Space-Qualified Electronics for the AMS02 Experiment and Medical
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IEKP–KA/2005–6 ELEKTRONIK FUR¨ DAS WELTRAUM-EXPERIMENT AMS02 UND BILDGEBUNG IN DER STRAHLENMEDIZIN Levin Jungermann Zur Erlangung des akademischen Grades eines DOKTORS DER NATURWISSENSCHAFTEN von der Fakultat¨ fur¨ Physik der Universitat¨ Karlsruhe (TH) genehmigte DISSERTATION von Dipl. phys. Levin Jungermann aus Karlsruhe Tag der mundlichen¨ Prufung:¨ 10.06.2005 Referent: Prof. Dr. Wim de Boer, Institut fur¨ Experimentelle Kernphysik Koreferent: Prof. Dr. Thomas Muller,¨ Institut fur¨ Experimentelle Kernphysik Deutsche Zusammenfassung In dieser Promotion werden zwei Anwendungen modernster Technologien fur¨ den Nachweis von Teilchen naher¨ betrachtet. Im ersten Teil dieser Arbeit liegt der Schwerpunkt auf der Elektronikentwicklung fur¨ das welt- raumgestutzte¨ Hochenergiephysik-Experiment Alpha Magnetische Spektrometer (AMS02). Der zweite Teil dieser Arbeit beschaftigt¨ sich mit CMOS-Pixeldetektoren fur¨ medizinische Anwendungen. Die Untersuchun- gen dazu wurden im Rahmen des EU-Projektes Silicon Ultra fast Cameras for electron and gamma sources In ” Medical Applications“ (SUCIMA) durchgefuhrt.¨ Seit 1910, als Wulf die ersten Messungen zur Abhangigkeit¨ der Strahlungsintensitat¨ von der Hohe¨ gemacht hat, spielt die Untersuchung der kosmischen Strahlung eine wichtige Rolle in der Teilchenphysik. So wurden in der Hohenstrahlung¨ das erste Mal Myonen (1937, Anderson und Neddermeyer) und Pionen (1947, Lattes et al.) gemessen, aber auch einige Hyperionen wurden in der kosmischen Strahlung entdeckt, z.B. das Ξ (1952, Armenteros et al.). In den letzten Jahrzehnten dominierten die großen Teilchenbeschleuniger (LEP, Tevatron,...) das Feld der Hochenergiephysik. Erst in den letzten Jahren hat die kosmische Strahlung wieder an Bedeutung gewonnen, da einerseits Phanomene¨ entdeckt wurden, die in Beschleunigern auf der Erde nicht nachgestellt werden konnen,¨ aber auch neue Technologien zur Verfugung¨ stehen, die es erlauben, Teilchendetektoren zu bauen, die im Weltraum betrieben werden konnen.¨ Das AMS02-Projekt ist einer dieser neuen Teilchendetektoren zur Messung der primaren¨ kosmischen Strah- lung außerhalb der Erdatmosphare.¨ Mit einem Prototypensystem (AMS01) konnte 1998 das Potential dieses Aufbaus wahrend¨ einer zehntagigen¨ Mission im Space Shuttle (STS-91) erfolgreich demonstriert werden. Der AMS02-Detektor wird ab 2008 fur¨ mindestens drei Jahre auf der Internationalen Raumstation (ISS) das Spek- trum der primaren¨ kosmischen Strahlung in einem Energiebereich von 300MeV bis 3TeV messen und hierbei eine vielfache Datenmenge aller bisherigen Experimente mit unerreichter Prazision¨ aufzeichnen. Der Standort von AMS02 auf der ISS und der Transport dort hin mit einem Space Shuttle stellen immense Anforderungen an den Detektor und die Ausleseelektronik. Sie mussen¨ den Vibrationen wahrend¨ des Starts widerstehen konnen.