Entwicklung einer Messwerterfassung für einen orts- und zeitauflösenden Detektor

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1 Entwicklung einer Messwerterfassung für einen orts- und zeitauflösenden Detektor Winfried Löther Diplomarbeit Friedrich-Schiller-Universität Jena Physikalisch-Astronomische Fakultät Institut für Optik und Quantenelektronik (IOQ) eingereicht von Winfried Löther geboren am in Weimar

2 Gutachter: 1. Prof. Dr. rer. nat. habil. Gerhard G. Paulus Institut für Optik und Quantenelektronik Jena Friedrich-Schiller-Universität Jena 2. Prof. Dr. rer. nat. Malte C. Kaluza Institut für Optik und Quantenelektronik Jena Friedrich-Schiller-Universität Jena

3 Inhaltsverzeichnis 1. Motivation 1 2. Aufbau des Detektors Mikro-Kanal-Platten Detektor Aufbau und Funktionsweise Nachweiseffizienz Hochfrequenz Auskopplung Delay-line Anode Grundlegender Aufbau Lecherleitung Signal Auskopplung Störungen des Pulses Das Messwerterfassungssystem Analog-Digital Wandler Bestimmung der Orts- und Zeitkoordinaten Multi Hits Signalanalyse Bestimmung der Peakposition Schwellenwert Methode(Discriminator) Constant Fraction Discriminator Extremwertsuche Erweitere Positionsbestimmungen mittels Peakfit Software Software Schnittstellen der Acqiris Digitizer Implementierung der Software Der Peakfindungs- Algorithmus Bestimmung der Koordinaten eines Ereignisses

4 4.3. Performance des Programms Speicherung der Signalfolgen Schnittstellen zur Erweiterung des Programms Messungen Messaufbau Auslesezeit der Digitizer Flugzeit der Xenon-Ionen Messung der Signallaufzeit auf der Delay Line Messungen mit verschiedenen Masken Zusammenfassung 86 A. Anhang 87 A.1. Die MData Struktur A.2. Peak Struktur A.3. AcqDataThread A.4. DataProcessingThread A.5. Funktionen zum Suchen der Peaks Literaturverzeichnis 107 Abbildungsverzeichnis 109 Tabellenverzeichnis 115

5 1. Motivation Was hält die Welt im innersten zusammen? Seit jeher strebt der Mensch danach, diese Frage zu beantworten. Doch dazu musste er sich technische Hilfsmittel schaffen, die ihm den Einblick in diese unsichtbare Welt ermöglichen. Der Begriff für die nicht zu sehenden Teilchen stand lange vor deren eigentlichen Erforschen fest: Demokrit( v. Chr.) postulierte, dass sich alles Weltliche aus unteilbaren Grundbausteinen(griechisch: atomos) zusammensetzt-den Atomen. Viele Jahrhunderte später erlaubten Mikroskope die damals unvorstellbar kleinen Dinge sichtbar zu machen.die Welt im Mikrometermaßstab breitete sich mit ihren exotischen Formen vor dem Menschen aus.es begann ein neues Verständnis der Welt.Die Erkenntnisse aus der Betrachtung dieses Mikrokosmos hat das Leben in dieser makroskopischen Welt verändert. Das war der Beginn aller Errungenschaften, auf die wir heute nicht mehr verzichten wollen. Von da an wurde jeder von der Natur ausgebreitete Schleier zur Seite geschoben und die Grenzen des Unsichtbaren wurden kleiner und kleiner. Bis man bei den vermeintlich kleinsten Teilen der Existenz angekommen war: den Atomen. Doch was tiefer als jedes Gerät blicken lässt, ist der Geist des Menschen. Er ist es, der die Dinge beschreiben kann, ohne sie zu sehen. Doch ohne den Beweis bleibt die Beschreibung eine Fantasie des Geistes. Heinrich Hertz, Philipp Lenard und Rutherford zeigten in den Jahren 1890 bis 1913 durch ihre Experimente auf indirekter Weise, wie die Struktur der Atome aussehen muss. Das im Jahr 1981 von Gerd Binning und Heinrich Rohrer entwickelte Rastertunnelmikroskop erlaubte es erstmals, atomare Strukturen räumlich aufzulösen. Dabei wird anders als beim Lichtmikroskop indirekt durch die gemessene Größe des Tunnelstroms auf die Struktur der Probe geschlossen. Diese indirekte Vermessung der Welt ist allen Experimenten auf diesen Größenskalen gemeinsam. Der in den 1960er Jahren entwickelte Laser brachte zum ersten Mal Licht in diese Nanowelt. Durch seine überragende optische Brillanz, sein exakt einstellbares zeitliches Verhalten und Intensitäten von mehreren Terawatt pro cm 2 ermöglicht er es, Prozesse korreliert zu vermessen und auszulösen. Eine Technik, die sich des Lasers zur Untersuchung atomarer Wechselwirkungen bedient, ist die 1

