Thermal Management of the Silicon Tracking System of the CBM Experiment at FAIR

Abstract

Die zunehmende Miniaturisierung von Siliziumbasierter Mikroelektronik in Verbindung mit gestiegenen Anforderungen an die Signalverarbeitung der Detektoren hat dazu geführt, dass Siliziumdetektoren zu einem Eckpfeiler moderner Hochenergiephysikexperimente geworden sind. Solche Detektoren sind von zentraler Bedeutung für Experimente, die sich auf ein tieferes Verständnis des Standardmodells bei Hadronenkollisionen und die Untersuchung der Quantenchromodynamik (QCD) unter extremen Bedingungen bei Schwerionenkollisionen konzentrieren. Die vorliegende Forschungsarbeit bezieht sich auf das Silicon Tracking System (STS) des Compressed Baryonic Matter (CBM) Experiments an der Beschleunigeranlage Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR), mit dem der Bereich hoher Dichte des QCD-Phasendiagramms und ein möglicher Phasenübergang zum Quark-Gluon Plasma (QGP) erforscht werden soll.

Das Projekt untersucht einen kritischen Aspekt, der in letzter Zeit für die Entwicklung und den dauerhaften Betrieb moderner Silizium-Tracker in Experimenten der Hochenergiephysik von zentraler Bedeutung geworden ist: das Wärmemanagement. Das CBM-STS ist ein Vorwärtsspektrometer, welches Silizium-Mikrostreifensensoren verwendet, die auf die besonders herausfordernde Vermessung von Zerfallsteilchen mit geringem Impuls in Schwerionenkollisionen spezialisiert sind. Die stark bestrahlten STS-Siliziumsensoren müssen mit minimalem Materialeinsatz gekühlt werden, während die Front-End-Elektronik bis zu 40 kW Leistung in dem 3.5 m³ großen Detektorvolumen verbraucht. Durch theoretische Berechnungen und Simulationen wurde ein neuartiges Kühlungskonzept - die flüssigkeitsunterstützte Luftkühlung - entwickelt. Dieses Konzept integriert die Luftkühlung für die Siliziumsensoren und die Flüssigkeitskühlung für die Front-End-Elektronik, um die Anforderungen an das Wärmemanagement auszugleichen und gleichzeitig das Materialbudget zu minimieren.

Das Kühlkonzept wurde experimentell unter realistischen Betriebsbedingungen mit dem CBM-STS Thermal Demonstrator verifiziert, der gemeinsam an der Universität Tübingen und dem GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt entwickelt und gebaut wurde. Dies hat entscheidende Erkenntnisse über die Betriebsparameter für die STS-Kühlung geliefert und die Eignung von Prototyp- und Vorserien-Detektorkomponenten sowie deren Integrationsmethoden unter STS-ähnlichen Randbedingungen bewertet. Die Ergebnisse sind von entscheidender Bedeutung zur Ermöglichung der Serienproduktion der Detektorkomponenten, um die langfristige Zuverlässigkeit des CBM-STS zu gewährleisten. Die Systemintegration ist für 2024-25 geplant und die Datennahme mit hochintensiven Schwerionenstrahlen bei FAIR wird für 2028-29 erwartet.

The ever-growing miniaturisation of silicon microelectronics, coupled with detector signal processing requirements, has established silicon detectors as a cornerstone in modern high-energy physics experiments. These detectors are pivotal for experiments focused on a deeper understanding of the Standard Model in hadron collisions and the study of Quantum Chromodynamics (QCD) in extreme conditions with heavy-ion collisions. This research is focused on the Silicon Tracking System (STS) of the Compressed Baryonic Matter (CBM) experiment at the Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR), designed to explore the high-density regime of the QCD phase diagram and a potential phase transition to the Quark-Gluon Plasma (QGP).

This project is focused on a critical aspect that has recently become central to the design and sustained operation of modern silicon trackers in high-energy physics experiments - Thermal Management. The CBM-STS, a forward spectrometer using silicon microstrip sensors specialised in tracking of low-momentum particles produced in heavy-ion collisions, presents a distinctive challenge. The highly irradiated STS silicon sensors must be cooled by introducing minimal material, while the nearby front-end electronics dissipate up to 40 kW of power within a 3.5 m³ detector volume. Through theoretical calculations and simulations, a novel cooling concept - Liquid-Assisted Air Cooling - was developed. This concept integrates air cooling for the silicon sensors and liquid cooling for the front-end electronics to balance thermal management needs while minimising material budget.

The cooling concept was experimentally verified under realistic operational conditions using the CBM-STS Thermal Demonstrator, jointly designed and built at the University of Tübingen and GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research in Darmstadt. This has provided critical insights into the operating parameters for STS cooling, and assessed the suitability of prototype and pre-production detector components, along with their integration methods in STS-like boundary conditions. The findings are essential for ensuring the long-term reliability of the CBM-STS as it approached its series production phase, with system integration scheduled for 2024-25 and data-taking with high-intensity heavy-ion beams at FAIR expected in 2028-29.