Entwicklung und Aufbau der neuen TAPS-Elektronik

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1 Entwicklung und Aufbau der neuen TAPS-Elektronik Inaugural-Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Naturwissenschaften der Justus-Liebig-Universität Gießen Fachbereich 07 (Mathematik und Informatik, Physik, Geographie) vorgelegt von Peter Drexler aus Gießen II.Physikalisches Institut der Justus-Liebig-Universität Gießen 26. Januar 2004

2 Diese Arbeit wurde nach den Regeln der alten Rechtschreibung erstellt. Dekan: Prof. Dr. V. Metag 1. Berichterstatter: Prof. Dr. V. Metag 2. Berichterstatter: Prof. Dr. C.-D. Kohl

3 INHALTSVERZEICHNIS A Inhaltsverzeichnis 1 Zusammenfassung C 2 Einleitung E 3 TAPS und die derzeitige Elektronik BaF 2 -Kristalle BaF 2 -Modul Die Detektor-Elektronik Auslese-Elektronik Trigger-Elektronik Datenaufnahme Performance Nachteile der derzeitigen Elektronik Beschreibung der neuen TAPS-Elektronik Übersicht Konzept CAEN Hauptplatine TAPS Piggyback TAPS First-Level-Trigger (MCU) Spezifikationen Allgemeine Spezifikationen Trigger-Spezifikationen Digitalisierungs-Spezifikation Strombedarf Die neue Datenaquisition Einführung Konzept Implementation Die neue Slowcontrol Beschreibung der Funktion der Einzelkomponenten Slow Control Funktionsprinzip Vorstellung der DAC-Verdrahtung Überblick über DAC-Ansteuerung Logik während der Datenaufnahme COMMON-STOP-Modus Ansteuerung der analogen Auslese Ansteuerung der Auslese des Bitpattern Constant Fraction Discriminator Funktionsprinzip Beschreibung der Schaltung Zeitmessung Genereller Überblick

4 B INHALTSVERZEICHNIS Beschreibung der Entwicklung Energiemessung Genereller Überblick Der verwendete QAC-Chip Beschreibung der Entwicklung Labortests der Prototypenkomponenten Messergebnisse CFD Messergebnisse Zeitkette Messergebnisse Energiekette Strahltests der Prototypen Messungen in Mainz MAMI und der Glasgow-Tagger Messung und Auswertung Messungen in Bonn Elsa und Tagger Messung und Auswertung Ausblick 63 A Anhang I A.1 Zusammenfassung der Tabellen I A.2 Interne Zeitlogik im PLD IV A.3 Einzelheiten der DAC-Ansteuerung VIII A.4 Einzelheiten der Bitpatternauslese XIII A.5 Sourcecode und Adressen zum Auslesen der neuen Elektronik.. XVI A.5.1 Initialisierungscode XVI A.5.2 Auslesecode XVII A.5.3 Basisadressen XIX A.5.4 Grundeinstellwerte XXI A.6 Test- und Diagnosemöglichkeiten ohne Oszilloskop XXII A.6.1 Test mit dem digitalen Testpuls XXII A.6.2 Test mit dem analogen Testpuls XXII A.6.3 Bitpatterntest XXIII B Literaturverzeichnis C Abbildungsverzeichnis D Tabellenverzeichnis E Abkürzungstabelle XXV XXVII XXIX XXXI F Danksagung XXXIII

5 C 1 Zusammenfassung Das Photonenspektrometer TAPS wurde vor mehr als 15 Jahren von einer europäischen Kollaboration geplant und gebaut. TAPS soll hochenergetische Photonen und neutrale Mesonen in relativistischen Schwerionenstößen oder photonuklearen Reaktionen nachweisen, welche an verschiedenen europäischen Beschleunigeranlagen untersucht werden. Aufgrund der hohen Multiplizitäten der hadronischen Reaktionsprodukte wird weiterhin eine sehr effiziente Unterscheidung zwischen geladenen und neutralen Partikeln benötigt. Als Detektormaterial wurde BaF 2 aufgrund der hohen Lichtausbeute, des schnellen Ansprechverhaltens und der Abhängigkeit der Pulsform des Ausgangssignals von der nachzuweisenden Teilchensorte ausgewählt. Heutzutage besteht das System aus bis zu 9*64 hexagonalen BaF 2 -Kristallen mit einer Länge von 25 cm (12 Strahlungslängen) und einem Vetodetektorsystem, welches aus dünnen (5 mm) Plastikszintillatoren aufgebaut ist. Diese Vetodetektoren besitzen ebenfalls eine hexagonale Grundfläche, werden vor den BaF 2 -Kristallen montiert und können geladene Teilchen bereits online identifizieren. Die TAPS Ausleseelektronik hat sich in vielen Experimenten bewährt, ist jedoch mittlerweile veraltet und genügt nicht mehr modernen Anforderungen hinsichtlich der Auslesegeschwindigkeit. Es sind gemeinsame Experimente mit dem HADES-Detektor geplant, wie z.b. die Bestimmung des ω-formfaktors durch Messung des ω π e + e Dalitzzerfalls. Weiterhin sind Messungen der Photonen in Koinzidenz mit Dileptonen aus Schwerionenreaktionen vorgesehen zur Aufklärung der Beiträge zum überhöhten Dielektronenkontinuum, das vom Di- Lepton-Spectrometer (DLS, am Lawrence Berkley Laboratory/USA) beobachtet wurde und bis heute unverstanden ist. Daher ist eine neue Elektronik für TAPS erforderlich, die mit der Datenakquisition des HADES-Detektors kompatibel ist. Die neue Elektronik wurde im Rahmen dieser Doktorarbeit entwickelt, getestet und zum Einsatz gebracht. Testexperimente mit der neuen Elektronik zeigen Energieauflösung, Zeitauflösung und Ausleseraten, die die ursprünglichen Design-Werte für das TAPS-Spektrometer übertreffen. Die zukünftigen Einsatzmöglichkeiten von TAPS mit HADES oder mit anderen modernen oder hinsichtlich der Elektronik modernisierten Detektorsystemen wie Crystal Barrel (ELSA) und Crystall Ball (MAMI) sind damit auch für die nächsten Jahre gesichert. Die neue Elektronik weist folgendes Leistungsverhalten auf: Energieauflösung δe/e besser als 1, 12% + 2, 54%/ E[GeV ] Nichtlinearität Energie 1,1 % Zeitauflösung δt 40 ps Nichtlinearität Zeit 0,013 % Zeitlicher Crosstalk 100 ps Ausleserate Einzelmoduls 75 khz Ratenstabilität bis 75 khz getestet

