ITAINNOVA y la instrumentación electrónica para detectores de física: Una fidelidad tecnológica  de casi 15 años

En marzo de 2022 cumplimos 10 años de la pertenencia de ITAINNOVA a la colaboración del experimento CMS (Compac Muon Solenoid), uno de los 4 experimentos de física que se realiza en el más grande y potente acelerador de partículas del mundo, el LHC (El gran colisionador de Hadrones), situado en el Laboratorio Europeo de física de Partículas (Ginebra, Suiza). 

Este acontecimiento supone un importante hito en la larga línea de investigación que el área de Sistemas Eléctricos del Instituto Tecnológico de Aragón ha estado forjando durante los últimos 15 años, centrada el desarrollo de instrumentación electrónica robusta y eficiente para equipos científicos. Durante todos estos años el Instituto ha estado participando en diferentes proyectos regionales, nacionales y europeos que le han permitido formar parte del diseño y desarrollo de los más importantes experimentos de física mundiales.

Las actividades del grupo relacionadas con el desarrollo de instrumentación electrónica comenzaron a finales de 2007, mediante la participación en los grupos de trabajo que definirían las tecnologías en la futura generación de detectores del LHC. Dichas actividades se fueron ampliando progresivamente, colaborando tanto en el desarrollo del detector Belle II del acelerador de partículas SuperKEKB, situado en Japón, como en los diseños conceptuales de la electrónica pulsada para los detectores del futuro acelerador lineal internacional ILC. Gracias a ello, se ha podido trabajar junto a los más importantes centros de investigación y universidades del mundo en la temática, tales como Instituto Max Planck de Física (Alemania), SLAC (Standford Linear Accelerator) o la Escuela Politécnica Federal de Zurich (ETH). 

Desde el año 2016, la investigación se ha centrado en el desarrollo tecnológico del detector de pixeles de fase II del experimento CMS del LHC. Las actividades del instituto se pueden agrupar en 3 bloques, diseño de chip de lectura del detector, el diseño de la tarjeta de interconexión del chip y el análisis de los problemas de integración de la electrónica que ayuden a minimizar los fenómenos de interferencia electromagnética.  

Este trabajo ha permitido, gracias a dos proyectos de investigación nacionales (Retos de investigación convocatorias 2014 y 2017) y otro financiado por la DGA (Proyectos de I+D en líneas prioritarias 2018), potenciar la participación y visibilidad de ITAINNOVA dentro del experimento CMS y en la comunidad científica de desarrollo de detectores en Europa. Como consecuencia, se ha conseguido dos importantes hitos, el primero de ellos, la firma en 2017 de un acuerdo de colaboración entre ITAINNOVA y el CERN para el desarrollo de tecnología para el CERN (y que ha además ha permitido al personal investigador de ITAINNOVA pasar largas estancias colaborando con su departamento de microelectrónica) y el segundo hito, completar a finales del año 2019 el primer prototipo de un módulo totalmente funcional de la futura generación de detectores de pixeles para el experimento CMS basado en sensores 3D. 

Este desarrollo supuso un gran logro tanto dentro de la colaboración internacional CMS como a nivel nacional, dado que se considera el primer módulo desarrollado casi en su totalidad por tres centros españoles (Instituto de Física de Cantabria (IFCA), Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM) e Instituto Tecnológico de Aragón. En este caso, ITAINNOVA ha participado en el diseño de la etapa de potencia del chip de lectura y de la tarjeta electrónica de distribución, el IMB-CNM ha llevado a cabo el desarrollado de los sensores 3D del módulo y el IFCA ha testeado los sensores y llevará a cabo el ensamblaje de dichos módulos durante la etapa de producción. Los centros españoles, llevamos participando de forma conjunta en proyectos coordinados en el desarrollo de tecnologías para detectores de física desde el año 2009. Todas estas actividades descritas continúan hasta hoy, con el desarrollo de la nueva generación de detectores de pixeles del experimento CMS cuya instalación está planificada para el año 2024 ó 2025.

La actividad de ITAINNOVA se ha potenciado más durante los últimos meses al haber concedido 5 nuevos proyectos (2 europeos, 2 nacionales y 1 regional) que permitirán seguir reforzando la participación y consecuentemente el impacto del grupo en el desarrollo de instrumentación electrónica para detectores. Los dos proyectos europeos (en el que ITAINNOVA lidera uno de sus paquetes de trabajo) son AIDAINNOVA (Advancement and Innovation for Detectors at Accelerators) y EUROLABS (EUROpean Laboratories for Accelerator Based Science). En ambos, el principal objetivo es continuar con el desarrollo de tecnologías para los detectores de aceleradores de partículas. Respecto a los dos proyectos nacionales, en diciembre arrancó el nuevo proyecto CMSUPG del plan nacional de investigación, cuyas actividades pretenden continuar con las actividades de ITAINNOVA en la actualización de fase II del detector de pixeles de CMS de fase. El segundo, el TOMULGAD, tiene por objetivo diseñar una red de reloj distribuida y un sistema de distribución de potencia para el demostrador tecnológico del concepto de Tomografía de Muones de Tiempo. Respecto al proyecto regional, GANCAP4CMS financiado por la Dirección General de Aragón, tiene por objetivo diseñar y desarrollar fuentes de corrientes basados en transistores banda ancha y supercondensadores para el sistema de distribución de potencia del detector de Pixeles de CMS – Fase II. 

Destacar que, tanto el TOMULGAD como el GANCAP4CMS, se consideran especialmente relevantes para el Instituto por su clara orientación industrial. En el TOMULGAD se buscará desarrollar un prototipo de un tomógrafo de muones basado en una nueva tecnología que permitirá analizar la integridad estructural y estado de salud de grandes piezas industriales cuya caracterización no es posible por otros medios. Mientras que en el GANCAP4CMS se llevará a cabo en paralelo y de forma coordinada con el desarrollo de unidades de tracción para KARTS eléctricos para la empresa Rothmans Racing-TZ Projects, con quien se tiene firmado un convenio de colaboración.  Ambos proyectos son un claro ejemplo de la filosofía del instituto y la utilidad para la sociedad al llevar a cabo desarrollos tecnológicos que son de aplicación directa para vencer los principales retos a los que se enfrenta la sociedad actual como son los sistemas industriales eficientes y de movilidad sostenible.