Entwicklung einer Prozessvisualisierung zur Qualitätskontrolle der Front End Elektronik des ALICE - Übergangsstrahlungsdetektors.

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1 Entwicklung einer Prozessvisualisierung zur Qualitätskontrolle der Front End Elektronik des ALICE - Übergangsstrahlungsdetektors Andreas Fick

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3 ENTWICKLUNG EINER PROZESSVISUALISIERUNG ZUR QUALITÄTSKONTROLLE DER FRONT END ELEKTRONIK DES ALICE - ÜBERGANGSSTRAHLUNGSDETEKTORS DIPLOMARBEIT VON ANDREAS FICK GEBOREN AM 11. NOVEMBER 1983 IN MÜHLHAUSEN (THÜRINGEN) SEPTEMBER 2008 BETREUER: PROF. DR. HARALD APPELSHÄUSER GOETHE-UNIVERSITÄT FRANKFURT AM MAIN FACHBEREICH PHYSIK INSTITUT FÜR KERNPHYSIK

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5 Ein Mikrophon ist kein Ohr, eine Kamera ist kein Auge, und ein Computer ist kein Gehirn. Wir dürfen uns von der Technologie nicht so blenden lassen, dass wir den Wert des Menschen nicht mehr einzuordnen wissen. Wir haben zu entscheiden, ob wir um unser Recht kämpfen wollen, Baumeister der Zukunft zu sein. - Mike Cooley

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7 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Die Suche nach dem Quark-Gluon-Plasma Aufbau und Zustände der Materie Quarks, Gluonen und ihre Wechselwirkung Die starke Wechselwirkung Das Quark-Gluon-Plasma Das ALICE-Experiment Experimentelle Infrastruktur Der Large Hadron Collider Aufbau das ALICE-Experiment Die ALICE-Detektoren im Einzelnen Der ALICE Transition Radiation Detector Funktionsprinzip des TRD Der strukturelle Aufbau des TRD Die TRD-Ausleseelektronik Das Multiple Chip Modul Das Read Out Board Das Detector-Contol-System Board Das Optical Read Out Interface Zusammensetzung der Front End Elektronik einer Auslesekammer Die Datenauslese Das Supermodul Das Experiment Control System Aufbau des Teststandes Aufbau der Testhardware Aufbau der Testsoftware Der FEE-Server und die Control Engine Der Intercom Layer und der Command Coder Die Datenbanken Ablauf der Kammertests Vorbereitungen a

8 5.2 Die CE-Tests Der Shutdown-Test Der Reset-Test Der NI-Test Der Bridge-Test Der ORI-Test Der Read-Laser-IDs-Test und Check-Laser-IDs Die Memory-Tests Die optische Auslese und die Noise-Tests Der Pulser-Test Der Stresstest Die graphische Benutzerschnittstelle Das Prozessvisualisierungs- und Steuerungssystem PVSS II Kommunikation via DIM Aufbau der Benutzeroberfläche Die interne Datenpunkte - Struktur des Testpanels Das Haupttestpanel Das Optical - Readout - Panel Das Stresstest - Panel Das Compose - Testsummary - Panel Der FEDmsg - Browser Auswertung der Kammer-Tests Betrachtungen zu beobachteten Fehlern Beispiele für auftretende Fehler Angewandte Kriterien zur Qualitätssicherung Kriterien zu den CE-Tests Kriterien zu den Noise-Messungen und dem Pulser-Test Kriterien zum Stresstest Der Pulser-Test als Werkzeug zur Qualitätssicherung Grundlegende Annahmen zum Pulser-Test und ihre Verifizierung Betrachtungen zur Laufzeit des Pulser Interpretation der Pulser-Test-Daten Tote Kanäle Kurzgeschlossene Auslesepads Verrauschter Kanal Zusammenfassung und Ausblick 91 b

9 Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Listing-Verzeichnis i iii vii ix Danksagung Eidesstattliche Erklärung xi xiii c

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11 1 Einleitung Der Large Hadron Collider (LHC) am Genfer CERN ist zusammen mit seinen Experimenten die größten je von Menschenhand geschaffene Maschine. Eines der Experimente ist ALICE, A Large Ion Collider Experiment. Mit diesem Detektorsystem soll das Quark- Gluon-Plasma, ein Materiezustand wie er in den ersten Milliardstelsekunden nach dem Urknall existiert haben könnte, beobachtet und studiert werden. Die Eigenschaften der Quarks, der elementaren Materiebausteine, und der Gluonen, ihrer dazugehörigen Austauschteilchen, sind dabei noch weitgehend unbekannt. Um diesen Materiezustand zu beobachten legt das ALICE-Experiment seinen Fokus auf Kollisionen schwerer Bleiatomkerne, die beim LHC mit einer Schwerpunktsenergie von 1148 TeV aufeinander treffen. Der Übergangsstrahlungsdetektor (Transition Radiation Detector, TRD) ist eines der Detektorsysteme des ALICE-Experiments. Neben einem Beitrag zur Spurverfolgung der einzelnen Reaktionsprodukte in Schwerionenkollisionen ist seine Hauptaufgabe die Unterscheidung von Elektronen und Pionen. Der ALICE TRD besteht aus 18 Supermodulen, die wiederum aus 30 einzelnen Auslesekammern bestehen. Neben dem Bau eines Types dieser Auslesekammer wird am Institut für Kernphysik Frankfurt auf jede dieser Auslesekammern die Front End Elektronik (FEE) und das Kühlsystem aufgebracht. Die Front End Elektronik wird dabei nach jedem Arbeitsschritt getestet, um mögliche Fehler in der FEE frühzeitig zu erkennen und ein Höchstmaß an Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Aufbau und dem Ablauf dieser Tests, sowie mit Qualitätskriterien, die während dieser Tests angewendet werden. Eine der Hauptaufgaben stellte dabei die Entwicklung einer graphischen Benutzeroberfläche dar, die es ermöglicht, alle die Tests betreffenden Aktionen sowie die Tests selbst von einem zentralen Interface zu starten, zu überwachen und auszuwerten. Dabei wurde die Benutzeroberfläche so gestaltet, dass es auch Nicht-Experten möglich ist, diese Tests durchzuführen. 1

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13 2 Die Suche nach dem Quark-Gluon-Plasma Materie, wie wir sie in unserem Alltag kennen, kann in verschiedenen Aggregatzuständen vorkommen. Jedem ist z.b. Wasser in seiner festen, flüssigen und gasförmigen Form bekannt. Inzwischen sind weitere Materiezustände entdeckt worden, etwa das Plasma oder das so genannte Bose-Einstein-Kondensat. Ein gestecktes Ziel der Schwerionenphysik ist es, neue Zustände der Kernmaterie zu untersuchen. Von der Quantenchromodynamik (QCD) wird unter bestimmten Bedingungen ein neuer, exotischer Zustand der Kernmaterie, das so genannte Quark-Gluon-Plasma (QGP), vorhergesagt. Zur Bildung eines QGP soll es demnach bei extrem hohen Temperaturen (wie kurz nach dem Urknall) oder bei sehr hohen Dichten (z.b. in Neutronensternen) kommen. Im Labor werden derartige Bedingungen durch Kollisionen schwerer Atomkerne (z.b. Gold oder Blei) in großen Teilchenbeschleunigern erzeugt. Dabei erreichen die Teilchen nahezu Lichtgeschwindigkeit. Aktuelle Experimente am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) liefern starke Hinweise, dass es gelungen ist, ein QGP künstlich herzustellen. Zur Bestätigung der Ergebnisse und weiteren Erforschung des QGP ist es nötig, weitere Experimente durchzuführen. Ein Beschleuniger der nächsten Generation, der Large Hadron Collider (LHC), wird derzeit am CERN, der europäischen Kernforschungseinrichtung (European Organisation for Nuclear Research) gebaut. Hier sollen Experimente stattfinden, von denen erwartet wird, dass man durch sie wichtige Erkenntnisse über den Aufbau der Materie erlangt. Neben dem Betrieb mit Protonen sind auch Strahlzeiten mit Bleikernen geplant. Hier wird es möglich sein, das QGP mit längeren Lebensdauern als am RHIC zu erzeugen, und so genauer zu untersuchen. Das A Large Ion Collider Experiment (ALICE, siehe Kapitel 3.2) ist eines der Experimente am LHC, mit einem besonderen Fokus auf Kollisionen schwerer Bleikerne. Viele der Signaturen, über die man ein QGP untersuchen kann, lassen sich durch hochenergetische Elektronen identifizieren. Aufgabe des Transition Radiation Detector ist es, Elektronen mit Impulsen größer als 1 GeV/c zu erkennen. 2.1 Aufbau und Zustände der Materie Bei der Suche nach den Bausteinen der Materie hat man immer kleinere Teilchen entdeckt. Schon im alten Griechenland gab es philosophische Diskussionen darüber, ob ein Stein unendlich oft teilbar sei, oder ob man irgendwann zu elementaren Bausteinen (den so genannten Atomen) käme, die nicht weiter teilbar wären. Ende des 19. Jahrhunderts gelangte man schließlich zu der Überzeugung, dass auch diese unteilbaren Atome eine Substruktur haben müssen. Einen deutlichen Hinweis lieferten die fast 100 Elemente, deren Eigenschaften sich periodisch wiederholen. Durch Streuexperimente mit α-teilchen an einer Goldfolie (Rutherford, 1911) konnte 3

