Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Rätsel Antimaterie: Spurensuche mit hochintegriertem Teilchensensor

09.11.2015

In München wurde kürzlich ein hochempfindlicher Sensor zur präzisen Vermessung von Teilchenspuren vorgestellt. Es handelt sich um das erste Modul für den Vertex-Detektor des Belle II-Experiments am japanischen Beschleunigerzentrum KEK. Der Detektor soll ab 2017 zum Einsatz kommen und Kollisionen von Elektronen und deren Antiteilchen, den Positronen, aufzeichnen. Mit diesen Experimenten gehen Wissenschaftler der Frage nach, warum es im heutigen Universum kein nennenswertes Vorkommen von Antimaterie gibt.

Der Sensor ist eine Entwicklung des Halbleiterlabors der Max Planck-Gesellschaft (MPG). Der Belle II-Vertex-Detektor entsteht in einer internationalen Kooperation unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Physik.




Jetzt fertiggestellt: Das erste, voll funktionsfähige Sensormodul des Vertex-Detektors im Belle II-Experiment

L. Andricek/HLL@MPG

Im Experiment bringen Wissenschaftler Elektronen und Positronen zur Kollision und werten die Zerfallspuren der produzierten schweren Mesonen und deren Antiteilchen aus. "Wir suchen dabei nach winzigen Unterschieden. Dafür ist die präzise Vermessung des Zerfallsortes – auch als Vertex bezeichnet – entscheidend", erklärt Prof. Christian Kiesling, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Physik. "Zuständig für die Messungen ist der jetzt fertiggestellte, wegen seiner Eigenschaften weltweit konkurrenzlose Sensor."

Hergestellt aus 1000-fach reinerem Silizium als herkömmliche Transistoren oder Speicherchips, integriert das Modul auf einer Fläche von acht Quadratzentimetern 200.000 DEPFET-Pixelzellen. DEPFET steht für für Depleted p-channel Field Effect Transistor. Er wurde am Halbleiterlabor (HLL) der MPG erfunden und wird ausschließlich dort gefertigt.

Das DEPFET-Bauteil erlaubt den Nachweis von Photonen oder, so wie hier, von hochenergetischen Teilchen mit höchster Effizienz und Präzision. "Der grundlegende Prozess ist dem, der in herkömmlichen Foto- oder Videokameras abläuft, sehr ähnlich", erklärt Dr. Jelena Ninkovic, Leiterin des HLL. "Jedoch ist das primäre Signal beim Nachweis von einzelnen Photonen oder Teilchen sehr viel kleiner."

Selbstverstärkender Sensor

Hier kommt der große Vorteil des DEPFET zum Tragen: Das sehr kleine primäre Signal wird in dem Sensor selbst verstärkt. Der DEPFET ist somit das Sensormaterial und die erste Verstärkerstufe in Einem. Durch die Anordnung vieler DEPFETs zu einer Matrix entsteht ein Bildsensor, mit dem man den Entstehungsort eines Teilchens genau bestimmen kann. "In unserem Fall geschieht das mit einer Genauigkeit von etwa einem Hundertstel eines Millimeters", so Ninkovic weiter.

Die Ansteuerung der Pixel in einer Matrix und die schnelle Verarbeitung des DEPFET-Signals erfordert zusätzliche Elektronik, die in Kollaboration mit deutschen Universitäten entstanden ist. Diese Elektronik wird in Form von anwenderspezifischen Schaltkreisen (ASICs) direkt auf das Sensorsubstrat aufgebracht. Mit den ASICs lassen sich die Signale der Pixelmatrix digitalisieren und die Datenmenge verlustfrei reduzieren, um sie in höchster Geschwindigkeit (50.000 Bilder pro Sekunde) zu übertragen.

Komplexe Elektronik auf haarfeiner Siliziumfolie

Die DEPFET Matrix wird dadurch zu einem sehr komplexen Modul mit maximaler Integrationsdichte, das trotz aller Komplexität extrem dünn und leicht ist, um die Messung der Teilchenspuren nicht durch das Sensormaterial selbst zu verfälschen.

Das HLL hat dafür eine einzigartige Technologie entwickelt. Sie erlaubt es, extrem dünne und hoch integrierte Sensormodule herzustellen. Der sensitive Teil des Moduls, die DEPFET Matrix, wird dabei durch angepasste Ätzverfahren auf 75 Mikrometer verdünnt, was der Dicke eines menschlichen Haares entspricht.

Diese an sich biegsame „Folie“ aus Silizium wird durch einen monolithisch integrierten Rahmen unterstützt, auf dem die Auslese- und Steuerelektronik aufgebracht ist. Die Spannungsversorgung und die Datenleitungen laufen über ein flexibles Flachbandkabel, das am Ende des Moduls angebracht ist.

Die HLL-Technologie erlaubt es, die dünnen DEPFET Matrizen zylinderförmig ohne jede weitere Unterstützung um den Wechselwirkungspunkt des Experiments anzuordnen. Die hochpräzise Messung von Teilchenspuren wird damit zur Realität.

