Kroatien erweitert sein Potenzial auf dem Feld der Teilchen- und Strahlungsdetektoren
Moderne Experimente in der Astro-, Kern- und Teilchenphysik sind von entscheidender Bedeutung, um die Funktionsweise des Universums zu analysieren. Dafür sind komplexe Detektorsysteme erforderlich, deren Bauweise und Erprobung ein tief greifendes Verständnis der Physik, Elektronik und Informatik voraussetzt. Dank des EU-finanzierten Projekts PaRaDeSEC (Expanding Potential in Particle and Radiation Detectors, Sensors and Electronics in Croatia) hat das RBI seine bestehende Forschungsinfrastruktur zur Erforschung, Entwicklung und Erprobung von Detektoren, Sensoren und damit verbundener Elektronik verbessert. Im Jahr 2018, zur Halbzeit des Projekts, weihte das Institut das Zentrum für Detektoren, Sensoren und Elektronik (CDSE) ein. Durch den Finanzierungsmechanismus konnte die grenzüberschreitende Mobilität von fünf internationalen Experten am RBI ermöglicht werden. Wirkungsvolle Synergien zwischen bestehenden und neu angeworbenen Forschern sowie die Zusammenarbeit mit einer Reihe führender internationaler Einrichtungen steigerten die Forschungskapazitäten des RBI. Wichtige Errungenschaften Gemeinsam mit dem Institut für Physik Helsinki und der Universität Xiangtan in China arbeitete das RBI-Projektteam an der Entwicklung einer neuen Generation von Halbleiterdetektoren, bei denen Cadmiumtellurid-Kristalle als Sensormaterial für die direkte Umwandlung von Röntgen- und Gammastrahlung eingesetzt werden. „Dieses Halbleitermaterial führt zu einer wirksamen Abschwächung der Strahlung und folglich zu einer ausgezeichneten Detektionseffizienz sogar bei hohen Energien. Durch seine hohe Empfindlichkeit bei der Detektion einzelner Photonen eignet es sich ideal für die medizinische Bildgebung und die Sicherheitstechnik im Bereich Quanteninformationen“, so Projektmanager Dr. Neven Soić. Derzeit arbeitet das Forscherteam an spezialisierten Siliziumdetektoren verschiedenen Typs (darunter Silizium-Drift-Detektoren und Siliziumdetektoren), die mit einem Szintillationszähler verbunden sind. In Zusammenarbeit mit Partnern aus Australien, Japan, Slowenien und Portugal erproben die Forscher außerdem einen Detektor auf Basis von Siliziumkarbid hinsichtlich der Reaktion schneller Neutronen, der in der Sicherheitskontrolltechnik zum Einsatz kommen soll. Ein besonderer Stellenwert wurde der Erforschung von Spurdetektoren beigemessen. „Mithilfe von Silizium-Pixel-Detektoren können die Spuren der aus diesen Kollisionen entstehenden Teilchen mit äußerster Genauigkeit verfolgt werden. Darüber hinaus sind diese Detektoren kostengünstig, da sie mit den gleichen Instrumenten hergestellt werden wie integrierte Schaltkreise“, erläutert Dr. Soić. Das RBI-Team war insbesondere für den Bau und die Kalibrierung von 150 Pixelmodulen verantwortlich, die für das https://home.cern/science/experiments/cms (Compact-Muon-Solenoid) -Experiment am CERN von zentraler Bedeutung sind. Dieses Projekt erfolgte in Zusammenarbeit mit dem in der Schweiz ansässigen Paul Scherrer Institut. „Das RBI ist eines der wenigen Zentren für die Herstellung von Silizium-Pixel-Detektoren der nächsten Generation“, fügt Dr. Soić hinzu. Weitere Aktivitäten konzentrierten sich auf die Entwicklung einer verbesserten Ausleseelektronik. „Durch ionisierende Teilchen oder hochenergetische Photonen, die auf elektronische Schaltkreise treffen und deren Zustand verändern, kommt es zu Single Event Upsets (SEU). Zwar verursachen die SEU selbst keinen dauerhaften Schaden bezüglich der Funktionalität des Schaltkreises, jedoch treten sie in erheblicher Zahl in der Nähe von leistungsstarken Teilchenbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider auf“, wie Dr. Soić hervorhebt. Nachhaltige Auswirkungen Dank dem PaRaDeSEC-Projekt konnte das RBI zahlreiche Instrumente beschaffen, die für die Forschung sowie den Umbau der Labore wichtig sind. Dadurch lassen sich kontrollierte Bedingungen hinsichtlich Reinheit, Temperatur und Luftfeuchtigkeit herstellen. Außerdem wird die Stabilität von elektronischen Systemen verbessert sowie der elektronische Rauschpegel gesenkt. So wird die Charakterisierung und Erprobung einer neuen Generation von Detektoren möglich, die wesentlich bessere Eigenschaften gegenüber den Geräten aufweisen, die derzeit zur Forschung am CERN verwendet werden. Von den Projektfortschritten profitiert nicht nur die Teilchen- und Kernphysik, sondern auch die Grundlagen- und angewandte Forschung in den Bereichen Werkstoffkunde, Ingenieurwesen, Medizin und Umweltwissenschaft. Die Aktivitäten des vor Kurzem eröffneten CDSE im RBI werden auch dem anstehenden Projekt O-ZIP zugutekommen, das mit dem PaRaDeSEC-Projekt verbunden ist. Letzteres wird den Ruf des RBI innerhalb der internationalen Wissenschaftsgemeinschaft deutlich verbessern und die Beteiligung des RBI an internationalen Projekten stärken.
Schlüsselbegriffe
PaRaDeSEC, Institut Ruđer Bošković (RBI), Silizium-Pixel-Detektor, Sensor, Single Event Upset (SEU), CERN, Kroatien, Zentrum für Detektoren, Sensoren und Elektronik (CDSE), Strahlungsdetektor, Compact Muon Solenoid
