Een ingenieur die deeltjes opvangt bij de LHC

De Large Hadron Collider heeft ons begrip van de natuurkunde getransformeerd sinds hij in 2008 in gebruik werd genomen, waardoor onderzoekers de fundamentele bouwstenen van het universum konden onderzoeken. Ongeveer 100 meter onder de grens tussen Frankrijk en Zwitserland worden deeltjes versneld langs de 27 kilometer omtrek van de LHC, waarbij ze bijna de snelheid van het licht bereiken voordat ze uit elkaar vallen.

De LHC wordt vaak omschreven als de grootste machine ooit gebouwd. En hoewel de natuurkundigen die de experimenten in de faciliteit uitvoeren doorgaans de meeste aandacht krijgen, zijn er honderden ingenieurs en technici nodig om de LHC draaiende te houden. Eén van die ingenieur is Irene Degl’Innocenti, die in de digitale elektronica werkt bij de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek (CERN), die de LHC exploiteert. Als lid van de Beam Instrumentation Group van CERN maakt Degl’Innocenti op maat gemaakte elektronica die de positie van bundels deeltjes meet terwijl ze reizen.

“Het is een enorme machine die zeer uitdagende dingen doet, dus de vereiste hoeveelheid kennis is enorm”, zegt Degl’Inocenti.

De elektronica waaraan hij werkt, vormt slechts een klein deel van de totale operatie, waarvan Degl’Innocenti zich terdege bewust is wanneer hij afdaalt in de spelonkachtige tunnels van de LHC om zijn apparatuur te installeren of te testen. Maar ze haalt veel voldoening uit het werken aan zo’n belangrijke onderneming.

“Je maakt deel uit van iets dat heel groot is”, zegt ze. “Je hebt het gevoel dat je deel uitmaakt van deze grote gemeenschap die probeert te begrijpen wat er werkelijk in de ruimte gebeurt, en dat is heel fascinerend.”

Mogelijkheden om te werken in de hoge-energiefysica

Degl’Innocenti groeide op in Italië en wilde romanschrijver worden. Tijdens de middelbare school neigde ze naar de geesteswetenschappen, maar ze had een natuurlijke affiniteit met wiskunde, mede dankzij haar moeder, die natuurkundeleraar is.

“Ik ben een heel analytisch persoon, en dat is altijd een deel van mijn manier van denken geweest, maar ik vond wiskunde gewoon niet charmant toen ik klein was”, zegt Degl’Inocenti. “Het duurde een tijdje voordat we beseften welke mogelijkheden dit zou kunnen bieden.”

Ze begon rond haar zeventiende met onderzoek naar elektronica, omdat dit de meest directe manier leek om haar logische, wiskundige denkwijze in een carrière te vertalen. In 2011 ging ze naar de Universiteit van Pisa, Italië, waar ze in 2014 afstudeerde in Elektrotechniek. jaar, en ze behaalde ook haar masterdiploma in hetzelfde onderwerp.

Degl’Innocenti had destijds geen idee dat er mogelijkheden waren voor ingenieurs om in de hoge-energiefysica te werken. Maar ze hoorde dat een medestudent een zomerstage liep bij Fermilab, een laboratorium voor deeltjesfysica en versnellers in Batavia, Illinois. Daarom solliciteerde ze en won daar in 2015 een stage. Omdat Fermilab en CERN nauw samenwerken, kon ze helpen bij het ontwerpen van het dataverwerkingsbord voor het Compact Muon Solenoid-experiment van de LHC.

Vervolgens zocht ze een stage dichter bij huis en ontdekte het Technical Student Program van CERN, waarmee studenten een jaar lang aan een project kunnen werken. Degl’Innocenti werkte in de instrumentenstapelgroep en ontwierp het digitale acquisitiesysteem dat de basis werd voor haar masterproef.

