Open Access

Marcel Bajdel

• The Compressed Baryonic Matter (CBM) is one of the core experiments at the future Facility for Anti-proton and Ion Research (FAIR), Darmstadt, Germany. Its goal is to investigate nuclear matter characteristics at high net-baryon densities and moderate temperatures. The Silicon Tracking System (STS) is a central detector system of CBM. It is placed inside a 1Tm magnet and operated at a temperature of about −10 °C to keep radiation-induced bulk current in the 300μm double-sided microstrip silicon sensors low. The design of the STS aims to minimize the material budget in the detector acceptance (2.5° < θ < 25°). In order to do so, the readout electronics is placed outside the active area, and the analog signals are transported via ultra-thin micro-cables. The STS comprises eight tracking stations with 876 modules. Each module is assembled on a carbon fiber ladder, which is subsequently mounted in the C-shaped aluminum frame. The scope of the thesis focused on developing a modular control system framework that can be implemented for different sizes of experimental setups. The developed framework was used for setups that required a remote operation, like the irradiation of the powering modules for the front-end electronics (FEE), but also in laboratory-based setups where the automation and archiving were needed (thermal cycling of the STS electronics). The low voltage powering modules will be placed in the vicinity of the experiment, therefore they will experience a total dose of up to 40mGy over the 10 years of STS lifetime. To estimate the effects of the radiation on the low-voltage module performance, a dedicated irradiation campaign took place. It aimed at estimating the rate of radiation induced soft errors, that lead to the switch off of the FEE. Regular power cycles of multiple front-end boards (FEBs) pose a risk to the experiment operation. Firstly, such behavior could negatively influence the physics performance but also have deteriorating effects on the hardware. It was further assessed what are the limitations of the FEBs with respect to the thermal cycling and the mechanical stress. The results served as an indication of possible failure modes of the FEB at the end of STS lifetime. Failure modes after repeated cycles and potential reasons were determined (e.g., Coefficient of Thermal Expansion (CTE) difference between the materials). Due to the conditions inside the STS efficient temperature and humidity monitoring and control are required to avoid icing or water condensation on the electronics or silicon sensors. The most important properties of a suitable sensor candidate are resilience to the magnetic field, ionizing radiation tolerance, and fairly small size. A general strategy for ambient parameters monitoring inside the STS was developed, and potential sensor candidates were chosen. To characterize the chosen relative humidity sensors the developed control framework was introduced. A sampling system with a ceramic sensor and Fiber Optic Sensors (FOS) were identified as reliable solutions for the distributed sensing system. Additionally, the industrial capacitive sensors will be used as a reference during the commissioning. Two different designs of FOS were tested: a hygrometer and 5 sensors multiplexed in an array. The FOS hygrometer turned out to be a more reliable solution. One of the possible reasons for a worse performance is a relatively low distance between the subsequent sensors (15 cm) and a thicker coating. The results obtained from the time response study pointed out that the thinner coating of about 15μm should be a good compromise between the humidity sensitivity and the time response. The implementation of the containerized-based control system framework for the mSTS is described in detail. The deployed EPICS-based framework proved to be a reliable solution and ensured the safety of the detector for almost 1.5 years. Moreover, the data related to the performance of the detector modules were analyzed and significant progress in the quality of modules was noted. Obtained data was also used to estimate the total fluence, which was based on the leakage current changes. The developed framework provided a unique opportunity to automate and control different experimental setups which provided crucial data for the STS. Furthermore, the work underlines the importance of such a system and outlines the next steps toward the realization of a reliable Detector Control System for STS.