14 2 Die Suche nach dem Quark-Gluon-Plasma gezeigt werden, dass Atome aus einem kleinen (im Verhältnis zum Atomdurchmesser) Kern bestehen und Elektronen vermutlich auf Bahnen um sie kreisen, was schließlich zum Bohrschen Atommodell führte. Bald fand man heraus, dass auch die Atomkerne wieder aus kleineren Teilchen bestehen, den Nukleonen (Protonen und Neutronen). Mit der Postulierung des Neutrinos (Pauli, 1930) und der Entdeckung des Neutrons (Chadwick, 1932) hatte man nun vier Teilchen (Proton, Neutron, Elektron und Neutrino), mit denen man alle damals bekannten Phänomene der Atom- und Kernphysik beschreiben konnte. Mit Entdeckung des Myons 1947 tauchte ein neues Teilchen auf, das sich nicht in dieses einfache Schema einordnen ließ. Es hat ähnliche Eigenschaften wie das Elektron, ist jedoch um ein vielfaches schwerer. Im Laufe der 50er und 60er Jahre wurden zahlreiche weitere Teilchen gefunden, die man zwar einer von drei Gruppen (Leptonen, Mesonen und Baryonen) zuordnen konnte, es fehlte aber eine einfache Theorie um diese Teilchen in ein plausibles Schema zu bringen. In den 60er Jahren gelang es schließlich Gellmann und Zweig, Ordnung in den Teilchenzoo zu bringen. Hadronen (also Mesonen und Baryonen) sind Teilchen, die der starken Wechselwirkung unterliegen. Sie bestehen aus elementareren Teilchen, den so genannten Quarks. So setzen sich Mesonen aus einem Quark-Antiquark Paar zusammen, die Baryonen bestehen aus einem Bindungszustand, der drei Quarks enthält. Abbildung 2.1 verdeutlicht in sukzessiven Schritten den Aufbau von makroskopischer Materie hin zu den elementaren Bausteinen. In den folgenden Jahren wurde diese Theorie immer weiter verfeinert und führte zum so genannten Standardmodell der Teilchenphysik. Abbildung 2.1: Schematische Darstellung des Aufbaus der Materie in kleiner werdenden Bausteinen [1]. 4

15 2.2 Quarks, Gluonen und ihre Wechselwirkung Leptonen Quarks Familie elekt. Ladung Farbe Spin ν e ν µ ν τ 0-1/2 e µ τ 1-1/2 u c t +2/3 r, g, b 1/2 d s b 1/3 r, g, b 1/2 Tabelle 2.1: Die Elementarteilchen. 2.2 Quarks, Gluonen und ihre Wechselwirkung Nach dem heute gültigen Standardmodell geht man davon aus, dass die Materie aus Leptonen und Quarks besteht und deren fundamentalen Wechselwirkungen durch Austauschteilchen beschrieben werden kann. Leptonen und Quarks (Tabelle 2.1) lassen sich in jeweils drei Familien (auch Generationen genannt) einordnen. Die Leptonen und ihre Antiteilchen lassen sich trennen in geladene (Elektron, Myon, Tauon) und ungeladene Teilchen (die zugehörigen Neutrinos). Die Quarks (und Antiquarks) unterscheiden sich durch ihren Flavour (Quarktyp). Jedes Quark besitzt einen zusätzlichen inneren Freiheitsgrad, die so gennante Farbe. Diese kommt in drei verschiedenen Varianten vor: rot, grün und blau. Hierbei ist zu beachten, dass die Farbkombination in den Hadronen additiv immer weiß ergeben muss, also für Mesonen Farbe und zugehörige Antifarbe, sowie für Baryonen rot, grün und blau. Außerdem sagt das Standardmodell noch ein weiteres Teilchen voraus, das so genannte Higgs-Boson 1, das schließlich für die Masse der Materieteilchen und der Austauschteilchen verantwortlich sein soll. Nach derzeitigem Kenntnisstand sind vier verschiedene Wechselwirkungen bekannt (sie sind in Tabelle 2.2 näher dargestellt): die Gravitation, die elektromagnetische, die schwache und die starke Wechselwirkung. Die schwächste Wechselwirkung ist die Gravitation. Sie ist z.b. verantwortlich für die Bildung der Himmelskörper und deren Bewegungen. Eine weitere Kraft, die uns aus dem Alltag bekannt ist, ist die elektromagnetische Wechselwirkung. Sie ist für die meisten alltäglichen Erscheinungen (Licht, chem. Bindungen,...) zuständig. Die schwache Kraft, u.a. für Kernzerfälle verantwortlich, ist uns in der makroskopischen Welt ebenso wenig zugänglich wie auch die starke Wechselwirkung, die dafür Sorge trägt, dass Atomkerne und auch die Nukleonen zusammengehalten werden. Die Wechselwirkungen werden nach heutigem Kenntnisstand über den Austausch von so genannten Vektorbosonen vermittelt [2]. Das Vektorboson der elektromagnetischen Wechselwirkung ist das Photon. Es ist ungeladen und hat keine Masse. Die Austauschteilchen der schwachen Wechselwirkung sind das W +, das W und das Z 0 -Boson, sie besitzen alle eine Ruhemasse von GeV/c 2, wobei aber nur die W-Teilchen eine elektrische Ladung besitzen. Die Gluonen sind die Austauschteilchen der starken Kraft, 1 Die Suche nach dem Higgs-Boson ist eine der Herausforderungen bei den Experimenten ATLAS und CMS am LHC 5

16 2 Die Suche nach dem Quark-Gluon-Plasma Wechselkoppelt an Austausch- Reichweite relative wirkung teilchen (in Meter) Stärke starke W. Farbladung 8 Gluonen rund elekrtomagn. W. elektrische Ladung Photon unendlich 10 2 schwache W. schwache Ladung W +, W, Z 0 < Gravitation Masse Graviton? unendlich Tabelle 2.2: Die Wechselwirkungen. und tragen eine Farbladung (immer eine Farbe und eine Antifarbe). Es gibt 8 verschiedene Gluonen, die wie Photonen keine Ruhemasse besitzen und keine elektrische Ladung tragen. Zum Austauschteilchen der Gravitation, dem Graviton, gibt es nur theoretische Überlegungen. Es sollte Spin 2 haben, masselos und sowohl elektrisch, wie auch farblich neutral sein. Man sollte hier ebenfalls noch erwähnen, dass die Gravitation nicht in das Standardmodell der Teilchenphysik eingebettet ist Die starke Wechselwirkung Analog zur Quantenelektrodynamik (QED) für die elektromagnetische, hat man für die starke Wechselwirkung ebenfalls eine Eichtheorie, die Quantenchromodynamik, entwickelt. Während in der QED die Photonen als Austauschteilchen fungieren, sind dies in der QCD die Gluonen. Die Gluonen werden als elektrisch neutrale Punktteilchen angesehen. Da sie masselos sind, müsste der Theorie zufolge die starke Wechselwirkung, wie auch die elektromagnetische und die gravitative Wechselwirkung, eine unendliche Reichweite haben (der Grund für die eingeschränkte Reichweite der schwachen Wechselwirkung sind eben ihre massiven Austauschteilchen). Im Gegensatz zur QED, wo es nur eine Ladung gibt (die elektrische), gibt es in der QCD drei verschiedene Ladungen. Während die Photonen nicht geladen sind, tragen die Gluonen eine Farbladung, was bedeutet, dass sie sich wiederum gegenseitig beeinflussen. Die in der Natur vorkommenden Teilchen weisen alle eine nach außen neutrale Farbladung auf. So bestehen Mesonen aus zwei Quarks, die jeweils Farbe und Anti-Farbe tragen, Baryonen bestehen aus drei Quarks (rot, grün und blau). Es sind keine freien Quarks beobachtet worden (Confinement). Versucht man ein Quark aus seinem gebundenen Zustand zu befreien, so ist es irgendwann energetisch günstiger, ein neues Quark-Antiquark-Paar auszubilden, als ein Quark in einen freien Zustand zu bewegen. Diese Verhalten spiegelt sich in dem Potenzial der starken Wechselwirkung wider 2 : V s = 4 3 α s r + kr [3], (2.1) Hierbei ist α s die Kopplungskonstante der starken Wechselwirkung, r der Abstand der beiden Quarks und k ein konstanter Faktor. Der erste Term spiegelt die Ähnlichkeit zum Coulomb-Potenzial bei kleinem r wider, er entspricht einem Ein-Gluon-Austausch [3]. 2 Dieses Potenzial ist nur eine grobe Näherung und kann nur für schwere Quarks definiert werden. 6

