Beim KATRIN-Experiment soll die Masse des Elektron-Antineutrinos durch hochgenaue Energiebestimmung von Tritium-Zerfallselektronen (β-Strahlung) eingegrenzt werden. Die auffälligste Komponente des Experimentes ist ein sehr großes elektrostatisches Retardierungsspektrometer, das durch ein Edelstahlgefäß von 10 m Durchmesser gebildet wird. Mittels einer Hochspannungsquelle (ca. -18,6 kV) wird darin ein elektrisches Gegenfeld gebildet, das einen Großteil der Elektronen zurückprallen lässt. Die wenigen das Spektrometer durchsetzenden b-Elektronen werden mit einem Siliziumdetektor registriert.

Ein solches Großexperiment erfordert auch im Bereich der Elektronik sehr hoch spezialisierte Komponenten, die nur in enger interdisziplinärer Zusammenarbeit in der Experiment-Kollaboration entwickelt werden können.

Das IPE arbeitet zurzeit mit folgenden Beiträgen am KATRIN-Experiment mit:

• Leitung von elektronikbezogenen KATRIN-Tasks

• Slow Control (Experimentsteuerung und –monitoring) und Daten-Management

• Detektoren und –elektronik

• Hoch spezialisierte Messtechnik

• Schnelle Datenaufnahme (Detektorsignale)

• IT-Infrastruktur

• Hochspannungsstabilisierung

• EMV-Konzeption

• Beratung/Betreuung in elektronik-bezogenen Fragen

Slow Control und Daten-Management

Die Hauptkomponenten wie die Spektrometer und die Tritiumquelle sind hochkomplexe Anlagen. Eine Vielzahl von technischen Herausforderungen wie Ultrahochvakuum, hohe Magnetfelder, hohe Spannung im Bereich von einigen Kilovolt, kryogene Temperaturen in den supraleitenden Magneten oder Ausheiztemperaturen von 300°C müssen teilweise gleichzeitig berücksichtigt werden. Neben rauscharmen Detektoren zum Nachweis geladener Elementarteilchen stellt das KATRIN Experiment auch an die Automatisierungstechnik, die sogenannte „Slow Control“, hohe Anforderungen. Um auf der einen Seite einen sicheren Betrieb zu gewährleisten und auf der anderen die notwendige Flexibilität eines physikalischen Experimentes zu gewährleisten, teilt sich die Slow Control in die Steuerung der Basis-Maschine und ein physikalisches Monitoring- und Control-System. Erstere wird durch robuste Prozessleittechnik realisiert. Die Steuerung der besonders sicherheitskritischen Tritiumquelle im Strahlenschutz-Überwachungsbereich wurde an den Instituten ITEP und IK entwickelt, wo bereits entsprechende Erfahrungen vorlagen. Das Monitoringsystem wird unter Federführung des IPE aufgebaut. Um eine flexible Integration verschiedenster Systeme zu erlauben, ist ein System entstanden, das die zentrale Erfassung und Steuerung der Subsysteme erlaubt. Zu den Aufgaben des physikalischen Monitoring- und Control-Systems gehören z.B. die 3D-Temperaturüberwachung, das verteilte Hochspannungssystem, Magnetfeldmonitoring und -korrektur sowie der gesamte Detektorbereich.

Um die relevanten Daten aus allen Systemteilen zentral zur Verfügung zu stellen, ist das ADEI Datenmanagement-System entstanden. Dieses System greift auf die Originaldaten der einzelnen Systeme zu und prüft Konsistenz und Datenqualität und führt anschließend Standard-Analysen durch. Der gesamte Datenbestand wird über das KATRIN Experiment-Portal der gesamten Experiment-Kollaboration im Internet zur Verfügung gestellt. Eine schnelle interaktive Navigation wird über eine intelligente Caching-Strategie ermöglicht.

DAQ und Datenbanken

Schlüsseltechnologien, die IPE in KATRIN entwickelt hat, sind:

Framework für flexible "Slow Control"-Systeme

Für Automatisierungsaufgaben werden PC-basierte Mess- und Regelsysteme kombiniert mit flexibler Programmierung in LabView eingesetzt. Standardschnittstellen wie OPC, Web-Services und SQL-Datenbanken ermöglichen eine einfache Integration in Datenerfassungs- und Datenverwaltungssysteme. Das System wurde zur Implementierung verschiedener Überwachungsinstrumente eingesetzt.

