Abschlussbericht von Simon Nieswand (Forschungsstudent GK) 13. November RWTH Aachen Fachbereich Physik

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1 Entwicklung der Ansteuerungselektronik eines Peltier-Systems zur Temperaturstabilisierung von SiPM Abschlussbericht von Simon Nieswand (Forschungsstudent GK) 13. November 2013 RWTH Aachen Fachbereich Physik

2 1 Einleitung 2 1 Einleitung Während meiner Forschungsarbeit habe ich mich mit der Weiterentwicklung eines Kühlund Temperaturstabilisierungs-Systems für Silizium-Photomultiplier (SiPM) beschäftigt. Dieses soll sowohl die Rauschrate der SiPM senken, als auch Messfehler aufgrund von Temperaturschwankungen während einer Messung verringern. Die Grundlagen des Systems hatte ich bereits im Rahmen meiner Bachelorarbeit 1 entwickelt. Die erste Version des Aufbaus bestand aus einem Peltier-Element, dessen Stromversorgung mittels einer eigens hierfür entworfenen Treiber-Platine in 16 Stufen geregelt werden konnte. Automatisiert wurde der Aufbau durch ein in das System integriertes Microcontroller- Board, welches die Signale eines Temperatursensors auswertete und die Stromversorgung und somit die Kühlleistung des Peltier-Elements entsprechend regelte. Mithilfe dieses Aufbaus ließ sich die Temperatur eines kleinen Kupferblocks auf stabile Werte zwischen ca. +25 C und 25 C bringen. Die Zeit bis zur Temperaturstabilisierung betrug - abhängig von der gewünschten Endtemperatur - zwischen ungefähr einer und drei Minuten. Mit einer Weiterentwicklung des Systems sollte nun dessen Kühlleistung vergrößert werden, um tiefere Temperaturen zu erreichen bzw. um größere Objekte kühlen zu können. Außerdem sollte die Möglichkeit bestehen, die Richtung des Stroms durch die Peltier- Elemente umzukehren und diese somit auch zum Heizen nutzen zu können. Dies erlaubt es, die Eigenschaften der SiPM auch für Temperaturen oberhalb der Raum- bzw. Umgebungstemperatur zu untersuchen. Des Weiteren könnte so ggf. die Zeit bis zum Erreichen einer stabilen Endtemperatur verringert werden, da die Möglichkeiten, Einfluss auf die Temperatur zu nehmen, nicht mehr nur auf Abkühlen und passives Aufwärmen beschränkt sind. Das verbesserte Peltier-System besteht aus zwei Stacks aus jeweils drei Peltier-Elementen (Kantenlängen: 5 5 cm 2, 4 4 cm 2 und 3 3 cm 2 ) an gegenüberliegenden Seiten einer Kupferhalterung, in welche ein SiPM mit entsprechender Frontplatte eingelassen werden kann. Um im Kühlmodus möglichst niedrige Temperaturen zu erreichen, wird die Luft an den warmen Seiten der Peltier-Stacks mittels eines Windkanals und angeschlossenem Lüfter kontinuierlich abgeführt. Dies ist erforderlich, da der maximale Temperaturunterschied zwischen den Stack-Seiten begrenzt ist. Der Schwerpunkt meiner Forschungsarbeit lag in der Entwicklung der Ansteuerungselektronik dieses Systems. Hierzu wurde eine Treiber-Platine entworfen, deren Aufbau und Funktionen im folgenden Abschnitt erläutert werden. 1 Simon Nieswand, A Peltier cooling system for SiPM temperature stabilization, Bachelorarbeit 2012

3 3 Die Treiber-Platine dient in erster Linie der automatischen Regelung der Stromstärken und -richtungen einer programmierbaren Gleichspannungsquelle mit vier Ausgangskanälen. Drei der Kanäle werden zur Versorgung der Peltier-Elemente genutzt (jeweils einer für die großen, mittleren und kleinen Elemente der Stacks), während der vierte Kanal dem Betrieb der an die Treiber-Platine angeschlossenen Elemente (z.b. LED-Display, siehe unten) sowie des Lüfters des Peltier-Systems dient. Als zentrales Steuer-Element wird ein Microcontroller-Board (Arduino Mega 2560) verwendet, auf welchem sich die Treiber-Software zu der Platine befindet. Diese ermöglicht unter anderem das Auslesen angeschlossener Strom-, Spannungs- und Temperaturmesser und das Berechnen der optimalen Ströme für die Peltier-Elemente bei gegebener Soll- und Ist-Temperatur des Peltier-Systems. Eingestellt werden diese Stromwerte an den Kanälen der Spannungsquelle mit Hilfe einer RS232-Verbindung zwischen Micocontroller und Netzteil. Für die Umkehr der Ströme durch die Peltier-Elemente befinden sich drei separate H- Brücken auf der Platine, welche durch den Microcontroller umgeschaltet werden können. Die Brücken sind für Gleichströme von bis zu ca. 10 A ausgelegt und werden jeweils an einen der drei Peltier-Versorgungs-Kanäle angeschlossen. Wie bereits erwähnt dienen sie so der Umstellung zwischen Heiz- und Kühlmodus des Peltier-Systems. An die Platine werden des Weiteren folgende Elemente angeschlossen, welche ebenfalls von der Treiber-Software unterstützt und angesteuert werden: LCD-Display Touchpad zur Bedienung (z.b. Einstellen der gewünschten Endtemperatur) SD-Kartenslot zur Messdatensicherung Echtzeit-Uhr zur Erstellung von Timestamps für die Messdaten USB-Port zur Kommunikation des Microcontroller-Boards mit einem Computer Status-LEDs Das Peltier-System befindet sich zurzeit noch im Aufbau, sodass noch keine Ergebnisse zur Performance der Temperaturstabilisierung vorliegen. In den Abbildungen 1 und 2 kann man Fotos der bestückten und in einem belüfteten Gehäuse verbauten Platine sehen.

4 Abbildung 1: Aufsicht der bereits bestu ckten und verbauten Treiber-Platine. 4

5 Abbildung 2: Front- und Ru ckansicht des Treibergeha uses. 5