Mechanische Trägerstrukturen für den ATLAS-Pixeldetektor

Die Sensormodule des ATLAS-Pixeldetektors benötigen eine Trägerstruktur, die sie um den Wechselwirkungspunkt herum fixiert. Dabei muss maximale Steifigkeit der Struktur bei gleichzeitig minimalem Materialeinsatz erreicht werden. Die Minimierung der eingesetzen Masse ist erforderlich, um die Stoßparameterauflösung des ATLAS-Detektors, die durch Vielfachstreuung begrenzt wird, zu optimieren. Da die Trägerstruktur nur wenige Zentimeter vom Kollisionspunkt der Teilchen entfernt eingebaut wird, müssen die verwendeten Werkstoffe außerdem sehr strahlungsbeständig sein.

Das Wuppertaler Detektorlabor hat in Zusammenarbeit mit dem Institut für Verbundwerkstoffe GmbH (IVW) in Kaiserslautern eine hochsteife, ultraleichte und strahlungsbeständige Trägerstruktur aus einem Verbundwerkstoff, der auf Kohlenstofffasers basiert, für den ATLAS-Pixeldetektor entwickelt und gebaut.

Der ATLAS-Pixeldetektor

Der Pixel-Detektor ist der innerste Teil von ATLAS und besteht aus 1744 Sensormodulen, die mit Hilfe von Trägerstrukturen auf drei konzentrischen Zylinderschalen bzw. auf drei Scheiben an beiden Enden des Detektors befestigt sind. Ein Detektormodul besteht aus einem feinstrukturierten Sensor auf einem Siliziumsubstrat und 16 Auslesechips und wird von einem Kontrollchip auf einem printed-circuit board gesteuert. Ein Modul besitzt 46080 Kanäle, der Pixel-Detektor insgesamt rund 80 Millionen.

Die Wuppertaler Trägerstrukturen

Startpunkt der Entwicklung der Trägerstrukturen war die Vorgabe des Konstruktionsfreiraums, der sich größtenteils aus der vorgegebenen Position der stabförmigen Pixelträger (Staves) ergibt. Die Zylinderschale, siehe das nebenstehende Foto, ist zur einfachen Montage, Demontage und Vermessung der Staveposition aus Halbschalen aufgebaut.

Die Forderung nach sehr geringen Fertigungstoleranzen (kleiner 0,030 mm), hoher Maßhaltigkeit beim Abkühlen (DT=30° C) und infolge Feuchtequellung, geringe Durchbiegung durch Eigengewicht und Stavemasse, hohe Strahlenbeständigkeit, hohe Eigenfrequenz und eine Lebensdauer von 10 Jahren setzen extrem hohe Ansprüche sowohl an die einzusetzenden Werkstoffe als auch an die Fertigung und Bauweise.

Das eingesetzte Material

Die Kohlefasern (CFK): Als Laminat wurde ein 6 lagiger, quasi-isotroper Aufbau aus dem CFK-Prepregsystem XN80/EX1515 eingesetzt. Der E-Modul der XN80-Kohlenstofffaser beträgt 780 GPa. Das Cyanatester-Harzsystem EX1515 weist neben einer geringen Feuchteaufnahme eine sehr hohe Strahlenbeständigkeit auf. Die Laminatdichte beträgt 1,76 kg/dm^3,, der mittlere Zug-E-Modul 156 GPa. Zur Charakterisierung des Werkstoffes vor und nach der Autoklavhärtung wurden DSC-und Ultraschalluntersuchungen durchgeführt.

PEEK für die Herstellung von Abstandhaltern, Schrauben und Anbindungselementen verwendet, während für das eigentliche Bauteil PEEK mit Kohlenstofffaserverstärkung aufgrund der besseren mechanischen Eigenschaften und Verklebbarkeit mit CFK eingesetzt wird.

Alle nicht lösbaren Verbindungen wurden mit dem Epoxidharz Araldit AW 106 ausgeführt, das sich auf Grund guter Strahlenbeständigkeit und guter mechanischer Eigenschaften für diese Anwendung eignet.

Beteiligte Wissenschaftler

Dr. rer. nat. Karl-Walter Glitza
Dipl.-Phys. Ing. Bernd Sanny

Aktualisiert (Dienstag, 07. September 2010 um 11:59 Uhr)