6 D 1 ZUSAMMENFASSUNG

7 E 2 Einleitung Das Two-Arm-Photon-Spektrometer TAPS [Nov91] [Str96] ist ein elektromagnetisches Kalorimeter, das in der derzeitigen Ausbaustufe aus bis zu 9*64 Barium-Fluorid-Kristallen (BaF 2 ) besteht. Zusätzlich ist vor jedem BaF 2 - Kristall ein Plastikszintillator angebracht, der als Veto-System für geladene Reaktionsprodukte fungiert. Das Detektorsystem wurde 1987 von der europäischen TAPS-Kollaboration 1 geplant und in den darauffolgenden Jahren aufgebaut und genutzt. Basel Switzerland Während dieser Zeit hat das Spektrometer TAPS ein vielfältiges Physikprogramm absolviert. Der bisherige Einsatz war: Untersuchung der Schwerionenreaktionsdynamik durch Messung von Bremsstrahlung (GANIL, KVI, UNILAC) und Mesonenproduktion (SIS) Baryonen- und Mesonenspektroskopie (CERN, MAMI, ELSA) In-Medium-Modifikationen von Baryonen und Mesonen (MAMI, ELSA) Insbesondere durch den dritten Themenkreis ergibt sich eine enge Verknüpfung zum Physikprogramm des HADES-Detektors an der GSI Darmstadt, das auf Untersuchungen der In-Medium-Modifikationen von Hadronen, aber auch auf elementare Eigenschaften von Hadronen, wie zum Beispiel elektromagnetische Formfaktoren, ausgerichtet ist. Es sind gemeinsame HADES/TAPS-Experimente geplant, zum Beispiel zur Messung des η e + e γ und ω π e + e Dalitzzerfalls (zur Bestimmung elektromagnetischer Formfaktoren). Daher wurde eine Elektronik entwickelt, die zu der des HADES-Experiments kompatibel 1

8 F 2 EINLEITUNG ist. Der HADES-Detektor ist zur Zeit jedoch mit der Abarbeitung eines umfangreichen, eigenständigen Forschungsprogramms befaßt: mit der Untersuchung der Dileptonenproduktion in Schwerionenstößen und elementaren P,π-induzierten Reaktionen. TAPS wird während dieser Zeit als Vorwärtswand in Kombination mit Crystal Ball (MAMI) und Crystal Barrel (ELSA) für Experimente der Baryonenspektroskopie (Messung magnetischer Momente, Θ + -Produktion und Modifikationen von Hadronen im nuklearen Medium) in γa-reaktionen eingesetzt. Die Elektronik wurde innerhalb der TAPS-Kollaboration entworfen und gebaut. Die Entwicklung fand federführend am II. Physikalischen Institut in Giessen statt mit Unterstützung durch das KVI in Groningen/Niederlande und das Department für Physik und Astronomie in Basel/Schweiz. Bei der Entwicklung wurde darauf Wert gelegt, daß die über 15 Jahre alte derzeitige Elektronik durch ein System ersetzt wird, das den erhöhten Anforderungen hinsichtlich Datenrate, Auflösung, Flexibilität und Triggerselektivität gerecht wird. Ebenso sollte das System äußerst kompakt sein und einen raschen Auf- und Abbau ermöglichen, bei dem sich die bei der alten TAPS-Elektronik erforderliche Verlegung vieler Kilometer von Signalkabeln erübrigt. Aufgrund der Forderung nach einer zum HADES-Experiment kompatiblen Elektronik basiert das neue Konzept auf einem VME-Modul, welches auch in der Flugzeitwand des HADES- Spektrometers verwendet wird. Bei diesem Modul handelt es sich um ein ADCund TDC-System, welches von der Arbeitsgruppe von Dr. R. Bassini (Universität Mailand) entwickelt wurde und aus einer Hauptplatine und einem Piggyback besteht. Das neuentwickelte Piggyback enthält die für die Signalverarbeitung notwendigen TAPS-spezifischen Analogfunktionen. Die beiden Modulen gemeinsame Hauptplatine gewährleistet die schnelle Digitalisierung sowie die VME-Bus-Kommunikation. Für das TAPS-System kann das Piggyback (und damit das VME-Modul) vier BaF 2 -Signale erfassen und verarbeiten. Von jedem Signal wird die Flugzeitinformation abgeleitet sowie die separate Energieintegration der beiden Szintillationskomponenten jeweils mit zwei dynamischen Bereichen. Zusätzlich zu dem Constant-Fraction-Diskriminator (CFD) erlauben zwei einfache Leading-Edge- Diskriminatoren selektive, schnelle Trigger. Die digitale Information dieser drei Diskriminatoren wird ebenfalls aufgenommen. Diese Arbeit widmet sich dem Aufbau und der Funktionsweise der neuen Elektronik, sowie den Tests der Spezifikationen.