• Das Compressed Baryonic Matter (CBM) Experiment ist eines der vie geplanten Experiment an der zukünftigen Facility for Anti-proton and Ion Research (FAIR) in Darmstadt, Deutschland. Sein Ziel ist es, die Eigenschaften von Kernmaterie bei hohen Baryonenkonzentrationen und moderaten Temperaturen zu untersuchen. Das Silicon Tracking System (STS) ist das zentrale Detektorsystem des CBM. Es ist in einem 1 Tm Magneten untergebracht und wird bei einer Betriebstemperatur von etwa −10 °C arbeiten, um den strahlungsinduzierten Leckstrom in den 300μm doppelseitigen Silizium-Mikrostreifensensoren niedrig zu halten. Das Design des STS zielt darauf ab, das Materialbudget in der Detektorakzeptanz (2.5° < θ < 25°) zu minimieren. Dazu wird die Ausleseelektronik außerhalb des aktiven Bereichs platziert, und die analogen Signale werden über ultradünne Mikrokabel ausgelesen. Das STS besteht aus acht Tracking-Stationen mit insgesamt 876 Modulen. Jedes Modul ist auf einer Stützstruktur aus Kohlefaser montiert, die anschließend in den C-förmigen Aluminiumrahmen eingebaut wird. Der Schwerpunkt der Arbeit lag auf der Entwicklung eines modularen Steuerungs- und Kontrollsystems, das für verschiedene Größen von Versuchsaufbauten eingesetzt werden kann. Das entwickelte, modulare Kontrollsystem wurde für Versuchsaufbauten verwendet, die eine Fernsteuerung erfordern, wie die Bestrahlung der Stromversorgungsmodule für die FEE, aber auch in laborgestützten Versuchsaufbauten, bei denen die Automatisierung und Archivierung erforderlich ist (thermische Zyklen der STS-Elektronik). Die Niederspannungsstromversorgungsmodule werden in der Nähe des Experiments platziert. Während der 10-jährigen Lebensdauer des STS werden Sie einer Gesamtdosis von bis zu 40mGy pro Monat ausgesetzt sein. Um die Auswirkungen der Strahlung auf die Leistung der Niederspannungsmodule abzuschätzen, wurde eine spezielle Bestrahlungskampagne durchgeführt. Das Ziel war, die Rate der strahleninduzierten weichen Fehler abzuschätzen, die zum Abschalten der Frontend-Elektronik (FEE) führen. Zyklische Spannungsversorgungsunterbrechungen mehrerer Front-End-Platinen (FEBs) stellen ein Risiko für den Betrieb des Experiments dar. Zum einen könnte sich ein solches Verhalten negativ auf die physikalischen Messerergebnisse auswirken, zum anderen aber auch zu einer Beschädigung der Hardware führen. Ferner wurde untersucht, wo die Grenzen des FEBs in Bezug auf thermische Zyklen und mechanische Belastung liegen. Die Ergebnisse dienten als Hinweis auf mögliche Fehlertypen des FEB im Laufe der Lebensdauer des STS. Die Fehlertypen nach wiederholten Zyklen und die möglichen Ursachen wurden ermittelt (z. B. Wärmeausdehnungskoeffizient Unterschiede zwischen den Materialien). Aufgrund der Bedingungen im Inneren des STS ist eine effiziente Temperatur- und Feuchtigkeitsüberwachung und -steuerung erforderlich, um Vereisung oder Wasserkondensation an der Elektronik oder den Siliziumsensoren zu vermeiden. Die wichtigsten Eigenschaften eines geeigneten Sensorkandidaten sind Unempfindlichkeit gegenüber dem Magnetfeld, Toleranz gegenüber ionisierender Strahlung und eine relativ geringe Größe. Es wurde eine allgemeine Strategie für die Überwachung von Umgebungsparametern im Inneren des STS entwickelt, und es wurden potenzielle Sensorkandidaten ausgewählt. Zur Charakterisierung der ausgewählten Sensoren für die relative Luftfeuchtigkeit wurde das entwickelte Kontrollsystem eingeführt. Ein Probenahmesystem mit einem Keramiksensor und faseroptische Sensoren (FOS) wurden als zuverlässige Lösungen für das verteilte Messsystem identifiziert. Zusätzlich werden die industriellen kapazitiven Sensoren als Referenz während der Inbetriebnahme verwendet. Es wurden zwei verschiedene Ausführungen von FOS getestet: ein Hygrometer und 5 Sensoren, die in einem Array gemultiplext sind. Das FOS-Hygrometer erwies sich als die zuverlässigere Lösung. Einer der möglichen Gründe für die schlechtere Leistung ist ein relativ geringer Abstand zwischen den nachfolgenden Sensoren (15 cm) und eine dickere Beschichtung. Die Ergebnisse der Untersuchung des Zeitverhaltens zeigten, dass die dünnere Beschichtung von etwa 15μm einen guten Kompromiss zwischen der Feuchtigkeitsempfindlichkeit und dem Zeitverhalten darstellen sollte. Die Implementierung der auf Containern basierenden Kontrollsoftware für das mSTS basiert auf international anerkannten und auch industriell eingesetztem System EPICS. Das eingesetzte System erwies sich als zuverlässige Lösung und gewährleistete die Sicherheit des Detektors für fast 1,5 Jahre. Darüber hinaus wurden die Daten zur Leistung der Detektormodule analysiert, und es wurden erhebliche Fortschritte bei der Qualität der Module erzielt. Die gewonnenen Daten wurden auch zur Schätzung der Gesamtfluenz verwendet, die auf den Veränderungen des Leckstroms beruhte. Das entwickelte System bietet die Möglichkeit, verschiedene Versuchsaufbauten zu automatisieren und zu steuern, die wichtige Daten für das STS lieferten. Darüber hinaus unterstreicht die Arbeit die Bedeutung eines solchen Systems und skizziert die nächsten Schritte zur Realisierung eines zuverlässigen Detektor-Kontrollsystems für STS.