17 2.2 Quarks, Gluonen und ihre Wechselwirkung Der zweite Term hingegen kommt von der Farbladung der Gluonen und spielt bei größeren Abständen eine Rolle. Wird der Abstand genügend groß, erreicht die Energie in kr einen Wert, der ausreicht, um ein Quark-Antiquark-Paar zu bilden. Eine weitere entscheidende Rolle spielt hier auch die Kopplungskonstante α s : Bei ihr handelt es sich nicht um eine Konstante im eigentlichen Sinne, sie ist vielmehr abhängig vom Impulsübertrag, was der Entfernung zwischen den beteiligten Quarks entspricht. In erster Ordnung ergibt sich aus der Störungsrechnung in der QCD: α s (Q 2 12π ) = (33 2n f ) ln(q 2 /Λ 2 ) [2], (2.2) wobei n f die Zahl der beteiligten Quarktypen, Λ der Skalenfaktor der QCD und Q der Impulsübertrag bei der Streureaktion ist. Λ ist der einzige freie Parameter in der QCD und kann nur experimentell bestimmt werden. Sein Wert liegt bei ungefähr 250 MeV/c. Bei kleinen Quark-Quark-Abständen ist der Impulsübertrag groß und α s wird klein. Die Kopplung verschwindet für sehr kleine Abstände nahezu. Man spricht auch von asymptotischer Freiheit. Falls die Abstände der beteiligten Quarks groß sind, wird α s, auch groß und das Problem lässt sich nicht mehr störungstheoretisch lösen. Statt dessen wendet man Gitterrechungen an Das Quark-Gluon-Plasma Gitterrechnungen sagen unter bestimmten Bedingungen einen Phasenübergang der Kernmaterie voraus. Bei sehr hohen Temperaturen (ca. 175 MeV [4]) oder genügend hoher Netto-Baryonendichte (1 GeV/fm 3 [5]) soll es zum Deconfinement kommen. Das bedeutet, die Quarks und Gluonen sind nicht mehr gebunden, sondern befinden sich in einem quasi-freien Zustand, der als Quark-Gluon-Plasma (QGP) bezeichnet wird. Geht man den Weg der höheren Dichte, so muss man einen kalten Kern (T = 0 K) auf das rund zehnfache der Dichte von Kernmaterie unter Normbedingungen bringen [2]. Ist dies der Fall, so überlappen die Wellenfunktionen der Nukleonen, und die Quarks und Gluonen können nicht mehr einzelnen Nukleonen zugeordnet werden. Sie können sich im Kern frei bewegen. Man nimmt an, dass solche Bedingungen in Inneren von Neutronensternen herrschen. Bei ultrarelativistischen Schwerionenreaktionen geht man hingegen einen anderen Weg: Hier soll der Phasenübergang bei sehr hohe Temperatur erreicht werden. Ist bei so einer heißen Kollision die Energiedichte ausreichend, so kann ein Quark-Gluon-Plasma entstehen, das aber nur kurze Zeit bestehen bleibt. Während das System sich ausdehnt, kühlt es sich ab, und die Quarks und Gluonen rekombinieren zu Hadronen. Das System kühlt sich noch weiter ab, die Hadronen können nicht mehr miteinander wechselwirken, es kommt zum chemischen freeze out. Solche Bedingungen haben vermutlich kurz nach dem Urknall geherrscht. In Abbildung 2.2 ist das entsprechende Phasendiagramm der Kernmaterie dargestellt. Das Quark-Gluon-Plasma kann nicht direkt nachgewiesen werden. Es gibt jedoch zahlreiche Signaturen, die auf eine Ausbildung eines Quark-Gluon-Plasmas hindeuten. Jede Signatur ist für sich alleine aber nicht hinreichend, erst die Messung und Kombination 7

18 2 Die Suche nach dem Quark-Gluon-Plasma Abbildung 2.2: Phasendiagramm der Kernmaterie. Die normalen Kerne befinden sich bei Dichte ρ 0 und der Temperatur T = 0. Der Pfeil deutet die Zustandsänderungen an, welche die Kerne bei verschiedenen Schwerionenreaktionen nehmen. Der Pfeil links oben symbolisiert das Abkühlen des Universums zur Zeit t 1 µ s nach seiner Entstehung. Neutronensterne haben teilweise eine so hohe Dichte, dass ein QGP bei niedrigen Temperaturen entstehen könnte [2]. mehrerer Signaturen erlaubt es, auf ein Quark-Gluon-Plasma zu schließen. Einige Signaturen sind elektromagnetischer Art. Diese sind ein gutes Mittel um Informationen aus dem Plasma zu erhalten, da Leptonen und Photonen nicht der starken Wechselwirkung unterliegen. Sind sie in der Reaktionszone entstanden, besteht eine große Wahrscheinlichkeit dafür, dass sie diese ungehindert verlassen und so Informationen direkt aus der heißen Anfangs-Phase der Reaktion liefern können. Zu den elektromagnetischen Observablen zählen Photonen, die thermodynamische Informationen aus allen Phasen der Reaktion liefern, und Dileptonenpaare, die durch Quark-Antiquark- Annihilation im QGP entstehen. Andere Signale sind hadronischer Natur. Sie geben Informationen über den Zustand nach dem thermischen Ausfrieren wieder. Die Produktion von Teilchen mit strange-quarks gehört zu dieser Art von Signatur. Ein weiteres Signal, das auf ein QGP hindeuten, ist die Unterdrückung von J/Ψ- und Υ-Mesonen, wie es durch theoretische Berechnungen vorhergesagt wird. Abschließend bleibt noch ein hoher Energieverlust von auftretenden Jets als Signatur des QGP zu nennen. Jets entstehen durch Hadronisierung von harten (hochenergetischen) qq-paaren oder Abstrahlung eines harten Gluons. Sie können das QGP nur unter hohem Energieverlust verlassen. Jets werden anhand zusammenhängender Bündel von Teilchenspuren identifiziert. Auf der Suche nach dem Quark-Gluon-Plasma übernimmt das ALICE-Experiment am LHC des CERN die Aufgabe einige dieser Signaturen zu detektieren und zu untersuchen. Der Übergangsstrahlungsdetektor TRD ist dabei ein Detektorsystem innerhalb des ALICE-Experimentes. Er leistet einen wichtigen Beitrag auf der Suche nach dem Quark- Gluon-Plasma. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Ausleseelektronik des ALICE TRD und mit welchen Tests gewährleistet wird, dass diese Elektronik so zuverlässig wie möglich eingesetzt werden kann. 8

19 3 Das ALICE-Experiment In diesem Kapitel sollen die experimentellen und technischen Grundlagen des ALICE Experimentes dargestellt werden. Dabei sollen sowohl der infrastrukturelle Rahmen des CERN und des LHC betrachtet werden, als auch der Aufbau des ALICE - Experimentes und im Speziellen der Aufbau und die Funktionsweise des TRD beschrieben werden. 3.1 Experimentelle Infrastruktur Im Grenzgebiet zwischen der Schweiz und Frankreich, in der Nähe der Stadt Genf befindet sich das Europäische Forschungszentrum für Teilchenphysik CERN. Die Abkürzung CERN stand ursprünglich für Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, sie wird heute aber als Eigenname verwendet. Mit zirka 2000 festangestellten Mitarbeitern und etwa 6500 Gastwissenschaftlern aus über 80 Staaten ist es weltweit das größte Forschungszentrum dieser Art. Zur Zeit wird am CERN der Large Hadron Collider (LHC) in Betrieb genommen, der Protonen bzw. Bleiatomkerne fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und mit einer Schwerpunktsenergie von 14 TeV bzw TeV zur Kollision bringt Der Large Hadron Collider Der Large Hadron Collider wurde im Tunnel seines Vorgängerbeschleunigers LEP (Large Electron-Positron Collider) installiert. Der Umfang des Beschleunigerrings beträgt 27 km, er verläuft unterirdisch in einer Tiefe von etwa 100 Metern. Die Teilchen werden in den Vorbeschleunigern PS und SPS auf die Eintrittsenergie gebracht, in den LHC-Ring injiziert und dort auf die Kollisionsgeschwindigkeit beschleunigt. Zwei gegenläufige Teilchenstrahlen werden in einem Abstand von knapp 20 cm innerhalb eines gemeinsamen Magnet- und Kryostatsystems geführt. Über jeweils 13 Meter lange, supraleitende Führungsmagnete halten die Teilchen auf der Ringbahn. Bei den höchsten Teilchenenergien werden Magnetfeldstärken über acht Tesla benötigt. Die Magnete und das gesamte Strahlsystem werden auf eine Temperatur von 1,8 K gekühlt. In den Tabellen 3.1 und 3.2 sind einige ausgewählte Kenngrößen des LHC aufgelistet. In vier Punkten werden die gegenläufigen Teilchenstrahlen zur Kollision gebracht (siehe Abbildung 3.1). Dort befinden sich die insgesamt fünf Experimente des LHC. Die Experimente A-Toroidal-LHC-AparatuS-Experiment (ATLAS), Compact Muon Solenoid (CMS) und LHCb-Experiment legen ihren Fokus auf den Proton-Proton-Betrieb des LHC. Speziell für den Schwerionenbetrieb entworfen ist das Experiment ALICE. Es wird in den nachfolgenden Abschnitten näher vorgestellt. 9