9 1 3 Das Photonenspektrometer TAPS und die derzeitige Elektronik Das elektromagnetische Kalorimeter TAPS-Detektorsystem [Hej98] baut auf BaF 2 -Detektoren mit einer kombinierten CAMAC-/NIM-Elektronik auf. In der Meßhalle stehen bis zu 528 Detektoren, deren Signale nahe am Detektor durch einen Split aufgespaltet und mit drei verschiedenen Schwellen diskriminiert werden. Die drei logischen Signale und ein analoges Signal werden dann über m lange Kabel zur Meßhütte geführt. Digitalisierung und Datenaufnahme werden in der Meßhütte vorgenommen. Der erhebliche Aufwand an Elektronik und Kabeln ist aus dem Bild zu erkennen. In den folgenden Abschnitten werden die Bestandteile des jetzigen TAPS-Detektorsystems erläutert. Abbildung 1: TAPS Auslese- und Trigger-Elektronik während eines Experimentes am ELSA-Beschleuniger in Bonn. Die Photographien zeigen die Ausleseelektronik im Meßraum (links) und die Splits und Diskriminatoren in der Meßhalle (rechts). 3.1 BaF 2 -Kristalle Die BaF 2 -Kristalle sind Szintillationsdetektoren, die mit einer hohen Auflösung von σ/e = 2.5% (bei 1 GeV) und einer ausgezeichneten Zeitauflösung von σ 85 ps auf Photonen reagieren, aber auch geladene Teilchen nachweisen können. Die schnelle Anstiegszeitkonstante von < 1 ns macht das BaF 2 - Szintillatormaterial besonders attraktiv für Flugzeitmessungen auf Grund der erzielbaren Zeitauflösung 2. Die Signalform der BaF 2 -Detektoren ist durch zwei 2

10 2 3 TAPS UND DIE DERZEITIGE ELEKTRONIK Szintillationskomponenten charakterisiert, die unterschiedliche Abklingzeiten besitzen und die auf unterschiedlichen Szintillationsmechanismen beruhen. Die schnelle Komponente besitzt eine Abklingzeitkonstante von 0.7 ns. Die andere, langsame Komponente hat bei Zimmertemperatur eine Abklingzeitkonstante von 620 ns. Es ergeben sich U berlagerungen der beiden Signale, deren Ergebnis in Abbildung 2 zu sehen ist. Das Signalho henverha ltnis zwischen schneller und langsamer Komponente wird kleiner, wenn statt Photonen (oder Elektronen) Teilchen absorbiert werden. Der Grund dafu r ist, daß der Anteil der schnellen Komponente am totalen Licht mit ho heren de/dx kleiner wird. Daher kann neben der Flugzeitmessung in einer Pulsformanalyse zwischen Photon und Teilchen unterschieden werden. Zu diesem Zweck wird ein BaF 2 -Signal zweimal, na mlich u ber die in der Abbildung angedeuteten Zeitintervalle (short gate, long gate) integriert, um in einer offline -Analyse ausgewertet zu werden. Abbildung 2: Beispiele fu r BaF2 -Signalformen. Im Diagramm sind zwei Signale, von verschiedenen Quellen herru hrend, abgebildet. Das Signal, das von Photonen verursacht wird, hat ein gro ßeres Verha ltnis zwischen schneller und langsamer Komponente als das von Teilchen stammende. Auf der rechten Seite sieht man die schnelle Komponente (short gate) gegen totales Licht aufgetragen. Man kann deutlich zwischen Photonen und Hadronen unterscheiden. 3.2 BaF2 -Modul Jeder BaF2 -Kristall besitzt einen optisch angekoppelten Photomultiplier, der mit einer Magnetfeldabschirmung versehen ist und u ber einen aktiven Spannungsteiler betrieben wird. Jeder dieser Detektoren ist mit einem separaten Veto-Detektor ausgestattet. Die Vetodetektoren sind du nne Plastikszintillatoren (NE102A bzw. ein entsprechendes Material der Firma Eljen, EJ-204[Jan00]) und erlauben eine Online-Identifikation geladener Teilchen (aufgrund der zu vernachla ssigenden Effizienz fu r Photonen). Ein solches Veto/BaF2 -Teleskop wird hier BaF2 -Modul genannt. Abbildung 3 zeigt eine schematische Seitenansicht.

