Elektronica Technologie

Analoge elektronica

De basis van elektronica ligt in het gebruik van 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 convertors. Omdat Nikhef een onderzoekslaboratorium is, is vaak specifieke elektronica nodig bij het meten met soms bijzondere sensoren en detectoren. Of voor een omgeving met straling, in vacuüm, of lage temperaturen.

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 Electro Magnetische Compatibiliteit (EMC) CE-normen ter voorkoming van storing.

Voor het meten aan onze eigen elektronica kan dit getest worden in een speciale kooi van Faraday, een volledige metalen EMC-kamer met bijbehorende instrumenten en antennes.

Digitale elektronica, FPGA-ontwerp

Voor het verwerken van digitale signalen, zoals gedigitaliseerde data van detectoren, worden FPGA’s gebruikt. Dit zijn programmeerbare en configureerbare chips met logica waarin diverse complexe functies kunnen worden uitgevoerd, dit wordt geconfigureerd door de firmware. Vaak ook in combinatie met een CPU in de FPGA voor communicatie en andere functies. 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 gezamenlijk aan één project te werken. Het werken aan de configuratie van één FPGA wordt individueel en in teamverband gedaan.

PCB-ontwerp

Alle elektronica wordt uiteindelijk geproduceerd op een “Printed Circuit Board” (PCB). Hierop worden de elektronicacomponenten m.b.v. Surface Mount Technologie gesoldeerd en elektrische verbindingen er tussen gemaakt. Grote FPGA’s (meer dan 1500 pinnen), snelle datasignalen (10Gb/s of meer), gevoelige analoge signalen van een detector, alles gaat over één PCB, welke soms uit meer dan 20 koperlagen is opgebouwd. Om dit te ontwerpen beschikt de ET over gespecialiseerde kennis en ontwerpsoftware, maar ook simulatietools om de gewenste eigenschappen van de PCB al voor productie te kunnen verifiëren.

Het produceren van de PCB en het assembleren met de componenten wordt volledig uitbesteed aan de hand van de door ET gegenereerde datafiles.

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. Zowel specifieke analoge circuits als veel digitale functies kunnen in IC’s worden geïntegreerd, vaak wordt dit gedaan in design-teams die samengesteld zijn uit designers van diverse universiteiten en instituten (CERN, Bonn, Marseille, BNL/USA, etc.). Wij gebruiken 180nm, 65nm en 28nm CMOS technologieën.

IC-design bij Nikhef wordt mogelijk gemaakt met softwaretools via de Europese organisatie ”Euro-Practice” t.b.v. Universiteiten en onderzoekslaboratoria.

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 glasvezelkabels 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.

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 metingen en CE pre-compliance; demping 100dB 0-18GHz.
• Een Optisch Lab voor het werken met glasvezelkabels 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.

Veel onderdelen die worden gebruikt in de internationale onderzoeksfaciliteiten voor (astro)deeltjesfysica waaraan Nikhef bijdraagt, zijn volstrekt uniek, wat betekent dat ze simpelweg niet kant-en-klaar te koop zijn. In plaats daarvan moeten ze intern bij Nikhef worden ontworpen en vervaardigd om te voldoen aan de uitzonderlijk strenge normen die door de (astro)deeltjesfysica-gemeenschap worden gesteld.

KM3NeT

Nikhef werkt actief mee aan de productie en ontwikkeling van een grote neutrinotelescoop op de bodem van de Middellandse zee, genaamd KM3NeT. 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 wal getransporteerd in Italië en Frankrijk.

Nikhef-bijdragen op het gebied van elektronica zijn: De uitlezing van de PMT’s d.m.v. een specifieke PMT base: low power, low cost met 2 ASIC’s (Application Specifiec Integrated Circuit). Eén ASIC om de signalen te versterken en te digitaliseren, en de andere om de hoogspanning voor de PMT te genereren en te regelen (1500V). Daarnaast is een DC/DC convertor ontwikkeld voor de spanningsvoorziening van de optische modules welke tegen 400bar waterdruk bestand is, en het optische netwerk onder water tot aan de wal voor de datacommunicatie. Daarbij is ook timing distributie m.b.v. de White Rabbit technologie gerealiseerd, zodat iedere sensor in KM3NeT de detectie van een foton kan meten met enkele nanoseconden nauwkeurigheid.

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 het uitlezen van alle data en configuratie van de front-end IC’s. Voor de detectorframes (6m hoog) is de cable routing ontworpen in de zeer beperkte ruimte tussen en rondom de sensoren.

