Flächenträgheitsmoment wird aus Tabelle 4.3 entnommen. Die Fläche A ist die Querschnittsfläche des Sensorenträgers, welche zu A = 4,5 11 mm 2 = 49,5 mm 2 bestimmt wird. Die Dichte ρ wird über ρ = µ 1/A berechnet. Der Buchstabe µ gibt die Masse pro Länge an und hat einen Wert von µ = 0,03 kg/m. Die Schwingungsformel modifiziert sich entsprechend zu ω = κ 2 E I y ρ A = E I y κ2 µ f = κ2 E I y 2π µ. Die mit dieser Formel erhaltenen Werte sind in Tabelle 4.8 dargestellt. Frequenz [Hz] Mode κ E (550) E (1100) 1 1,8751/L 277 ± ± ,6941/L 1730 ± ± ,8548/L 4860 ± ± , 996/L 9500 ± ± , 137/L ± ± 1400 Tabelle 4.8: Berechnete Schwingungsmoden für die Sensorenträger. Ein Hersteller von Vakuumpumpen [Ley] gibt als mögliche Schwingungsfrequenzen seiner Pumpen entlang der x-achse in radialer Richtung die Werte f = 375,1000,2000 Hz und entlang der y-achse in radialer Richtung die Werte f = 250,375,1000,2000 Hz mit je einer maximalen Amplitude von 0,1 m s 2 an. Die berechneten Schwingungsfrequenzen stimmen im Rahmen der Fehler mit den angegebenen Frequenzen f = 250, 375, 2000 Hz überein. Die errechneten Schwingungsmoden werden zusammen mit von Leybold angegebenen Schwingungsmoden in Abbildung 4.7 dargestellt. Die übrigen Frequenzen unterscheiden sich von den aus der Rechnung erhaltenen Werten der Schwingungsmoden der Sensorenträger, jedoch sind dies nur Richtwerte. Aus diesem Grund ist eine genaue Analyse der zu erwartenden Schwingungsmoden bei einer Veränderung des Aufbaus des MVD Demonstrators zwingend notwendig. Eine experimentelle Bestimmung der wirklichen Schwingungsmoden mit einem hochpräzisen Aufbau und eine Simulation der Schwingungsmoden mit Hilfe einer Finite Element Methode (FEM) müsste durchgeführt werden, um eine definitive Aussage über die Schwingungsmoden und deren Einfluss auf den MVD Demonstrator tätigen zu können.

77 4.3. AUFBAU DEMONSTRATOR VERSION 0 63 Abbildung 4.7: Vergleich der Schwingungsmoden in logarithmischer Darstellung; ausgefüllte Balken entsprechen einem Elastizitätsmodul von 550±95 N/mm 2, schraffierte Balken entsprechen einem Elastizitätsmodul von 1100 ± 95 N/mm Aufbau Demonstrator Version 0 Mit den in Kapitel 3 hergestellten und in Kapitel 4.1 auf ihr Biegeverhalten hin getesteten Sensorenträger wird der erste experimentelle Aufbau im Rahmen des MVD Demonstrators realisiert. Der Aufbau des Demonstrators Version 0 im Labor bietet die Möglichkeit, die in Abschnitt 2 beschriebenen Module in ihrem Zusammenspiel zu studieren. Der Aufbau muss die nachfolgenden Voraussetzungen erfüllen, damit dieses Zusammenspiel zustande kommen kann. Es muss möglich sein, darin zwei Sensoren über ein FPC und ein Ausleseboard auszulesen, den kompletten Aufbau lichtdicht zu verschließen, eine 55 Fe-Quelle über den Sensoren zu platzieren, die Sensoren zu kühlen, die Temperatur an verschiedenen Stellen des Demonstrators zu messen. Diese Voraussetzungen werden mit dem Aufbau des Demonstrators Version 0 in einem PVC- Gehäuse erfüllt.

78 64 KAPITEL 4. CHARAKTERISIERUNG DES DEMONSTRATORS V Gehäuse für den Demonstrator Version 0 Der Demonstrator Version 0 wird in einem Gehäuse bestehend aus PVC aufgebaut. Die Außenmaße sind mit einer Länge von 282 mm, einer Breite von 220 mm und einer verwendbaren inneren Höhe von 110 mm gegeben. Das Gehäuse besitzt die Möglichkeit, die zur Kühlung der Kühlsenke, siehe Abschnitt 2.4.3, benötigten Kühlschläuche herauszuführen. Ähnliche Durchführungen in den Seitenwänden des Gehäuses sind für das Auslesekabel des Ausleseboards und für die Auslesekabel der Temperatursensoren vorgesehen. Die Kühlsenke und die Halterung für die 55 Fe-Quelle, die über den MIMOSA-20 Sensoren platziert werden kann, sollen fest mit der Bodenplatte des Gehäuses verschraubt werden können. Entsprechende Gewinde sind für diesen Zweck in der Bodenplatte vorgesehen. Die Kühlsenke wird in dem Gehäuse platziert. Die Kühlplatte des Ausleseboards und der Kupferfinger, der die Sensoren über die Sensorenträger mit der Kühlsenke verbindet, werden auf der Kühlsenke positioniert und mit dieser verschraubt. Die Anordnung des Demonstrators im PVC-Gehäuse ist in Abbildung 4.8 dargestellt. Abbildung 4.8: CAD-Modell des PVC-Gehäuses mit den platzierten Modulen. Die beiden auf der Kühlsenke platzierten Module werden in den folgenden Abschnitten beschrieben.

79 4.3. AUFBAU DEMONSTRATOR VERSION Modul Kupferfinger Der Kupferfinger verbindet die Sensorenträger der MIMOSA-20 Sensoren des Demonstrators mit der Kühlsenke. Über den Kupferfinger wird die von den Sensoren produzierte Verlustleistung von dem Entstehungsort über das TPG hin zur Kühlsenke abgeleitet. Die Dimension des Kupferfingers ist durch die einzelnen Module des Demonstrators vorgegeben. Die Dicke des Kupferfingers von 3 mm entspricht der Dicke der RVC-Platte, welche in den Sensorenträger integriert worden ist. Der Kupferfinger besteht aus zwei verschiedenen Breiten, welche sich an dem jeweiligen Modul orientieren, mit dem dieser verbunden wird. Auf der Seite der Kühlsenke besitzt der Kupferfinger auf einer Breite von 30 mm eine Länge von 37 mm. Die Kühlsenke wird in der Breite von dem Kupferfinger komplett überdeckt. Auf der Seite des Überganges von dem Sensorenträger auf den Kupferfinger beträgt die Breite des Kupferfingers hingegen 11 mm. Diese Breite von 11 mm ist von der Mitte der mm 2 großen Platte ausgehend auf einer Länge von 55 mm konstant. Die komplette Länge beträgt 85 mm. Eine Darstellung des Kupferfingers in CAD-Form ist in Abbildung 4.9 zu sehen. Der Kupferfinger wird mit der breiten Fläche auf die Kühlsenke geschraubt. Diese weist vier Senkungen für die Aufnahme von M5-Senkkopfschrauben auf. Abbildung 4.9: CAD-Modell des Kupferfingers. Ein Sensorenträger wird in der Mitte zerschnitten und mit Hilfe eines Wärmeleitklebers [WLK] an das 11 mm breite Ende des Kupferfingers geklebt. Der verwendete Wärmeleitkleber besitzt eine Wärmeleitfähigkeit von 7,5 m K W und besteht aus zwei Komponenten, die zuvor bei Raumtemperatur im Verhältnis 1 : 1 miteinander vermischt wurden. Die erhaltene Klebemasse wird möglichst dünn und gleichmäßig auf einer Länge von 1,5 cm auf das schmale Ende des Kupferfingers aufgetragen. Dabei werden sowohl die Unter- als auch die Oberseite mit dem Kleber versehen. Der Sensorenträger wird mit dem Freiraum über das mit dem Kleber vorbereitete schmale Ende des Kupferfingers geschoben. Eine Ausrichtung des Sensorenträgers vor dem Trocknen des Klebers erfolgt so, dass die Ober- und Unterseiten des Sensorenträgers gleichmäßig zu denen des Kupferfingers stehen.

80 66 KAPITEL 4. CHARAKTERISIERUNG DES DEMONSTRATORS V Modul Ausleseboard-Kühlplatte Die Kühlplatte des Ausleseboards dient zugleich als dessen Halterungsplatte. Die Platte hat eine Breite von 110 mm, eine Länge von 110 mm und eine Dicke von 3 mm, siehe Abbildung Eine aus der Mitte heraus versetzte Ausfräsung bietet die Möglichkeit, die Halterungsplatte für das Ausleseboard zusätzlich zu dem Kupferfinger auf die Kühlsenke zu schrauben. In dieser Ausfräsung der Halterungsplatte kann der Kupferfinger auf der Kühlsenke positioniert werden. Die Halterungsplatte verfügt über vier Langlöcher, welche orthogonal zu denen des Ausleseboards angeordnet sind. Mit dieser Anordnung besteht die Möglichkeit, das Ausleseboard auf der Ebene der Halterungsplatte zu verschieben, um eine bestmögliche Position zu dem Sensorenträger und den dort aufgeklebten Sensoren und dem FPC zu erhalten. Eine Vertiefung von 1, 5 mm über einen größeren Bereich auf der dem Kupferfinger gegenüberliegenden Seite ermöglicht es, das Ausleseboard auf die Platte zu schrauben, ohne dass die Kontakte des 50-Pin-Steckers, welche durch das Board hindurchgehen, die Platte berühren. Zur elektrischen Isolation und zur Verbesserung der Wärmeleitung zwischen der Halterungsplatte und dem Ausleseboard wird die Halterungs- und Kühlplatte mit einer wärmeleitenden Folie der Firma Kunze [Kun] mit einer Wärmeleitfähigkeit von 1,05 m K W beklebt. Als Kleber dient ein 75 µm dicker Kleber, siehe Kapitel Abbildung 4.10: CAD-Modell der Halterung für das Ausleseboard.

81 4.4. KÜHLUNGSTESTS DEMONSTRATOR VERSION Kühlungstests Demonstrator Version 0 Der Kühlungstest gibt Aufschluss darüber, welche Temperaturen für eine gegebene Kühlleistung und Betriebsmoden der Sensoren im Demonstrator V0 erreicht werden können. Für eine detaillierte Kenntnis des Temperaturverlaufs innerhalb des Aufbaus werden die einzelnen Module mit Temperatursensoren versehen. Bei den verwendeten Temperatursensoren handelt es sich um Sensoren des Typs DS18S20 der Firma Dallas [TSD] mit einer Genauigkeit der Temperaturmessung von ± 0, 5 C. Diese werden mit Hilfe eines Mikrocontrollers [Avr] sowie eines Labview-Programms [Lbv] ausgelesen und die Daten auf einem Computer gespeichert. Die Sensoren werden mit Hilfe des beschriebenen Wärmeleitklebers für die Herstellung eines ausreichenden Wärmeübertrages von dem zu überwachenden Modul auf den Temperatursensor an den Modulen befestigt. Bei den mit den Temperatursensoren versehenen Modulen handelt es sich um die Kühlsenke, die Halterung für das Ausleseboard und um den Kupferfinger. Der Temperaturtransport durch den Demonstrator Version 0 und die Positionen der Temperatursensoren werden in Abbildung 4.11 graphisch dargestellt. Abbildung 4.11: Schema des Temperaturverlaufes im Demonstrator V0. Die Temperatur der MIMOSA-20 Sensoren kann nicht direkt gemessen werden. Der an den Kupferfinger angeklebte Sensorenträger muss modifiziert werden. Die Länge des TPGs wird auf der den MIMOSA-20 Sensoren abgewandten Seite um 1 cm reduziert und der RVC entfernt. Auf die Unterseite des TPGs, welches die Sensoren kühlt, kann ein Temperatursensor angeklebt werden. Ein zweiter Temperatursensor wird für eine Referenzmessung auf das verkürzte TPG geklebt.

