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© CERN Komponenten | 27 April 2016

8-Zoll-Sensorchips von Infineon könnten Geheimnisse des Universums lüften

Noch immer gelten 95 Prozent des Universums als unerforscht. Diesen Geheimnissen sind Wissenschaftler am Genfer CERN auf der Spur, dem weltgrößten Forschungszentrum für Teilchenphysik.

© CERN
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© Infineon
Hier entdeckten Forscher im Mai 2012 die so genannten Higgs-Teilchen, für deren Vorhersage Peter Higgs und François Englert den Nobelpreis für Physik erhielten. Derzeit suchen die CERN-Wissenschaftler unter anderem nach dunkler Materie: Obwohl sie im Universum etwa die fünffache Masse der sichtbaren Materie einnehmen dürfte, konnte man sie bisher noch nicht direkt nachweisen. Mit etwas Glück wird es am CERN gelingen, dunkle Materie auch zu erzeugen.

Zu ihrem Nachweis kann ein weltweit einmaliger Sensorchip beitragen: Er ist 8 Zoll oder 15x10cm groß und wurde gemeinsam entwickelt von Infineon Technologies Austria und dem Institut für Hochenergiephysik (HEPHY) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften. Mehrere zehntausend dieser Bausteine aus Silizium könnten demnächst am CERN zum Einsatz kommen. Sie lassen sich nicht nur kostengünstiger herstellen als die bisherigen, bis 6 Zoll großen Sensoren. Die Bausteine sind auch robuster gegenüber der kontinuierlichen Bestrahlung und altern dadurch weniger schnell als die bisherige Generation. Geplante Experimente wären ohne widerstandsfähigere Sensoren kaum möglich.

Die Experimente am CERN untersuchen den Aufbau von Materie sowie Wechselwirkungen zwischen Elementarteilchen: Protonen werden fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und dann zur Kollision gebracht. Dabei entstehen neue Teilchen, deren Eigenschaften mit verschiedenen Detektoren rekonstruiert werden. „In der Teilchenphysik und der Kosmologie gibt es noch zahlreiche offene Fragen, auf die die Menschheit noch keine Antwort hat“, sagte Dr. Manfred Krammer, Leiter des Departments für Experimentelle Physik am CERN. „Um weitere Fortschritte auf diesen Gebieten zu erzielen, brauchen wir eine neue Generation von Teilchensensoren. Durch die Zusammenarbeit mit Hochtechnologie-Firmen wie Infineon können wir die dazu notwendigen Technologien entwickeln.“

So hoch wie ein Wohnhaus, 100 Meter unter der Erde

Zwei der Detektoren, für die der Einsatz der Sensoren von Infineon derzeit geprüft wird, tragen die Bezeichnungen ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) und CMS (Compact Muon Solenoid). Die Experimente der Teilchenphysik gleichen riesigen Kameras: Wenn Partikel die Siliziumdetektoren durchdringen, werden sie von diesen registriert. Die Experimente haben eine Höhe von 20 Metern (ATLAS) bzw. 15 Metern (CMS) und befinden sich 100 Meter unter der Erde. Sie sind seit Jahren fast rund um die Uhr in Betrieb, mit 40 Millionen Einzelexperimenten pro Sekunde. Derzeit beraten beide Seiten über eine mögliche Produktion von Chips mit bis zu 1.000m² Fläche.

Doch Forscher brauchen einen langen Atem. „Es kann Generationen dauern, bis Grundlagenforschung den Alltag verändert“, sagt Andreas Urschitz, Leiter der Division Power Management & Multimarket bei der Infineon Technologies AG. „Dies darf Menschen aber nicht vom Forschen abhalten. Denn ohne Marie Curie hätten wir keine Röntgen-Geräte, ohne Maxwell keine Handys.“ Marie Curie prägte 1898 den Begriff der Radioaktivität. Die Gleichungen von James Clerk Maxwell sind bereits 150 Jahre alt; mit ihnen beschrieb der schottische Physiker von 1861 bis 1864 den Elektromagnetismus.

Die für das CERN entwickelte Technologie könnte jedoch in weniger als zehn Jahren schon Krebspatienten helfen: Mehrere Forschungsgruppen erproben derzeit die Protonen-Computertomografie. Das medizinische Abbildungsverfahren beruht auf den gleichen Grundlagen wie die Sensor-Technologie für die Experimente am CERN. Großflächige Silizium-Detektoren, wie von Infineon und HEPHY entwickelt, könnten künftig während der therapeutischen Bestrahlung tomografische Aufnahmen liefern. Die Position des Tumors ließe sich dadurch besser bestimmen und gesundes Gewebe würde weniger verletzt als bei herkömmlichen Röntgenstrahlen. Dadurch würde die Strahlenbelastung um den Faktor 40 sinken.

In der Forschungsgemeinde hat die Produktion der Sensoren bei Infineon bereits Aufsehen erregt: Bei der Verleihung des anerkannten Houska-Preises, Österreichs größtem privaten Preis für wirtschaftsnahe Forschung, wurde das Projekt von Infineon und HEPHY 2014 mit dem 2. Platz ausgezeichnet.

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