20 3 Das ALICE-Experiment Abbildung 3.1: Schematische Lageskizze des LHC und der Experimente. Kenngröße Proton-Impuls beim Eintritt Proton-Impuls bei der Kollision Umlauffrequenz Dipolfeld bei 450 GeV/c Dipolfeld bei 7 TeV Wert 450 GeV/c 7 TeV/c 11,245 khz 0,535 Tesla 8,33 Tesla Tabelle 3.1: Ausgewählte allgemeine Kenngrößen des LHC. Kenngröße Wert Kernladungszahl der Bleiionen 82 Massezahl der Bleiionen 208 Energie pro Nukleon bei Einleitung 0,18 TeV/u Energie pro Nukleon bei Kollision 2,76 TeV/u Schwerpunktsenergie bei der Kollision 1148 TeV Anzahl der Ionen pro Teilchenpaket 7, Anzahl der Teilchenpakete (pro Umlauf) 592 Breite des Strahles am Wechselwirkungspunkt 15,9 µ m Luminosität 0, cm 2 s 1 Totaler Wirkungsquerschnitt 437 barn Tabelle 3.2: Ausgewählte Kenngrößen des LHC für den Betrieb mit Bleikernen. 10

21 3.2 Aufbau das ALICE-Experiment 3.2 Aufbau das ALICE-Experiment Das A Large Ion Collision Experiment (ALICE) ist ein Experiment zur Untersuchung stark wechselwirkender Materie und der Eigenschaften des Quark - Gluon - Plasma in Schwerionen - Kollisionen. Gegenwärtig sind an dem Projekt über 1000 Wissenschaftler und Ingenieure von mehr als 90 Institutionen aus rund 30 Ländern beteiligt. Der schematische Aufbau des ALICE-Experimentes ist in Abbildung 3.2 gezeigt. Der Zentralbereich, in dessen Mitte sich der Kollisionspunkt befindet, in dem sich die beiden gegenläufigen Teilchenstrahlen kreuzen, ist von mehreren Detektoren für den Nachweis von Hadronen, Elektronen und Photonen umgeben. Die gesamte Anordnung ist im 25 m langen und 15 m hohen L3-Solenoidmagneten eingeschlossen, welcher ein homogenes Magnetfeld von bis zu 0,5 Tesla parallel zu den Strahlachsen erzeugt. Die in der Kollision entstehenden geladenen Teilchen werden durch dieses Magnetfeld auf Kreisbahnen gezwungen, deren Krümmung impulsabhängig ist. Außerhalb des L3-Magneten befindet sich zusätzlich ein Vorwärtsspektrometer für den Nachweis von Myonen. In Schwerionen - Kollisionen wird eine sehr große Anzahl an Reaktionsprodukten erwartet. Zum Nachweis und zur Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas müssen die Spuren eines großen Teils dieser Reaktionsprodukte erfasst und ausgewertet werden. Um einzelne Teilchenspuren unterscheiden zu können, müssen die Detektoren eine sehr hohe Granularität und eine gute raumliche Auflösungen aufweisen. 11

22 3 Das ALICE-Experiment Abbildung 3.2: Schematischer Aufbau des ALICE-Detektorsystems. 12

23 3.2 Aufbau das ALICE-Experiment Die ALICE-Detektoren im Einzelnen Im Folgenden sollen die wichtigsten Detektoren des ALICE-Experimentes kurz vorgestellt werden. Da die vorliegende Arbeit im Rahmen des ALICE-TRD erstellt wurde, wird dieser im Abschnitt 3.3 besonders vorgestellt [6]. ITS (Inner Tracking System): Das Inner Tracking System ist ein Detektorsystem, das aus drei verschiedenen Typen von Siliziumdetektoren besteht. Von der Strahlführung radial nach außen sind je zwei Lagen Silizium Pixel Detektoren, zwei Lagen Silizium Drift Detektoren und schließlich zwei Lagen Silizium Strip Detektoren angebracht. Das ITS ist optimiert für die Teilchenspuren-Suche, High Vertex und Track Impact Parameter Bestimmung. Das ITS stellt ebenfalls eine Teilchenidentidentifizierung für die Region im niederen p T -Bereich zur Verfügung. TPC (Time Projection Chamber): Die TPC ist der Detektor, der den Großteil der Teilchenspuren im ALICE-Experiment rekonstruiert. Mit einem Gasvolumen von 95 m 3 und insgesamt Auslesepads ist sie die größte TPC, die je gebaut wurde. Als Gas wird ein Gemisch aus Ne (85,7%), CO 2 (9,5%) und N 2 (4,8%) verwendet. Als einer der Hauptdetektoren im ALICE-Experiment ist es mit der TPC möglich, die einzelnen Spuren von Reaktionsteilchen zu unterscheiden, zu verfolgen und zu vermessen. Mit diesen Spuren kann dann der Impuls der Teilchen bestimmt werden. Mit Hilfe des gemessenen Energieverlustes können diese Teilchen auch identifiziert werden. Dabei stellt die TPC sowohl die benötigte sehr gute Impulsauflösung als auch eine sehr gute räumliche Auflösung bereit. Somit ist es mit dieser TPC möglich, bis hin zu sehr hohen Impulsen (p T =100 GeV/c) zum Beispiel Charmed und Beauty Partikel oder auch High-p T -Jets beobachten zu können. TOF (Time Of Flight): Der TOF ergänzt das ALICE - Experiment mit Teilchenidentifikation in einer Region, in der das ITS und die TPC nicht genau genug arbeiten können. Der TOF ist außerdem das letzte Segment in der Spurverfolgungskette. Er besteht wie der TRD aus 18 Supermodulen die in den TRD Spaceframe (siehe Abschnitt 3.3.2), die tragende Struktur für diese beiden Detektoren, eingebaut werden. Der TOF- Detektor besteht aus insgesamt so genannten Multigap Resistive Plate Chambers (MRPC) verteilt über eine Fläche von über 150 m 2, mit denen eine zeitliche Auflösung von 100 ps erreicht wird. HMPID (High Momentum Particle Identification Detector): Der HMPID ist ein Ring Imaging CHerenkov counter (RICH). Er wurde gebaut, um geladene Teilchen mit einem Impuls über 1 GeV/c zu bestimmen. Mit dem HMPID ist es bis zu einem Impuls von 3 GeV/c möglich, Pionen und Kaonen zu unterscheiden, bis zu 5 GeV/c ist eine Unterscheidung von Pionen und Protonen möglich. MUON Spectrometer: Die Aufgabe des MUON Spectrometer ist es, Myonen-Paare zu messen, die aus dem Zerfall von J/Ψ und Υ entstehen. Seine Detektorkammern bestehen aus einem speziellen Composite Material, das sehr dünn aber trotzdem sehr verwindungsfest ist. Mit dem MUON Spectrometer ist es möglich, Myonen zu detektieren und ihre 13

24 3 Das ALICE-Experiment Trajektorie zu errechnen. Als Trigger dient dabei ein Verbund aus so genannten Resistive Plate Chambers (RPC). PHOS (PHOton Spectrometer): Die Aufgabe des Photon Spectrometer ist es, die γ-photonen, die in der frühen Phase der Kollision entstehen, zu registrieren und so die Temperatur der Kollision zu bestimmen. Die Photonen dringen dabei in einen PbWO 4 -Kristall (auch Stolzite genannt) ein, in dem sie absorbiert werden. PbWO 4 ist ein extrem dichtes Material, so dass fast alle Photonen, die es durchfliegen, auch nachgewiesen werden. 3.3 Der ALICE Transition Radiation Detector Der ALICE Transition Radiation Detector (TRD, Übergangsstrahlungsdetektor) ist ein Detektorsystem mit vielseitigen Zielsetzungen. Mit ihm ist es möglich, zusammen im Verbund mit ITS, TPC und TOF die Spurverfolgung zu komplettieren und zu optimieren (wie in Abbildung 3.3 intuitiv zu erkennen ist). Seine Hauptaufgabe ist jedoch die Teilchenidentifikation, im Speziellen die Unterscheidung von Elektronen und Pionen [7]. Das Funktionsprinzip des TRD soll im folgenden Kapitel kurz erläutert werden. Im Kapitel soll kurz auf den allgemeinen Aufbau eingegangen werden, unter Kapitel 3.4 wird die Ausleseelektronik des TRD beschrieben, die für diese Arbeit von besonderer Wichtigkeit ist. Abbildung 3.3: Simuliertes Pb Pb - Event in ALICE. Die Detektoren ITS, TPC, TRD und TOF (radial von innen nach außen) ergeben die Spurverfolgung des ALI- CE Experimentes [8]. 14