82 68 KAPITEL 4. CHARAKTERISIERUNG DES DEMONSTRATORS V0 Zur Bestimmung der Temperaturverläufe im Aufbau des Demonstrators V0 werden zwei Messungen durchgeführt. Der Temperaturverlauf ohne die Belastung durch die laufenden MIMOSA- 20 Sensoren wird zunächst aufgezeichnet; eine Nullmessung zur Definition einer Referenz wird durchgeführt. Die Messung mit laufenden MIMOSA-20 Sensoren erfolgt im Anschluss und wird als Messung mit Belastung gekennzeichnet. Die Ergebnisse werden miteinander verglichen. Die Kühlsenke wird mit dem Kühlsystem über Schläuche verbunden, die PVC-Gehäuse verschlossen und die Auslese der Temperatursensoren gestartet. Das Kühlsystem wird auf 40 C eingestellt, womit das Silikonöl, welches zur Kühlung verwendet wird, auf diese Temperatur gekühlt wird. Die Messungen werden nach einer Zeit von 180 Minuten unter der Annahme, dass sich ein thermodynamisches Gleichgewicht bilden konnte und sich die gemessenen Temperaturen über einen längeren Zeitraum nicht mehr verändern, gestoppt. Die Ergebnisse werden in Tabelle 4.9 eingetragen und in den Abbildungen 4.12(a), 4.12(b) dargestellt. Der Vergleich der gemessenen Temperaturen erfolgt im Anschluss. Modul Nullmessung [ C] Belastung [ C] Farbe in 4.12 TPG (MIMOSA-20) 12,6 +4 rot TPG (Referenz) 13,6 0 gelb Kupferfinger 19, 1 4 grau Ausleseboard-Halterung 18, 2 4 blau Kühlsenke 16, 5 4 grün Kühlsystem Tabelle 4.9: Temperaturverlauf im Aufbau des Demonstrators V Ergebnisse der Kühlungstests Demonstrator V0 Der Vergleich der beiden Abbildungen 4.12(a) und 4.12(b) zu den gemessenen Temperaturverläufen im MVD Demonstrator Version 0 zeigt für den Fall der laufenden MIMOSA-20 Sensoren einen stufenartigen Abfall der Temperatur an. An allen mit Temperatursensoren ausgestatteten Modulen, vergleiche Abbildung 4.11, kann zunächst ein Absinken der Temperatur gemessen werden. Ab einer Dauer von 1500 Sekunden nach dem Beginn der Messung erreicht die Temperatur für alle Module einen konstanten Wert. Nach 3000 Sekunden sinkt die an den Modulen gemessenen Temperatur erneut ab und erreicht nach einer zusätzlichen Zeit von 1000 Sekunden ein erneutes konstantes Niveau. Ab einer Zeit von 6000 Sekunden nach dem Beginn der Messung sinkt die Temperatur an den Modulen erneut ab und erreicht nach 2000 Sekunden ein erneutes konstantes Niveau.

83 4.4. KÜHLUNGSTESTS DEMONSTRATOR VERSION 0 69 (a) (b) Abbildung 4.12: Graphen der Kühlungsmessung des Demonstrators V0 (a) ohne Belastung und (b) mit Belastung.

84 70 KAPITEL 4. CHARAKTERISIERUNG DES DEMONSTRATORS V0 Die MIMOSA-20 Sensoren werden während der gesamten Temperaturverlaufsmessung in dem selben Betriebsmodus betrieben. Die Abbildung 4.12(b) wird in die drei zuvor beschriebenen Situationen eingeteilt und die jeweilige Situation diskutiert. Situation 1 Mit dem Start der Messung der Kühlung des Aufbaus des Demonstrators Version 0 und der Überwachung des Temperaturverlaufs wird die von den im Betrieb befindlichen MIMOSA-20 Sensoren erzeugte Verlustleistung aus dem Aufbau abgeleitet. Das Erreichen eines konstanten Temperaturniveaus an dem die MIMOSA-20 Sensoren tragenden TPG nach einer Zeit von 1500 Sekunden zeigt, dass der Aufbau des Demonstrators Version 0 die an dem TPG gemessene Temperatur auf einen Wert von T = 4 C absenken kann. Eine weitere Absenkung der Temperatur auf dem die MIMOSA-20 Sensoren tragenden TPG kann nur durch eine Änderung am mechanischen Aufbau selbst verursacht werden. Situation 2 Durch die an den Sensoren entstehende Verlustleistung verliert der Kleber einen Teil seiner Klebefähigkeit. Der Temperaturübertrag zwischen den Sensoren und dem TPG verschlechtert sich. Auf das TPG wird im Gegensatz zur Situation 1 weniger Verlustleistung der Sensoren übertragen. Der Aufbau muss einen reduzierten Anteil der Verlustleistung aus dem System ableiten und das Kühlsystem kann die Temperatur an den Modulen um weitere T = 8 C absenken. Situation 3 Ein erneutes Nachlassen der Klebefähigkeit des Klebers, der zwischen einem ausreichenden Temperaturübertrag zwischen dem TPG und den MIMOSA-20 Sensoren sorgen soll, führt zu einer wiederholten Verschlechterung des Wärmeübertrags von den Sensoren auf das TPG. Die von dem Aufbau des Demonstrators Version 0 aus dem Aufbau abgeleitete Verlustleistung wird erneut reduziert und ermöglicht die Absenkung der Temperatur um T = 4 C. Die nachlassende Klebefähigkeit des Klebers zwischen den MIMOSA-20 Sensoren und dem TPG kann nach dem Ende der Kühlungstests und dem Öffnen des PVC-Gehäuses durch ein Ablösen der MIMOSA-20 Sensoren von dem TPG bestätigt werden. Für den Kühlungstest mit Belastung werden die in der Situation 1 erreichten Werte in Tabelle 4.9 dargestellt.

85 4.4. KÜHLUNGSTESTS DEMONSTRATOR VERSION 0 71 Der Aufbau des Demonstrators kann bei einer Temperatur der Kühlflüssigkeit von T = 40 C die Temperatur an dem die MIMOSA-20 Sensoren tragenden TPG bei im Betrieb befindlichen Sensoren auf eine Temperatur von T = 4 C absenken. Der Temperaturunterschied an dieser Stelle zwischen der Messung ohne und der Messung mit Belastung durch die laufenden Sensoren beträgt T = 16 C. Das Abkühlen der den Demonstartor umgebenden Luft wird durch dessen Aufbau in dem PVC- Gehäuse weitgehend reduziert. Als Beleg für das Abkühlen eines nur kleinen Luftvolumens, der Luft innerhalb des Gehäuses, können die gemessenen Temperaturen an dem Kupferfinger, der Ausleseboard-Halterung und der Kühlsenke angesehen werden. Die Temperaturwerte sind im Rahmen der Fehlertoleranz der Temperatursensoren von 0,5 C nahezu gleich Diskussion der Temperaturübergänge Die in Tabelle 4.9 dargestellten Temperaturwerte zeigen eine Existenz von zwei verschiedenen kritischen Temperaturübergängen an. Bei dem Übergang von der Kühlflüssigkeit auf die Kühlsenke und bei dem Übergang von dem Kupferfinger auf das TPG kann je ein großer Temperaturunterschied verzeichnet werden. Die Größe des Temperaturunterschiedes beträgt für den Übergang auf die Kühlsenke einen Wert von T = 20 C und für den Übergang vom Kupferfinger auf das TPG einen Wert von bis zu T = 9 C. Diese Temperaturunterschiede können mit dem Aufbau des Demonstrators V0 erklärt werden. Die zu diesen Unterschieden führenden Gegebenheiten werden nacheinander diskutiert und Vorschläge für eine Verbesserung der Temperaturübergänge angegeben. Für den Temperaturübergang von der Kühlflüssigkeit auf die Kühlsenke kann ein Temperaturunterschied von T = 20 C gemessen werden. Für die Bestimmung des Temperaturverlaufes wird die Temperatur der Kühlflüssigkeit im Kühlsystem gemessen; der nächste Punkt zur Temperaturmessung befindet sich an der Kühlsenke, siehe Abbildung Eine Messung der Temperatur der Kühlflüssigkeit beim Eintritt in die Kühlsenke wurde nicht durchgeführt. Der Temperaturunterschied könnte durch die folgenden möglichen Gründe hervorgerufen werden: Die Leitungen der Kühlflüssigkeit zwischen dem Kühlsystem und der Kühlsenke besitzten eine Länge von bis zu 1,5 Metern. Durch die fehlende Temperaturmessung der Kühlflüssigkeit beim Eintritt in die Kühlsenke muss über die Möglichkeit einer Erwärmung der Kühlflüssigkeit auf dem Weg von dem Kühlsystem bis zur Kühlsenke nachgedacht werden. Bei einer entsprechenden aber nicht gemessenen Erwärmung ist die Annahme, die Kühlflüssigkeit habe beim Eintritt in die Kühlsenke eine Temperatur von T = 40 C falsch. Ein Erreichen dieser Temperatur an der Kühlsenke ist somit nicht mehr möglich. Der Wärmeübertrag von der Kühlflüssigkeit auf die Kühlsenke kann aufgrund einer zu

86 72 KAPITEL 4. CHARAKTERISIERUNG DES DEMONSTRATORS V0 hohen Durchflussgeschwindigkeit dieser durch die Kühlsenke zu gering sein und ein ausreichender Wärmeübertrag somit nicht realisiert werden. Das verwendete Kühlsystem kann eine zu geringe Kühlleistung besitzen, um neben der von den Sensoren produzierten Wärme abzuleiten zusätzlich den Aufbau des Demonstrators auf eine Temperatur von unter 20 C zu kühlen. Folgende Maßnahmen könnten zu einer Verbesserung des Temperaturüberganges zwischen der Kühlflüssigkeit und der Kühlsenke führen: Eine Verkürzung der Leitungen der Kühlflüssigkeit, um eine Erwärmung dieser auf dem Weg von dem Kühlsystem zur Kühlsenke zu verhindern. Die Durchführung einer Temperaturmessung der Kühlflüssigkeit vor deren Eintritt in die Kühlsenke zur Bestimmung der minimal erreichbaren Temperatur in und an der Kühlsenke. Die Erhöhung der Durchflusszeit der Kühlflüssigkeit durch die Kühlsenke durch die Verwendung eines komplizierten Durchflusswegs. Durch die Erhöhung der zur Verfügung stehenden Fläche könnte der Wärmeübertrag erhöht werden. Die Verwendung eines Kühlsystems mit einer höheren Kühlleistung könnte die Temperatur der Kühlsenke und des gesamten Aufbaus absenken. Für den Temperaturübergang von dem Kupferfinger auf das TPG kann ein Temperaturunterschied von bis zu T = 9 C gemessen werden. Für die Bestimmung des Temperaturverlaufs wird die Temperatur an dem Kupferfinger und auf der Rückseite des die MIMOSA-20 Sensoren kühlenden TPGs gemessen, siehe Abbildung Der Temperaturunterschied könnte durch die folgenden möglichen Gründe hervorgerufen werden: Die Klebeschicht zwischen dem Kupferfinger und dem TPG könnte nicht optimal für den benötigten Wärmeübertrag sein. Der Wärmeleitkleber wurde hier dünn aufgetragen; ein Test mit welcher Kleberschichtdicke ein optimaler Wärmeübertrag realisiert werden kann, wurde nicht durchgeführt. Die Dicke der Klebeschicht könnte sowohl zu dünn als auch zu dick sein. Die für den Wärmeübertrag zwischen dem TPG und dem Kupferfinger zur Verfügung stehende Fläche könnte zu gering sein. Im Aufbau des Demonstrators V0 beträgt diese Fläche pro Übergang einen Wert von 1,1 cm 2. Die Wärmeleitfähigkeit des verwendeten Klebers könnte zu gering sein, um einen ausreichenden Wärmeübertrag von dem TPG auf den Kupferfinger zu ermöglichen. Folgende Maßnahmen könnten zu einer Verbesserung des Temperaturüberganges zwischen dem Kupferfinger und dem TPG führen:

87 4.4. KÜHLUNGSTESTS DEMONSTRATOR VERSION 0 73 Die Durchführung von Kühlungsdurchläufen mit verschiedenen Klebeschichtdicken zur Bestimmung mit welcher Dicke des Klebers sich der geringste messbare Unterschied zwischen den Temperaturen des Kupferfingers und des TPGs erreichen lässt. Die Vergrößerung der Klebeflächen zwischen dem TPG und dem Kupferfinger kann zu einem höheren Wärmeübertrag zwischen den beiden Materialien führen. Zur Vergrößerung der Abmessungen der Klebeflächen muss der Freiraum zwischen den beiden Lagen des TPGs im Sensorenträger verlängert und zusätzlicher RVC herausgelöst werden. Die für den Wärmeübertrag zur Verfügung stehende Fläche steigt proportional mit der Länge des zusätzlichen Freiraumes an. Die Verwendung eines Klebers mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 7,5 W mk kann den Wärmeübertrag zwischen dem TPG und dem Kupferfinger erhöhen. Die diskutierten kritischen Übergänge wurden in dem Aufbau des Demonstrators Version 0 festgestellt, jedoch nicht behoben.