Het meten van de positie van een bundel deeltjes

Na het behalen van haar masterdiploma in 2017 vervolgde Degl’Innocenti haar doctoraat, eveneens aan de Universiteit van Pisa. Ze voerde haar onderzoek uit bij de Beam Positioning Division van CERN, die apparatuur maakt om de positie van deeltjesbundels in het versnellercomplex van CERN te meten. De LHC heeft ongeveer 1.000 monitoren die rond een gasring zijn opgesteld. Elke monitor bestaat gewoonlijk uit twee paar sensoren die aan weerszijden van de versnellerbuis zijn geplaatst, en het is mogelijk om de horizontale en verticale positie van de straal te meten door de signaalsterkte bij elke sensor te vergelijken.

Het basisconcept is eenvoudig, zegt Degl’Innocenti, maar deze metingen moeten nauwkeurig zijn. Elke 25 nanoseconden passeren stapels deeltjes door de monitoren en hun positie moet tot op 50 micrometer worden gevolgd.

‘We beginnen het systeem jaren van tevoren te ontwikkelen, en dan moet het tientallen jaren blijven werken.

De meeste signaalverwerking gebeurt meestal analoog, maar tijdens haar doctoraat concentreerde ze zich erop om zoveel mogelijk van dit werk naar het digitale domein te verplaatsen, omdat analoge circuits lastig zijn, zegt ze. Ze moeten nauwkeurig worden gekalibreerd en hun nauwkeurigheid kan in de loop van de tijd of bij veranderende temperaturen veranderen.

“Het is complex om te onderhouden”, zegt ze. “Het wordt vooral lastig als je duizend monitoren hebt, en die zitten in een versneller 100 meter onder de grond.”

Er gaat echter informatie verloren bij het omzetten van analoog naar digitaal. Daarom analyseerde Degl’Innocenti de prestaties van de nieuwste analoog-digitaalomzetters (ADC’s) en onderzocht hun impact op positiemetingen.

Ontwerp van beam-monitorelektronica

Nadat ze haar Ph.D. in Electrical, Electronics and Communication Engineering in 2021 trad Degl’Innocenti in dienst bij CERN als Senior Postdoctoral Fellow. Twee jaar later werd ze er fulltime medewerker en paste ze de resultaten van haar onderzoek toe bij de ontwikkeling van nieuwe hardware. Ze ontwerpt momenteel een nieuwe bundelpositiemonitor voor de High-Luminosity Upgrade bij de LHC, die naar verwachting in 2028 voltooid zal zijn. Dit nieuwe systeem zal waarschijnlijk een systeem-op-chip gebruiken om de meeste elektronica te huisvesten, waaronder verschillende ADC’s. en een field-programmable gate array (FPGA) die Degl’Innocenti zal programmeren om een ​​nieuw algoritme voor digitale signaalverwerking uit te voeren.

Ze maakt deel uit van een team van slechts 15 mensen die betrokken zijn bij het ontwerp, de implementatie en het voortdurende onderhoud van de luchtpositiemonitors van CERN. Daarom werkt ze nauw samen met de ingenieurs die de sensoren en software voor deze instrumenten ontwerpen en de natuurkundigen die de versneller bedienen en de instrumenteisen stellen.

“We beginnen het systeem jaren van tevoren te ontwikkelen, en dan moet het tientallen jaren blijven werken”, zegt Degl’Inocenti.

Kansen in de hoge-energiefysica

Hoge-energiefysica heeft een aantal interessante mogelijkheden voor ingenieurs, zegt Degl’Innocenti, waaronder uiterst nauwkeurige elektronica, vacuümsystemen en cryogene techniek.

“De machines zijn erg groot en erg complex, maar we kijken naar heel kleine dingen”, zegt ze. “Er zijn veel grote getallen, zowel op grote schaal als als het om precisie op kleine schaal gaat.”

Er is veel vraag naar FPGA-ontwerpvaardigheden in alle soorten onderzoeksfaciliteiten, en ingebedde systemen worden ook steeds belangrijker, zegt Degl’Innocenti. De sleutel is om open te blijven over waar je je technische kennis kunt toepassen, zegt ze. Ze had nooit gedacht dat er bij CERN kansen zouden zijn voor mensen met haar vaardigheden.

“Check altijd welke technologieën er worden gebruikt”, adviseert ze. “Beperk jezelf niet door te veronderstellen dat werken ergens niet mogelijk zou zijn.”

Dit artikel verschijnt in de gedrukte editie van augustus 2024 als “Irene Degl’Innocenti”.