Der Ingenieur, der am LHC Teilchen einfängt

Seit seiner Inbetriebnahme im Jahr 2008 hat der Large Hadron Collider unser Verständnis der Physik revolutioniert und es Forschern ermöglicht, die grundlegenden Bausteine ​​des Universums zu untersuchen. Etwa hundert Meter unterhalb der französisch-schweizerischen Grenze beschleunigen die Teilchen entlang des 27 Kilometer langen Umfangs des LHC und erreichen nahezu Lichtgeschwindigkeit, bevor sie kollidieren.

Der LHC wird oft als die größte jemals gebaute Maschine beschrieben. Und während die Physiker, die dort Experimente durchführen, meist Aufmerksamkeit erregen, braucht es Hunderte von Ingenieuren und Technikern, um den LHC zu betreiben. Eine dieser Ingenieure ist Irene Degl’Innocenti, die in der digitalen Elektronik bei der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) arbeitet, die den LHC betreibt. Als Mitglied der Beam Instrumentation Group des CERN entwickelt Degl’Innocenti kundenspezifische Elektronik, die die Position von Teilchenstrahlen während ihrer Bewegung misst.

„Es ist eine riesige Maschine, die sehr schwierige Dinge erledigt, daher ist das erforderliche Fachwissen enorm“, sagt Degl’Innocenti.

Die Elektronik, an der sie arbeitet, ist nur ein winziger Teil des gesamten Betriebs, dessen ist sich Degl’Innocenti sehr bewusst, wenn sie in die höhlenartigen Tunnel des LHC hinabsteigt, um ihre Ausrüstung zu installieren oder zu testen. Aber die Arbeit an einer so wichtigen Aufgabe bereitet ihr große Freude.

„Wir sind Teil eines sehr großen Projekts“, sagt sie. „Man hat das Gefühl, Teil einer großen Gemeinschaft zu sein, die versucht zu verstehen, was wirklich im Universum vor sich geht, und das ist sehr faszinierend. »

Möglichkeiten, im Bereich der Hochenergiephysik zu arbeiten

Degl’Innocenti wuchs in Italien auf und wollte Romanautor werden. Während ihrer Schulzeit interessierte sie sich für die Geisteswissenschaften, aber sie hatte eine natürliche Affinität zur Mathematik, was zum Teil ihrer Mutter zu verdanken war, die Naturwissenschaften unterrichtet.

„Ich bin ein sehr analytischer Mensch, und das war schon immer Teil meiner Denkweise, aber als ich klein war, fand ich Mathematik nicht interessant“, erklärt Degl’Innocenti. „Es hat eine Weile gedauert, bis ich die Möglichkeiten verstanden habe, die sie mir bieten konnten. »

Etwa im Alter von 17 Jahren begann sie, sich für Elektronik zu interessieren, weil es ihr der direkteste Weg erschien, ihre logische und mathematische Denkweise in eine Karriere umzusetzen. Im Jahr 2011 schrieb sie sich an der Universität Pisa, Italien, ein, wo sie 2014 einen Bachelor-Abschluss in Elektrotechnik abschloss und ihr Studium fortsetzte, um einen Master-Abschluss im gleichen Fach zu erwerben.

Damals hatte Degl’Innocenti keine Ahnung, dass es für Ingenieure Möglichkeiten gab, in der Hochenergiephysik zu arbeiten. Doch sie erfuhr, dass ein anderer Student ein Sommerpraktikum im Fermilab, dem Labor für Teilchen- und Beschleunigerphysik in Batavia, Illinois, absolviert hatte. Deshalb bewarb sie sich dort und bekam 2015 ein Praktikum. Da Fermilab und CERN eng zusammenarbeiten, konnte sie zum Entwurf einer Datenverarbeitungsplatine für das Compact Muon Solenoid-Experiment des LHC beitragen.

Anschließend suchte sie nach einem Praktikum in der Nähe ihres Wohnorts und entdeckte das technische Studienprogramm des CERN, das es Studierenden ermöglicht, ein Jahr lang an einem Projekt zu arbeiten. Degl’Innocenti arbeitete in der Gruppe für Strahlinstrumentierung und entwarf ein digitales Erfassungssystem, das die Grundlage seiner Masterarbeit bildete.