88 Kapitel 5 Demonstrator Version 1 Das folgende Kapitel befasst sich mit dem Aufbau des Demonstrators Version 1 für eine Teststrahlzeit am CERN, und mit den im Vorfeld dazugehörigen Kühlungstests. Die Teststrahlzeit am CERN bietet die Möglichkeit eines Tests aller Funktionen der einzelnen Module des Demonstrators unter realen Bedingungen. Während die MIMOSA-20 Sensoren im Labor mit einer 55 Fe-Quelle konfrontiert werden, stehen am CERN Pionen mit einer Energie von 120 GeV zur Verfügung. Getestet wird das Zusammenspiel der Mechanik, der Ausleseelektronik und der Analysesoftware. Die in Abbildung 2.1 dargestellte Idee der Umsetzung des CBM MVD Demonstrators und die in Kapitel 4.3 beschriebene erste Umsetzung in einem experimentellen Aufbau muss an die Randbedingungen der Teststrahlzeit angepasst werden. Diese Randbedingungen werden durch die Mitbenutzung des Strasbourger TAPI-Strahlteleskops [TAP] vorgegeben. Bei dem TAPI-Strahlteleskop handelt es sich um eine Anordnung von verschiedenen hochauflösenden Detektorebenen. Diese Ebenen bestehen zum einen aus zwei Szintillatoren, welche bei einem gleichzeitigen Teilchendurchgang ein Startsignal zur Auslese der Sensoren an die Ausleseelektronik aussenden. Zum anderen beinhalten vier der hochauflösenden Ebenen MIMOSA-18 Sensoren, welche eine Ortsreferenzmessung des Teilchenstrahls ermöglichen. Der Aufbau des TAPI-Strahlteleskops ist in Abbildung 5.1 dargestellt. Die neu zu konstruierende Halterung für den MVD Demonstrator Version 1 muss in dem vorhandenen Raum zwischen den hochauflösenden Ebenen des Teleskops Platz finden. Der verfügbare Raum kann in z-richtung zwischen den Maßen von 75 mm und 105 mm variiert werden, vergleiche Abbildung 5.1. Die Ausdehnung der Halterung für den MVD Demonstrator V1 in y-richtung wird durch einen Schutzrahmen des TAPI gegen äußere mechanische Einflüsse am oberen Ende des Teleskops auf 135 mm begrenzt. Die Befestigung der Halterung des Demonstrators muss durch eine Verschraubung durch die Grundplatte des Teleskops hindurch von unten erfolgen. Der Teilchenstrahl wird 50 mm oberhalb dieser Grundplatte erwartet. 74

89 75 Abbildung 5.1: Nicht maßstabsgetreue Abbildung der TAPI-Strahlteleskop-Anordnung [TAP]. Die Grundlage für die Konstruktion einer in das Teleskop passenden Halterung für den MVD Demonstrator Version 1 bildet eine technische Zeichnung einer der hochauflösenden MIMOSA- 18 Halterungen des TAPI [TZB], siehe Abbildung C.2 auf Seite 118 im Anhang. Für die Konstruktion der Halterung wird das Programm Autodesk Inventor 10 [CAD] (CAD = Computer Aided Design) verwendet. Dieses Programm ermöglicht eine drei-dimensionale Konstruktion auf dem Computer und kann am Ende des Konstruktionsprozesses technische Zeichnungen ausgeben, die als Basis für die Herstellung der Bauteile in der feinmechanischen Werkstatt des Instituts für Kernphysik der Goethe Universität Frankfurt dienen. Für die Teststrahlzeit werden zwei Versionen der mechanischen Halterung mit der Bezeichnung A und B konstruiert. Eine einseitige Version A, welche mit zwei MIMOSA-20 Sensoren auf dem Sensorenträger, einem FPC und einem Ausleseboard bestückt wird, und eine doppelseitige Version B, welche mit vier MIMOSA-20 Sensoren auf dem Sensorenträger, zwei FPCs und zwei Ausleseboards versehen wird. Die Halterungen werden nach dem Prinzip der maximalen Austauschbarkeit der Komponenten untereinander entworfen. Es soll die Möglichkeit bestehen, die konstruierten Teile in beiden Versionen A und B einzusetzen. Dies ist allerdings nur für die Teile im Inneren der Halterung möglich, weil die Halterungsrahmen aufgrund der verschiedenen Dicken der Aufbauten (ein oder zwei Ausleseboards) nicht universell einsetzbar sein werden. Eine hohe Flexibilität während der Teststrahlzeit und eine hohe Reproduzierbarkeit der Messungen mit diesen Halterungen ist ein Ziel des Konstruktionsprozesses. Eine Verschiebung der kompletten inneren Aufbauten gegenüber des Halterungsrahmens in x-richtung wird ebenso vorgesehen, wie eine elektrische und thermische Isolierung der Halterung der Ausleseboards gegenüber des Halterungsrahmens.

90 76 KAPITEL 5. DEMONSTRATOR VERSION Konstruktion der mechanischen Halterung Die mechanische Halterung kann in Strukturen für die Kühlung der MIMOSA-20 Sensoren und der Ausleseboards, die Gehäuse für die Aufbauten A und B und je ein zusätzliches Gehäuse als Schutz vor Kondensation unterteilt werden. Eine Übersicht der für die mechanische Halterung des MVD Demonstrators Version 1 benötigten Bauteile wird im Folgenden angegeben: Für die Kühlung der MIMOSA-20 Sensoren werden der Sensorenträger, der Kupferfinger und eine Hauptkühlplatte benötigt. Die Kühlung der Ausleseboards wird über die Verwendung von Halterungs- und Kühlplatten für diese Ausleseboards und einer Hauptkühlplatte durchgeführt. Die Gehäuse für die beiden Aufbauten A und B bestehen aus Seitenwänden, Rückwänden, Deckeln und Kopfwänden. Die jeweiligen Wände werden bei der Verwendung in Aufbau A oder B jeweils in der Höhe angepasst. Die Gehäuse als Schutz vor Kondensation bestehen aus Seitenwänden, Rückwänden und Deckeln. Die jeweiligen Wände werden bei der Verwendung in Aufbau A oder B jeweils in der Höhe angepasst Kühlungsstruktur Die in Abschnitt 5.1 genannten Teile der Kühlungsstruktur des Demonstrators Version 1 werden im Folgenden beschrieben. Die Anordnung der in der Kühlungsstruktur verwendeten Bauteile ist in Abbildung 5.2 dargestellt. Abbildung 5.2: Schematische Darstellung der Kühlungsstruktur.

91 5.1. KONSTRUKTION DER MECHANISCHEN HALTERUNG 77 Sensorenträger Die in Kapitel 3 hergestellten Sensorenträger für die MIMOSA-20 Sensoren werden neben der Integration in den Aufbau des MVD Demonstrators Version 0, siehe Kapitel 4.3, auch in der mechanischen Halterung für den MVD Demonstrator Version 1 zur Kühlung und Halterung der Sensoren verwendet, siehe Abbildung 5.2. Kupferfinger Der in Kapitel beschriebene Kupferfinger wird neben der Integration in den Aufbau des MVD Demonstrators Version 0, siehe Kapitel 4.3, auch in der mechanischen Halterung für den MVD Demonstrator V1 zur Kühlung und Halterung des Sensorenträgers verwendet, siehe Abbildung 5.2. Hauptkühlplatte Die Hauptkühlplatte, bestehend aus Kupfer, dient als Basisplatte für den kompletten inneren Aufbau der mechanischen Halterungen für den Demonstrator Version 1. Die Kühlplatte ist in zwei unterschiedliche Bereiche aufgeteilt. Der hintere Bereich befestigt die Kühlplatte über einen Winkel aus PVC, thermisch und elektrisch isoliert, an dem Gehäuse und sorgt mit einem aufgelöteten Kupferrohr für die Kühlung der Platte. Der vordere Teil sorgt für die Halterung und Kühlung der Halterungsplatten der Ausleseboards und mit deren Kombination für die Kühlung und Halterung des Kupferfingers. Das Zusammenfügen der aktiven Module bestehend aus den MIMOSA-20 Sensoren, dem auf diesen aufgeklebten FlexPrint-Kabel und dem Ausleseboard zeigt, dass die MIMOSA-20 Sensoren nicht mittig bezüglich der Symmetrieachse des Ausleseboards angeordnet sind. Für die Konstruktion der Hauptkühlplatte bedeutet dies, dass im Falle einer symmetrischen Anordnung der Ausleseboards zueinander die MIMOSA-20 Sensoren im doppelseitigen Aufbau B nicht übereinander positioniert werden können. Die Anordnung eines möglichst großen Teils der aktiven Fläche der MIMOSA-20 Sensoren übereinander ist für die Teilchenspurrekonstruktion von großer Bedeutung. Die Bohrungen für die Halterungen der Ausleseboards auf der Hauptkühlplatte werden so platziert, dass zwar die Ausleseboards zueinander versetzt positioniert werden, die MIMOSA-20 Sensoren jedoch direkt übereinander platziert sind. Die Breite der Hauptkühlplatte wird aus diesem Grund auf einen Wert von 122,4 mm bestimmt. Die Dicke der Kühlplatte wird durch die Verwendung des Kupferfingers auf 3 mm festgelegt. Die Länge wird auf 200 mm festgelegt, um die Kühlung der Platte in den beschriebenen hinteren Bereich, abseits von den Ausleseboards, verlegen zu können. Eine mögliche Kondensation von Wasser aus der Umgebungsluft soll in einer räumlichen Distanz zu den Ausleseboards und deren Elektronik stattfinden. Die Hauptkühlplatte ist in Abbildung 5.3 abgebildet.

92 78 KAPITEL 5. DEMONSTRATOR VERSION 1 Abbildung 5.3: CAD-Modell der Hauptkühlplatte. Die weitere Ausstattung der Hauptkühlplatte wird im Folgenden beschrieben: An das Kühlungsrohr schließt sich eine auf einer Länge von 23 mm in die Platte eingravierte Skala an. Diese Skala wird in Kombination mit dem Winkel, der die Platte in Position hält, Aufschluss über den noch möglichen Verschiebeweg der Kühlplatte in x- Richtung, siehe Abbildung 5.2, liefern und zu einer Kenntnis der Plattenposition sowie der MIMOSA-20 Sensoren mit einer Genauigkeit von 0, 1 mm im Gehäuse beitragen. Zusätzlich kann über die Verwendung der Skala die Reproduzierbarkeit erhöht werden, weil die genaue Position der Kühlplatte vor einem möglichen Verschieben innerhalb des Gehäuses in x-richtung bekannt ist. Im Bereich des Überganges von dem hinteren in den vorderen Bereich sind Langlöcher für M5-Schrauben angebracht. Diese Langlöcher haben eine Länge von 22 mm und dienen der Befestigung der Hauptkühlplatte über den Winkel an dem Gehäuse und somit der Fixierung der Platte, um ein mögliches Verrutschen zu verhindern. Für die Aufnahme des Kupferfingers wird die Kühlplatte im vorderen Bereich mit einer Ausfräsung versehen. Diese beginnt je 42, 2 mm von den beiden Rändern der Kühlplatte, ist 38 mm breit und 52 mm tief. Die Verschraubung mit den Halterungs- und Kühlplatten der Ausleseboards erfordert insgesamt acht M5-Gewindelöcher, die sich symmetrisch im vorderen Bereich um die Ausfräsung für den Kupferfinger anordnen. Mit einem Abstand von der Längskante von je 12 und 28,4 mm sowie einem Abstand von 10 und 100 mm von der oberen Kante werden diese Gewindebohrungen vorgesehen.

