Onderzoek naar nieuwe fenomenen en nog onbekende subatomaire deeltjes vraagt bijzondere meetinstrumenten. Deze moeten worden ontwikkeld voor experimentele opstellingen zoals bij de LHC-versneller op CERN, bij de laser interferometer Virgo (zwaartekrachtsgolven), en ook bij KM3NeT (een grote neutrinodetector in zee). De afdeling Elektronica technologie van Nikhef ontwerpt voor al dit soort onderzoeken specifieke elektronica.
De afdeling ontwerpt, produceert (of laat produceren) en onderhoudt de specifieke elektronica, klein en groot, en levert dit af met de geschikte betrouwbaarheid en kwaliteit.
• Er wordt op diverse gebieden elektronica ontwikkeld voor meerdere projecten
• De afdeling beschikt over een uitgebreid instrumentarium en er zijn gespecialiseerde faciliteiten.
• De expertises van de ~25 ET medewerkers (ingenieurs en technici) maken de afdeling sterk en flexibel.
De werkwijze in de afdeling is projectmatig van opzet, er wordt veelal in samen gewerkt met andere instituten (vaak Europees, maar ook wereldwijd) en multidisciplinair met software en mechanica collega’s.
Er is aandacht voor opleiding en gebruik van nieuwe technieken, dit afgestemd op de stand van de techniek bij samenwerking met de industrie en bij uitbesteding van productiewerk.
Instrumentarium
ET Test- en meetapparatuur
- Diverse oscilloscopen, van 300MHz t/m 26GHz (sampling) en een 33GHz (realtime!) & logic analyzers van Agilent, LeCroy, Tektronix.
- Diverse oscilloscope (actieve) probes, differential, optical inputs, high voltage.
- Vector Network Analyzer tot 20GHz van Keysight en een Phase noise analyzer (26GHz) van Rohde-Schwarz.
- Pulse- en signal generatoren, 10MHz – 12.5GHz + Bit error rate tester.
- Een range van programmeerbare Power supplies, 0-5V, 0-300V, 0-5kV 0-20A, + Source Measurement Units (SMU’s) van Keithley.
Gespecialiseerde labruimtes
- Een EMC-kamer voor gevoelige meetingen en CE pre-compliance; demping 100dB 0-18GHz.
- Een Optisch Lab voor het werken met gleasvezel kabels en optische componenten, fiber splicen, Optische werktafel, OTDR, opt. Spectrum analyzer. Voornamelijk t.b.v. optische datacommunicatie.
- Klein-mechanische werkplaats, o.a. : PCB freesmachine t.b.v. proto pcb’s & kleine werkstukken in glasvezel materiaal (FR4). En een spoel-wikkelmachine.
- PCB-rework: SMD BGA rework station (Pace) + bijbehorende hulpmiddelen en goede (de-)soldeer werktafels voor werken met SMD-componenten.
2 Klimaatkasten voor het doen van stress tests op diverse onderdelen en modules.
Expertises
Analoge elektronica
De basis van elektronica ligt in het gebruik van transistoren (halfgeleiders) in elektrische schakelingen. Het begin van een elektrisch signaal is altijd te beschrijven als een analoog signaal; met stroom (lading) en/of spanning en vaak met een wisselfrequentie. De eerste schakelingen zijn dan versterkers en filters, en daarna analoog-naar-digitaal omzetters. Omdat Nikhef een onderzoekslaboratorium is, is vaak specifieke elektronica nodig bij het meten met soms bijzondere sensoren en detectoren.