6 Kapitel 1. Motivation 2 Coltrims 1 [17]. Mit dieser Form der Spektroskopie ist es möglich, die Impuls- und Energieübertragung an die bei der Ionisation beteiligten Teilchen zu messen. Dabei werden die Atome eines Gases durch einen Laserpuls ionisiert.die dabei entstehenden Fragmente werden von orts- und zeitauflösenden Teilchendetektoren registriert. Aus der Position der Teilchen auf dem Detektor lässt sich mit Hilfe der Impuls- und Energieerhaltung die Situation vor der Ionisation rekonstruieren[7]. Ein Ziel unserer Arbeitsgruppe ist es, durch den direkten Beschuss von bereits erzeugten Ionen diese weiter zu ionisieren und aus der Ablenkung, die das Ausgangsion erfährt, Rückschlüsse auf den inneren Prozess der Ionisation zu ziehen[1]. Aufgabenstellung dieser Diplomarbeit ist die Montage und Inbetriebnahme eines ortund zeitauflösenden Teilchendetektors 2 der Firma RoentDek und die Installation der Digitizer der Firma Acqiris. Anschließend wurde eine Software zur Analyse der digitalisierten Spannungssignale dieses Detektors entwickelt. Das entwickelte Programm erlaubt die Erfassung, Verarbeitung und Speicherung der Signale und eine anschließende Auswertung und Darstellung der Orts- und Zeitkoordinaten eines Ereignisses. Zielstellung war es, durch ein neues Signalaufnahmeverfahren die zeitliche und örtliche Auflösung von so genannten MultiHits gegenüber dem Standardaufnahmeverfahren zu verbessern. Im Rahmen dieser Arbeit wurden diverse Messungen zur Qualität und Performance des verwendeten Detektors und der entwickelten Software durchgeführt. In der Abbildung 1.1 ist eine spätere Verwendung des in dieser Arbeit untersuchten Detektors und des erstellten Programms zu sehen. Abbildung 1.1.: Aufbau des Experiments zur Untersuchung der Ionisationsdynamik. [Quelle: Tim Ratje] 1 COLd Target Recoil Momentum Spectroscopy 2 im folgenden Detektor genannt

7 2. Aufbau des Detektors Der in dieser Arbeit verwendete Detektorsystem setzt sich aus drei Komponenten zusammen Mikrokanalplatte Delay-line Anode Analog Digital Wandler MCP Delay-line Anode Halterung, elektrisch von der Grundplatte isoliert Vakuumflange mit Vakuumsignaldurchführung Abbildung 2.1.: Schematische Darstellung des Detektoraufbaus 3

8 Kapitel 2. Aufbau des Detektors 4 Abbildung 2.2.: Foto des in dieser Arbeit verwendeten Detektors.Die schwarze runde Fläche ist das MCP und darunter sind die gespannten Kupferdrähte der Delay-line zu sehen. Diese Drähte sind durch Keramikisolatoren von einander getrennt.vor dem MCP befindet sich eine feines Kupfergitter.

