SU:s bidrag på 1 000 kort till CERN-uppgradering klarar förproduktionstest

Förproduktionen av strålningståliga utläsningskort för ATLAS-experimentet vid CERN har slutförts vid Fysikum, Stockholms universitet. Arbetet, som utförs vid institutionens avdelningar ELPA och Instrumentering, involverar professor Christophe Clément (OKC/ELPA), doktoranden Julia Salwén (ELPA), och doktoranden Federico Bonaldo bland andra. Utbytet från förproduktionssatsen låg klart över CERN:s tröskelvärde, och resultaten presenterades för en internationell expertpanel vid CERN den 12 maj.

ATLAS är ett av de fyra stora experimenten vid CERN:s Large Hadron Collider. Det registrerar spillrorna från högenergetiska proton–proton-kollisioner och använder dem för att studera materiens struktur, Higgsbosonens egenskaper och möjliga tecken på ny fysik, till exempel partiklar av mörk materia.

Detektorn är uppbyggd i lager, där varje sektion mäter olika saker. Tile-kalorimetern, eller TileCal, är det centrala lagret som mäter energin hos hadroner — den skur av kvarkar och gluoner som kommer ut ur de flesta kollisioner.

I dessa omväxlande lager av stål och plattor av plastscintillator, avger plattorna en liten ljusblixt när en partikel passerar. Ljuset leds ut genom optiska fibrer, omvandlas till en elektrisk signal av fotomultiplikatorrör och måste sedan digitaliseras, tidsstämplas och skickas ut ur detektorn till de datorer som avgör vilka kollisioner som är värda att spara. Omkring 10 000 kanaler läses ut på det här sättet.

Att omvandla analoga signaler till digitala data och få ut dem ur detektorn är vad den nya elektroniken gör.

Varför utläsningen måste bytas ut

High-Luminosity LHC (HL-LHC) planeras tas i drift 2030 och kommer att leverera ungefär tio gånger så hög datatakt som dagens LHC. Fler kollisioner per sekund innebär fler överlappande händelser att reda ut - och en betydligt tuffare strålningsmiljö för all elektronik som sitter inne i detektorn.

Den befintliga utläsningen i TileCal konstruerades varken för den här takten eller för de stråldoser som väntas under HL-LHC:s driftstid.

Stockholm ansvarar för dotterkortet, navet på detektorn som samlar in digitaliserade signaler från varje TileCal-modul, tidsstämplar dem och skickar ut dem via optiska fibrer. Kortet kombinerar strålningståliga chip utvecklade vid CERN - med kommersiell programmerbar logik och använder en redundant arkitektur så att enskilda komponentfel inte slår ut hela moduler.

Konstruktionen har tagits fram internt vid Fysikum, och gruppen har fullt produktionsansvar. Totalt behövs 1 000 kort.

Förproduktionen granskades vid CERN den 12 maj

Den nu avslutade förproduktionen omfattade de första 100 korten, tio procent av beställningen.

Syftet med förproduktionen var inte bara att tillverka kort, utan att kvalificera hela processen: konstruktion, leverantörer, montering, testning och dokumentation. Det är samma logik som ett tryckeri använder när det kör en kort provupplaga innan pressarna får gå för en lång upplaga. Utbytet från Stockholms förproduktionssats låg klart över det tröskelvärde som CERN satt för att ge klartecken till resten.

Själva korten konstrueras och testas vid Fysikum. Monteringen av komponenterna på kretskorten — ytmonteringen — sköts av en legotillverkare strax utanför Stockholm, som skickar tillbaka de färdiga korten till institutionens labb för testning och kvalificering. Resultaten från förproduktionen presenterades för en internationell expertpanel vid CERN den 12 maj. Produktion och testning beräknas vara klara hösten 2026.

Installation i ATLAS 2027

När produktionen är klar går korten till ATLAS vid CERN, omkring 100 meter under jord. Installationen inleds i mars 2027 och beräknas vara klar i november 2027. Flera medlemmar i ELPA- och Instrumenteringsgrupperna väntas tillbringa sammanlagt flera månader vid CERN under den här fasen. Julia Salwén och Federico Bonaldo var nyligen i labbet och fick testproceduren genomgången av Christophe Clément; båda väntas bidra ända fram till installationen.