25 3.3 Der ALICE Transition Radiation Detector Funktionsprinzip des TRD Dem Übergangsstrahlungsdetektor liegen zwei grundlegende Prinzipien zugrunde: Die Übergangsstrahlung selbst und die Ionisationsspur. Beide werden im Folgenden kurz erläutert. Die Übergangsstrahlung Das physikalische Grundprinzip, das dem TRD zu Grunde liegt, ist das Phänomen der Übergangsstrahlung. Es wurde 1946 von Ginzburg und Frank [9] für nicht-relativistische Teilchen vorhergesagt und 1957 von Garibian für Teilchen im ultrarelativistischen Bereich gezeigt. Übergangsstrahlung entsteht, wenn ein Teilchen mit konstanter Geschwindigkeit die Grenzfläche zweier Medien mit unterschiedlicher dielektrischen Konstanten durchquert. Für den Fall von ultrarelativistischen Teilchen an einer Grenzschicht ergibt sich für die emittierte Strahlung in Abhängigkeit von ihrer Frequenz und dem Abstrahlungswinkel des Übergangsstrahlungs-Photons (TR-Photon) folgender Ausdruck: d 2 ( W dωdϑ = 2α hϑ3 π 1 1/γ 2 + ϑ 2 + ω1 2 1 /ω2 1/γ 2 + ϑ 2 + ω2 2/ω2 ), (3.1) wobei ω die Frequenz und ϑ der Abstrahlungswinkel des TR-Photones darstellen. α ist die Feinstrukturkonstante, ω 1,2 sind die beiden Plasmafrequenzen der durchquerten Materialien und schließlich h = h/2π. Gleichung 3.1 hat ein Maximum bei einem Winkel von ϑ = 1/γ. Das TR-Photon wird also vorzugsweise in Bewegungsrichtung des erzeugenden Teilchens emittiert. Für ultrarelativistische Teilchen liegt das Frequenzmaximum im Röntgenbereich. Integriert man nun Gleichung 3.1 erhält man die gesamte abgegebene Energie W: W = α h π (ω 1 ω 2 ) 2 ω 1 + ω 2 γ. (3.2) Die Intensität der Übergangsstrahlung ist also für eine bestimmte betrachtete Grenzschicht nur noch abhängig vom Lorentz-Faktor γ. Die Übergangsstrahlung ist somit ein geeignetes Mittel, um Teilchen mit unterschiedlichem Lorentz-Faktor (z.b. Pionen und Elektronen) zu unterscheiden. Ein Nachteil ist allerdings die geringe Anzahl der TR-Photonen. Sie liegt im Mittel bei α = 1/137 pro Grenzschicht. Deshalb benutzt man bei Übergangsstrahlungsdetektoren Designs, die mehrere Grenzflächen zulassen, z.b. durch Schichten mehrer Lagen Folien, durch Mikrofasern oder andere Materialien. Die beim ALICE TRD verwendeten Mikrofasern sind in Abbildung 3.4 dargestellt. Sie befinden sich im Inneren des so genanten Radiators (vlg. Abbildung 3.5). Das Äußere des Radiators wird mit Rohcell-Schaum begrenzt, um die nötige Stabilität zu gewährleisten. Der Radiator ist sandwichartig aufgebaut. 15

26 3 Das ALICE-Experiment Abbildung 3.4: Radiatorfasern unter dem Elektronenmikroskop, beim Durchgang eines relativistischen Elektrons entsteht hier Übergangsstrahlung. Die Ionisationsspur Ein geladenes Teilchen, das den TRD passiert, durchfliegt ebenfalls das Gasgemisch. Als Gasgemisch wird Xe/CO 2 (85%/15%) verwendet. Xe wird dabei wegen des hohen Z verwendet (der Photoeffekt ist proportional zu Z 5 ), CO 2 wird als Quenching-Gas benutzt. Dabei ionisiert das geladenes Teilchen die Gasteilchen. Die so entstehenden Ionen wandern von elektrischen Feld in der Kammer angezogen in Richtung des Radiators, die Elektronen in Richtung der Auslesepads. Der Prinzipielle Aufbau einer Auslesekammer ist in Abbildung 3.5 gezeigt. Entstehung des Auslesesignals Durchfliegt ein geladenes Teilchen den Radiator emittiert es, wie in Abbildung 3.5 angedeutet, Übergangsstrahlung in Form von Elektronen. Beim durchfliegen des Gases innerhalb der Auslesekammer werden die Gasatome ionisiert. Die dabei entstehenden Elektronen wandern mit den Elektronen der Übergangsstrahlung zu den Kathodendrähten, die entstehenden Ionen wandern zum Radiator. Von den Kathodendrähten aus lösen diese Elektronen in der Verstärkungszone eine Elektronen-Lawine aus, die zu den Anodendrähten wandern. Die so in diesen Drähten geänderte Ladungsträgerdichte induziert ein elektrisches Signal in den Auslesepads. Dieses Siganl wird von der Ausleseelektronik aufgenommen und verarbeitet Der strukturelle Aufbau des TRD Der Spaceframe des ALICE TRD ist die tragende Struktur innerhalb des L3-Magneten. In ihm sind die TPC, der TRD und der TOF untergebracht. Der ALICE TRD besteht aus 18 Supermodulen, ein Supermodul besteht aus fünf Stapeln, so genannten Stacks, jeder Stack besteht aus sechs übereinader liegenden Schichten ( Layer ). Mit der Angabe von Supermodul (SM), Stack (S) und Layer (L) eine Auslesekammer eindeutig innerhalb 16

27 3.3 Der ALICE Transition Radiation Detector Abbildung 3.5: Illustration des Funktionsprinzipes des ALICE TRD. Links: Schematische Darstellung der Signalerzeugung. Rechts: Beispiel eines Elektrons mit angedeuteter räumlicher Orientierung und zeitlich aufgelöstem Signal. des TRD zu identifizieren. Die Nomenklatur lautet dabei: TRD-FEE_<SM>_<S>_<L>, z.b. TRD-FEE_17_1_2. Der Spaceframe ist in Abbildung 3.6 gezeigt. Die Unterteilung des TRD vom Gesamt-Detektor bis hin zum einzelnen Auslese-Chip, den sogenannten MCMs (vgl. 3.4), ist in Abbildung 3.7 gezeigt. Weitere ausgewählte Kenndaten sind in Tabelle 3.3 zusammengestellt. Der gesamte TRD besteht somit aus 540 Einzelmodulen, so genannten Auslesekammern (Read Out Chambers, ROC). In Abbildung 3.8 wird eine Skizze des Querschnitts einer ALICE TRD Auslesekammer gezeigt. Die Hauptsegmente sind der Radiator, die Driftkammer und die Kathodenplatte, die mit entsprechender Elektronik ausgestattet ist. Die Driftkammer besteht schichtweise gesehen aus der Driftelektrode, einer Kathodendrahtebene, einer Anodendrahtebene und der Kathodenplatte (Abbildung 3.8). An die Driftelektrode und Anodendrähte wird Hochspannung angelegt. Kathodendrahtebene und Kathodenplatte liegen auf Erdpotenzial. Der Feldlinienverlauf kann der linken Abbildung in Abbildung 3.5 entnommen werden. Die Drift- und Verstärkungsregion ist mit Xe/CO 2 gefüllt. Die Kathodenplatte in kleine Segmente unterteilt, deren Fläche maßgeblich für die Ortsauflösung ist. Die Flächen variieren zwischen 4,9 cm 2 und 8,13 cm 2 (von Layer 0 Kammern, den Kleinsten, bis zu Layer 5 Kammern, den Größten). Diese Segmente bzw. Pads sind die Schnittstelle zur Ausleseelektronik der Auslesekammern. 17

28 3 Das ALICE-Experiment Abbildung 3.6: Schematischer Aufbau des Spaceframes. In Grün, Rot und Gelb sind die einzelnen Stacks des TRD angedeutet. 18

29 3.3 Der ALICE Transition Radiation Detector Abdeckung Pseudo-Rapidität 0, 9 < η < 0, 9 Abdeckung des azimutalen Winkels 2π Radiale Position 2,9 m < r < 3,7 m Länge bis zu 7 m Azimuthale Aufteilung 18 Supermodule Radiale Auftelung 6 Layers je Supermodul Longitutinale Aufteilung 5 Stacks je Supermodul Anzahl der Auslesekammern 540 Größtes Einzelmodul 117 m 147m (L5C1) Aktive Detektorfläche 736 m 2 Radiator Faser/Rohacell-Schaum- Sandwich, 4,8 cm je Layer Radiale Dichte des Detektors X/X 0 = 0, 15 Pads in φ-richtung (je Kammer) 144 Pads in z-richtung 12 bzw. 16 Charakteristische Pad-Größe 0,7 cm 8,8 cm = 6,2cm 2 Gesamtanzahl der Pads 1, Detektorgas Xe/CO 2 (85%/15%) Gas Volumen 27,2 m 3 Länge der Driftregion 3 cm Länge der Verstärkungsregion 0,7 cm Magnetisches Feld bis 0,5 Tesla Driftfeld 0,7 kv/cm Driftgeschwindigkeit 1,5cm /µs Anzahl der Auslesekanäle Anzahl der Zeitbins in Drift-Richtung 30 Anzahl der Auslese-Pixel (verwendete ADC-Kanäle) ADC 10bit, 10MHz Anzahl der MCM Anzahl der ROBs 4104 Raumauflösung bei 1 GeV/c in rφ 600 µm bei dn ch /dη = 8000 Raumauflösung bei 1 GeV/c in z 2mm (offline) δp Impulsauflösung p = 0, 025 ± 0, 008 bei dn ch /dη = 8000 Pion Unterdrückung bei 90% Elektronen- Effizienz und p 3GeV/c besser als 100 Eventgröße for dn ch /dν = MB Eventgröße eines pp-events 6kB Maximale Triggerrate für Minimum-Bias-Events 100kHz Maximale Triggerrate für pp-kollisionen 100kHz Tabelle 3.3: Zusammenstellung einiger ausgewählter Parameter des ALICE-TRD. 19