11 3.3 Die Detektor-Elektronik 3 Abbildung 3: Darstellung eines BaF 2 -Moduls, bestehend aus dem BaF 2 -Kristall und einem Vetodetektor. Außerdem sind Lichtleiter, Photomultiplier und Spannungsteiler gezeigt. 3.3 Die Detektor-Elektronik Auslese-Elektronik Die derzeitige Elektronik wird im Common-Start-Modus betrieben. Das bedeutet, daß zuerst anhand eines ausgewerteten Diskriminator-Bitmusters, das zum Beispiel als First Level Trigger genutzt wird, ein akzeptiertes Ereignis selektiert und damit die Auslese angetriggert wird. Die Auswertung dauert 500 ns. Die individuellen Signale müssen daher um diese Zeit verzögert werden. Es ergibt sich das folgende Ausleseschema: Das Anodensignal der BaF 2 -Detektor-Photomultiplier wird durch einen aktiven Signalteiler (Split) aufgeteilt. Der Split liefert vier Ausgänge: den Direkt- Ausgang und drei über einen Kondensator angekoppelte Ausgänge. Einer dieser drei Ausgänge läßt sich zusätzlich um den Faktor 10 verstärken. Der verstärkbare Ausgang steuert einen Constant-Fraction-Discriminator (CFD), Modell FCC8 GANELEC, an. Durch diesen CFD wird das Timing eines analogen Signals unter Berücksichtigung einer minimalen Signalhöhe in ein logisches Signal umgewandelt (nähere Angaben dazu in Kapitel 5.3). Der CFD definiert also das Detektorsignal. Dabei soll es die optionale zehnfache Verstärkung und die gleichzeitig niedrig eingestellte Schwelle des CFDs ermöglichen, selbst kleinste Signale auszuwerten, um so einen dynamischen Bereich von 500:1 zu ermöglichen. Das Signal des CFDs wird, nach einer festen Verzögerung von 500 ns (digitales CAMAC-Delay), dreifach verwendet: zur Ableitung der Ladungsintegrationsfenster, als STOP-Signal der Zeitmessung im TDC und als logische Information für den ansprechenden Detektor in einem Bitregister. Für die Ladungsintegration werden die direkten Ausgänge der Signalteiler genutzt, die mittels Kabel um 500 ns verzögert werden. Die Integrationsfenster der Ladungsintegratoren (Charge-to-Digital-Converter, QDC) werden individuell über programmierbare Gate&Delay-Generatoren (RTV, Retard Durée Variable) erstellt. Das ursprüngliche Signal wird zweimal integriert (passiv aufgeteilt im QDC): einmal mit einem kurzen Zeitfenster (40 ns) für die schnelle Komponente, und einmal, wie in Abschnitt 3.1 bereits erwähnt, mit einem langen Zeitfenster (2 µs) für die langsame Komponente. Das Signal, das zum TDC führt, dient als individuelles Stop-Signal. Zusammen mit dem Common-Start-

12 4 3 TAPS UND DIE DERZEITIGE ELEKTRONIK BaF split 500ns QDC Veto CFD 500ns RDV LED1 500ns TDC LED2 CoReg MPU LEDV CoReg 500ns CoReg blockwise ORs multiplicity Abbildung 4: Schemazeichnung der derzeitig benutzten Detektor-Elektronik. Komponenten links des grauen Balkens befinden sich in der Experimentierhalle. Die Elektronik rechts des Balkens wird in der Meßhütte aufgebaut. Signal (First Level Trigger) wird damit die Flugzeit bestimmt. Das Koinzidenzregister (CoReg) dient den Prozessoren zur Erkennung der auszulesenden Kristalle anhand der CFD Signale. Die nicht verstärkten Ausgänge werden für Leading-Edge-Discriminators (LED) verwendet, die zusammen mit den Diskriminatorsignalen der Veto-Detektoren zu experimentspezifischen Triggerbedingungen verwendet werden. Weitere CoRegs registrieren die Informationen der ansprechenden BaF 2 -LEDs und der entsprechenden Ausgängen der Vetodetektoren. Bei Vorhandensein des Master-Triggers, der die verschiedene Ereignistypen sowie eventuelle Koinzidenzen mit zusätzlichen Detektorsystemen sicherstellt, werden die Signale digitalisiert und ausgelesen Trigger-Elektronik Im vorangegangenen Abschnitt wurden LED-Signale erwähnt, die Trigger- Signale liefern. In den Experimenten werden Messonen gemessen, welche in zwei Photonen zerfallen (z.b. π γγ), die in räumlich getrennten Clustern detektiert werden sollen. Diese räumliche Trennung wird im TAPS-Aufbau durch eine Aufteilung der Kristalle in einzelne Blöcke erzwungen, ein oder mehrere detektierte Ereignisse erzeugen pro Block nur ein Pre-Triggersignal. Als Trigger werden diese Signale im einfachsten Fall blockweise mit einem logischen OR verknüpft mit der Bedingung, daß in mindestens zwei Blöcken ein Ereignis stattgefunden hat. Das so erhaltene Signal startet die Auslese und die Datenaufnahme, welche die jeweiligen digitalisierten Werte abfragt und die so erhaltenen Daten abspeichert. Über die gesamte benötigte Zeit wird über ein Busy-Flag ein Inhibit