93 5.1. KONSTRUKTION DER MECHANISCHEN HALTERUNG 79 Entlang der gesamten Längskanten der Hauptkühlplatte wird ein Stufenprofil mit einer Stufenhöhe von 2 mm und einer Breite von 2 mm in die Platte eingefräst. Dieses Stufenprofil ermöglicht das Verschieben der Hauptkühlplatte in den Halterungsschienen, siehe Abbildung 5.5, an der Innenseite des Gehäuserahmens. Halterungsplatten für die Ausleseboards Die Halterungsplatten für die Ausleseboards werden in die auf der Hauptkühlplatte vorgesehenen Gewinde geschraubt. Durch die Verschraubung mit der Hauptkühlplatte und einer gleichzeitigen Beklebung der Unterseite mit der Wärmeleitfolie aus Kapitel werden die aus Kupfer bestehenden Halterungsplatten und die mit diesen verschraubten Ausleseboards über die Hauptkühlplatte gekühlt. Die Maße der Halterungsplatten orientieren sich an denen der Ausleseboards. Die Breite entspricht mit 100 mm der Breite der Ausleseboards, die Länge ist mit 110 mm größer als die der Ausleseboards und bietet die Möglichkeit für eine Verschiebung der Boards in die Richtung des Sensorenträgers oder von diesem weg. Eine Vertiefung im hinteren Bereich der Halterungsplatte ist ähnlich wie bei dem Modul Ausleseboard-Kühlplatte, siehe Kapitel 4.3.3, für das Verhindern von elektrischem Kontakt zwischen dem Kupfer und dem 50-Pinstecker des Ausleseboards vorgesehen. Die weitere Ausstattung der Halterungsplatten für die Ausleseboards wird im Folgenden beschrieben: Für die Verschraubung der Halterungsplatten mit der Hauptkühlplatte werden die Senkungen für vier M5-Senkkopf-Schrauben jeweils 10 mm aus den Ecken der Halterungsplatten in die Richtung des Inneren der Platten versetzt. Die Verschraubung der Ausleseboards wird mit vier M2, 5-Gewindebohrungen mit je 3, 6 und 4 mm Abstand von den Längskanten und je 21 und 85,3 mm von der Vorderkante vorgesehen. Eine der Halterungen wird zusätzlich mit vier M5-Gewindebohrungen zum Aufschrauben des Kupferfingers versehen. Diese Bohrungen werden je 35 und 45 mm von der Vorderkante sowie 28,4 und 53,4 mm von der Längskante angeordnet. Eine Darstellung der verschiedenen Halterungsplatten erfolgt in Abbildung 5.4.

94 80 KAPITEL 5. DEMONSTRATOR VERSION 1 (a) (b) Abbildung 5.4: CAD-Modell der Halterungsplatten für das Ausleseboard (a) ohne zusätzliche Bohrungen für die Verschraubung des Kupferfingers und (b) mit den zusätzlichen Bohrungen Gehäuse Das Gehäuse des einseitigen Aufbaus A wird als Grundlage für die Konstruktion des doppelseitigen Aufbaus B verwendet. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Gehäusen besteht in der Höhe, welche durch die Verwendung von zwei Ausleseboards im doppelseitigen Aufbau B angepasst werden muss. Eine Modifikation der Seiten-, Kopf- und Rückwand wird entsprechend durchgeführt. Eine Liste der konstruierten Bauteile, welche alle bis auf den Winkel aus Aluminium bestehen, wird an dieser Stelle zur Übersicht angeben. Für eine detaillierte Beschreibung der Bauteile sowie die entsprechenden CAD-Darstellungen sei auf den Anhang B.1 dieser Arbeit, ab Seite 109, verwiesen. Gehäusebauteil Version Abbildung (Anhang) Kopfwand einseitig A B.1 Seitenwand einseitig A B.2 Rückwand einseitig A B.3 Deckelplatten ein-/doppelseitig A/B B.4 Winkel ein-/doppelseitig A/B B.8 Kopfwand doppelseitig B B.5 Seitenwand doppelseitig B B.6 Rückwand doppelseitig B B.7 Tabelle 5.1: Übersicht der konstruierten Gehäusebauteile.

95 5.1. KONSTRUKTION DER MECHANISCHEN HALTERUNG 81 Die Realisierung der Verschiebung der Kühlungsstrukturen innerhalb der Gehäuse sowie die elektrische und thermische Isolation der Kühlungsstrukturen gegenüber der Gehäuse wird mit Hilfe von Plastikschienen der Firma Schroff [Scha] ermöglicht. Die Schienen haben eine Länge von 161, 5 mm, die Verschraubungspunkte der Schienen mit der untergelegten Seitenwand sind 120 mm voneinander entfernt. Abbildung 5.5: Schiene zum Verschieben der Kühlungsstruktur Kondensationsschutz Für den Schutz vor Kondensation von Wasser aus der Umgebungsluft in der Nähe der Elektronik der Ausleseboards und den daraus möglicherweise resultierenden Kurzschlüssen bei einer Erwärmung des gekühlten Systems, wird ein zusätzliches Gehäuse für jeden Aufbau konzipiert. Das Ziel ist es, dass aus der Halterung für den Demonstrator Version 1 außer dem Auslesekabel der Ausleseboards und der Kühlungsrohre der Hauptkühlplatte keinerlei Teile herausragen. Die mögliche Kondensation von Wasser an einer kalten Oberfläche soll ausschließlich in dem Bereich außerhalb des Gehäuses zur Halterung des Demonstrators V1 stattfinden. Die konstruierten Teile für den doppelseitigen (B) und einseitigen (A) Aufbau unterscheiden sich in der Höhe der Seiten- und Rückwände. Die Deckel werden sowohl für den einseitigen (A) als auch für den doppelseitigen (B) Aufbau verwendet. Analog zur Darstellung der für die Gehäuse entworfenen Bauteile werden die Teile für die Gehäuse für den Kondensationsschutz, die alle aus Aluminium bestehen, in einer Liste dargestellt. Für eine detaillierte Beschreibung sowie die entsprechenden CAD-Abbildungen sei auf den Anhang B.2 dieser Arbeit, ab Seite 113, verwiesen.

96 82 KAPITEL 5. DEMONSTRATOR VERSION 1 Gehäusebauteil Version Abbildung (Anhang) Seitenwand einseitig A B.9 Seitenwand einseitig A B.10 Rückwand einseitig A B.11 Deckelplatten ein-/doppelseitig A/B B.12 Seitenwand doppelseitig B B.13 Seitenwand doppelseitig B B.14 Rückwand doppelseitig B B.15 Tabelle 5.2: Übersicht der konstruierten Gehäusebauteile für den Kondensationsschutz. 5.2 Simulation des Zusammenbaus mit CAD Nach dem Ende des Konstruktionsprozesses aller benötigten Teile für die mechanische Halterung des MVD Demonstrators Version 1 werden die einzelnen Teile im CAD-Programm zu der kompletten Halterung zusammengesetzt. Die Beschreibung des Zusammensetzens erfolgt exemplarisch für den einseitigen Aufbau A. Ausgehend von der Kopfwand des einseitigen Aufbaus A werden die Seitenwände, mit den auf diesen befestigten Schienen, mit dieser verbunden. Die Rückwand wird mit den Seitenwänden verbunden und die Hauptkühlplatte in die Schienen eingeführt. An die Hauptkühlplatte wird eine der Halterungen für das Ausleseboard und eine der mit dem Kupferfinger bestückten Halterung für das Ausleseboard angefügt. Der Winkel wird über der Hauptkühlplatte positioniert und mit der Rückwand verbunden. Für das Gehäuse des Kondensationsschutzes werden die Seitenwände und die Rückwand an das bestehende Gehäuse der mechanischen Halterung angefügt. Zuletzt wird je ein Deckel für den Halterungsrahmen und für den Kondensationsschutz an den dafür vorgesehenen Verschraubungen positioniert. Ein Sensorenträger wird mit dem Kupferfinger verbunden. Dies ist in den Abbildungen 5.6(a), 5.7(a) dargestellt. Die MIMOSA-20 Sensoren werden auf dem Sensorenträger platziert, siehe Abbildungen 5.6(b), 5.7(b). Das FlexPrint-Kabel sowie das Ausleseboard werden auf den dafür vorgesehenen Positionen eingefügt, siehe Darstellung 5.6(c) und 5.7(c). Die beiden verbleibenden Deckel werden auf die mechanische Halterung gesetzt. Das Resultat der gesamten Konstruktion für den einseitigen Aufbau A ist in den Bildern 5.6(d) sowie 5.7(d) zu sehen. Für den doppelseitigen Aufbau B werden die Bilder analog dargestellt.

97 5.2. SIMULATION DES ZUSAMMENBAUS MIT CAD 83 (a) (b) (c) (d) Abbildung 5.6: CAD-Bilder des einseitigen Aufbaus A: (a) die mechanische Anordnung, (b) mit den MIMOSA-20 Sensoren, (c) mit dem FPC und dem Ausleseboard sowie (d) komplett verschlossen.

98 84 KAPITEL 5. DEMONSTRATOR VERSION 1 (a) (b) (c) (d) Abbildung 5.7: CAD-Bilder des doppelseitigen Aufbaus B: (a) die mechanische Anordnung, (b) mit den MIMOSA-20 Sensoren, (c) mit dem FPC und den Ausleseboards sowie (d) komplett verschlossen.

99 5.3. AUFBAU DER MECHANISCHEN HALTERUNG 85 Die komplette mechanische Halterung hat eine Länge von 325 mm und eine Breite von 142 mm. Die durch das TAPI-Teleskop an die Halterung gestellte Anforderung von einer maximalen Breite von 135 mm konnte durch die in dem doppelseitigen Aufbau B zwingend notwendige Positionierung der MIMOSA-20 Sensoren übereinander, wie in Abschnitt beschrieben, nicht erfüllt werden. Zur Integration der mechanischen Halterung in das TAPI-Strahlteleskop wurde ein neuer Schutzrahmen mit einer ausreichenden Breite entworfen. Der neue Schutzrahmen hat eine Breite von 200 mm und bietet einen 160 mm breiten Durchgang für die mechanische Halterung. Die Simluation der Konstruktion der mechanischen Halterung für den ein- und doppelseitigen Aufbau ist mit den Abbildungen 5.6 und 5.7 fertiggestellt. Für die Herstellung der Teile in der feinmechanischen Werkstatt des Institutes für Kernphysik werden mit Hilfe des CAD-Programms für alle Bauteile technische Zeichnungen erstellt. Die Zeichnungen beinhalten je ein Seiten- und ein Frontprofil des jeweiligen Bauteils. Die Bauteile werden mit allen benötigten Bemaßungen versehen. Die Darstellung der technischen Zeichnung für die Hauptkühlplatte wird exemplarisch für die gesamten Zeichnungen im Anhang in Abbildung C.1, siehe Seite 117, dargestellt. Alle technischen Zeichnungen sind im CBM-Wiki der MVD-Gruppe [TZD] abgelegt und können dort nachgeschlagen werden. 5.3 Aufbau der mechanischen Halterung Alle Bauteile der beiden Halterungen werden in einem Ultraschallbad für 15 Minuten gereinigt, um die Rückstände der Schmiermittel, die für die Bearbeitung der Bauteile benötigt wurden, von diesen abzulösen. Ein 20-minütiger Ausheizvorgang bei einer Temperatur von 80 C sorgt für das Ablösen des Wassers von der Oberfläche der Bauteile. Eine Darstellung der Teile für den Halterungsrahmen des einseitigen Aufbaus A und die Teile für die Kühlungsstruktur erfolgt in Abbildung 5.8 und sie werden nach einer Abkühlungsphase zu dem einseitigen Aufbau A zusammengesetzt. Das Vorgehen wird im Folgenden skizziert: Die Unterseiten der Halterungsplatten für die Ausleseboards werden mit einer Wärmeleitfolie aus Kapitel beklebt. Die Kühlungsstruktur wird analog der schematischen Darstellung 5.2 aufgebaut. Der Kupferfinger wird auf die dafür vorgesehene Halterung eines Ausleseboards geschraubt. Diese wird von unten gegen die Hauptkühlplatte geschraubt, während die zweite Halterungsplatte auf die Oberseite der Hauptkühlplatte - die aufgelöteten Kühlungsrohre zeigen nach links von der Platte weg, siehe Abbildung 5.8(b) - geschraubt wird.

100 86 KAPITEL 5. DEMONSTRATOR VERSION 1 (a) (b) Abbildung 5.8: (a) Teile für den Halterungsrahmen des einseitigen Aufbaus A und (b) Teile für die Kühlungsstruktur der Aufbauten A und B. Die Schienen zur Führung der Hauptkühlplatte werden auf den Seitenwänden platziert und mit diesen verschraubt. Die Seitenwände werden an den kurzen Seiten der Kopfwand fixiert. Die Hauptkühlplatte wird in die Schienen eingeschoben, die Rückwand des einseitigen Gehäuses eingesetzt und mit den Seitenwänden verbunden, und eine der Deckelplatten wird von unten mit dem Gehäuse verschraubt. Die Seitenwände des Gehäuses zum Schutz vor Kondensation werden an die Rückwand des bestehenden Gehäuses gesetzt, und mit dem Verschrauben der Rückwand und einer der Deckelplatten fertiggestellt. Der Winkel zur Fixierung der Position der Hauptkühlplatte wird mit der Rückwand und der Platte selbst verschraubt. Eine Standplatte wird mit der Kopfwand der mechanischen Halterung verbunden. Der komplette mechanische Aufbau ohne die beiden verbliebenen Deckelplatten ist in Abbildung 5.9 dargestellt Fertigstellung der mechanischen Halterung Die Fertigstellung der mechanischen Halterung wird für den Aufbau B (Verwendung von vier MIMOSA-20 Sensoren und zwei Ausleseboards) beschrieben. Für die Fertigstellung der mechanischen Halterung müssen die Ausleseboards auf deren Halterungsplatten auf der Kühlungsstruktur und die FPCs mit den unter diesen geklebten MIMOSA20 Sensoren auf dem Sensorenträger positioniert werden. Die MIMOSA-20 Sensoren müssen mit dem Sensorenträger verklebt werden und die Position der Sensoren zueinander (im Aufbau B) bestimmt werden.