Schnelle Datenerfassung für gepixelte Detektoren

Die mehrkanalige IPE-DAQ-Elektronik wird zum Auslesen des KATRIN-Hauptdetektors verwendet. Das flexible und programmierbare FPGA-basierte System ist in das grafische objektorientierte Echtzeit-Kontroll- und Erfassungssystem ORCA integriert.

Datenmanagement für internationale wissenschaftliche Kollaborationen

Die Advanced Data Extraction Infrastructure ADEI wurde entwickelt, um einen einfachen, referenzierbaren, weltweiten Zugriff auf die vollständigen Daten eines Experiments zu ermöglichen. ADEI kombiniert durch seine Programmierschnittstelle und sein Web-Datenportal einen einheitlichen Zugang zu internationalen Kollaborationen. Es ist modular aufgebaut, um Daten aus sehr unterschiedlichen Quellen zu integrieren. Gegenwärtig werden täglich mehrere Gigabyte an Daten aufgezeichnet, die sich zu Terabytes langsamer Steuerdaten summieren, die von ADEI verwaltet werden.

Rechen- und Dateninfrastruktur

Komplexe Versuchsanordnungen erfordern eine zuverlässige und leistungsfähige Recheninfrastruktur, um Datenerfassung, Speicherung und schnellen Zugriff auf die Daten zu gewährleisten. Die KATRIN-Infrastruktur verwendet einen redundanten LAN-Ring, ein hierarchisches Speichersystem. Virtualisierung und Cloud-Services werden eingesetzt, um die Flexibilität zu optimieren und den Wartungsaufwand zu minimieren.

Weitere Informationen unter https://ufo.kit.edu/dis/index.php/ufo/katrin

Publikationen:

Low-latency Big Data Visualisation - Tan Jerome, Nicholas PhD thesis, Faculty of Electrical Engineering and Information Technology, Karlsruhe Institute of Technology, 2019.

Focal-plane detector system for the KATRIN experiment - Amsbaugh, J.F. et al. in Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment Volume 778, 1 April 2015, Pages 40-60

Characterization of an FPGA-based DAQ system in the KATRIN experiment - Phillips, D.G et al. in IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record 2010, Article number 5874002, Pages 1399-1403

Advanced data extraction infrastructure: Web based system for management of time series data - Chilingaryan, S., et al. in Journal of Physics: Conference Series. Vol. 219. No. 4. IOP Publishing, 2010.

Detektorelektronik

Das IPE hat die Elektronik für das damalige „Vorspektrometer-Experiment“ (64 Pixel bzw. Kanäle) und die Elektronik für den Hauptspektrometer-Detektor (148 Pixel bzw. Kanäle) entwickelt. In beiden Fällen handelt es sich um vielelementige Silizium-PIN-Detektoren für niederenergetische β-Elektronen, die beim radioaktiven Zerfall von Tritium entstehen. Die besonderen Anforderungen sind dabei die hohe Integrationsdichte, das geringe Rauschen, der Betrieb im hohen Magnetfeld, der Betrieb im Vakuum und die galvanische Trennung, die durch eine Nachbeschleunigungseinrichtung nötig wird. Hinzu kommen Sicherheits- und Überwachungskomponenten für den Betrieb.
 

Auch für zahlreiche Hilfsexperimente wurde jeweils die Detektorelektronik entwickelt:

• Beim sog. TRAP-Experiment sollte mit einem verhältnismäßig großflächigen Si-PIN-Detektor (300mm²) unter schwierigen mechanischen Randbedingungen Tritium nachgewiesen werden.
• Der sog. Forward Beam Monitor wird im vollen Elektronenfluß der Tritium-Quelle und im sehr hohen Magnetfeld betrieben und muss mechanisch schwenkbar sein.
• Im sog. Monitorspektrometer wird die Apparatur des Mainzer Neutrinomassen-Experimentes weiter genutzt, die Detektorelektronik musste allerdings überarbeitet werden.
• Zur Inbetriebnahme des KATRIN-Anlagenteiles Differenzielle Pumpstrecke 2F wurde ein 14-elementiger Silizium-Detektor zum Betrieb im Ultrahochvakuum und im sehr hohen Magnetfeld benötigt.   