13 3.4 Performance 5 gesetzt. Dieses Inhibit sorgt dafür, daß keine weiteren Trigger akzeptiert werden, d.h. die Totzeit wird gesetzt. Zusätzlich zu einfachen Triggerbedingungen kann eine Mustererkennung mit Hilfe von programmierbaren Modulen (Multiplicity and Pattern Units, MPU in Abbildung 4) erreicht werden. Mit einer MPU pro Block werden BaF 2 - und Veto-Logiksignale eines jeden BaF 2 -Moduls miteinander verglichen. Ein BaF 2 -Logiksignal wird somit in Abwesenheit des dazugehörigen Veto-Logiksignals als neutrales Ereignis der Multiplizitätsstufe 1 erkannt. Die blockweisen Ergebnisse können in einem programmierbaren Logikmodul (LeCroy MLU) vereint werden. Im Falle der Identifizierung neutraler Mesonenkandidaten (z.b. π γγ) wird die Anwesenheit eines neutralen Ereignisses in zwei Clustern für eine positive Triggerentscheidung verlangt Datenaufnahme Die Daten von QDC, TDC und Koinzidenzregistern werden über die CAMAC- Datenleitungen von Kontrollern mit eingebauten Prozessoren (CVC) ausgelesen. Diese Module dienen gleichzeitig der Initialisierung der CAMAC-Geräte während des Bootens über Ethernet. Bis zu 15 dieser Module werden mittels eines differentiellen Bus-Systems (VSB) mit einem Einplatinenrechner (Eltec E6 oder E7) in einem VME-Crate verbunden. Alle diese Einplatinenrechner sind mit dem VME-Bus verbunden, über diesen Bus werden die Daten an ein letztes E6-Modul geschickt, das diese über einen SCSI-Bus auf ein Bandlaufwerk abspeichert. Weiterhin sind die Einplatinenrechner (E6, E7, CVC), der Plattenserver und Arbeitsplatzrechner über eine Ethernetverbindung miteinander vernetzt. Die Arbeitsplatzrechner können während der laufenden Messung probenartig Daten für eine Vor-Ort-Analyse entnehmen. Die Zeit, die zwischen dem Anliegen des Triggers und dem Ende der Datenauslese liegt, beträgt typischerweise 500 µs. Zusammen mit der Taggerauslese am Mainzer Microtron MAMI wurde eine Ausleserate von 800 Hz bei einer mittleren Eventgröße von 0,5 kb erreicht. 3.4 Performance Im folgenden wird die erreichte Performance des TAPS-Detektors anhand einiger Beipiele dargestellt. Hierbei werden die Qualitäten der BaF 2 -Kristalle, wie Pulsformanalyse und Flugzeitmessung im Verbund mit der alten Auslese- Elektronik ausgenutzt. Bei Experimenten, wie sie mit TAPS in den Jahren an MAMI-B mit einem energiemarkierten Photonenstrahl bis zu 820 MeV durchgeführt worden sind, gilt es, die produzierten Mesonen nachzuweisen. Die typischerweise betrachteten Mesonenzerfälle sind π γγ und η γγ. Auch der direkte Nachweis geladener Teilchen, wie Protonen und geladene Pionen, ist mit dem experimentellen Aufbau möglich gewesen. Abbildung 5 demonstriert die erreichte Qualität der Daten mittels der Photon-Photon invarianten Massen.