9 Kapitel 2. Aufbau des Detektors Mikro-Kanal-Platten Detektor Mikro-Kanal-Platten 1 erlauben die örtliche und zeitliche Detektion geladener Teilchen und Photonen[20] Aufbau und Funktionsweise Ein MCP setzt sich aus vielen eng benachbarten Elektronenvervielfacherröhren zusammen. Jede dieser Röhren arbeitet unabhängig und kann mit einem eintreffenden Partikel wechselwirken. Alle Röhren sind an der Ober- und Unterseite leitfähig miteinander verbunden. Der Verstärkungsprozess basiert auf dem Prinzip des Sekundärelektronen- Vervielfachers. Hat das eintreffende Teilchen eine ausreichende kinetische Energie, so werden Elektronen aus der Wand des Kanals herausgeschlagen und durch eine angelegte Hochspannung beschleunigt. Dabei werden bei jeder Kollision des Elektrons mit der Kanalwand weitere Elektronen frei. Es kommt zu einem lawinenartigen Anstieg der Anzahl von Elektronen in einem Kanal. Die gesamte Flugzeit der Elektronen in einem Kanal beträgt weniger als eine Nanosekunde. Dabei sind die Bahnen, die die Elektronen zurücklegen, für gleiche Eingangsimpulse verschieden. Dieser statistische Effekt beeinflusst die Amplitudenverteilung der Ausgangsimpulse. Die resultierende Elektronenwolke tritt am Ausgang des Kanals aus und kann im einfachstem Fall mit einer Metallanode aufgefangen werden. Die Wand eines MCP Kanals besteht aus einem hochohmigen Halbleitermaterial(>> 10 9 Ω), das wie eine kontinuierliche Dynode wirkt. Die Verstärkung ist nicht von der Länge oder Breite eines Kanals abhängig, sondern nur von dem Verhältnis dieser beiden. Man kann also durch eine Miniatisierung des Kanals die gleiche Verstärkung erzielen wie mit einem wesentlich größer dimensionierten. Typische Werte für das Verhältnis aus Länge und Kanaldurchmesser(l/d) gehen von 40 bis 100. Entsprechend der Beschleunigungsspannung wird eine Verstärkung eines Kanals in der Größenordnung von 10 4 bis 10 7 Elektronen erreicht[21]. Überschreitet die Zahl der beschleunigten Elektronen einen kritischen Wert, so kommt es zur Abschirmung des Potentials der Dynoden. Diese Abschirmung ist so stark, dass die Elektronen nicht mehr genügend Energie aus dem Feld bekommen können, um weiter Elektronen aus der Wand zu schlagen. Diese Sättigungserscheinung führt dazu, dass es zu keiner weiteren Verstärkung mehr kommt. Die Folge ist, dass sich eine Gaußartige Verteilung der Pulshöhen der Ausgangsimpulse ergibt und die Verstärkung in einem großen Energiebereich unabhängig von der Energie der einfal- 1 im folgenden MCP(Micro-Channel-Plate) genannt

10 Kapitel 2. Aufbau des Detektors 6 lenden Partikel wird. Die sehr kurze Flugzeit der Elektronen in einem Kanal bestimmt die Anstiegszeit des Ausgangssignals und damit die maximal erreichbare zeitliche Auflösung. Da sehr viele mögliche Flugbahnen existieren, kommt es zu einer Variation der Anstiegszeit für gleiche Eingangspartikel. Durch die Übertragung der Signale und der Ausleseelektronik kommt es zu einer Verbreiterung der Anstiegs- und Abstiegszeit. Abbildung 2.3.: MCP Peakamplitudenverteilung für Xe MCP Spannung -2.2 kv ionfeedback Ist die Energie der vervielfältigten Elektronen groß genug, um Atome des Restgases zu ionisieren, kommt es zum sogenannten ionfeedback. Dabei werden die im MCP Kanal ionisierten Atome zum Kanaleingang hin beschleunigt und erzeugen weitere zeitlich verzögerte Pulse. Dies lässt sich unter anderem durch die Geometrie des Kanals verhindern: Durch Krümmung des Kanals, damit die Ionen nicht genügend Energie aufnehmen können, um neue Sekundärelektronen zu erzeugen. Diese curved MCP s sind allerdings aufwendiger in der Herstellung als MCP s mit geraden Kanalwänden[21]. MCP Konfigurationen Um die Gesamtverstärkung zu erhöhen, ordnet man mehrere Mikro-Kanal-Platten dicht hintereinander an. Die aus dem ersten MCP erzeugte Elektronenwolke wird in einem nächsten MCP weiter vervielfältigt. Limitiert wird die Verstärkung nur durch die oben beschriebene Kanalsättigung. Diese Anordnung hat einen weiteren Vorteil: Der oben beschriebene ionfeedback wird durch die Lage der Kanäle der beiden MCP zueinander effektiv verhindert. Durch die geneigten Kanäle und die Anordnung zweier übereinander liegender Kanäle ist die freie Weglänge für ein Ion nicht groß genug, um genügend Energie aus dem E-Feld aufzunehmen, um neue Elektronen aus der Wand heraus zu lösen. Die am häufigsten verwendeten MCP-Konfigurationen sind die Chevron und der Z-Stack. Dabei sind jeweils zwei bzw. drei MCP aufeinander gelegt[11]. Deren Abstand wird nur