Detektor-Datenaufnahmesystem (Datenakquisition, DAQ)

zur Technologie DAQ electronics for multi-channel detectors

Hochspannungsversorgung und Hochspannungssicherheit

Die Retardierungsspannung des Hauptspektrometers, die für Kalibriermessungen bis zu 35 kV betragen kann, ist eine der wichtigsten genauigkeitsrelevanten Schlüsselgrößen des KATRIN-Experimentes: Es wird eine Genauigkeit im ppm-Bereich bis in den Hochfrequenzbereich hinein verlangt, zudem liegen komplexe EMV-Anforderungen durch die unabgeschirmte, räumlich weit ausgedehnte Anordnung (Hauptspektrometer-Tank) vor. Die von der Universität Münster ​ entwickelte Ultrapräzisionsmessung der Hochspannung wird durch eine speziell entwickelte Regelungstechnik ergänzt, die die genaueste Einhaltung der Hochspannung auch bis in den MHz-Bereich sicherstellt.

Ferner muss aufgrund der großen Ausdehnung des Experimentes dem von verschiedenen Anlagenteilen genutzten elektrischen Referenzpotential besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden. Trotz der Gefahr der Störeinkopplung muss hier sichergestellt sein, dass das Referenzpotential an allen Stellen im mV-Bereich akkurat ist.

Darüber hinaus müssen wegen der Hochspannung führenden Teile selbstverständlich auch Sicherheitsvorkehrungen, wie z.B. durch Absperrmaßnahmen und Notabschaltvorrichtungen, getroffen werden.

Magnetometer

Für das Monitoring des Magnetfeldes am Hauptspektrometer, das durch das Low Field Coil System (LFCS, Luftspulen mit 12 m Durchmesser!) erzeugt wird, entwickelte das IPE ein preiswertes Multi-Point-3D-Magnetometer. Eine erhebliche Kostenersparnis gegenüber kommerziellen Magnetometern konnte durch optimale Anpassung an die KATRIN-Anforderungen erreicht werden.

Magnetsicherheitssysteme für supraleitende Magnete

Die axiale Führung der Beta-Elektronen aus dem Tritium-Zerfall erfolgt beim KATRIN-Experiment durch starke axiale Magnetfelder, die durch supraleitende Spulen erzeugt werden.

In den Anlagenteilen „WGTS“ (Windowless Gaseous Tritium Source) und „CPS“ (Cryo Pumping Section) werden diese Spulen im sog. „Driven Mode“ betrieben, bei denen die Netzgeräte dauerhaft angeschlossen sind und den Spulenstrom regeln.

Um die Magnetspule im Falle eines Quenches (plötzlicher Verlust der Supraleitung im Betrieb) vor Beschädigung zu schützen, sind besondere Überwachungsvorrichtungen nötig. Zur Anwendung kommt ein im IPE entwickeltes Quenchdetektionssystem (QDS) in Verbindung mit einer SPS-Steuerung und anderen Komponenten, die speziell für KATRIN entwickelt wurden. 

Details zur Technologie Quenchdetektion

IT-Infrastruktur

Das IPE koordiniert den Aufbau und die Wartung der KATRIN-IT-Infrastruktur. Aufgrund der unterschiedlichen Sicherheitsanforderungen (von der Vernetzung sicherheitsrelevanter Prozesssteuergeräte bis hin zu simplen PC-Büro- und Internetanwendungen) wurde eine Struktur mit mehreren parallelen Glasfaser-Ringleitungen gewählt.

Querschnittsaufgaben

• Beratung der KATRIN-Kollaboration in elektrotechnischen Fragestellungen wie z.B. EMV-/Erdungs-/Hochspannungsthematik
• Mitbetreuung von Praktikanten, Diplomanden und Doktoranden in elektro-/informationstechnischen Themen

Unsere Technologien:

• DAQ für KATRIN
• DAQ für TRISTAN
• Detektorbau für Physik-Experimente
• Quench-Detektion
• Slow Control und Datenmanagement