14 6 3 TAPS UND DIE DERZEITIGE ELEKTRONIK TAPS γ-beam Counts π η γ p γ MeV 15 MeV x M γγ [MeV] Abbildung 5: Invariante Massen zweier Photonen aus der Reaktion γ+p. Die π γγ und η γγ invarianten Massen sind sauber nachgewiesen, wie an den nichtunterlegten Peaks bei 134 MeV und 547 MeV zu sehen ist. Die ausgezeichneten Auflösungen werden mit einem kinematischen Fit erreicht (schattierte Peaks). Die Daten stammen aus dem Experiment, der Experimentaufbau ist links schematisch dargestellt. Die Pulsformanalyse dient der Teilchenidentifikation. Wenn die Energiekalibrierung für alle Detektoren durchgeführt worden ist, zeigen die Spektren, daß die von Photonen deponierte Energie in der schnellen und langsamen Komponente gleich ist (E short = E long ). Die beiden Komponenten werden so geeicht, daß bei einer Auftragung der Komponenten gegeneinander die Einträge, die von Photonen stammen, auf der Winkelhalbierenden bei 45 o liegen. Bevorzugt wird eine Darstellung in Polarkoordinaten gewählt, bei der der Energieradius (r= Eshort 2 + E2 long ) gegen den Winkel (φ = arctan( E short E long )) aufgetragen wird. Photonen sind hier auf einer vertikalen Geraden bei 45 o zu finden und Teilchen links daneben, bei kleineren Winkeln 3. Um Teilchen in einer Datenanalyse zu selektieren, werden für bestimmte Energieintervalle die Projektionen auf die Winkelachse betrachtet und der Photonenpeak mit einer Gauß-Funktion + Polynom ersten Grades angepaßt. Abbildung 6 zeigt das zweidimensionale Spektrum für einen Kristall. Der ermittelte Schwerpunkt des Photonenastes als auch eine 3 σ entfernte Trennlinie sind eingezeichnet. Der Photonen- und der Nukleonenast sind deutlich zu sehen. Aufgrund der guten Energieauflösung ist auch ein Band geladener Pionen, zwischen Nukleonen und Photonen, zu erkennen. In typischen Auswertungen werden solche Ereignisse als Photonen betrachtet, die rechts von einer 3.5 σ Trennlinie liegen. Bei der Identifikation von geladenen Pionen werden Ereignisse rechts von einer 0.5 σ Trennlinie verworfen. Die hochauflösende Flugzeitmessung ist ein zentraler Teil der Teilchenerkennung. Abbildung 6 zeigt die ausgezeichnete Zeitauflösung für Photon-Photon Koinzidenzen. Hierbei wurden Photonen mittels Pulsformanalyse ausgewählt und unter Berücksichtigung der VETOs als neutrale Treffer erkannt. Rechts in 3 Bei Teilchen wird die schnelle Komponente weniger angeregt, daher ist der entsprechende Energiewert kleiner. Hinzu kommt Quensching, d.h. die Energieeichung stimmt für Teilchen grundsätzlich nicht.

15 3.4 Performance 7 Radius / MeV p/n π +/ γ Winkel / x FWHM = 550ps E (MeV) e +/- π +/- time /ns countsa.u. x γ +C-> π + X+... P 0 FWHM=1.2 ns time ns t (ns) D Abbildung 6: Pulsform- und Zeitspektren aus γ + A Reaktionen. Die Bilder wurden im Rahmen der Doktorarbeit von Silke Janssen gewonnen [Jan02]. Links: Pulsform- Spektrum eines BaF 2 -Detektors in Polarkoordinaten-Darstellung aus der γ + P b Reaktion. Aufgetragen ist der Energieradius gegen Winkel, wie im Text beschrieben. Die Lage des Photonenastes (weiß) und eine 3 σ entfernte Trennungslinie (schwarz) sind eingezeichnet. Rechts oben: Photon-Photon- und Photon-Tagger-Koinzidenzzeit aus der γ +P b Reaktion am MAMI-B Beschleuniger. Rechts unten: Flugzeit geladener Teilchen relativ zu einem schon detektierten π aus der γ + C Reaktion. der Abbildung ist die vergleichsweise schlechtere Koinzidenzzeit eines der Photonen mit dem Mainz Tagger zu sehen, aus welcher der zeitzufällige Untergrund bestimmt werden kann. Die Flugzeit der Teilchen, die unter Berücksichtigung der VETOs als geladene Treffer erkannt worden sind, werden rechts unten in Abbildung 6 relativ zu einem schon detektierten π betrachtet. Aufgrund der Energie- und Zeitauflösung sind die Bänder verschiedener Teilchen an ihrer Energie-Zeit-Charakteristik gut getrennt zu sehen. Im Jahr 2001 wurde das Photonenspektrometer TAPS in einer Vorwärtswand- Konfiguration mit 528 BaF 2 -Szintillationszählern zusammen mit dem Crystal Barrel Detektor am ELSA-Beschleuniger installiert. Damit konnte erstmals ein Photonendetektorsystem, das nahezu den gesamten Raumwinkel abdeckt, für ein fixed-target Experiment an einem Photonenstrahl in Betrieb genommen werden. Die Funktionsweise des Detektorgesamtsystems wurde durch die vorläufigen Spektren der γγ-invarianten Massen unter Beweis gestellt, die deutliche Strukturen für π - und η-mesonen mit einem guten Signal-zu- Untergrundverhältnis zeigen (siehe Abbildung 7). Ebenso wird ein ω Signal im π γ Kanal beobachtet. Da der Crystal Barrel Detektor eine ähnliche Energieauflösung wie TAPS erreicht, können invariante Massen problemlos berechnet werden, selbst wenn die Photonen/Teilchen aus den zwei verschiedenen Detektoren kombiniert werden.