101 5.3. AUFBAU DER MECHANISCHEN HALTERUNG 87 Abbildung 5.9: Erster Aufbau der einseitigen mechanischen Halterung. Ein großes Augenmerk bei der Fertigstellung liegt auf dem Schutz der Bonds (elektrische Verbindung zwischen den MIMOSA-20 Sensoren und den FPCs) und der Sensoren selbst, sowie einer möglichst hohen Genauigkeit und Reproduzierbarkeit. Die Ausleseboards werden mit den Halterungsplatten verschraubt und somit deren Position in y-richtung, vergleiche Abbildung 5.2, fixiert. Die FPCs mit den Sensoren werden in die Ausleseboards eingeführt. Die Überprüfung der Position der Sensoren zueinander zeigt, dass die Sensoren mit einer Fläche von 7 40 mm2 übereinander stehen, vergleiche Abbildung 5.10(a). Zusätzlich lässt sich erkennen, dass die Sensoren über den Rand des TPGs des Sensorenträgers hinausstehen. Dies hat zur Folge, dass die Bonding-Pads, mit welchen die Stromversorgung der Sensoren realisiert wird, über das TPG hinausstehen und nicht gekühlt werden können. Dieser Sensorbereich sollte mit dem Sensorenträger für eine ausreichende Kühlung in Kontakt stehen. Ein in y-richtung auf 20 mm verbreiteter Sensorenträger sorgt für die Kühlung der kompletten MIMOSA-20 Sensoren, siehe Abbildungen 5.2 und 5.10(b). Die Sensoren stehen wiederum mit einer Fläche von 7 40 mm2 übereinander. Die MIMOSA-20 Sensoren werden mit Hilfe einer dünnen, gleichmäßigen Schicht eines Wär-

102 88 KAPITEL 5. DEMONSTRATOR VERSION 1 (a) (b) Abbildung 5.10: Position der MIMOSA-20 Sensoren zu dem Sensorenträger (a) 11 mm breiter Sensorenträger (b) 20 mm breiter Sensorenträger, nicht maßstabsgetreu. meleitklebers, die Spezifikationen sind in Kapitel beschrieben, auf dem Sensorenträger aufgeklebt. Das Auslesekabel wird in die Ausleseboards eingesetzt und das Erdungskabel des Auslesekabels mit der Erdung des Ausleseboards zur Definition eines gleichen Potentials verlötet. Die verbleibenden Deckel werden auf die mechanische Halterung gesetzt und verschraubt. Die Stoßkanten zwischen den Bauteilen werden mit einem Klebeband zum lichtdichten Verschließen des Gehäuses überklebt. Die mechanische Halterung ist fertiggestellt Ergebnisse der Fertigstellung der mechanischen Halterung Die MIMOSA-20 Sensoren können über die Auslesekette bestehend aus FlexPrint-Kabel, Ausleseboards und Auslesekabel gesteuert und getestet werden. Eine Beschädigung der Bonds konnte bei der Fertigstellung der mechanischen Halterung verhindert werden. Die Sensoren befinden sich nicht mit der kompletten möglichen Fläche übereinander. Ein Verschieben der MIMOSA-20 Sensoren zur Vergrößerung dieser Fläche ist aufgrund der festen Verbindung zwischen den FPCs, den Sensoren und den Ausleseboards nicht möglich, da die Position der Ausleseboards in y-richtung mit dem Verschrauben auf die Halterungsplatten fixiert ist. Die einseitige Version (Aufbau A) wird bis auf das Verkleben der MIMOSA-20 Sensoren mit dem Sensorenträger zusammengesetzt. Das Verkleben dieser Teile erfolgt bei Bedarf direkt am Experiment (CERN).

103 5.4. KÜHLUNGSTEST DEMONSTRATOR VERSION Kühlungstest Demonstrator Version 1 Ein Test zur Kühlung des Demonstrators Version 1 wird durchgeführt. Dieser soll einen Richtwert für die auf dem TPG erreichbare niedrigste Temperatur angeben. Für die Durchführung des Kühlungstests wird der in Kapitel 4.4 verwendete und bereits mit Sensorenträger und Temperatursensoren ausgestattete Kupferfinger verwendet. Die Kühlungsstruktur wird analog der in Kapitel beschriebenen Vorgehensweise zusammengesetzt, wobei für die Kühlungstests der Zwischenraum zwischen dem Kupferfinger und der Hauptkühlplatte zusätzlich mit Wärmeleitpaste [WLP] ausgefüllt wird. Die Hauptkühlplatte wird mit einem zusätzlichen Temperatursensor versehen. Die zur Fertigstellung der mechanischen Halterung benötigten Deckel werden mit den Wänden verschraubt und die Kühlrohre über Swagelok-Verbindungen [SWL] mit den Kühlschläuchen des Kühlsystems verbunden. Der Kühlungsverlauf im MVD Demonstrator Version 1 ist in Abbildung 5.11 dargestellt. Abbildung 5.11: Schema des Temperaturverlaufes im Demonstrator V1. Zur Bestimmung der Temperaturverläufe im Aufbau des Demonstrators V1 werden zwei Messungen durchgeführt. Für die erste Messung wird der Aufbau A zur Minimierung von Kondensation an der Kühlungsstruktur komplett mit Alufolie umwickelt. Dies dient der Simulation der Aufbaus während der Teststrahlzeit. Bei dieser werden alle Stoßkanten zwischen den einzelnen Bauteilen der mechanischen Halterung mit Klebeband überklebt und das Fenster im Deckel der Gehäuse mit Alufolie überklebt; eine mögliche Kondensation von Wasser innerhalb des Gehäuses soll dadurch verhindert werden. Bei der zweiten Messung wird auf das Umwickeln des Aufbaus mit Alufolie verzichtet. Die Messungen werden ohne laufende MIMOSA-20 Sensoren durchgeführt, da diese zum Zeitpunkt der Kühlungstests noch nicht endgültig auf ihre Funktionalität nach dem Bonden getestet wurden. Das Kühlsystem wird auf 40 C eingestellt und die an den Temperatursensoren gemessenen Werte werden kontinuierlich ausgelesen. Die Messungen werden nach einer Zeit von 120 Minuten unter der Annahme, dass sich ein thermodynamisches Gleichgewicht bilden konnte und sich die gemessenen Temperaturen über einen längeren Zeitraum nicht mehr gravierend verändern, gestoppt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5.3 eingetragen und in den Abbildungen 5.12(a), 5.12(b) dargestellt.

104 90 KAPITEL 5. DEMONSTRATOR VERSION 1 (a) (b) Abbildung 5.12: Graphen der Kühlungsmessung des Demonstrators V1 (a) mit Alufolienumwicklung und (b) ohne Alufolienumwicklung; der kurzzeitige Anstieg der Temperatur ist mit einem kurzen Aussetzen des Kühlsystems erklärbar.

105 5.4. KÜHLUNGSTEST DEMONSTRATOR VERSION 1 91 Modul mit Alufolie [ C] ohne Alufolie [ C] Farbe in 5.12 TPG (MIMOSA-20) 12, 2 +2, 0 rot TPG (Referenz) 13, 0 +2, 3 grün Hauptkühlplatte 19, 3 12, 0 blau Kühlsystem Tabelle 5.3: Temperaturverlauf im Aufbau des Demonstrators V1 mit und ohne Kondensationsschutz. Die gemessenen Werte für den Kühlungstest mit der Abschirmung der Kühlungsstruktur durch die Alufolie stimmen mit den Werten für die Nullmessung des Kühlungstests des Demonstrators V0 aus Tabelle 4.9 überein. Die mechanische Halterung für den Demonstrator Version 1 sollte die von den MIMOSA-20 Sensoren während des Betriebes produzierte Verlustleistung aus dem System ableiten können. Bei einer unzureichenden Abschirmung der Umgebungsluft werden die aus Tabelle 4.9 bekannten Temperaturen nicht erreicht. Die Temperaturen liegen bis zu T = 10 C über diesen und den Werten der Messung mit Alufolienumwicklung. Die in Tabelle 5.3 dargestellten Werte zeigen eine Existenz von zwei kritischen Temperaturübergängen an, ähnlich zu jenen, die in Kapitel 4.4 beobachtet werden konnten. Beim Übergang von der Kühlflüssigkeit auf die Hauptkühlplatte und beim Übergang von der Hauptkühlplatte (Kupferfinger) auf das TPG kann je ein großer Temperaturunterschied verzeichnet werden. Die Größe des Temperaturunterschiedes beträgt beim Übergang auf die Hauptkühlplatte einen Wert von T = 20 C und für den Übergang von der Hauptkühlplatte auf das TPG einen Wert von bis zu T = 6 C. Aufgrund der nahezu gleichen Anordnung der Kühlungsstrukturen der Demonstratoren Version 0 und Version 1 (gleicher Übergang von Kupferfinger auf den Sensorenträger sowie nur eine Windung des Kühlrohres auf der Hauptkühlplatte) sei für die Diskussion dieser Temperaturübergänge auf die in Kapitel durchgeführte Diskussion verwiesen.

106 Kapitel 6 Durchführung der Strahlzeit Das nachfolgende Kapitel befasst sich mit dem Aufbau des Demonstrators Version 1 am CERN sowie ersten Ergebnissen der Teststrahlzeit. Die Teststrahlzeit findet in einer Experimentierhalle der North Area des CERN SPS an einem Teilchenstrahl mit 120 GeV Pionen statt. Die Integration des doppelseitigen Aufbaus B des Demonstrators erfolgt hinter dem eigentlichen Strahlteleskop. Diese Anordnung steht im Gegensatz zu der in Kapitel 5 dargestellten ursprünglichen Anordnung des TAPI und dient zur Erhöhung der Experimentierzeit. Das parallele Experimentieren mit der Gruppe des IPHC Strasbourg ist durch diese Anordnung gewährleistet. Der Aufbau wird in Abbildung 6.1 dargestellt. Abbildung 6.1: Nicht maßstabsgetreue Skizze des Aufbaus am CERN. Ein Abstandshalter wird zwischen den doppelseitigen Aufbau B und die Grundplatte geschraubt. Mit diesem wird ein Höhenunterschied von 6 cm zwischen der Grundplatte des TAPI und der Grundplatte, auf der der Demonstrator geschraubt wird, ausgeglichen. 92

107 93 Aufgrund einer Fehlfunktion in der Spannungsversorgung der MIMOSA-20 Sensoren und der Ausleseboards während des Aufbaus des Demonstrators, wurden die Sensoren in ihrer Funktion stark beeinträchtigt und mussten ausgetauscht werden. Der doppelseitige Aufbau B des Demonstrators muss durch den einseitigen Aufbau A ersetzt werden. Der einseitige Aufbau A wird unter Berücksichtigung des beschriebenen Klebevorganges fertiggestellt. Die Aufnahme der ersten Daten erfolgt bei einer gemessenen Temperatur von 2 C. Diese Temperatur wird auf der Rückseite des die MIMOSA-20 Sensoren tragenden TPGs erfasst. Das Kühlsystem arbeitet bei allen Messungen bei 40 C. Die Darstellung dieser ersten Daten erfolgt, mit einer in der MVD-Gruppe entwickelten Analysesoftware [AAY], in Abbildung 6.2. (a) (b) Abbildung 6.2: Erste Teilchen im CBM MVD Demonstrator Version 1: (a) Ausgelesenes Bild des Sensors 1 aus Aufbau A und (b) die gemessene Ladungsverteilung des Sensors. Beschreibung der Abbildung 6.2 Das linke Bild stellt die Pixelmatrix des MIMOSA-20 Sensors dar, der sich näher an der Kopfwand der mechanischen Halterung befindet, siehe Abbildung 6.1. Misst ein Pixel während der Datenaufnahme eine durch einen Teilchendurchgang induzierte Ladung, erhält die Matrix des Sensors an dieser Pixelposition einen Eintrag. Die Einträge in der Matrix häufen sich an der rechten Kante des Sensors. Die Pixelmatrix wird in der Analysesoftware zur besseren Darstellung um 90 Grad gedreht. Im Experiment befindet sich die Achse mit der Beschriftung Spaltennummer entlang der x-achse und die Achse mit der Beschriftung Zeilennummer entlang der y-achse, siehe Abbildung 6.3 links. Das rechte Bild zeigt die von den Pixeln während der Datenaufnahme aufgesammelte Ladung. Die Ladungsverteilung entsteht durch den Energieverlust der Teilchen beim Durchgang durch den Sensor. Hierbei wird die Ladung meist auf mehrere einzelne Pixel verteilt, so dass von jedem dieser Pixel nur ein reduzierter Ladungsanteil aufgesammelt werden kann. Der Pixel mit der meisten gesammelten Ladung wird als Seed-Pixel (roter

