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.
Inhaltsverzeichnis
- 1 Einleitung
- 2 Der Large Hadron Collider
- 3 Das Compact Muon Solenoid Experiment
- 3.1 Der Siliziumstreifendetektor
- 4 Der Super-LHC und der geplante Ausbau des CMS-Detektors
- 4.1 Der SLHC
- 4.2 Physikalische Motivation für den Ausbau
- 4.3 Der Ausbau des CMS-Detektors
- 5 Serielle Stromversorgung und Gleichstromkonversion
- 5.1 Serielle Stromversorgung
- 5.2 Spannungsversorgung mit Gleichstromkonvertern
- 6 DC-DC-Konverter im Detail
- 6.1 Einführung
- 6.2 Kommerzielle Konverter
- 6.2.1 Enpirion EN5312QI
- 6.2.2 Enpirion EQ5382D
- 6.2.3 Micrel MIC3385
- 6.3 Nichtkommerzielle Konverter
- 6.3.1 Der CERN Konverter SWREG2
- 6.3.2 Die LBNL Ladungspumpe
- 6.4 Linearregler mit geringem Spannungsabfall
- 6.5 Konverterintegration
- 6.5.1 Integration der kommerziellen Konverter
- 6.5.2 Integration des CERN Konverters
- 6.5.3 Integration der LBNL Ladungspumpe
- 6.6 Messung des Tastverhältnisses D mit Nahfeldsonden
- 7 Effizienzmessung
- 7.1 Einleitung und Grundlagen
- 7.1.1 Das Testsystem zur Effizienzmessung
- 7.2 Effizienzen der kommerziellen Konverter
- 7.2.1 Konverter mit internen Spulen
- 7.2.2 Konverter mit externen Spulen
- 7.2.3 Effizienz von Konvertern mit Linearreglern (LDO-Regulatoren)
- 7.2.4 Auswirkung von Spulenschirmung auf die Effizienz von Konvertern
- 7.2.5 Effizienzen des Micrel Konverters
- 7.3 Effizienz des CERN Konverters
- 7.4 Effizienzen der Ladungspumpen
- 7.5 Zusammenfassung der Ergebnisse
- 7.1 Einleitung und Grundlagen
- 8 Magnetfeldmessung
- 8.1 Durchführung der Magnetfeldmessung am Forschungszentrum Jülich
- 8.2 Magnetfeldresistenz der Konverter
- 8.2.1 Enpirion Konverter mit ferromagnetischer Spule
- 8.2.2 Enpirion Konverter mit Luftspule
- 8.2.3 Der CERN Konverter SWREG2
- 8.2.4 Die LBNL Ladungspumpen
- 9 Spektrumanalyse
- 9.1 Das Testsystem
- 9.2 Gleich- und Gegentaktsignale
- 9.3 Der Spektrumanalysator
- 9.4 Spektren der Enpirion Konverter
- 9.4.1 Einführung – Spektren des TypL-Int
- 9.4.2 Konverter mit nur einer Ausgangsspannung – 1,25 V oder 2,50 V
- 9.4.3 Variation der Eingangsspannung beim TypL-Int
- 9.4.4 TypL-Int und TypS-Int im Vergleich
- 9.4.5 Wirkung des LDO-Regulators auf das Ausgangsrauschen
- 9.4.6 Konverter mit externer Spule
- 9.5 Spektren des Micrel Konverters TypL-Mic
- 9.6 Spektren des SWREG2 Konverters
- 9.7 Spektren der LBNL Ladungspumpen
- 10 Störfestigkeitsmessung
- 10.1 Einleitung und Beschreibung des Einstreuteststands
- 10.2 Vorbereitende Untersuchungen mit Gegentaktstörungen
- 10.3 Störfestigkeit der Detektormodule
- 10.4 Testmessungen
- 10.5 Korrelation zwischen Spektrenanalysemessung und Systemtestmessung
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Diese Diplomarbeit untersucht die elektronische Charakterisierung von DC-DC-Konvertern für die Spannungsversorgung des CMS-Spurdetektors am Super-LHC (SLHC). Die Hauptziele sind die Effizienzmessung, die Magnetfeldresistenzprüfung und die Charakterisierung des Rauschverhaltens der Konverter.
- Effizienz verschiedener DC-DC-Konvertertypen
- Magnetfeldresistenz der Konverter im Hinblick auf den Betrieb im CMS-Detektor
- Charakterisierung des vom Konverter erzeugten elektromagnetischen Rauschens
- Störfestigkeit des Detektorsystems gegenüber externen Störungen
- Korrelation zwischen Konverterrauschen und Detektorverhalten
Zusammenfassung der Kapitel
Kapitel 2 bietet eine Einführung in den Large Hadron Collider (LHC). Kapitel 3 beschreibt das Compact Muon Solenoid (CMS) Experiment mit Fokus auf den Siliziumstreifendetektor. Kapitel 4 behandelt den geplanten Ausbau des LHC zum SLHC und die notwendigen Änderungen am CMS-Detektor, insbesondere die Herausforderungen der Stromversorgung. Kapitel 5 diskutiert verschiedene Ansätze zur Spannungsversorgung der Detektor Elektronik am SLHC. Kapitel 6 detailliert die Funktionsweise und Implementierung der untersuchten DC-DC-Konverter, sowohl kommerzielle als auch selbstentwickelte Varianten. Kapitel 7 präsentiert die Effizienzmessungen der verschiedenen Konverter. Kapitel 8 beschreibt die Magnetfeldmessung der Konverter.
Kapitel 9 beschreibt den Aufbau und die Ergebnisse des Spektrumanalyse-Teststands zur Untersuchung des Rauschverhaltens.
Schlüsselwörter
DC-DC-Konverter, CMS-Spurdetektor, SLHC, Effizienz, Magnetfeldresistenz, Rauschverhalten, Störfestigkeit, Spektrumanalyse, Hochenergiephysik.
- Quote paper
- Rüdiger Jussen (Author), 2009, Elektronische Charakterisierung von DC-DC-Konvertern zur Spannungsversorgung des CMS-Spurdetektors am SLHC, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/182693