Rondom elektronica ontstaan elektromagnetische velden, en ook daaraan kan gemeten worden. Dit is van belang voor het optimaal functioneren van de circuits en m.b.t. Europese richtlijnen vastgelegd in EMC CE normen ter voorkoming van storing. (keywords: EMC, Rohde and Schwarz, Agilent, Lecroy, Tektronix)
Digitale elektronica, FPGA-ontwerp
Voor het verwerken van digitale signalen, zoals gedigitaliseerde data van detectoren, worden veelal FPGA’s gebruikt. Dit is programmeerbare logica waarin diverse complexe functies kunnen worden uitgevoerd, en vaak ook in combinatie met een CPU in de FPGA. Dit vraagt gebruik van gespecialiseerde ontwerpsoftware om de functies te beschrijven, te simuleren en uiteindelijk in de FPGA te kunnen programmeren. Maar ook om samenwerking met software ontwikkelaars goed mogelijk te maken en om gezamelijk aan één project te werken. (keywords: Mentor Graphics, HDL works EASE, Xilinx, Altera, ACTEL)
PCB-ontwerp
Alle elektronica wordt uiteindelijk geproduceerd op een “printed circuit board”. Hierop worden de elektronica componenten m.b.v. Surface Mount Technologie gesoldeerd en electrische verbindingen er tussen gemaakt. Grote FPGA’s (meer dan 1500 pinnen) en snelle data signalen (10Gb/s of meer), gevoelige analoge signalen van een detector, alles gaat over een PCB, welke soms uit meer dan 14 koperlagen is opgebouwd. Om dit te ontwerpen beschikt de ET over gespecialiseerde kennis en ontwerpsoftware, maar ook simulatie tools om de gewenste eigenschappen van de PCB al voor productie te kunnen verifieren.
Het produceren van de PCB en het assembleren met de componenten wordt volledig uitbesteed. (keywords: (Mentor Graphics Expedition, Neways, TPC, AQC, TBP)
Full-custom IC-ontwerp
Wanneer gewenste elektronicaonderdelen niet te koop zijn, kunnen we deze ook zelf ontwerpen. Voor gebruik in straling, of bij heel specifieke functies zoals bij sensoren en detectoren, of voor in een klein volume is het soms nodig zelf geïntegreerde circuits (IC’s) te ontwerpen. Hiervoor zijn specifiek opgeleide ingenieurs werkzaam in de groep die met IC-design software dit kunnen realiseren. Er wordt vooral CMOS-technologie gebruikt, en dan in het bijzonder 65nm, en ook 0.35um CMOS voor hogere spanningen. Zowel specifielke analogecircuits als veel digitale functies kunnen in IC’s wordengeintegreerd, vaak wordt dit gedaan in design-teams die samengesteld zijn uit designers van diverse Universiteiten en Instituten (CERN, Bonn, Marseille, BNL/USA, etc.)
IC-design bij Nikhef wordt mogelijk gemaakt met softwaretools via de Europese organisatie ” Euro-Practice” t.b.v. Universiteiten en Research laboratoria. (keywords: Cadence, Synopsys, IBM, AMS)
Optische technieken
In de grote experimenten, zoals bij CERN en KM3Net, wordt zeer veel data gegenereerd. Deze moet met hoge snelheid getransporteerd en verwerkt moet worden. Voor langere afstanden (vanaf 10m) is het vaak al gunstiger om glasvezel kabels te gebruiken. Dit vraagt specifieke materialen, kennis en testapparatuur. Het is mogelijk meerdere (>100) kleuren licht, met ieder eigen informatie, door één vezel te sturen en zo een zeer hoge datadichtheid te bereiken. T.b.v. deze ontwikkelingen is in de ET een optisch laboratorium ingericht.
Projecten
ET-projecten – Astroparticle Physics
Km3Net
Nikhef werkt actief mee aan de ontwikkeling van een grote (> 1km3) neutrino telescoop op de bodem van de Middellandse zee op 2 lokaties, op ~4km diepte. Het experiment wordt uitgerust met ~400.000 Photon Multiplier Tubes (PMT’s) als detector-element, en de data wordt d.m.v. optische verbindingen naar de vaste wal getransporteerd in Italië en Frankrijk.
Nikhef-elektronicabijdragen zijn:
De uitlezing van de PMT’s d.m.v. een dedicated PMT base: low power, low cost met 2 ASIC’s.
Specificatie, ontwerp en realisatie van de optische uitlezing van de ~14000 multi-PMT units waarmee de detector is opgebouwd. Het optisch netwerk.
Pierre Auger observatory
ET heeft voor het Pierre Auger Observatory digitizers ontwikkeld waarmee radiosignalen kunnen worden gedetecteerd van kosmische deeltjes die in de dampkring komen. Dit wordt gedaan in nauwe samenwerking met elektronica-engineers van de Radboud Universiteit Nijmegen. In de Nikhef EMC-kamer worden elektronicamodules voor dit experiment op emissie getest.