108 94 KAPITEL 6. DURCHFÜHRUNG DER STRAHLZEIT Pixel in Abbildung 6.3 links) bezeichnet und die Ladungsverteilung für diesen wird in der Abbildung 6.2 dargestellt. Die Ladungsverteilung kann durch eine Landauverteilung beschrieben werden, deren Maximum (MPV in dieser Ladungsverteilung bei 219,35 ± 1,7 Elektronen liegt) nicht mit dem Referenzwert ( 70 Elektronen) der Strasbourg-Gruppe übereinstimmt. Abbildung 6.3: Position des Teilchenstrahls auf den MIMOSA-20 Sensoren: links am Rand; rechts in der Mitte. Die Position der mechanischen Halterung wird in Bezug auf die Lage des Teilchenstrahls korrigiert. Die in Abbildung 6.2 dargestellte Pixelmatrix hat im Experiment die Abmessungen von 1 1 cm 2. Auf dieser ist der Rand des Teilchenstrahles zu erkennen. Der Durchmesser des Teilchenstrahls sollte 5 mm betragen. Eine Verschiebung der kompletten mechanischen Halterung durch das Unterlegen eines 6,6 mm hohen Abstandshalters soll den Teilchenstrahl in die Mitte des ausgelesenen MIMOSA-20 Sensors bringen.

109 95 (a) (b) Abbildung 6.4: Teilchenstrahl im CBM MVD Demonstrator Version 1: (a) Ausgelesenes Bild des Sensors 1 aus Aufbau A und (b) die gemessene Ladungsverteilung des Sensors. Das Ergebnis einer Datenaufnahme mit dieser durchgeführten Modifikation wird in Darstellung 6.4 gezeigt. Beschreibung der Abbildung 6.4 Das linke Bild zeigt erneut die Pixelmatrix und die von dieser während der Datenaufnahme registrierten Teilchendurchgänge. Die Häufung der Ladungseinträge lässt auf die gewünschte Positionierung des Sensors in dem Teilchenstrahl schließen, siehe Abbildung 6.3 rechts. Die erkennbaren Kanten werden durch die bauartbedingte Unterteilung der MIMOSA-20 Sensoren in fünf verschiedene Bänke verursacht. Jede dieser Bänke muss individuell auf einen optimalen dynamischen Messbereich eingestellt werden. Diese Einstellung konnte für die dargestellte Datenaufnahme nur für die Bänke 1,2,3 und 5 erreicht werden. Zusätzlich wurde die Anordnung der Bänke durch die Analysesoftware verschoben. Die korrekte Reihenfolge ergibt sich durch die chronologische Anordnung. Im rechten Bild ist wie vorher die Ladungsverteilung dargestellt. Der über den Landaufit der Ladungsverteilung erhaltene MPV-Wert von 61, 92 ± 0, 2 Elektronen liegt schon deutlich näher an dem genannten Referenzwert der Strasbourg-Gruppe. Der doppelseitige Aufbau B der mechanischen Halterung wird parallel zu den Messungen neu aufgebaut. Die Positionierung der MIMOSA-20 Sensoren in Bezug zu dem Sensorenträger entspricht der in Abbildung?? dargestellten Situation des 11 mm breiten Sensorenträgers. Eine durchgeführte Testreihe des neu aufgebauten doppelseitigen Aufbaus B zeigt, dass neben den MIMOSA-20 Sensoren zusätzlich ein Ausleseboard durch die Überspannung beschädigt wurde. Der doppelseitige Aufbau B kann aus diesem Grund nur als einseitiger Aufbau B1 betrieben

110 96 KAPITEL 6. DURCHFÜHRUNG DER STRAHLZEIT werden. Im Experiment wird der Aufbau B1 vor dem bereits vorhandenen einseitigen Aufbau A platziert. Der Aufbau des MVD Demonstrator Teleskops, welches durch die Verwendung der beiden Aufbauten definiert ist, wird in Bild 6.5 schematisch dargestellt. Abbildung 6.5: Nicht maßstabsgetreue Skizze des Aufbaus des MVD Demonstrator Teleskops. Der Aufbau B1 wird mit einem Abstandshalter auf die Höhe des Aufbaus A gehoben. Dieser wurde zuvor um zusätzliche 2,4 mm in x-richtung, vergleiche Abbildung 6.5, angehoben, um eine Absenkung des gesamten Strahlteleskops in Bezug auf den Teilchenstrahl auszugleichen. Die beiden Aufbauten A und B1 sind in zwei Schritten, ausgehend von der Grundplatte, um 9 mm in x-richtung angehoben worden. Die Kühlung des Aufbaus A auf eine gemessene Temperatur von 2 C bleibt unverändert. Eine Darstellung der mit dieser Anordnung aufgenommenen Daten ist in Bild 6.6 zu sehen. Beschreibung der Abbildung 6.6 Das linke Bild, siehe Abbildung 6.6(a), wird von dem Sensor des Aufbaus A, das Rechte, siehe 6.6(b), von dem des Aufbaus B1 während der Datenaufnahme ausgelesen. Bei den beiden sichtbaren Strukturen handelt es sich um die Szintillatoren des TAPI-Strahlteleskops. Diese sind sichtbar, da die aufgenommenen Daten nur für den Fall ausgewertet werden, das von den beiden Szintillatoren ein Signal für den Durchgang eines Teilchen ausgesendet worden ist. Die Bilder in der Mitte links, siehe 6.6(c), und rechts, siehe 6.6(d), zeigen die Abbildungen 6.6(a) und 6.6(b) in einer 3-dimensionalen Darstellung. Die Abbildung 6.6(e) stellt die gemessene Ladungsverteilung dar.

111 97 (a) (b) (c) (d) (e) Abbildung 6.6: Erste Daten des MVD Demonstrator Teleskops: (a) Ausgelesenes Bild des Sensors 1 aus Aufbau A, (b) ausgelesenes Bild des Sensors 2 aus Aufbau B1, (c) die 3D- Darstellung des Bildes des Sensors 1, (d) die 3D-Darstellung des Bildes des Sensors 2 und (e) die gemessene Ladungsverteilung des MVD Teleskops.

112 98 KAPITEL 6. DURCHFÜHRUNG DER STRAHLZEIT Mit der Realisierung des MVD Demonstrator Teleskops können Korrelationsmessungen durchgeführt werden. Dabei werden bei der Auswertung der gemessenen Teilchendurchgänge zusätzliche Bedingungen an die durch die beiden Ebenen des MVD Demonstrator Teleskops gegangenen Teilchen angelegt. Ein Teilchen, welches in dem Auslesezyklus des einen Sensors detektiert worden ist, muss in dem zeitlich selben Auslesezyklus des anderen Sensors nachgewiesen werden. Tritt dieser Fall ein, können die Positionen gegeneinander aufgetragen werden und eine Aussage über die Genauigkeit der Ortsinformationen der Teilchenmessung getroffen werden. Für die Darstellung der Korrelationsmessungen der Ortsinformationen werden jeweils die x- Positionen und jeweils die y-positionen der die Ladung aufsammelnden Pixel aufgetragen, unter der Annahme, dass die Teilchen beim Durchgang durch die Sensoren parallel zueinander sind. Für die Bestimmung der Korrelation in x-richtung wird die x-achse über die Pixelpostion in x-richtung des ersten Sensors und die y-achse über die Pixelpostion in x-richtung des zweiten Sensors definiert, siehe Abbildung 6.7(a). Für die Bestimmung der Korrelation in y-richtung wird die x-achse über die Pixelpostion in y-richtung des ersten Sensors und die y-achse über die Pixelpostion in y-richtung des zweiten Sensors definiert, siehe Abbildung 6.7(b). (a) (b) Abbildung 6.7: Korrelationen der Ortsinformationen der Sensoren 1 und 2: (a) Pixelpositon in x-richtung und (b) Pixelpositon in y-richtung; die Einheiten der Achsen sind mit dem Abstand der Pixel (30 µm) zu skalieren. Mit Hilfe von diesen Korrelationsmessungen ist es möglich einen Wert für die Ortsauflösung des MVD Teleskops anzugeben. Dieser Wert liegt bei σ ges = 5,64 µm.

113 99 Abschätzung der Vielfachstreuung Eine Abschätzung für den Einfluss der Vielfachstreuung auf die Flugbahn der Pionen während des Durchgangs durch das MVD Teleskop wird im Folgenden vorgenommen. Zur Berechnung der durch die Vielfachstreuung verursachten Auffächerung des Pionenstrahls wird die Formel [PDG] Θ 0 = 13,6MeV x β c p z (1 + 0,038ln( x )) X 0 X 0 verwendet. Die in dieser Formel verwendeten Variablen sind mit deren jeweiligen Werten in Tabelle 6.1 angegeben. Variable Bezeichnung Wert p Impuls 120 GeV /c β c Geschwindigkeit 1 z Ladung der 1 Teilchen x/x 0 Strahlungslänge 0,026 µm, siehe Tabelle 6.2 Tabelle 6.1: Variablen zur Berechnung des Ablenkwinkels der Vielfachstreuung. Modul Dicke [µm] Strahlungslänge X 0 MIMOSA , Sensor Sensorenträger , 006 MIMOSA , Sensor FPC 300 0, 0021 Aluminiumfenster 15 0, Aluminiumfenster 15 0, FPC 300 0, 0021 Gesamt 0, 026 Tabelle 6.2: Berechnung der Strahlungslänge zur Bestimmung der Vielfachstreuung. Mit den Werten aus Tabelle 6.1 kann der mittlere Streuwinkel Θ 0 zu Θ 0 = 1, bestimmt werden. Unter Zuhilfenahme von Trigonometrie lässt sich die Auffächerung des Teilchenstrahls durch die Vielfachstreuung für eine angenommene Durchgangsstrecke durch das MVD Teleskop von 10 cm zu einem Wert von σ streu = 1,74 µm bestimmen. Als Durchgangsstrecke durch das MVD Teleskop wird der Weg der Pionen durch den Sensor des Aufbaus B1, den Sensorenträger, den Sensor auf der Rückseite des Sensorenträgers, ein FPC, die Strecke zwischen den beiden Aufbauten, ein zweites FPC sowie die beiden Aluminium- Fenster bezeichnet. Die genannten Module des MVD Demonstrators tragen zu dem in Formel 6

114 100 KAPITEL 6. DURCHFÜHRUNG DER STRAHLZEIT verwendeten und in Tabelle 6.2 angegebenen Wert für die Strahlungslänge bei. Der angegebene Wert der Ortsauflösung von σ ges = 5,64 µm beinhaltet die durch die Vielfachstreuung der Pionen erzeugte Auffächerung. Die Ortsauflösung σ gem ohne die Vielfachstreuung lässt sich über σges 2 = σstreu 2 + σgem 2 zu σ gem = σges 2 σstreu 2 = 5,36 µm bestimmen. Der Vergleich der beiden Werte der Ortsauflösung des MVD Teleskops von σ ges = 5,64 µm mit und von σ gem = 5,36 µm ohne die Berücksichtigung des sich zwischen den beiden Ebenen des Teleskops befindlichen Materials zeigt einen geringen Unterschied an. Die von dem zusätzlich in dem Teilchenstrahl positionierten Material verursachte Vielfachstreuung trägt nur einen kleinen Beitrag zur gesamten Ortsauflösung des MVD Teleskops bei. Eine starke Ablenkung der durch das MVD Teleskop gehenden Teilchen findet durch die in dieser Arbeit entwickelten Halterungsstrukturen nicht statt. Die Teststrahlzeit am CERN zeigte, dass die mechanische Halterung für den Demonstrator Version 1 den Anforderungen entsprochen hat und insbesondere so robust ausgelegt war, im Vorfeld nicht geplante Umbauten zuzulassen. Dies trug wesentlich zum Erfolg dieser Teststrahlzeit bei.

