Der Siliziumtracker

 

Motivation:

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Eine der Kenngrößen eines Teilches ist - neben der Masse, Energy, Ladung und Ladungsvorzeichen - sein Impuls. Die Masse eines einfallenden Teilchens kann nicht direkt bestimmt werden. Wenn allerdings die Energie und der Impuls des Teilches bekannt sind, kann seine Masse bestimmt werden. Dies sind zwei der Gründe, warum eine Impulsmessung wichtig ist.

Die einfachste Art den Impuls eines geladenen Teilchens zu bestimmen, ist die Untersuchung seiner Flugbahn während es ein homogenes Magnetfeld durchquert. Wenn ein Teilchen ein solches Feld durchquert, wird es auf eine Kreisbahn gezwungen. Durch die Rekonstruktion dieser Kreisbahn und die Bestimmung des Kreisbahnradius kann die Teilchenrigidität R - definiert als der Teilchenimpuls durch seine Ladung (R = p/Z) - durch die einfache Gleichung R = Br berechnet werden, wobei B und r die Magnetfeldstärke bzw. der Kreisbahnradius sind. Wenn zusätzlich noch die Ladungszahl bestimmt werden kann, kann der Impuls berechnet werden. Natürlich, ist es nicht ganz so einfach wie es klingt, denn es müssen Effekte wie Unregelmäßigkeiten im Magnetfeld und Teilchenstreuungen am Detektormaterial berücksichtigt werden.

Durch Vermessung der Einfallsrichtung und Impuls eines Teilchens kann zwischen niederenergetischen Teilchen, die im Erdmagnetfeld gefangen sind (eine sogenannte Sekundärquelle), und der Primärstrahlung von außerhalb der Erdatmosphäre - den galaktischen Strahlen - unterschieden werden. Zusätzlich lenkt ein homogenes Magnetfeld Materie und Antimaterie in entgegengesetzte Richtungen um. Daher kann man mit Hilfe eines Trackers Materie von Antimaterie trennen.

Um eine Teilchenspur zu vermessen, reicht es die Spur an einigen diskreten Punkten zu messen. Genau dies leistet der AMS-02 Tracker:

Konstruktion:

Der Tracker besteht aus neun Lagen, so dass die Spur eines einfallenden Teilchens an neun Punkten mit einer Genauigkeit von 10 Mikrometern vermessen werden kann. Im Orginaldesign hatte AMS-02 nur 8 Trackerlagen. Als aber die Entscheidung fiel, den supraleitenden Magneten durch den Permanentmagneten zu ersetzen, wude gleichzeitig beschlossen die Trackerkonfiguration zu ändern um so das schwächere Magnetfeld zu kompensieren. Dazu wurde eine der 8 Lagen des inneren Trackers oben auf das Experiment installiert und eine weitere der übrigen 7 Lagen wurde in zwei Teile zerteilt, wodurch eine neue neunte Lage entstand, welche oberhalb des ECALs installiert wurde.

Jede Lage besteht aus mehreren sogenannten Laddern. Insgesamt gibt es 192 Ladder. Die Ladder bestehen aus insgesamt 2264 zweiseitigen Siliziumsensoren, die jeweils eine Fläche von 72x41 mm2 und eine Dicke von 300 Mikrometer haben. Das Funktionsprinzip dieser Sensoren ist weiter unten beschrieben. Mit einer Gesamtfläche von 6.2 m2 ist der AMS-02 Tracker der größte Präzisionstracker, der je im Weltall eingesetzt wurde.

Der Tracker hat insgesamt ungefähr 200.000 Auslesekanäle. Um die anfallende Datenmenge zu reduzieren, wird von den Tracker Data Reduction Boards eine Nullenunterdrückung durchgeführt. Die Ausleseelektronik wurde so entwickelt, dass sie eine niedrige Leistungsaufnahme (0.7 mw pro Kanal), ein geringes Rauschen und einen großen Dynamikbereich hat.

Trotz der geringen Leistungsaufnahme pro Kanal, führt die große Anzahl an Kanälen zu einem Stromverbrauch (und damit eine Wärmeentwicklung) von 200W. Die Wärme muss natürlich entfernt werden. Diese Aufgabe übernimmt das Tracker Thermal Control System (TTCS). Da AMS-02 im Vakuum des Weltalls operiert, kann die Wärme nicht mit Hilfe von Ventilatoren entfernt werden. Die beste Art im Vakuum Wärme zu entfernen ist, sie Radiatoren zuzuführen. Das TTCS ist für diesen Wärmetransport zuständig. Die Ausleseelektronik ist mit Hilfe von Wärmeleitern an zwei Kühlkreisläufe gekoppelt. Diese Kreisläufe sind mit CO2 unter hohem Druck gefüllt. Das CO2 nimmt die Wärme auf und durchläuft dabei einen Phasenübergang von flüssig zur gasförmig. Die Radiatoren sind auf die andere Seite der Kühlkreisläufe montiert. Dort gibt das CO2 die aufgenommene Wärme wieder ab und geht wieder in die flüssige Phase über.

Physikalisher Hintergrund:

Tracker-Sensor-M.jpgDas Basiselement des AMS-02 Silizium Trackers ist der doppelseitige Mikrostreifensensor. Der Sensor besteht aus einem Substrat aus hochreinem, dotiertem Silizium mit einer Dicke von 300 Mikrometern. Auf beiden Seiten des Substrats sind winzige Aluminiumstreifen angebracht, die in orthogonale Richtungen laufen (der typische Abstand zwischen zwei Streifen beträgt 50 Mikrometer).

Wenn ein geladenes Teilchen durch das Siliziumsubstrat läuft werden ungefährt 24.000 Elektronen-Loch-Paare gebildet. Diese Ladungen wandern - auf Grund der zwischen beiden Seiten anleigenden Biasspannung von 80 V - innerhalb von 10 ns in entgegengesetzte Richtungen. Nur Streifen die nah an den wandernden Ladungen sind geben ein Signal. Der gewichtete Mittelwert dieser Streifen gibt die Position mit einer Auflösung von 10 Mikrometern an. Die Summe der Signal der getroffenen Streifen ist proportional zum Quadrat der Teilchenladung.