30 3 Das ALICE-Experiment Abbildung 3.7: Schematische Darstellung der Segmentierung des ALICE TRD. Abbildung 3.8: Aufbau einer Auslesekammer. 20

31 3.4 Die TRD-Ausleseelektronik 3.4 Die TRD-Ausleseelektronik Das Multiple Chip Modul Das ALICE Multiple Chip Modul (MCM) ist die erste Datenverarbeitungseinheit im ALI- CE TRD. Die gesamte Ausleseelektronik basiert auf diesen Elementen. Der MCM ist direkt über ein Flachbandkabel an die Pads der Auslesekammern angeschlossen, ein einzelnes MCM ist in Abbildung 3.9 dargestellt, das Blockschaltbild ist in Abbildung 3.10 zu sehen. Jedes MCM besteht aus einem Vorverstärker (preamplifier/shaper, PASA) und einem Prozessor zur Teilchenspursuche (TRAcklet Processor, TRAP). Diese beiden grundlegenden Bausteine werden im Folgenden kurz vorgestellt. Abbildung 3.9: Foto eines einzelnen MCM [10]. Der PASA Die Hauptaufgabe des PASA (preamplifier/shaper) ist die ladungssensitive Verstärkung (Charge Sensitive Amplifier, CSA) und die Integration der induzierten kurzen Pulse, die von einem Teilchen auf das Auslesepad deponiert wurde. Um diese Signale zu erhalten und gleichzeitig sehr hohe Anforderungen an die Qualität dieser Signale (z.b. ein sehr geringes elektronisches Rauschen mit einem Wert kleiner als 1000 Elektronen) zu erfüllen, wurde eine spezielle Vorverstärker- und Shaper-Schaltung entwickelt. 21

32 3 Das ALICE-Experiment Abbildung 3.10: Blockschaltdiagramm eines MCM (in hellgrünem Rahmen hervorgehoben) [11]. Der TRAP Der TRAP-Chip (TRAcklet Processor) ist der digitale Teil des MCM. Seine Struktur ist in Abbildung 3.11 dargestellt. Vom PASA werden die verstärkten und geformten Signale an den TRAP übergeben. Über 21 ADC 1 -Kanäle werden diese Signale digitalisiert und weiterverarbeitet. Die Hauptaufage des TRAP ist jedoch die Verarbeitung der digitalisierten Daten zu tracklets, also kleine lokale Segmente von Teilchenspuren. Jeder TRAP-Chip besteht aus vier einzelnen Prozessoreinheiten, die jeweils drei separate Speichereinheiten besitzen [12]: IMEM (Instruction Memory, IMM) ist der Anweisungsspeicher (4K 24-Bit + Fehlerkorrekturblock). Er wird verwendet, um die Anweisungen, die durch die Slow Serial Control Network (SCSN) an den TRAP-Chip gesendet werden, zwischenzuspeichern. DMEM (Data Memory, DMM) ist der gemeinsame Datenspeicher (1k 32 Bit + Fehlerkorrekturblock). Hier können Informationen für Korrekturen, Lookup-Tabellen oder Ähnliches abgelegt werden. DBANK (Database Memory, DDD), dies ist der gemeinsame Datenbank-Speicher ( Bit). Er wird als Puffer für eingehende und ausgehende Nachrichten aus dem SCSN genutzt. Der TRAP-Chip ist direkt über die SCSN-Schnittstelle ansteuerbar. Die verwendeten ADCs sind speziell angepasste 0,18 µm Design eines 10 Bit 10 MHz Differential-ADC mit einem Stromverbrauch von etwa 5 mw pro Kanal. Daran direkt angeschlossen sind die 1 Analog-to-Digital-Converter 22

33 3.4 Die TRD-Ausleseelektronik Abbildung 3.11: Blockschaltbild des TRAP. 23

34 3 Das ALICE-Experiment Staus Keine (ausreichende) Spannungsversorung Low Power Test Modus Test mode Warte auf Pretrigger Wait for pretrigger Preprozessor verarbeitet Daten Preporcessing CPUs verarbeiten Tracklets Tracklet processing Trackletinformationen werden gesendet tracklet transmission Warte auf L1-Trigger Wait for L1 accept CPUs verabeiten Null-Signal-Unterdrückung zero suppression Auslese der Daten Full readout (Prepare Raw Data, Raw Data Readout Vorbereitung für das nächste Event Clear Status Name Code Binär Hex low_power test_chk wait_pre preproc tr_proc 1111 F tr_send 1110 E wait_l C zero_sp full_rd clear_st 1011 B Tabelle 3.4: Zustände der GSM des TRAP. digitalen Filter, um zum Beispiel einen konstanten Versatz (Offset) zu subtrahieren oder um uninteressante und irreführende Signale z.b. durch die sehr langsam gewanderten Ionen zu unterdrücken (Tail Cancelation) oder der vorgeschalteten elektrischen Bauelemente (Time Response Function) aus zu filtern. Ohne diese Filter wäre es nicht möglich, zeitlich isolierte Signale zu messen, da sich sonst die langsameren Effekte damit überlagern würden. Der TRAP-Chip definiert eine Global State Machine (GSM), die den tatsächlichen Zustand des TRAP wiederspiegelt, siehe Tabelle 3.4 und Abbildung Diese Zustände entsprechen den verschiedenen Stadien in der Trigger-Kette Das Read Out Board Die tragende und versorgende Struktur für MCMs sind die Read Out Boards (ROB, Abbildung 3.13). Die Read Out Boards selbst sind sechs lagige PCB 2 -Leiterplatten auf denen alle notwendigen Verbindungen aufgebracht sind. So werden die MCMs untereinander mit Datenleitungen verbunden und mit Spannung versorgt. Auf einem Read Out Board befinden sich 16 MCMs, die zur Auslese der Daten verwendet werden, hinzu kommen je nach Typ des ROB ein bzw. zwei MCMs die für das Zusammenfassen und die Versendung 2 PCB ( printed circuit board ) bezeichnet ein Herstellungsverfahren bei denen elektrische Schaltkreise auf isolierende Trägerplatten gedruckt werden. 24

35 3.4 Die TRD-Ausleseelektronik Abbildung 3.12: GSM des TRAP-Chips [12]. der Daten verantwortlich sich (vgl 3.4.6). Insgesamt unterscheiden sich sieben verschiedene Typen von ROBs für die acht unterschiedlichen Positionen auf den TRD Auslesekammern (vgl. Abschnitt 3.4.5), die einen modularen Aufbau der Front End Elektronik erlauben. Die Read Out Boards untereinander sind über Kabelbrücken verbunden. Die Kommunikation zwischen den ROBs ist in so genannte Link Pairs unterteilt Das Detector-Contol-System Board Die gesamte Elektronik auf jeder TRD Auslesekammer wird von einem Detector Control System (DCS) Board gesteuert. Ein Foto des DCS-Boards ist in Abbildung 3.14 gezeigt. Es befindet sich bei jeder Kammer auf dem Read Out Board an Position 3 (vgl. Abbildung 3.16). Beim DCS-Board handelt es sich um einen höchstspezialisiertes Computersystem, das auf der ARM - Architektur, einer speziellen Prozessor-Architektur, basiert. Das Herzstück des DCS-Boards ist ein Altera FPGA, es ist mit einem 64 MB Flash EPROM als dauerhaften Speicher und 256 MB SDRAM als Arbeitsspeicher ausgerüstet. Zur Kommunikation mit dem DCS-Board ist es mit einem CAT5e - Ethernet-Anschluss ausgestattet. Mit dieser Hardwaregrundlage wird auf dem DCS-Board ein Linux Betriebssystem betrieben, womit es möglich ist, via Secure Shell auf das DCS-Board zuzugreifen und alle Funktionen zu nutzen. Des Weiteren befindet sich auf dem DCS-Board ein TTCvi - Empfängerchip, um externe Auslesetrigger zu empfangen und weiter zu verarbeiten sowie mehrere 12 Bit ADCs, um unter anderem die Umgebungstemperatur und die Niederspannungsversorgung kontrollieren zu können. 25

36 3 Das ALICE-Experiment Abbildung 3.13: Ein Read Out Board vom Typ T4B [10]. Abbildung 3.14: DCS-Board auf einem T2B-Board. Das DCS-Board ist die Kommunikationsschnittstelle zu den einzelnen Auslesekammern. 26