16 8 3 TAPS UND DIE DERZEITIGE ELEKTRONIK counts / a.u π η ω M γγ / MeV M γγ / MeV M πγ / MeV Abbildung 7: Dieses Bild wurde im Rahmen der Doktorarbeit von David Trnka erstellt Nachteile der derzeitigen Elektronik Die derzeitige Elektronik wurde in vielen Experimenten erfolgreich eingesetzt, sie ist jedoch mittlerweise veraltet mit unzureichender Ersatzteilversorgung und genügt den heutigen Anforderungen nicht mehr. Vor allem in der Auslesefrequenz und dem Übersprechen einzelner Zeitkanäle (Crosstalk) sind diese Nachteile zu finden. Aber auch der Aufbau mit über 50m langen Kabeln zwischen Meßhalle und Meßhütte und dem Common-Start-Modus mit den resultierenden schweren Kabelverzögerungsboxen wird den Anforderungen eines mobilen Aufbaus mit schnellen Aufbauzeiten nicht gerecht.

17 9 4 Beschreibung der neuen TAPS-Elektronik 4.1 Übersicht Für die neue Elektronik ist vorgesehen, daß sich die komplette Datenkonversion von vier Kanälen auf einem VME-Modul befindet [Sch98]. Eine stärkere Komprimierung ist aus Platzgründen bei einer Festlegung auf die Platinengröße 6U nicht möglich. Dieses VME-Modul teilt sich in eine Hauptplatine (Digitalisierung und VME-Zugriff) und ein zugehöriges Piggyback (Datenaufnahme) auf. Abbildung 8 zeigt ein Blockdiagramm des TAPS-Piggybacks mit den im folgenden verwendeten symbolischen Abkürzungen für die Komponenten. Dabei beschränkt sich das Diagramm der Einfachheit halber auf einen BaF 2 -Kanal. Durch den Charge-to-Analog-Converter (QAC) wird die Ladung der BaF 2 - Signale zweimal integriert, einmal über die schnelle (mit einer Integrationszeit von 40 ns) und einmal über die langsame Komponente (2 µs). Um die gewünschte Genauigkeit über den gesamten dynamischen Bereich zu erreichen, werden beide Signale zweimalig mit verschiedenen Verstärkungen integriert. Weiterhin wird die Flugzeitinformation (Time of Flight, TOF) mit Hilfe eines Time-to- Analog-Converters (TAC) aufgenommen. Die Ansteuerung des TACs und der QACs wird von einem Gate-Generator (GG) übernommen, der von einem Constant-Fraction-Diskriminator (CFD) gestartet wird. Zusätzlich zu den BaF 2 -CFDs werden jeweils zwei Leading- Edge-Diskriminatoren (LED) zu Triggerzwecken verwendet. Alle Diskriminator- Signale eines BaF 2 -Moduls werden vom Piggyback an externe Multiplicity- Coincidence-Units (MCU) und an Zähler zur Bestimmung der individuellen Detektorraten weitergeleitet. Die analogen Ausgangssignale der Energie- und Zeitintegratoren werden über einen Multiplexer an die Hauptplatine übergeben. Hier werden Signale von vier dieser BaF 2 -Kanäle mit Hilfe eines Analogto-Digital-Konverters (12 Bit ADC) digitalisiert und die digitalen Werte über dem VME-Systembus mit Hilfe von CPUs an die Datenaufnahme übergeben. Eine CPU pro VME-Crate ermöglicht die Auslese von 64 BaF 2 -Teleskopen, einem typischen TAPS-Detektorblock. Die so gesammelten Daten werden von einem Rechner übernommen, der mit den CPUs im Crate über einen Switch verbunden ist. 4.2 Konzept Das INFN in Mailand hat 32-fach TDC- und ADC-Module in VME-Standard [Bas98] entwickelt, die in der HADES TOF-Wand Verwendung finden. Beide Module basieren auf der gleichen Hauptplatine, die Funktionalität wird durch aufsteckbare Platinen, sogenannte Piggybacks gegeben. Diese Piggybacks enthalten für ihre spezielle Aufgabe das benötigte analoge Front-End und die benötigte Interface- und Multiplexerschaltung. Die Analog/Digitalwandlung des aus dem Multiplexer kommenden Signals geschieht auf der Hauptplatine