Messung der Position von Teilchenstrahlen

Nach seinem Masterabschluss im Jahr 2017 setzte Degl’Innocenti seine Forschungen zur Erlangung eines Doktortitels fort, ebenfalls an der Universität Pisa. Ihre Forschung führte sie in der CERN Beam Positioning Section durch, die Geräte zur Messung der Position von Teilchenstrahlen innerhalb des CERN-Beschleunigerkomplexes baut. Der LHC verfügt über rund 1.000 Monitore, die rund um den Beschleunigerring verteilt sind. Jeder Monitor besteht typischerweise aus zwei Sensorpaaren, die auf beiden Seiten des Drosselrohrs positioniert sind, und es ist möglich, die horizontale und vertikale Position des Strahls zu messen, indem die Signalstärke an jedem Sensor verglichen wird.

Das zugrunde liegende Konzept sei einfach, erklärt Degl’Innocenti, aber diese Messungen müssten präzise sein. Alle 25 Nanosekunden passieren Partikelhaufen die Monitore und ihre Position muss auf 50 Mikrometer genau verfolgt werden.

„Wir beginnen Jahre im Voraus mit der Entwicklung eines Systems, und dann muss es einige Jahrzehnte lang funktionieren. »

Die meiste Signalverarbeitung erfolgt normalerweise analog, aber während ihrer Doktorarbeit konzentrierte sie sich darauf, so viel wie möglich von dieser Arbeit in den digitalen Bereich zu verlagern, da analoge Schaltkreise heikel seien, erklärt sie. Sie müssen präzise kalibriert sein und ihre Genauigkeit neigt dazu, mit der Zeit oder bei Temperaturschwankungen zu schwanken.

„Es ist ein komplexes System, das gewartet werden muss“, erklärt sie. „Besonders knifflig wird es, wenn man 1.000 Monitore hat und diese sich in einem Beschleuniger 100 Meter unter der Erde befinden. »

Bei der Umwandlung von Analog in Digital gehen jedoch Informationen verloren. Aus diesem Grund analysierte Degl’Innocenti die Leistung der neuesten Analog-Digital-Wandler (ADCs) und untersuchte deren Auswirkungen auf Positionsmessungen.

Entwurf der Strahlüberwachungselektronik

Nach Abschluss ihrer Promotion in Elektrotechnik, Elektronik und Kommunikationstechnik im Jahr 2021 kam Degl’Innocenti als leitende Postdoktorandin zum CERN. Zwei Jahre später wurde sie dort Vollzeitmitarbeiterin und setzte ihre Forschungsergebnisse in die Entwicklung neuer Materialien ein. Derzeit wird ein neuer Strahlpositionsmonitor für die Aufrüstung des LHC auf hohe Leuchtkraft entwickelt, die voraussichtlich im Jahr 2028 abgeschlossen sein wird. Dieses neue System wird wahrscheinlich ein System-on-a-Chip verwenden, um den Großteil der Elektronik, einschließlich mehrerer ADCs, unterzubringen und ein Array Field Programmable Gates (FPGA), das Degl’Innocenti programmieren wird, um einen neuen digitalen Signalverarbeitungsalgorithmus auszuführen.

Sie ist Teil eines Teams von nur 15 Personen, die die Strahlpositionsmonitore des CERN entwerfen, implementieren und warten. Sie arbeitet daher eng mit den Ingenieuren zusammen, die die Sensoren und Software für diese Instrumente entwerfen, und mit den Physikern, die den Beschleuniger betreiben und die Anforderungen an die Instrumente definieren.

„Wir beginnen Jahre im Voraus mit der Entwicklung eines Systems, und dann muss es ein paar Jahrzehnte lang funktionieren“, sagt Degl’Innocenti.

Möglichkeiten in der Hochenergiephysik

Laut Degl’Innocenti bietet die Hochenergiephysik Ingenieuren viele spannende Möglichkeiten, darunter hochpräzise Elektronik, Vakuumsysteme und Kryotechnik.

„Die Maschinen sind sehr groß und sehr komplex, aber wir interessieren uns für ganz kleine Dinge“, erklärt sie. „Es spielen viele große Zahlen eine Rolle, sowohl im Großen als auch bei der Präzision im Kleinen. »

FPGA-Designfähigkeiten seien in allen Arten von Forschungseinrichtungen sehr gefragt, und auch eingebettete Systeme würden immer wichtiger, sagt Degl’Innocenti. Der Schlüssel liege darin, offen für die Anwendung Ihres Ingenieurwissens zu sein, sagt sie. Sie hätte nie gedacht, dass es am CERN Möglichkeiten für Menschen mit ihren Fähigkeiten geben würde.

„Überprüfen Sie immer, welche Technologien zum Einsatz kommen“, rät sie. „Beschränken Sie sich nicht, indem Sie davon ausgehen, dass es nicht möglich sein wird, irgendwo zu arbeiten. »

Dieser Artikel erscheint in der Printausgabe August 2024 unter dem Titel „Irene Degl’Innocenti“.