37 3.4 Die TRD-Ausleseelektronik Das Optical Read Out Interface Zum Senden der Daten, die während der Auslese des ALICE TRD Detektors gesammelt werden, werden optische Signale verwendet. Die Aufgabe des Optical Read Out Interface (ORI, in Abbidung 3.15 zu sehen) ist es, die elektrischen Signale die von Half Chamber Merger Chips (siehe dazu Abschnitt 3.4.6) an sie gesendet werden, in eben diese optischen Signale umzuwandeln und über eine Laserdiode zu senden. Als optischer Sender dient eine VCSEL - Diode (Vertical Cavity Surface Emitting Laser-Diode), die eine Wellenlänge von 850 nm ausgibt. Die typische Ausgangsleistung liegt bei 300 µw bis 600 µw. Das ORI erlaubt einen maximalen Datendurchsatz von 2,5 GBd 3, ein typischer Auslesezyklus des ALICE TRD liegt bei ca. 250 MB je Sekunde, die durch jedes ORI umgewandelt und gesendet werden. Das ORI selbst kann via SCSN angesprochen und programmiert werden. Abbildung 3.15: Das ORI-Board: hiermit werden die auf der Auslesekammer gesammelten Daten in optische Signale umgewandelt und gesendet Zusammensetzung der Front End Elektronik einer Auslesekammer Die Front End Elektronik des ALICE TRD ist modular aufgebaut. Entsprechend des Aufbaus des TRD aus Auslesekammern, bilden diese Auslesekammern auf der Ebene der Ausleseelektronik eine in sich abgeschlossene Einheit. Jede Auslesekammer besteht aus einem DCS-Board, zwei optischen Auslesekarten (für jede Kammerseite ein ORIs, vgl ) und, je nach Kammertyp, acht Read Out Boards für C1-Kammern und sechs ROBs für C0-Kammern. Der schematische Aufbau ist in Abbildung 3.16 gezeigt. Die einzelnen Positionen und die entsprechenden Typen der verwendeten ROBs ist dargestellt, die Orientierung der Kammer innerhalb des TRD ist angedeutet. Die Unterteilung der Kammer in eine A- und eine B-Seite lässt sich anhand der ROB-Typen erkennen. 3 Ein Baud [Bd] ist die Einheit für die Symbolübertragungsrate. 27

38 3 Das ALICE-Experiment Die Abbildungen 3.17 und 3.18 zeigen das Aufbringen der einzelnen Read Out Boards auf die Kammer bzw. eine vollständig integrierte Kammer. Nach dem die Front End Elektronik ein erstes Mal erfolgreich getestet wurde, werden auf die FEE die Kühlkörper aufgebracht. Nach diesem Arbeitsschritt wird die FEE ein weiteres Mal getestet (vgl. Kapitel 5). Abbildung 3.16: Modularer Aufbau einer TRD Auslesekammer: Acht ROBs bilden eine C1-Kammer, sechs ROBs eine C0-Kammer. Das DCS-Board befindet sich auf ROB Pos. 3, die ORIs auf Pos. 4 und 5. Farblich angedeutet: Blau, Hellgrün und Rot sind Kabelbrücken, Kupferfarben sind Erdungsverbindungen Die Datenauslese Die Auslese der aufgenommen Daten folgt einer strikten Reihenfolge. Sie ist schematisch in Abbildung 3.19 gezeigt. Die Auslese wird durch einen Trigger initialisiert, der vom DCS-Board an alle MCMs gesendet wird, die MCMs durchlaufen dabei die komplette Trigger- und Auslese-Kette (vgl. Abbildung 3.12). Die Datenauslese selbst ergibt sich wie folgt: 1. Je drei MCMs in einer Reihe auf einem ROB senden ihre Daten an den column merger (CM), einem MCM, der zusätzlich zu seiner Aufgabe Daten auszulesen, die Daten einer MCM-Reihe sammelt. Diese Aktion geschieht für alle MCMs auf der Auslesekammer gleichzeitig. 28

39 3.4 Die TRD-Ausleseelektronik Abbildung 3.17: Foto der Elektronikintegration am Institut für Kernphysik Frankfurt. Abbildung 3.18: Komplette, mit ROBs bestückte Auslesekammer vom Typ L0C1. 29

40 3 Das ALICE-Experiment 2. Alle vier CMs eines ROBs senden die gesammelten Daten nacheinander zum board merger (BM). Anders als der CM hat dieser BM ausschließlich die Aufgabe, die Daten eines ROBs zusammen zu fassen und weiter zu senden. Diese Aktion geschieht wiederum auf allen ROBs gleichzeitig. 3. Alle BMs (acht BMs bei C1-Kammern, sechs bei C0-Kammern) senden ihre gesammelten Daten nacheinander an den half chamber merger (HCM). Analog zum BM wird dieser MCM wiederum ausschließlich für das Zusammenfassen und Weiterleiten der Daten verwendet. Diese Aktion wird für beide Kammerhälften gleichzeitig ausgeführt. 4. Die beiden HCMs leiten ihrerseits die gesammelten Daten zu den ORIs weiter, die diese Daten dann über optische Fasern zu einem entsprechenden Empfänger senden. Abbildung 3.19: Schematische Darstellung der Auslesereihenfolge, hier bei einer C1- Kammer [13]. Es besteht auch die Möglichkeit die Daten der MCMs über das DCS-Board auszulesen. Diese Auslesevariante weist aber einen deutlich zu geringen Datendurchsatz auf, was sie für den Normalbetrieb des TRD disqualifiziert, sie wird nur zur Fehlersuche verwendet Das Supermodul Die nächste strukturelle Einheit des TRD und somit auch der FEE ist das Supermodul (Abbildung 3.20). Ein Supermodul besteht, wie bereits in Abschnitt gezeigt, aus 30 einzelnen Auslesekammern die sich in sechs Layern bzw. fünf Stacks gruppieren lassen. 30

41 3.5 Das Experiment Control System Für eine detaillierte Beschreibung sei hierbei explizit auf [13] und [14] hingewiesen. Abbildung 3.20: Foto des ersten Supermoduls bei seiner Fertigstellung am Kirchhoff- Institut für Physik in Heidelberg [10]. 3.5 Das Experiment Control System Das Experiment Control System (ECS) ist die zentrale Ebene, in der die Steuerung und Kontrolle des gesamten Experiments stattfindet, also für alle Detektoren. Durch diese Schicht sind das Detector Control System (DCS), das Data-Aquisition-System (DAQ), das Trigger- System (TRG), das Offline-System, der High-Level-Trigger (HLT) und der LHC miteinander verbunden. Im ECS findet die zentrale Administration und Kontrolle statt. Während das ECS für die Steuerung des gesamten Experimentes zuständig ist, übernimmt das DCS die Steuerung der einzelnen Subdetektoren und ihrer Infrastruktur. Jeder Subdetektor besitzt eine eigene Steuerung für Niederspannungsversorgung (low voltage, LV), Hochspannungsversorgung (high voltage, HV), die Kühlsysteme, die Datenauslese (Front End Read Out, FERO), Gasmonitoring und viele andere für den reibungslosen Betrieb notwendige Systeme. Der Datenfluss innerhalb des DCS lässt sich wiederum in drei hierarchisch aufgebaute Schichten unterteilen, die in Abbildung 3.21 dargestellt sind. Der Supervisory Layer stellt ein (graphisches) Benutzerinterface für die Detektorsteuerung bereit. Im Control Layer werden Daten gesammelt und ausgewertet und Kommandos aus dem Supervisory Layer bearbeitet. Der Field Layer stellt die Schnittstelle des DCS mit der Hardware dar. Die logische Struktur des DCS wird auf die höchste Ebene abgebildet und bildet eine Finite State Machine (FSM) [15]. Jeder Detektor stellt also eine Maschine mit definierten Zuständen dar, die Übergänge zwischen den einzelnen Zuständen sind vordefinierte 31

42 3 Das ALICE-Experiment Abbildung 3.21: Übersicht über die Layerstruktur des DCS. Abläufe, so genannte tags. Ein einzelner Zustand basiert entweder auf einem direkten Messpunkt oder auf den Zustand eines untergeordneten Systems. Das FSM-Diagramm einer einzelnen TRD-Auslesekammer ist in Abbildung 3.22 dargestellt, es stellt die kleinste FSM innerhalb des TRD dar. Die FSM ist in das JCOP-Framework (Joint Controls Project) des CERN [16] integriert. Es baut auf dem Supervisory Control And Data Acquisition (SCADA) Produkt PVSS II auf (mehr zu PVSS II im Kapitel 6.1). PVSS II ist dabei zentraler Knotenpunkt für verschiedene Systeme und Kommunikationsprotokolle. Innerhalb das TRD wird das Distributed Information Management-Protokoll (DIM-Protokoll) eingesetzt. 32

43 3.5 Das Experiment Control System Abbildung 3.22: State - Diagramm einer TRD Auslesekammer. 33

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45 4 Aufbau des Teststandes Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Aufbau zum Testen der Front End Elektronik des ALICE TRD Detektors am Institut für Kernphysik Frankfurt aufgebaut. Die dafür notwendige Software wurde auf entsprechenden Computersystemen aufgesetzt, weiterentwickelt und für den Testbetrieb optimiert. 4.1 Aufbau der Testhardware Der Aufbau der für die ROC-Tests benötigten Hardware ist in Abbildung 4.1 schematisch dargestellt. Das Testsystem ist für den Betrieb mit zwei sogenannten Testständen, Stand 1 und Stand 2, ausgelegt (die Anzahl ist durch die Anzahl der optischen Empfängerkarten limitiert). Bei einem Teststand handelt es sich um einen Tisch, auf dem die zu testende TRD-Auslesekammer in Arbeitshöhe gelegt wird und an jegliche für die Tests benötigte Elektronik angeschlossen werden kann. Ein dritter Teststand wird nur mit Spannungsversorgung und Ethernet betrieben, mit ihm ist es möglich, neue Software zu testen ohne den laufenden Testbetrieb zu unterbrechen. Eine optische Auslese ist dementsprechend auf Stand 3 nicht möglich. Abbildung 4.1: Schematischer Aufbau der Teststände. 35