¨ Aber auch das Vakuum, die Temperaturschwankungen und die elektromagnetische Ver- traglichkeit¨ stellen große Herausforderungen dar. Da keine Wartung des Detektors wahrend¨ der Betriebszeit moglich¨ ist, mussen¨ alle kritischen Systeme abgesichert und mehrfach vorhanden sein. Das Institut fur¨ Experimentelle Kernphysik (IEKP) der Universitat¨ Karlsruhe (TH) ist seit 2002 verant- wortlich fur¨ die Elektronik des Ubergangsstrahlungsdetektors¨ (TRD), der von der RWTH Aachen gebaut wird. Die Entwicklung der Elektronik ist in mehrere Phasen unterteilt: Prototypenstadium, Entwicklungsphase (EM), Qualifikationsphasen 1 & 2 (QM1 & QM2) sowie die Produktion der Flugelektronik. Seit der Entwicklungs- phase ist das IEKP federfuhrend¨ an der Entwicklung der Elektronik beteiligt. Im Rahmen dieser Promotion wurde die Firmware der Datenreduktionskarte (UDR, detektorspezifischer Teil), der Niederspannungskarte (UPSFE) und der Kontrollkarte (S9011AU) fur¨ die Stromversorgung erstellt. Dabei galt es besonders, die Anforderungen an die Verwaltung der Redundanz zu erfullen,¨ um einen sicheren Betrieb der Ausleseelektronik zu gewahrleisten.¨ Die Funktion der Elektronik wurde jeweils in den Phasen EM und QM1 mit einer Strahlzeit am CERN mit einem Prototypen des TRD erfolgreich uberpr¨ uft.¨ Ein weiteres Projekt in dieser Promotion war Entwicklung und Bau einer Testumgebung fur¨ die Nieder- spannungskarte UPSFE. Mit Hilfe dieser Testumgebung kann die komplette Funktionalitat¨ (1) der UPSFE ge- testet werden. Nach der Erprobungsphase in Karlsruhe wurde die Testumgebung erfolgreich zur Qualifikation der Vorproduktion der Elektronik am Chung-Shan Institute of Science and Technology in Taiwan zum Einsatz gebracht und wird auch wahrend¨ der Produktion der Flugmodule genutzt werden. Die Integrations- und Funktionstests auf Crate-Level sind am Institut fur¨ Experimentelle Kernphysik er- folgreich abgeschlossen worden. In naher Zukunft werden die Tests zur Validierung der Weltraumtauglichkeit (Thermo-Vakuum-Test, Vibrationstest und Elektromagnetischer Interferenztest) auf Crate-Level beginnen, hier sind jedoch keine Probleme zu erwarten. Strahlung spielt in der Medizin eine wichtige Rolle, sowohl in der Diagnostik als auch in der Therapie. Das Zeitalter der Radiologie und -therapie begann 1895, als Wilhelm Conrad Rontgen¨ die erste Aufnahme der Hand seiner Frau mit den so genannten X-Strahlen“(2) machte. Es zeigte sich jedoch schnell, das eine sorgfaltige¨ ” Dosimetrie benotigt¨ wird, um eine sichere Anwendung der Strahlung zu gewahrleisten.¨ (1)Die Aufgaben der UPSFE umfassen die Regulierung und Absicherung der ±2V fur¨ die Eingangsverstarker¨ (14 Kanale),¨ sowie das Setzen und Uberwachen¨ von externen Kontroll- und Monitorleitungen (10 Kanale).¨ (2)Der Name X-Strahlung stammt aus der Zeit als auch die Begriffe α-,β- und γ- Strahlung gepragt¨ wurden und ist heute noch im Englischen als X-ray“gebrauchlich.¨ Im Deutschen Sprachgebrauch hat sich jedoch der Begriff ” Rontgen-Strahlen¨ durchgesetzt. 1 Das SUCIMA-Projekt verfolgte den Ansatz, mit Wissen und Technologien aus der Hochenergiephysik die Dosimetrie in zwei Anwendungsbereichen der Strahlenmedizin, Brachytherapie (Dosimeter) und Hadronenthe- rapie (Strahlmonitor), zu verbessern. Zwei technologische Ansatze¨ wurden dabei verfolgt, zum einen CMOS(3)- Sensoren, zum anderen SOI(4)-Sensoren. Neben der Entwicklung der Sensoren wurde auch ein Datenerfas- sungssystem (DAQ) mit USB2.0-Anbindung entworfen und verwirklicht. In der Konfiguration fur¨ den Strahl- monitor kann das DAQ-System die kritischen Strahlparameter mit 10kHz uberwachen¨ und notfalls einen Ab- bruch der Behandlung auslosen.