Irradiation Studies and Design Optimization of the ATLAS Tile Calorimeter for the High-Luminosity LHC

Diep onder de aarde, onder de grens tussen Frankrijk en Zwitserland, laat een enorme machine genaamd de Large Hadron Collider deeltjes tegen elkaar botsen met bijna de snelheid van het licht. Deze botsing creëert een stortregen van nieuwe deeltjes, waarvan sommige hadronen zijn, een zware familie van deeltjes die protonen en neutronen omvat. Om te begrijpen wat er gebeurt tijdens deze botsingen, moeten wetenschappers de energie van deze hadronen met extreme precisie meten. Het ATLAS-experiment, een van de gigantische detectoren rondom het botsingspunt, gebruikt een gespecialiseerd apparaat genaamd de Tile Calorimeter voor deze taak. Het werkt als een gelaagde sandwich: dikke stalen platen fungeren als een spons om de energie van de passerende deeltjes te absorberen, terwijl plastic tegels tussen het staal worden geplaatst die oplichten met een flits van licht wanneer ze worden geraakt. Dit licht wordt verzameld en naar gevoelige elektronische ogen gestuurd die de flitsen tellen om te bepalen hoeveel energie er is afgezet.

De machine staat echter aan de vooravond van een enorme upgrade om de High-Luminosity LHC te worden, die vanaf 2030 jarenlang zal draaien. Deze nieuwe fase zal botsingen produceren met een snelheid die tien keer hoger is dan voorheen, wat een veel intensere omgeving creëert vol met straling. Deze straling is als een constante, onzichtbare storm die delicate elektronica kan beschadigen, waardoor ze defect raken of volledig uitvallen. De uitdaging voor de wetenschappers is om ervoor te zorgen dat de Tile Calorimeter deze storm kan overleven en nauwkeurige metingen kan blijven verrichten zonder te stoppen. Als de elektronica faalt, wordt de detector blind en gaat jaren aan potentieel ontdekkingen verloren. Het team dat verantwoordelijk is voor de Tile Calorimeter moest het hele systeem dat direct naast de detector zit, herontwerpen door oude componenten te vervangen door nieuwe die gebouwd zijn om dit harde klimaat te weerstaan.

De onderzoekers begonnen met het nauwkeurig in kaart brengen van hoeveel straling de verschillende onderdelen van de detector gedurende het volgende decennium zouden ontvangen. Ze gebruikten computersimulaties om de worst-case scenario's voor de meest blootgestelde gebieden te voorspellen, met name nabij de openingen tussen de detectormodules. Deze berekeningen toonden aan dat de elektronica zou worden gebombardeerd met een niveau van energie en deeltjesinslagen dat veel verder gaat dan waar het huidige systeem op is ontworpen. Om te overleven, besloot het team het volledige uitleessysteem — de elektronica die de gegevens verzamelt en verwerkt — te vervangen door een nieuwe, zeer modulaire architectuur. Dit nieuwe ontwerp maakt gebruik van een mix van op maat gemaakte chips en robuuste, commercieel beschikbare componenten die speciaal zijn geselecteerd vanwege hun vermogen om stralingsschade te weerstaan.

Een cruciaal onderdeel van dit nieuwe systeem is de voeding, die fungeert als het hart van de detector en constante elektriciteit levert aan de gevoelige sensoren. De oude voedingsunits waren inefficiënt en genereerden te veel warmte, wat onmogelijk te koelen zou zijn in de drukke detectorruimte. Het team heeft deze eenheden herontworpen om veel efficiënter te zijn, waarbij de prestaties werden verbeterd van ongeveer achtenvijftig procent naar tweeënzeventig procent. Deze verandering ging niet alleen over het besparen van energie; het was essentieel om de detector koel genoeg te houden om veilig te kunnen werken. Ze hebben ook de oude transistoren in deze eenheden vervangen door nieuwere modellen die beter bestand zijn tegen de elektrische stress veroorzaakt door straling. Tests toonden aan dat deze nieuwe componenten de intense stralingsomgeving kunnen weerstaan zonder hun vermogen om stroom te regelen te verliezen, waardoor wordt gegarandeerd dat de detector geen elektrische defecten zal oplopen.

Het team richtte zich ook op de fotomultiplicatorbuizen, wat de apparaten zijn die het zwakke licht van de plastic tegels omzetten in elektrische signalen. In de gevaarlijkste gebieden van de detector, waar de straling het hoogst is, hebben ze meer dan duizend nieuwe buizen geïnstalleerd die taaier en stabieler zijn dan de oude. Deze nieuwe buizen zijn gekoppeld aan actieve dividers, circuits die de hoge spanning beheren die nodig is om de buizen aan te sturen. De onderzoekers testten deze dividers onder extreme omstandigheden, waarbij ze werden blootgesteld aan stralingsdosissen die de standaard elektronica zouden hebben vernietigd. Ze ontdekten dat zelfs na het absorberen van een enorme hoeveelheid straling, de spanningsstabiliteit van de buizen bijna perfect bleef, met slechts een minimale, acceptabele daling in prestaties. Dit betekent dat de lichtsignalen helder en betrouwbaar zullen blijven, zelfs na jaren van zware bombardementen.

Het meest complexe deel van de upgrade betreft de digitale hersenen van de detector: de hoofdkaarten en dochterkaarten die de gegevens verwerken en naar de computers sturen. Deze kaarten bevatten geavanceerde processors die van nature gevoelig zijn voor straling, wat kan leiden tot het omdraaien van bits in de data of het bevriezen van het systeem. Om hen te beschermen, bouwden de ingenieurs meerdere verdedigingslagen in. Ze gebruikten speciale software- en hardwaretechnieken die constant controleren op fouten en deze onmiddellijk herstellen voordat ze een probleem kunnen veroorzaken. Tijdens het testen hebben ze deze kaarten gebombardeerd met protonen en neutronen om de straling van de toekomstige collider te simuleren. De kaarten overleefden doses straling die veel hoger waren dan wat ze ooit in de echte machine zouden zien. Wanneer er fouten optraden, ving het systeem deze direct op en corrigeerde ze, wat bewees dat de data intact zou blijven en de detector zonder onderbreking zou blijven werken.

Elk afzonderlijk component in dit nieuwe systeem, van de voedingen tot de digitale processors, onderging een reeks strenge tests om te bewijzen dat het de High-Luminosity LHC zou kunnen overleven. De onderzoekers stelden de onderdelen bloot aan gammastraling, neutronen en protonen, en maten precies hoe ze zich onder stress gedroegen. De resultaten waren duidelijk: het nieuwe ontwerp slaagde voor elke test met vlag en wimpel. De componenten vertoonden geen tekenen van de catastrofale defecten die het oude systeem fataal zouden zijn geworden. Ze bevestigden dat de nieuwe voedingen efficiënt en robuust zijn, de lichtsensoren stabiel zijn en de digitale processors veerkrachtig zijn. Met deze bevindingen heeft de ATLAS-collaboratie een volledig gecertificeerd plan om de Tile Calorimeter te upgraden. De detector is nu klaar om te worden herbouwd met deze nieuwe, verharde systemen, wat ervoor zorgt dat het de geheimen van het universum zal blijven onthullen wanneer de collider in 2030 weer in werking treedt.