Mehr Information:
Das Halbleiterlabor der Max-Planck-Gesellschaft: http://www.hll.mpg.de/index.html
Das Belle II-Experiment am Max Planck-Institut für Physik: https://www.mpp.mpg.de/forschung/experimental/belle/index.html
Webseite des SuperKEKB-Experiments: http://www.kek.jp/en/

Kontakt:

Dr. Jelena Ninkovic
Leiterin des Halbleiterlabors der Max-Planck-Gesellschaft
Tel.: +49 89 839400-49
nin@hll.mpg.de

Prof. Dr. Christian Kiesling
Sprecher der DEPFET-Kollaboration
Max-Planck-Institut für Physik
Tel.: +49 89 32354-258
cmk@mpp.mpg.de

Weitere Informationen:

https://www.mpp.mpg.de/pr/medienarchiv/03_print/pressemeldungen/pressemeldungen2...

Barbara Wankerl | Max-Planck-Institut für Physik

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Neuartige Halbleiter-Membran-Laser
22.03.2017 | Universität Stuttgart

nachricht Seltene Erden: Wasserabweisend erst durch Altern
22.03.2017 | Universität Basel

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Fliegende Intensivstationen: Ultraschallgeräte in Rettungshubschraubern können Leben retten

Etwa 21 Millionen Menschen treffen jährlich in deutschen Notaufnahmen ein. Im Kampf zwischen Leben und Tod zählt für diese Patienten jede Minute. Wenn sie schon kurz nach dem Unfall zielgerichtet behandelt werden können, verbessern sich ihre Überlebenschancen erheblich. Damit Notfallmediziner in solchen Fällen schnell die richtige Diagnose stellen können, kommen in den Rettungshubschraubern der DRF Luftrettung und zunehmend auch in Notarzteinsatzfahrzeugen mobile Ultraschallgeräte zum Einsatz. Experten der Deutschen Gesellschaft für Ultraschall in der Medizin e.V. (DEGUM) schulen die Notärzte und Rettungsassistenten.

Mit mobilen Ultraschallgeräten können Notärzte beispielsweise innere Blutungen direkt am Unfallort identifizieren und sie bei Bedarf auch für Untersuchungen im...

Im Focus: Gigantische Magnetfelder im Universum

Astronomen aus Bonn und Tautenburg in Thüringen beobachteten mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg Galaxienhaufen, das sind Ansammlungen von Sternsystemen, heißem Gas und geladenen Teilchen. An den Rändern dieser Galaxienhaufen fanden sie außergewöhnlich geordnete Magnetfelder, die sich über viele Millionen Lichtjahre erstrecken. Sie stellen die größten bekannten Magnetfelder im Universum dar.

Die Ergebnisse werden am 22. März in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum, mit einer Ausdehnung von etwa zehn Millionen Lichtjahren. Im Vergleich dazu ist...

Im Focus: Giant Magnetic Fields in the Universe

Astronomers from Bonn and Tautenburg in Thuringia (Germany) used the 100-m radio telescope at Effelsberg to observe several galaxy clusters. At the edges of these large accumulations of dark matter, stellar systems (galaxies), hot gas, and charged particles, they found magnetic fields that are exceptionally ordered over distances of many million light years. This makes them the most extended magnetic fields in the universe known so far.

The results will be published on March 22 in the journal „Astronomy & Astrophysics“.

Galaxy clusters are the largest gravitationally bound structures in the universe. With a typical extent of about 10 million light years, i.e. 100 times the...

Im Focus: Auf der Spur des linearen Ubiquitins

Eine neue Methode ermöglicht es, den Geheimcode linearer Ubiquitin-Ketten zu entschlüsseln. Forscher der Goethe-Universität berichten darüber in der aktuellen Ausgabe von "nature methods", zusammen mit Partnern der Universität Tübingen, der Queen Mary University und des Francis Crick Institute in London.

Ubiquitin ist ein kleines Molekül, das im Körper an andere Proteine angehängt wird und so deren Funktion kontrollieren und verändern kann. Die Anheftung...

Im Focus: Tracing down linear ubiquitination

Researchers at the Goethe University Frankfurt, together with partners from the University of Tübingen in Germany and Queen Mary University as well as Francis Crick Institute from London (UK) have developed a novel technology to decipher the secret ubiquitin code.

Ubiquitin is a small protein that can be linked to other cellular proteins, thereby controlling and modulating their functions. The attachment occurs in many...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Lebenswichtige Lebensmittelchemie

23.03.2017 | Veranstaltungen

Die „Panama Papers“ aus Programmierersicht

22.03.2017 | Veranstaltungen

Über Raum, Zeit und Materie

22.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Besser lernen dank Zink?

23.03.2017 | Biowissenschaften Chemie

Lebenswichtige Lebensmittelchemie

23.03.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Innenraum-Ortung für dynamische Umgebungen

23.03.2017 | Architektur Bauwesen