HiSPARC
Een netwerk van middelbare scholen zijn voorzien van een detector voor kosmische deeltjes t.b.v. natuurkundeonderwijs. Hiervoor is in de ET elektronica ontwikkeld, dit is extern geproduceerd, en gemonteerd in een skibox.
ET-projecten – LHC
LHCb
De ET werkt m.b.t. de upgrade van de LHCb-muondetectoren met Scintillating fibers (SciFi) aan nieuwe readout elektronica. Er zijn front-end boxen ontwikkeld, met ~600 FPGA borden voor de readout van alle data en configuratie van de front-end IC’s.
Voor de detector frames (6m hoog) is de cable routing ontworpen in de zeer beperkte ruimte tussen en rondom de sensoren. Dit bestaat uit o.a. detector bias kabels, elektronica power, en readout fibers.
ATLAS
Voor een upgrade van ATLAS wordt in teamverband gewerkt aan een nieuw readout systeem; FELIX. Phase 1 is vrijwel afgerond (2020) en de eerste modules worden op CERN geïnstalleerd. Dit systeem wordt doorontwikkeld (phase II) om meer detetectoren te kunnen uitlezen bij volgende ATLAS-upgrades en meer subdetectoren (>2024).
Het is een omvangrijk project met diverse internationale instituten, voor zowel hard- als software ontwikkeling.
ALICE
Het ALICE-experiment wil zijn Inner tracker upgraden voor de volgende upgrade van de LHC-versneller. Hiermee kunnen dan grotere hoeveelheden gebeurtenissen nauwkeuriger worden gemeten. Deze ITS3, zal voornamelijk bestaan uit Monolitic Active Pixel Sensors (MAPS) bestaan, dit zijn grote Integrated Circuits, waarin zowel de sensor als de uitlees-elektronica is geïntegreerd.
De Nikhef ET-afdeling werkt mee aan deze IC-ontwikeling samen met o.a. CERN, door diverse schakelingen en functies in het IC te specificeren, ontwerpen en te testen.
ET-projecten: Gravitational Waves
Virgo : Linear alignment
Voor alignment van de laserbundels in het Virgo-experiment is een uitlezing ontwikkeld van 4 kwadranten diodes.
Virgo : Suspension system
Om de optische componenten van het zwaartekrachtsgolven-experiment stabiel te houden is voor de actieve demping meet- en besturingselektronica ontwikkeld.
Virgo: Cryolinks
Voor het regelen van de vacuümdruk is een regelsysteem op basis van een PLC ontwikkeld.
Einstein telescope Pathfinder : photo diode readout
Op diverse plaatsen rondom de laser-interferometer zijn monitoring en regelingen van het optische syteem nodig. Dit wordt gedaan m.b.v. 4 kwadranten photo-diodes (QPD’s). Er wordt gewerkt aan specificatie van de custom-made QPD’s en er zal uitleeselectronica ontwikkeld worden. Om rondom de toekomstige Einstein Telescope de monitoring- en controlelektronica goed synchroon te laten functioneren, zal op basis van White-Rabbit technologie een timing distributie systeem worden ontwikkeld.
Deze White-Rabbit technology is ook in Km3Net toegepast.
Detector R&D
Voor detector R&D doeleinden is i.s.m. CERN een grote bijdrage geleverd aan de TimePix4 chip (65nm CMOS). Dit is een grote pixel sensor readout chip, welke zeer nauwkeurig (100ps) de aankomsttijd van een deeltje op de sensor kan meten. Door deze tijdmeting kan een 3D-reconstructie van een passerend ioniserend deeltje in de sensor worden bepaald.
Voor diverse experimenten welke nauwkeurige tijdsynchronisatie nodig hebben over grotere afstand (100m – 100Km) wordt de White-Rabbit timing technologie verder ontwikkeld, met hogere stabiliteit, absolute calibratiemogelijkheden en betere nauwkeurigheid. Hiervoor is i.s.m. CERN een general-purpose board ontwikkeld (SPEC7) welke breed kan worden toegepast.
Contact: Ruud Kluit (groepsleider ET)