18 10 4 BESCHREIBUNG DER NEUEN TAPS-ELEKTRONIK SW SW PBUSY OR TPin MBUSY HALTin COMin FASTRST PBUSY EN7 FRONTPANEL SIGNALS MCU, SCALERS BAF TPG1 OS OS OS OS OS THRESHOLDS LED1 LED2 CFD DELD DELA1 SGATE PLD RST1 RESTACFLOP RST2 CS TAC1 Vb,Vset,Voff DAC PEDESTALS THRESHOLDS AMX[0:1] AUXD[0:7] AUXA[0:7] AUXD[0:7] Vb,Vset,Voff AMX[0:1] MOTHERBOARD SIGNALS QAC1 EN[0:6] MUX QAC2 MUXOUT MUX LGATE QAC3 QAC4 NEW TAPS ELECTRONICS PIGGY BACK BLOCK DIAGRAM 1CH. dashed blocks: one per piggyback. PD, Su, Abbildung 8: Blockdiagramm des TAPS-Piggybacks für einen Kanal mit Hilfe eines 12-Bit ADCs. Weiterhin befinden sich auf der Hauptplatine Datenzwischenspeicher und die VME-Adapter. Im Rahmen der Doktorarbeit wurde für diese Hauptplatine das spezielles Piggyback entwickelt, auf dem alle erforderlichen Analogfunktionen für vier BaF 2 - Detektor-Kanäle integriert sind CAEN Hauptplatine Die verwendete Hauptplatine ist ein leicht modifiziertes CAEN 32fach-Analog- Digital-Auslesemodul MOD. V874A. Die Modifikationen beschränken sich auf ein geringfügig geändertes Layout und eine angepasste Firmware. Um ausreichend Platz für das Piggyback bereitzustellen, wurde auf die Live-Insertion (Schutz beim Einstecken der Hauptplatine bei eingeschaltetem Crate) sowie zwei Adreß-Schalter verzichtet. Dadurch wird der Adreßraum eingeschränkt (255 statt Adressen), da nur noch zwei Hexadezimalschalter auf dem Bord vorhanden sind. Diese Einschränkung kann toleriert werden, da das Auslesekonzept die Module sowohl aus der Adresse, als auch aus der Cratenummer identifiziert. Die Firmware wurde so verändert, daß eine Übertragung der digitalen Werte zum Piggyback in beide Richtungen möglich ist (Stellwerte für die DACs sowie Auslese der digitalen Bitpattern). Die weiteren Eigenschaften sind unverändert vom Modell V874 übernommen worden[manv874a] :

19 4.2 Konzept 11 Abbildung 9: Ein komplettes VME-Modul. Durch Rahmen werden ein vollständiger Auslesekanal, jeweils ein einzelner CFD und TAC und 4 QACs deutlich hervorgehoben.

20 12 4 BESCHREIBUNG DER NEUEN TAPS-ELEKTRONIK 28 (von den 32 ursprünglichen) Auslesekanäle schneller 12-Bit ADC (10µs für alle Kanäle) mit Sliding-Scale-Technologie für bessere differentielle Linearität Multievent Zwischenspeicher programmierbare Nullunterdrückung fortlaufender Triggerzähler (zählt Anzahl der Ereignisse) TAPS Piggyback Abbildung 8 zeigt das Blockdiagramm für einen Kanal des Piggybacks. Einund Ausgänge auf der rechten Seite dieses Schaltbildes sind Anschlüsse zur Hauptplatine, auf der linken Seite sind externe Anschlüsse zu sehen. Im folgenden wird die Funktionsweise der einzelnen TAPS-Untergruppen, die im Schaltplan gezeigt sind, beschrieben. Aktives Delay/Passiver Split: Das analoge BaF 2 -Eingangssignal muß für die Energieintegration den 4 QAC-Kanälen zur Verfügung gestellt werden. Dies geschieht durch einen passiven Split, der das Signal über ein Widerstandsnetzwerk verteilt. Dabei wird das Signal nicht verformt. Um die Laufzeiten der Logik-Bausteine, die die Zeitsteuerung der Integrationsgates liefern, auszugleichen, befindet sich ein analoger Verzögerungsbaustein vor dem Widerstandsnetzwerk, der durch zwei Operationsverstärker am Ein- und Ausgang an die Leitung angepaßt wird. Die Diskriminatoren greifen das Signal hochohmig ab. Testpulser: Jeder Kanal wird mit einem Testpulsgenerator (TPG) für Funktionstests ausgestattet. Der Testpulsgenerator kann über eine externe Triggerung (EXT TRIG) angesteuert werden und liefert ein der schnellen Komponente von BaF 2 angepaßtes Signal. Mit diesem Signal wird die gesamte Elektronik getestet. Alternativ kann der Gate-Generator allein angesteuert werden, der alle Steuersignale wie bei einem richtigen Ereignis ausgibt. Damit ist es möglich, die Baseline und damit das Pedestal direkt zu messen. Diskriminatoren: Es sind drei Diskriminatoren pro Kanal vorgesehen: der Constant-Fraction-Discriminator (CFD) für die Ansteuerung des Gategenerators (GG, überwacht die Logik und die Integrationsfenster der einzelnen Kanäle) und der Zeitmessung. Der Leading-Edge-Discriminator LED1 (für niedrigere Schwellen) und der LED2 (für höhere Schwellen) werden für schnelle Trigger- Aufgaben verwendet. Der CFD wird auf eine minimale Schwelle gesetzt und identifiziert die einzelnen angesprochenen BaF 2 -Kristalle. Die LEDs sorgen für die Selektion zum Beispiel hochenergetischer Photonen, da der Detektor im

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