Elektronische Charakterisierung von DC-DC-Konvertern zur Spannungsversorgung des CMS-Spurdetektors am SLHC

Diplomarbeit aus dem Jahr 2009 im Fachbereich Physik - Kernphysik, Teilchenphysik, Note: 1, 3, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (I. Physikalischen Institut B), Sprache: Deutsch, Abstract: Ziele der Hochenergiephysik sind die experimentelle Überprüfung des Standardmodells der Teilchenphysik sowie die Suche nach bislang unentdeckten Teilchen, um Wissen über die elementaren Wechselwirkungen der Natur und damit den Aufbau der Materie zu erlangen.

Hierzu werden Streuexperimente an Teilchenbeschleunigern durchgeführt. Der neueste und weltweit größte Beschleunigerring, welcher erstmals 2008 in Betrieb genommen wurde, ist der Large Hadron Collider (LHC) der europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) bei Genf. Bei einer instantanen Designluminosität von L = 10^34cm(-2)s(-1) sollen Protonen auf eine Energie von ca. 7 TeV beschleunigt und zur Kollision gebracht werden.

Für den LHC ist innerhalb der nächsten zehn Jahre eine Luminositätssteigerung um einen Faktor 10 auf L = 10^35cm(-2)(s-1) geplant. Im Rahmen dieses Ausbaus zum sogenannten Super-LHC muss der innere Teil des CMS-Experiments, bestehend aus Siliziumstreifen- und Pixeldetektor, ausgetauscht werden. Aufgrund der höheren Spurdichten sind Detektoren mit mehr Auslesekanälen erforderlich. Für die Ausleseelektronik wird eine Halbleitertechnologie mit kleinerer Strukturbreite als im aktuellen System verwendet, wodurch die Versorgungsspannung dieser Elektronik kleiner wird. Angenommen, der Leistungsbedarf des Detektors bleibt gleich, so vergrößern sich hierdurch die Ströme in den Zuleitungen zum Detektor. Die Ströme müssen jedoch durch die vorhandenen Kabel zugeführt werden, was eine Überarbeitung der Stromversorgung notwendig macht. Einen Lösungsansatz hierzu stellt die lokale Spannungskonvertierung mit DC-DC-Konvertern dar, die im Folgenden näher untersucht wird.

Die im Rahmen dieser Arbeit analysierten DC-DC-Konverter konvertieren eine angelegte Gleichspannung in eine niedrigere Gleichspannung, wodurch die Ströme in den zum Konverter führenden Leitungen reduziert werden können. Eine Herausforderung bei der Entwicklung dieser neuartigen Form der Spannungsversorgung von Detektoren ist die elektronische Charakterisierung der Konverter. Eine wichtige Eigenschaft ist der Wirkungsgrad, das heißt die Effizienz, von Schaltkonvertern. Das gesamte Schema der Detektorspannungsversorgung ist von der Effizienz abhängig, da Effizienzverluste den Eingangsstrom der Konverter wiederum erhöhen. Um diesen Aspekt zu untersuchen, wurde ein Effizienzmessstand aufgebaut, in Betrieb genommen sowie die Effizienzen der verschiedenen Konverter vermessen und analysiert.