115 Kapitel 7 Zusammenfassung und Ausblick Eine Untersuchung zu Materialien und Halterungsstrukturen für den Compressed Baryonic Matter - Mirco Vertex Detector Demonstrator wurde durchgeführt. Das Konzept des Demonstrators konnte mit dem Bau zweier Demonstrator Versionen - eine für Messungen im Labor, eine andere für einen Einsatz in einer Teststrahlzeit - erfolgreich realisiert und getestet werden. Mit den in dieser Arbeit beschriebenen Materialien konnte eine Halterungsstruktur für die MIMOSA-20 Sensoren entwickelt und hergestellt werden. Das Dickenprofil dieser Struktur wurde vor und nach dem Zuschneiden der benötigten Sensorenträger gemessen und verglichen. Die in den Thermal Pyrolytic Graphite-Platten gemessene Krümmung konnte durch die Integration in die Sensorenträger um einen Faktor 10 reduziert werden. In den Bereichen der Sensorenträger, innerhalb derer die MIMOSA-20 Sensoren aufgeklebt werden, wurden keine Veränderungen des Dickenprofils durch das Zuschneiden oberhalb eines Wertes von 15 µm beobachtet. Die Strahlungslänge der Sensorenträger wird zu 0,6 % X 0 bestimmt. Für die Charakterisierung des Demonstrators Version 0 wurde das Elastizitätsmodul der hergestellten Sensorenträger und das des TPGs bestimmt. Als Referenz und zur Eichung des Messaufbaus wurde das Elastizitätsmodul von Aluminium, Kupfer und Messing für ausgewählte Belastungen gemessen. Während für den statistischen Fehler Werte bis maximal 10% bestimmt wurden, konnte die Bestimmung des systematischen Fehlers und die Eichung des Aufbaus mit den Referenzmaterialien nur zu einem Faktor 2 durchgeführt werden. Für die Sensorenträger wurde ein Elastizitätsmodul von 550 ± 95 N/mm 2 gemessen, welches sich mit der Eichung des Messaufbaus zu einem Wert von 1100 ± 95 N/mm 2 korrigieren lässt. Für das TPG wurde ein Elastizitätsmodul von 61,2 ± 7,1 N/mm 2 gemessen, welches sich mit der Eichung des Messaufbaus zu einem Wert von 122,4 ± 7,1 N/mm 2 korrigieren lässt. Der für das TPG bestimmte Wert des Elastizitätsmoduls liegt um einen Faktor 3,5 über dem vom Hersteller angegebenen Wert. 101

116 102 KAPITEL 7. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Mit der Kenntnis des Elastizitätsmoduls für die Sensorenträger konnten für diese näherungsweise Schwingungsmoden berechnet werden. Diese geben Auskunft darüber, ob eine Schwingungsanregung des Aufbaus durch von außen einwirkende Anregungen möglich ist. Für den aktuellen Aufbau des MVD Demonstrators ist dies für einzelne Moden der Fall. Bei Änderungen im Aufbau sollten die Moden für diesen neuen Aufbau erneut berechnet werden. Der Einbau der Sensorenträger in den Demonstrator Version 0 in einem PVC-Gehäuse ermöglichte die ersten Tests der einzelnen Module als Gesamtsystem. Die Auslese der Sensoren während einer fortlaufenden Kühlung konnte durchgeführt werden. Die Temperaturüberwachung konnte eine Erwärmung des TPGs durch die aufgeklebten und im Betrieb befindlichen Sensoren um T = 24 C im Vergleich zu einer Messung ohne Belastung feststellen. Bei der Messung mit laufenden Sensoren konnte eine Temperatur von T = 4 C auf dem TPG gemessen werden; ohne die laufenden Sensoren wurde eine Temperatur von T = 20 C gemessen. Für eine Teststrahlzeit am CERN wurde der Demonstrator Version 0 als Ausgangspunkt gewählt und die gesammelten Erkenntnisse für die Entwicklung eines Demonstrators Version 1 verwendet. Zwei mechanische Halterungen wurden mit einem CAD-Programm nach den vorgegebenen Rahmenbedingungen der Teststrahlzeit konzipiert. Die Realisierung der Bauteile wurde von der institutseigenen Werkstatt übernommen. Nach der Fertigstellung der Teile und deren Zusammenbau konnten die Werte der Kühlungsdurchläufe des Demonstrators Version 0 für den Demonstrator Version 1 reproduziert werden. Für die Vorbereitungen für das Bonden der FlexPrint-Kabel mit den MIMOSA-20 Sensoren konnte ein standardisierter Ablauf erstellt werden. Mehrere Durchläufe im Vorfeld der Strahlzeit konnten zu einer Vereinfachung dieses standardisierten Ablaufs und einer Reproduzierbarkeit der Ergebnisse beitragen. Die mechanischen Halterungen wurden mit den Sensorenträgern, den mit den FPCs verklebten MIMOSA-20 Sensoren sowie den Ausleseboards bestückt und am CERN für die Durchführung der Teststrahlzeit in das Strasbourger Strahlteleskop eingebaut. Die gewonnenen Daten zeigen das erfolgreiche Zusammenspiel aller Module des MVD Demonstrators. Anhand der Daten kann die Ortsauflösung des MVD Teleskops zu einem Wert von σ ges = 5,64 µm bestimmt werden. Dieser Wert entspricht den Erwartungen der Ortsauflösung dieser Sensorgeneration. Eine Abschätzung für die Ablenkung der Pionen mit einer Energie von 120 GeV durch das durch die Verwendung der mechanischen Halterungen des Demonstrators Version 1 im Teilchenstrahl platzierte Material zeigt, dass die Halterungen nur einen geringen Einfluss auf die Ortsauflösung ausüben. Für die Ortsauflösung ergibt sich ohne die Berücksichtigung der Vielfachstreung ein Wert von σ gem = 5,36 µm. Die gemessene Ortsauflösung validiert das Konzept der mechanischen Integration des CBM MVD Demonstrators sowie die Kühlung der MIMOSA-20 Sensoren im aktiven Volumen des Detektors mit Hilfe einer passiven Kühlung.

117 103 Der beschriebene modulare Aufbau des MVD Demonstrators hat sich bewährt und einen unkomplizierten Austausch von beschädigten Modulen, wie während der Strahlzeit geschehen, ermöglicht. Der Nachteil dieses modularisierten Aufbaus liegt in den vielen Schnittstellen zwischen den Modulen, wodurch eine erhöhte Fehlerwahrscheinlichkeit gegeben ist. Hier sei das Verkleben der MIMOSA-20 Sensoren mit den Sensorenträgern, die genaue Positionierung der Sensoren unter dem FPC und das Bonden angeführt. Ausblick Für eine etwaige Ausbaustufe des MVD Demonstrators sowie für den Prototyp des MVDs als nächste nachfolgende Stufe ist eine sinnvolle Zusammenführung von einzelnen Modulen zu größeren Einheiten notwendig und wichtig. Die Zusammenführung von verschiedenen Modulen könnte die Frage einer präzisen Reproduzierbarkeit der Positionierung von mehreren Sensoren und die Kenntnis von deren Position untereinander (Alignment), welche für den Prototyp des MVDs von großer Bedeutung sein wird, erheblich vereinfachen. Eine Verbesserung der Kühlung muss für die Temperaturübergänge zwischen den verschiedenen Modulen angestrebt und erreicht werden. Vor allem für den Prototyp, welcher im Vakuum zum Einsatz kommen wird, ist ein optimaler Temperaturübergang von großer Bedeutung. In den beiden Demonstrator Versionen konnte trotz der Verwendung eines hoch wärmeleitfähigen Klebers ein Temperaturunterschied von T = 10 C beim Übergang von den Sensorenträgern auf den Kupferfinger und ein Temperaturunterschied von T = 20 C beim Übergang von der Kühlflüssigkeit auf die Kühlsenke verzeichnet werden. Aufgrund der Positionierung des Detektors im Vakuum muss dem Übergang von dem TPG des Sensorenträgers auf den Kupferfinger eine entscheidende Bedeutung für die Kühlung der MIMOSA-X Sensoren des Prototyps zugemessen werden. Für die Entwicklung und die Herstellung des Prototyps für den CBM MVD Demonstrator könnte über den Austausch von TPG durch CVD Diamant nachgedacht werden. Das TPG eignet sich aufgrund einer hohen Wärmeleitfähigkeit und einer geringen Dichte für die Integration in eine Halterung für die MIMOSA-20 Sensoren im aktiven Volumen des Detektors. Das Material birgt jedoch auch Nachteile, die sich in einer vom Hersteller experimentell nicht bestätigten Angabe des Elastizitätsmoduls, sowie einer Rauheit der Oberfläche von d = 50 µm und einem nach einer mechanischen Dünnung leicht brüchigem Material äußern. Der CVD Diamant verfügt über eine noch höhere Wärmeleitfähigkeit von 2000 m K W sowie ein ähnliches Elastizitätsmodul, eine ähnliche Dichte und eine geringere Rauheit der Oberfläche. Der CVD Diamant könnte zu einer Reduzierung des Material-Budgets beitragen, falls sich herausstellen würde, dass die Sensorenträger statt einer Kombination von TPG-RVC-TPG zum Erreichen einer gleichen oder besseren Stabilität nur mit einer einzigen Lage CVD Diamant

118 104 KAPITEL 7. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK ausgestattet werden müssten. Dies ist zusammen mit der Kühlung der Sensoren und der Optimierung der Temperaturübergänge eine der Fragen, welche es im Projekt des Prototyps des MVDs für das CBM Experiment zu beantworten gilt.

119 Anhang A Theorie der Schwingungsmoden Der Ausgangspunkt für die Berechnung der Schwingungsmoden ist der einseitig eingespannte Balken. Die x-achse zeigt entlang der Balkenachse (in Richtung L), die z-achse nach unten, siehe Abbildung A.1(a), zur Ergänzung siehe [Schb]. Bei einer Schwingung des Balkens erfährt ein Balkenelement in z-richtung eine Verschiebung mit ω(x,t) und eine Drehung um die y-achse mit ψ(x,t). (a) (b) Abbildung A.1: (a) Skizze zur Bewegung des Balkens bei einer einwirkenden Schwingung und (b) Dynamik eines Querschnittes des Balkens. Der Impulssatz für die Bewegung des Balkenelements in z-richtung ergibt sich zu dm 2 ω t 2 Der Drallsatz um die y-achse des Balkens ist nach = Q + (Q + dq) + qdx. dj y 2 ψ t 2 = M + (M + dm) Qdx (qdx)dx 105

120 106 ANHANG A. THEORIE DER SCHWINGUNGSMODEN definiert. Mit den nachfolgenden Formeln für ein Massenelement dm, die Querkraft dq, das Massenträgheitsmoment dj y und das Biegemoment dm vereinfachen sich die beiden vorangegangen Formeln sofort: dm = ρ Adx, dq = Q x dx, dj y = ρ I y dx, dm = M x dx. Der Impulssatz wird zu ρ A 2 ω t 2 = Q x + q (A.1) und für den Drallsatz gilt, während die 2.te Ordnung von x gegen Null geht, ρ I y 2 ω t 2 Hinzu kommen über die Elastizitätsgesetze = M x Q. (A.2) M = E I y ψ x, Q = G A S( ω x + ψ), wobei E das bekannte Elastizitätsmodul, G das Schubmodul und A s die Schubfläche darstellt. Zusammengesetzt führen die Gleichungen zu ρ A 2 ω t 2 [ ( )] ω G A x x + ψ = q (A.3) sowie ρ I y 2 ψ t 2 ( ) ( ) ψ ω E I y + G A S x x x + ψ = 0. (A.4) Für die weitere Betrachtung der Balkenschwingung werden die Schubverformungen und die Rotationsträgheit des Balkens vernachlässigt. Unter der Annahme, dass der Querschnitt des verformten Balkens senkrecht auf der verformten Balkenachse liegt, gilt ψ = ω x. Die Balkengleichungen sind durch ρ A 2 ω t 2 = Q x + q, M = E I ψ y x, 0 = M x Q, ψ = ω x gegeben. Der Impulssatz wird mit Hilfe von