Vanaf 2026 gaat ET werken aan een nieuwe vertex detector, met nieuwe elektronica en geïntegreerde koelstructuren in samenwerking met collega’s van de afdeling Mechanische Technologie.

ATLAS

Voor een upgrade van ATLAS wordt in teamverband gewerkt aan een nieuw uitleessysteem (Data acquisitie: DAQ); FELIX. Dit systeem, bestaande uit een insteekkaart voor in een krachtige computerserver, kan zeer veel data ontvangen en weer doorsturen, en zo detectordata naar de juiste computers sturen voor de data-analyse en opslag. De data wordt geordend en van tijdstempels voorzien. Het bestaat uit hardware, de insteekkaart met een grote FPGA, en omvangrijke software.

Hier wordt in een internationaal samenwerkingsverband aan gewerkt, en Nikhef heeft hierin een leidende rol. Intussen zijn meerdere andere detectorgroepen binnen ATLAS en ook ALICE en LHCb in dit systeem geïnteresseerd. Vanwege de herconfigureerbare hardware kan het worden aangepast om ook daar te worden ingezet.

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 uit Monolithic Active Pixel Sensors (MAPS) bestaan, dit zijn grote Integrated Circuits, waarin zowel de sensor als de uitlees-elektronica is geïntegreerd. Nikhef’s ET-afdeling werkt mee aan deze IC-ontwikkeling samen met o.a. CERN, door diverse schakelingen en functies in het IC te specificeren, ontwerpen en te testen.

Virgo:  Clock-signaal distributie

Voor de Virgo-upgrade is een op White-Rabbit techniek gebaseerde clock-distributiesysteem ontwikkeld. Dit zorgt ervoor dat clock-signalen die de control circuits en meetsystemen in Virgo nodig hebben, allen gelijktijdig, op vaste frequentie opereren, zeer nauwkeurig en stabiel. Het speciale aan het White-Rabbit systeem is dat dit met een zeer hoge nauwkeurigheid en stabiliteit gebeurt, en een verbetering is ten opzichte van de huidige methode. Later zal dit ook bij ETpathfinder worden toegepast.

ETpathfinder: photo diode readout

Op diverse plaatsen rondom de laser-interferometer zijn monitoring en regelingen van het optische systeem nodig. Dit wordt gedaan m.b.v. 4-kwadranten photo-diodes (QPD’s). Er wordt gewerkt aan de specificatie van de custom-made QPD’s en er zal uitlees-elektronica ontwikkeld worden.

Detector R&D

Voor toekomstige upgrades aan de Tracker detectoren in de HL-LHC, bij LHCb en ALICE wordt gewerkt aan nieuwe ASICS, pixel chips, waarbij op 30-50ps nauwkeurig, de aankomst tijd van gedetecteerde deeltjes kan worden gemeten.

ET werkt aan circuits in deze ASIC’s, in 65nm en 28nm IC-technologieën, die stralingshard moeten zijn. Het gaat om o.a. datatransmissie (serialiser), outputdrivers, digitaal-naar-analoog omzetters, power regulators, phase-locked loops, en spannings-referentie circuits.

Omdat clock en timing distributie van belang is bij diverse experimenten, wordt er verder ontwikkeld aan White Rabbit. Het gaat dan om kalibratie methodes, standaardisatie afspraken (bijv. IEEE), generieke hardware (de baby white-rabbit card), en verbetering van de stabiliteit en nauwkeurigheid.

Afbeelding vergroten

R&D Einstein Telescope

Voor metingen van seismische achtergrondruis ten behoeve van de toekomstige Einstein Telescope, wordt in samenwerking met Innoseis een MEMS-ASIC systeem ontwikkeld waarmee zeer nauwkeurig de kleinste seismische trillingen gemeten kunnen worden. Nikhef ontwikkelde een ASIC, en Innoseis de MEMS-sensor, en gezamenlijk werken ze aan het systeem.

Sluiten

De ET afdeling werkt nauw samen met de LHC-onderzoeksgroepen om daar de nieuwe elektronica voor de experimenten voor te ontwikkelen. Daarnaast werkt ET samen met de Detector R&D afdeling voor ASIC’s voor nieuwe sensoren, en sensortests, maar ook uitleessystemen voor labtestopstellingen, zoals SPIDR. SPIDR is een uitleessysteem voor pixel ASIC’s. Dit gebeurt in samenwerking met Nikhef’s mechanical engineers (MT) en software engineers (CT).

Stages bij ET