46 4 Aufbau des Teststandes Der Laborraum, in dem die Tests durchgeführt werden und in dem sich die gesamte Test-Hardware befindet, ist in Abbildung 4.2 dargestellt. Abbildung 4.2: Foto des ROC-Test-Labores. Für den Ablauf der Tests werden vier Computersysteme verwendet, die unterschiedliche Aufgaben übernehmen: Main Test PC (pcikf22, Scientific Linux): Auf dem Haupt-Test-Rechner läuft die gesamte für die Tests notwendige Software (vlg. Abschnitt 4.2, besonders Abbildung 4.5). Er stellt außerdem die Kommunikationsverbindung zu den DCS-Boards auf den Kammern her. Alle Testergebnisse werden hier gespeichert. PVSS PC (pcikf174, Windows XP SP2): Dieser PC stellt das graphische Benutzerinterface (vgl. Kapitel 6) dar. Das dafür benötigte PVSS-System läuft entsprechend auf diesem PC. DAQ PC (pcikf33, Fedora Linux): In diesem PC befinden sich die vier optischen Empfängerkarten (ACAX-Karten). Daten, die wärend der optischen Auslese von den ORIs gesendet werden, werden hier entgegengenommen und temporär zwischengespeichert. TRIGGER PC (pcikf25, Scientific Linux): Mit diesem PC werden das VME-Crate angesteuert und die externen Trigger ausgelöst. Die Niederspannungsversorgung der Auslesekammer befindet sich in einem Regal zwischen den beiden Haupttestständen Stand 1 und Stand 2. Die Stromversorgungsge- 36

47 4.1 Aufbau der Testhardware Soll -Spannung Ist -Spannug Begrenzung TRAP - Digital 3,3 V 4,1 V 7,0 V TRAP - Digital 1,8 V 3,3 V 7,0 V PASA - Analog 3,3 V 4,6 V 7,0 V ADC - Analog 1,8 V 3,0 V 7,0 V DCS - Power 4,0 V 4,1 V 7,0 V Tabelle 4.1: Liste der Spannungen der verwendeten Stromversorgungsgeräte. räte sind entsprechend der Spezifikationen [11] für die Ausleseelektronik nach Tabelle 4.1 eingestellt. Die nach oben hin abweichenden Ist -Spannungen sind in Verlusten innerhalb der Leitungen zur Auslesekammer und in Verbrauchsspitzen während der optischen Auslese begründet, die die Stromversorgungsgeräte aufgrund ihrer Reaktionsträge nur so kompensieren können. Um diese Verluste ausgleichen zu können sind die Versorgunsspannungen wie angegeben höher eingestellt als die eigentlich notwendige Spannung. Für jeden Teststand sind separate Stromversorgungsgeräte im Rack vorhanden. Ebenfalls im Rack befinden sich zwei VME-Crates, sie sind in den Abbildungen 4.3 und 4.4 schematisch dargestellt. Mit diesen Schaltungen ist es möglich, Triggersignale auf zwei verschiedene Arten zu generieren: den direkten Trigger und den Pulser-Trigger. Das untere VME-Crate wird direkt über den Trigger-PC angesteuert. Somit ist es möglich, über ein einfaches Komando ein Triggersignal im TTCvi zu erzeugen und ihn an das TTCvx zu senden. Dieser Trigger wird dort in ein optisches Signal umgewandelt das über Lichtleiterkabel an die DCS-Boards auf den beiden Testständen geschickt wird und stellt den direkten Trigger dar. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das TTCvi über ein Kommando so zu konfigurieren, dass es ein Triggersignal erst auf ein weiteres externes Signal hin generiert. In diesem Fall ist dieses externe Signal ein Puls, der im oberen Rack erzeugt wird. Dieser Puls wird über die beiden Ausgänge am Pulse Generator (Pulser) zum einen direkt zur Auslesekammer, in die er in die Kathoden-Ebene injiziert wird, und zum anderen über einen Verzögerungsgenerator (Delay Gate Generator), einen NIM/TTL-Wandler 1 (NIM / TTL Converter) und einen Level Adapter zum TTCvi geleitet. Der nun so ausgelöste Pulser- Trigger ist zeitlich mit dem in die Kammer injezierten Puls abgestimmt, so dass bei der mit diesem Trigger ausgelösten Auslese die Antwort der Kammer auf den Puls gemessen werden kann (mehr dazu in Kapitel 8). 1 Die Transistor-Transistor-Logik (TTL) ist eine Schaltungstechnik, bei der positive Spannungen als logische Signale verwendet werden, der Nuclear Instrumentation Standard (NIM) ist ein Standard für negative Logikpegel. 37

48 4 Aufbau des Teststandes Abbildung 4.3: Schematischer Aufbau des oberen VME-Crates. Abbildung 4.4: Schematischer Aufbau des unteren VME-Crates. 38

49 4.2 Aufbau der Testsoftware 4.2 Aufbau der Testsoftware Um einzelne Teile des ALICE-TRD qualitätsprüfenden Tests zu unterziehen, ist prinzipiell dasselbe Softwaresetup notwendig wie um einen ganzen Detektor zu steuern oder zu testen. Aus diesem Grund ist das Softwaresetup, das am IKF zum Front-End-Elektronik- Test verwendet wird, ähnlich aufgebaut wie das am CERN verwendete Detector Control System (DCS). Großteile der Softwarekomponenten und dementsprechend die gesamte Kommunikationskette zwischen Front-End-Elektronik (FEE) und der steuernden Software sind identisch, ein DCS en miniature sozusagen. Um nun das DCS als Testsystem für einzelne TRD-Kammern zu realisieren, sind folgende Softwarekomponenten erforderlich: FEE-Server und Control Engine (auf dem DCS-Board) Intercomlayer inklusive Command Coder DIM-Server (inklusive dem Visualisierungstool dim_did) als Kommunikationsprotokoll wingdb als Configuration Database zusätzlich dazu die FedMSG-Datenbank und dem dazugehörigem fedmsg-daemon für die Archivierung PVSS-Oberfläche als graphisches Benutzerinterface (oder PVSS-MOCKUP mit pvss_inject - Kommando als kommandozeilenbasierter Ersatz) Der schematische Zusammenhang dieser Software ist in Abbildung 4.5 beschrieben Der FEE-Server und die Control Engine Der Front End Electronics Server (FeeServer) ist die Kommunikationsschnittstelle zwischen der Front End Elektronik und dem Intercom Layer. Die Hauptaufgabe des FeeServers ist das Publizieren von Daten aus der zu grunde liegenden Hardware via DIM. Des Weiteren kann der FeeServer Kommandos und Konfigurationen empfangen und ausführen um die FEE zu steuern und zu kontrollieren. Ein weiteres Feature des FeeServers ist, dass er Selbsttests und Watchdogs, Prozeduren, die den Programmablauf überprüfen, bereitstellt. Der FeeServer selbst ist für alle ALICE-Experimente gleich. In den FeeServer ist die Control Engine integriert. Sie ist hardwarespezifisch zusammengestellt und erlaubt dem FeeServer den direkten Zugriff auf die Hardware über Device Drivers Der Intercom Layer und der Command Coder Der Intercom Layer arbeitet im Control Layer (vergl. Abbildung 4.5). Er stellt drei verschiedene Interfaces bereit: den Front End Electronics Client (FED / DIM - Client) den Front End Device Server (FED / DIM - Server) Command Coder als Schnittstelle zur Konfigurationsdatenbank 39

50 4 Aufbau des Teststandes Abbildung 4.5: TRD - Front - End - Kommunikationskette [17]. Der Intercom Layer verbindet sich mit den einzelnen FeeServern und erlaubt es, Kommandos zu schicken und Daten vom FeeServer zu lesen. Des Weiteren sammelt der Intercom Layer alle Nachrichten von den FeeServern und bündelt sie im Message Channel. Service Channels (Kanäle, in denen Kommandos geschickt werden können) werden den übergeordneten Layern zur Verfügung gestellt. Der Intercom Layer hat auch die Aufgabe die FeeServer zu warten, über ihn ist es möglich die Software des FeeServer zu aktualisieren, neu zu starten usw. [18]. Der Command Coder (CoCo) ist eine in den Intercom Layer integrierte Subprozedur, die entsprechend der vom Intercom Layer empfangenen tags die korrespondierenden Konfigurationsdateien zusammenstellt. Der CoCo wird vom Intercom Layer für jede Auslesekammer separat aufgerufen. Die entsprechenden Kommandos werden dann als Block zurück an den Intercom Layer gegeben, an den Feeserver übergeben und ausgeführt Die Datenbanken Beim Bau und während des Betriebes des ALICE TRD werden zwei große Datenbanken verwendet, zum einen die gatedb und zum anderen die wingdb. Zusätzlich wird noch eine weitere Datenbank verwendet, die FedMSG-Datenbank, die ausschließlich zur Archivierung dient. Aufgabe, Aufbau und Inhalt dieser Datenbanken soll im Folgend beschrieben werden. 40