121 107 Q = M x = ( ) ψ E I y = ( 2 ) ω E I y x x x x 2 zu ρ A 2 ω t ( 2 ) ω x 2 E I y x 2 = q. (A.5) Bei freien Schwingungen wirken auf den Balken keine äußeren Kräfte, so dass die Gleichung A.5 gleich Null gesetzt werden kann. Wenn bei einem homogenen Balken die Dichte, die Querschnittsfläche sowie das Elastizitätsmodul und das Flächenträgheitsmoment konstant sind, vereinfacht sich der Impulssatz aus Gleichung A.5 zu 4 ω x 4 + ρ A 2 ω = 0. (A.6) E I y t2 Als Lösungsansatz wird ω(x,t) = W(x)(αsinωt + β cosωt) verwendet, und dies führt zu der Schwingungsgleichung für den homogenen Balken womit gilt d 4 W dx 4 (αsinωt + βcosωt) ω2 ρ A E I y W (αsinωt + βcosωt) = 0, (A.7) d 4 W dx 4 κ4 W = 0, κ 4 = ω 2 ρ A E I y. (A.8) Die Schwingungsmoden werden über die Formel ω = κ 2 E I y ρ A (A.9) berechnet. Zur Bestimmung des Vorfaktors κ muss die Schwingungsgleichung aus Formel A.8 gelöst werden. Der Ansatz dafür ist W(x) = C e ax für die eingesetzt in die Schwingungsformel nur von Null verschiedene Lösungen existieren, wenn a 4 = κ 4 gilt. Dies ist für die vier Lösungen

122 108 ANHANG A. THEORIE DER SCHWINGUNGSMODEN a 1 = κ, a 2 = κ, a 3 = iκ, a 4 = iκ erfüllt, womit die allgemeine Lösung der Schwingungsgleichung zu W(x) = C 1 e κx +C 2 e κx +C 3 e iκx +C 4 e iκx (A.10) bestimmt wird. Die Funktion muss weiterhin reell sein und die Schwingungsformel ergibt sich zu W(x) = C S sinκx +C C cosκx + D S sinhκx + D C coshκx, (A.11) wobei die e-funktionen durch Hyperbelfunktionen ersetzt werden konnten. Die Bestimmung der Vorfaktoren C S,C C, D S,D C kann nur mit Hilfe von Randbedingungen durchgeführt werden. Für die Sensorenträger sind diese Randbedingungen bei x = 0 und x = L. Diese Randbedingungen führen zu den Formeln und dw W(0) = 0, dx (0) = 0 C C + D C = 0 D C = C C C S + D S = 0 D S = C S d 2 W dx 2 (L) = 0, d 3 W d 3 x (L) = 0 0 = C S (sinκl + sinhκl) +C C (cosκl + coshκl) 0 = C S (cosκl + coshκl) C C (sinκl sinκl). Die Determinante des Gleichungssystems der beiden Formeln muss verschwinden, damit nichttriviale Lösungen gefunden werden können. Es folgt cosκl = 1 coshκl. (A.12) Die Lösungen dieser Gleichung lassen sich graphisch aus den Schnittpunkten der cos- und cosh-funktionen bestimmen. Die ersten fünf Lösungen lauten κ 1 = 1,8751 L,κ 2 = 4,6941 L,κ 3 = 7,8548 L,κ 4 = 10,996 L,κ 5 = 14,137. (A.13) L Der Vorfaktor κ aus Gleichung A.9 ist bestimmt und die Schwingungsmoden können berechnet werden.

123 Anhang B Beschreibung der konstruierten Bauteile B.1 Bauteile des Gehäuses Die Kopfwand für den einseitigen Aufbau wird mit den folgenden Eigenschaften ausgestattet: einer Höhe von 35 mm, einer Breite von 136 mm und einer Tiefe von 15 mm, einer Gewindebohrung zum Verschrauben mit dem TAPI- Teleskop, je zwei M5-Gewindebohrungen an den kurzen Seiten, je vier M5-Gewindebohrungen an den langen Seiten. Das dargestellte Bild zeigt die Kopfwand. Abbildung B.1: CAD-Modell der Kopfwand für den einseitigen Aufbau. 109

124 110 ANHANG B. BESCHREIBUNG DER KONSTRUIERTEN BAUTEILE Die Seitenwand für den einseitigen Aufbau wird mit den folgenden Eigenschaften ausgestattet: einer Höhe von 35 mm, einer Länge von 225 mm und einer Tiefe von 3 mm, je zwei M5- sowie zwei M3- Senkungen für das Verschrauben von Senkkopfschrauben mit der Rück-/Kopfwand, zwei M2-Gewindebohrungen für die Befestigung der Schiene aus Abbildung 5.5. Abbildung B.2: CAD-Modell der Seitenwände für den einseitigen Aufbau. Die Rückwand für den einseitigen Aufbau wird mit den folgenden Eigenschaften ausgestattet: einer Höhe von 35 mm, einer Breite von 136 mm und einer Tiefe von 10 mm, einer Ausfräsung mit einer Dimension von 15 mm Höhe und 126 mm Breite für einen Durchlass für die Hauptkühlplatte, je vier M3-Gewindebohrungen auf den kurzen Seiten, je acht M3-Gewindebohrungen auf den langen Seiten, zwei M3-Gewindebohrungen für die Verschraubung des Winkels zur Halterung der Hauptkühlplatte. Abbildung B.3: CAD-Modell der Rückwand für den einseitigen Aufbau.

125 B.1. BAUTEILE DES GEHÄUSES 111 Die Deckelplatten werden mit den folgenden Eigenschaften ausgestattet: einer Breite von 142 mm, einer Länge von 225 mm und einer Tiefe von 2 mm, einer Ausfräsung mit einer Dimension von 50 mm Breite und 70 mm Länge für den Durchgang des Teilchenstrahls, vier Senkungen für M5- Senkkopfschrauben zum Verschrauben mit der Kopfwand, vier Senkungen für das Verschrauben von M3- Senkkopfschrauben mit der Rückwand. Abbildung B.4: CAD-Modell der Deckelplatten für den einseitigen Aufbau. Die Kopfwand für den doppelseitigen Aufbau wird mit den folgenden Eigenschaften ausgestattet: einer Höhe von 50 mm, einer Breite von 136 mm und einer Tiefe von 15 mm, je drei M5-Gewindebohrungen an den kurzen Seiten, je vier M5-Gewindebohrungen an den langen Seiten, einer Gewindebohrung zum Verschrauben mit dem TAPI- Teleskop. Abbildung B.5: CAD-Modell der Kopfwand für den doppelseitigen Aufbau.

126 112 ANHANG B. BESCHREIBUNG DER KONSTRUIERTEN BAUTEILE Die Seitenwand für den doppelseitigen Aufbau wird mit den folgenden Eigenschaften ausgestattet: einer Höhe von 50 mm, einer Länge von 225 mm und einer Tiefe von 3 mm, je drei M5- sowie drei M3- Senkungen für das Verschrauben von Senkkopfschrauben mit der Rück-/Kopfwand, zwei M2-Gewindebohrungen für die Befestigung der Schiene aus Abbildung 5.5. Abbildung B.6: CAD-Modell der Seitenwände für den doppelseitigen Aufbau. Die Rückwand für den doppelseitigen Aufbau wird mit den folgenden Eigenschaften ausgestattet: einer Höhe von 50 mm, einer Breite von 136 mm und einer Tiefe von 10 mm, einer Ausfräsung mit einer Dimension von 30 mm Höhe und 126 mm Breite für einen Durchlass für die Hauptkühlplatte, je acht M3-Gewindebohrungen auf den langen Seiten, je sechs M3-Gewindebohrungen auf den kurzen Seiten, zwei M3-Gewindebohrungen für die Verschraubung des Winkels zur Halterung der Hauptkühlplatte. Abbildung B.7: CAD-Modell der Rückwand für den doppelseitigen Aufbau.

127 B.2. GEHÄUSEBAUTEILE FÜR DEN KONDENSATIONSSCHUTZ 113 Der Winkel zum Fixieren der Position der Hauptkühlplatte wird mit folgenden Eigenschaften ausgestattet: einer Länge von 130 mm, einer Breite von 20 mm, einer Höhe von 20 mm, einer Ausfräsung für das Durchführen des Auslesekabels, Langlöcher zur Befestigung der Hauptkühlplatte, zwei Durchgangsbohrungen der Größe M3 zum Verschrauben des Winkels mit der Rückwand. Abbildung B.8: CAD-Modell des Winkels zur Befestigung der Hauptkühlplatten für die beiden Aufbauten. B.2 Gehäusebauteile für den Kondensationsschutz Eine Seitenwand für das einseitige Kondensationsschutzgehäuse wird mit folgenden Eigenschaften konstruiert: einer Breite von 100 mm, einer Höhe von 35 mm und einer Tiefe von 3 mm, je zwei Senkungen für M3- Senkkopfschrauben an den kurzen Seiten. Abbildung B.9: CAD-Modell der Seitenwand für das einseitige Kondensationsschutzgehäuse.

128 114 ANHANG B. BESCHREIBUNG DER KONSTRUIERTEN BAUTEILE Die Seitenwand für das einseitige Kondensationsschutzgehäuse wird mit folgenden Eigenschaften konstruiert: einer Breite von 100 mm, einer Höhe von 35 mm und einer Tiefe von 3 mm, einer in der Höhe zentrierten Ausfräsung mit einer Länge von 60 mm zum Herausführen der Kühlungsrohre aus dem Gehäuse, je zwei Senkungen für M3- Senkkopfschrauben auf den kurzen Seiten. Abbildung B.10: CAD-Modell der Seitenwand mit Ausfräsung für das einseitige Kondensationsschutzgehäuse. Die Rückwand für das einseitige Kondensationsschutzgehäuse wird mit folgenden Eigenschaften konstruiert: einer Breite von 136 mm, einer Höhe von 35 mm und einer Tiefe von 5 mm, einer Ausfräsung von 15 mm Höhe für einen Durchlass für das Auslesekabel des Ausleseboards, je zwei M3- Gewindebohrungen auf den kurzen Seiten, je vier M3- Gewindebohrungen auf den langen Seiten, drei Gewindebohrungen der Größe M5 für optionale Verschraubungen. Abbildung B.11: CAD-Modell der Rückwand für das einseitige Kondensationsschutzgehäuse.

129 B.2. GEHÄUSEBAUTEILE FÜR DEN KONDENSATIONSSCHUTZ 115 Die Deckel für die Gehäuse für den Kondensationsschutz werden mit den folgenden Eigenschaften ausgestattet: einer Breite von 142 mm, einer Länge von 100 mm und einer Tiefe von 2 mm, je vier Senkungen für M3- Senkkopfschrauben an den Längsseiten zum Verschrauben mit den Rückwänden. Abbildung B.12: CAD-Modell der Deckel der Gehäuse für den Kondensationsschutz. Eine Seitenwand für das Kondensationsschutzgehäuse des doppelseitigen Aufbaus wird mit den folgenden Eigenschaften ausgestattet: einer Breite von 100 mm, einer Höhe von 50 mm und einer Tiefe von 3 mm, je drei Senkungen für M3- Senkkopfschrauben an den kurzen Seiten. Abbildung B.13: CAD-Modell der Seitenwand für das doppelseitige Kondensationsschutzgehäuse.

130 116 ANHANG B. BESCHREIBUNG DER KONSTRUIERTEN BAUTEILE Eine weitere Seitenwand für das doppelseitige Kondensationsschutzgehäuse wird mit den folgenden Eigenschaften ausgestattet: einer Breite von 100 mm, einer Höhe von 50 mm und einer Tiefe von 3 mm, einer 10 mm von der oberen Längskante entfernten Ausfräsung mit einer Länge von 65 mm zum Herausführen der Kühlungsrohre aus dem Gehäuse, je drei Senkungen für M3- Senkkopfschrauben an den kurzen Seiten. Abbildung B.14: CAD-Modell der Seitenwand mit Ausfräsung für das doppelseitige Kondensationsschutzgehäuse. Die Rückwand für das doppelseitige Kondensationsschutzgehäuse wird mit den folgenden Eigenschaften ausgestattet: einer Breite von 136 mm, einer Höhe von 50 mm und einer Tiefe von 5 mm, einer zentrierten Ausfräsung von 30 mm Höhe für einen Durchlass für das Auslesekabel der Ausleseboards, je drei M3-Gewindebohrungen auf den kurzen Seiten, je vier M3-Gewindebohrungen auf den langen Seiten, drei Gewindebohrungen der Größe M5 für optionale Verschraubungen. Abbildung B.15: CAD-Modell der Rückwand für das doppelseitige Kondensationsschutzgehäuse.