¨ Neben den Anforderungen an das raumliche¨ Auflosungsverm¨ ogen,¨ die Auslesegeschwindigkeit und die Große¨ der Detektoren spielt in diesen Anwendungen naturlich¨ die Strahlenharte¨ eine besondere Rolle. Im Rah- men dieser Arbeit wurden daher Studien an SUCCESSOR-I-Detektoren durchgefuhrt,¨ mit der Zielsetzung, die optimale Pixelgeometrie fur¨ einen Dosimetriedetektor zu bestimmen. Der SUCCESSOR-I-Detektor wurde als Technologietrager¨ entwickelt und besteht aus acht Pixelmatrizen, die jeweils 32 mal 32 Pixel umfassen und von denen jede eine andere Pixelgeometrie hat. Hierbei wurden bei allen Pixeltypen die Erfahrungen mit den alteren¨ Prototypen berucksichtigt.¨ Zum Beispiel sind Source und Drain der Resettransistoren im Vergleich zum alten Layout vertauscht, um parasitare¨ Ladungstransferpfade zu vermeiden. Fur¨ diese Studien wurden SUCCESSOR-I Detektoren mit einer Rontgen-Anlage¨ in mehreren Dosisstufen bis 2Mrad bestrahlt und jeweils die wichtigsten Parameter der Pixel als Funktion der Dosis bestimmt. Als Entscheidungskriterien kamen hierbei der Leckstrom, die Verstarkung¨ im Pixel sowie die Ladungssammlungs- effizienz und das Signal-zu-Rauschen-Verhaltnis¨ zum Tragen. An Hand der Pixelgeometrien 3 und 4 werden beispielhaft die Messergebnisse erklart¨ und bewertet. Dabei dient Pixel 3 auf Grund seines Standarddesigns als Referenz, und Pixel 4 ist als der fur¨ das finale Design ausgewahlte¨ Pixel vertreten. In den Messungen konnte beobachtet werden, dass alle acht Pixelgeometrien im getesteten Dosisbereich unbedenklich sind in Hinsicht auf eine mogliche¨ Degradation der Ladungssammlungseffizienz, der Verstarkung¨ und des Signal zu Rauschen Verhaltnisses.¨ Als wichtigstes Entscheidungskriterium hat sich das Leckstromver- halten erwiesen. Pixel 4 zeigte mit den geringsten Anstieg des Leckstromes mit wachsender Dosis. Neben den eigentlichen Messwerten werden auch Phanomene¨ diskutiert, die wahrend¨ der Messungen auf- traten und diese beeinflusst haben. Zum einen ist der Digitalteil des Detektors nicht strahlenhart und muss daher abgeschirmt werden, zum anderen haben sich die analogen Ausgangstreiber durch die großeren¨ Leckstrome¨ so stark erhitzt, dass sich die Pedestals stark verschoben haben. Zusammenfassend kann man sagen, dass Pixellayout 4 von den acht untersuchten Layouts am besten fur¨ eine Anwendung in der Brachytherapie geeignet ist: Die Ladungssammlungseffizienz bleibt von der Bestrah- lung unbeeinflußt, ebenso wie die Verstarkung¨ des Pixels und das Signal-zu-Rauschen Verhaltnis.¨ Dank seiner mittleren Verstarkung¨ liegt die Sensitivitat¨ von Pixel 4 ebenfalls im optimalen Bereich fur¨ diese Anwendung. Ein weiteres wichtiges Merkmal von Layout 4 ist der niedrige Leckstrom, insbesondere da auch der Anstieg mit der Dosis der geringste aller untersuchten Layouts war. Die SUCIMA Kollaboration hat einen Detektor, SUCCESSOR-V, basierend auf diesem Layout entwi- ckelt und produziert. Im klinischen Einsatz wird dieser Detektor es erlauben mehr als 10.000 Messungen unter ungunstigsten¨ Bedingungen (Messdauer: 10s,