Strålningshärdiga kretsar från Sverige används av forskare på kärnforskningsorganisationen Cern i Genève för att hitta materiens minsta byggstenar.

För att studera materiens uppbyggnad låter forskarna protoner kollidera med varandra. Då bildas laddade partiklar som uppträder som kraftig joniserande strålning. Stråldoserna kan uppgå till 10 MRad.

- Det är mycket kraftigare stråldoser än vad till exempel satellitelektronik utsätts för, säger Tord Ekelöf, docent i elementarpartikelfysik vid Institutionen för strålningsvetenskap vid Uppsala.

Detektorerna ligger i den innersta delen av acceleratorn och där är också strålningen som starkast.

I Uppsalalaboratoriet utvecklar man elektronik för de mikrostripdetektorer i kisel som detekterar vilka banor som de laddade partiklarna tar från kollisionspunkten.

När en laddad partikel tränger in i detektorn joniserar den en kiselplatta som hålls under högspänning. Elektronerna som rivs loss längs partikelns bana driver sen mot de bandformade dioder som ligger längs plattans ena sida. På så sätt får man ut en lägeskoordinat för partikelbanan.

Genom att det finns flera tusen parallella diodband, "trådar", på kiselplattan kan man räkna ut partikelbanan med en mycket hög noggrannhet. Tekniken används redan i LEP-acceleratorn, men i LHC-acceleratorn är kraven på elektroniken mycket högre.

- Strålningshärdigheten måste vara mycket större, säger Tord Ekelöf.

- Den ligger på en nivå av flera MRad, vilket är minst tio gånger mer än vad som krävs för elektronik i telekommunikationssatelliter.



Egen teknik


Så länge det kalla kriget varade var strålningshärdig elektronik en militär hemlighet. När det kalla kriget upphörde försvann motivet att hålla tekniken hemlig, men då hade Uppsalaforskarna redan börjat att utveckla sin egen teknik.

- Vi samarbetade med ABB Hafo, som utvecklade strålningshärdig elektronik för telekommunikationstillämpningar. Men de kretsar som vi vill ha är rätt så annorlunda, säger Tord Ekelöf.

- De kretsar vi behöver är mest analoga kretsar som hanterar små signaler som sen ska förstärkas kraftigt. Samtidigt vill vi ha ett minimalt brus, och det är mycket svårt att åstadkomma i strålningsmiljöer.

Kruxet som Cern och Uppsalaforskarna stod inför är att de behöver strålningshärdig elektronik av ett mycket speciellt slag. Trots att LHC blir en jätteanläggning rör det sig om små kvantiteter kretsar jämfört med vad som är intressant på den kommersiella marknaden.

- Man kan säga att det finns en stor industri men en liten kundkrets för höggradigt strålningshärdig elektronik. Det gör att vi inte kan vara säkra på att de kretsar som vi behöver kommer att finnas tillgängliga i framtiden.



Kisel på safir


Tillsammans med ABB Hafo satsar man nu på SOS-tekniken, kisel-på-safir, det vill säga tunna kiselskikt som läggs på en platta av safir. SOS-tekniken ger visserligen ett högre brus än CMOS-tekniken, men den kan istället göras desto mer strålningshärdig.

Vid radioaktiv bestrålning aktiveras sekundära, oönskade, transistorstrukturer i vanlig kiselelektronik. Om bestrålningen är kraftig orsakar den kortslutningar som stör kretsens funktion eller helt enkelt förstör den. Fördelen med SOS- tekniken är att safiren är en isolator och att kiselskiktet därför kan göras väldigt tunt. Kisel och safir passar bra ihop eftersom de har nästan identiska kristallstrukturer. Det brus som är den här teknikens nackdel beror på att laddningar samlas i gränsområdet mellan kisel och safir.

- Den senaste tekniken, SOS 5 från Hafo, ser ut att kunna modifieras för att klara våra krav på att tåla en strålningsnivå på 10 MRad, säger Nils Bingefors, ansvarig för utvecklingen av SOS-tekniken vid Institutet för strålningsvetenskap.

- Genom att använda speciella oxider vid styrena kan vi hindra laddningarna från att fastna just där.

Detektorerna till LHC kommer att tillverkas i flera olika forskningslaboratorier. Konstruktionen av den övervaknings- och styrelekronik som behövs är dock utvecklad i Uppsala och det är också här som prototypen byggs.

- Det blir också en mycket komplex konstruktion, säger Richard Brenner, som ansvarar för utvecklingen av elektroniken och detektorprototypen.

- Genom att en laddning sprider sig över flera diodband kan vi bestämma noggrannheten i partiklarnas banor på 10 μm när. Det kräver i sin tur en mekanisk noggrannhet på 1/100 mm.

Per Stymne



Kollisioner skapar elementarpartiklar


Det är elektroniken som gör att forskarna kan "se" eller snarare registrera materiens allra minsta byggstenar.

Forskarna studerar materiens inre genom att låta partiklar kollidera med varandra vid mycket höga energier. Elektroniken registrerar då de ännu mindre partiklar som bildas vid kollisionerna.

Vid den europeiska kärnforskningsorganisationen Cern (Conseil europeenne pour la recherche nucleaire) finns världens största partikelaccelerator. Den kallas för LEP, Large Electron Positron collider. LEP är en ringformig partikelaccelerator med en omkrets på hela 27 km, nedgrävd i en tunnel 100 m under markytan. I den accelereras elektroner och positroner till nära ljushastigheten innan de bringas att kollidera med varandra. Vid kollisionerna bildas så kallade Z-partiklar, som detekteras med hjälp av elektroniska detektorer.

Nu ska Cern bygga en ännu kraftigare accelerator, LHC, där protoner fås att kollidera med varandra. Avsikten är att hitta Higgs partikel, som kan betraktas som den felande länken i partikelfysiken. Om forskarna hittar den, bekräftas den teori som kallas för Standardmodellen.