11 Kapitel 2. Aufbau des Detektors 7 durch die Oberflächenrauigkeit begrenzt. Die Beschleunigungsspannung wird am obersten und untersten MCP angelegt. Es ist allerdings auch möglich, die Elektronen zwischen jedem MCP zusätzlich zu beschleunigen. Abbildung 2.4.: MCP Konfigurationen

12 Kapitel 2. Aufbau des Detektors Nachweiseffizienz Die Detektions-Effizienz eines MCP Detektors hängt von verschiedenen Faktoren ab. Die Art der zu detektierenden Teilchen bestimmt die Wahrscheinlichkeit, ob Sekundärelektronen aus der Wand heraus geschlagen werden. In Tabelle 2.1 ist für verschiedene Teilchenarten und Energien die Nachweiseffizienz für einen einzelnen Kanal angegeben. Durch geeignete Materialzusammensetzung der MCP-Kanalwand kann diese erhöht werden. Weitere, Größen die die Effizienz des MCP Detektors beeinflussen, sind[3]: i die Anzahl der Kanäle pro Detektorfläche 2, ii der Winkel des Kanals bezüglich der Oberfläche, je steiler der Kanal, desto mehr Reflexionen der Sekundärelektronen sind möglich iii die angelegte Beschleunigungsspannung bestimmt die Größe der Verstärkung, iv die Zeit, die zum Rücktransport der abgegebenen Ladung notwendig ist. Die Zeit, die nötig ist, um die fehlenden Ladungen eines Kanals wieder aufzubringen, lässt sich durch folgende Rechnung abschätzen: Wenn durch eine Verstärkung ca Elektronen aus der Wand entfernt wurden, ist eine Ladungsmenge von Q k = 10 7 e = 1, C nötig, um die Wand wieder aufzuladen. Beträgt der Widerstand des Kanals ca. R k = 53MΩ AnzahlderKanäle = 53MΩ 10 6 = Ω ergibt sich bei einer Betriebsspannung von 2, 4kV eine Aufladezeit von t = Q k R k U MCP = 1, 8ms. In dieser Zeit ist die Verstärkung dieses Kanals nur sehr gering. Dass dennoch eine Repetitionsrate von einigen MHz mit MCP s erreicht wird, liegt daran, dass die Kanäle unabhängig voneinander arbeiten. Dabei ist allerdings wichtig, dass nicht immer nur derselbe Kanal getroffen wird. Teilchen Art Energie Nachweiseffizienz Elektronen 0,2-2 kev 50-85% positive Ionen 0,5-2 kev 5-85% 2-50 kev 60-85% keV 4-60% Tabelle 2.1.: Nachweiseffizienz eines MCP Kanals [20] 2 open area ration OAR

13 Kapitel 2. Aufbau des Detektors Hochfrequenz Auskopplung Die Beschleunigungsspannung des MCP beträgt einige tausend Volt, die Größenordnung des zu messenden Signals beträgt nur wenige Millivolt. Um das hochfrequente Messsignal von der Gleichspannung zu trennen, wird ein Hochpass parallel zur Spannungsversorgung geschaltet. Siehe Abbildung 2.5 Abbildung 2.5.: Hochfrequenzauskopplung am Beispiel eines MCP-Kanals Delay-line Anode Der Ort der vom MCP erzeugten Ladungswolke wird mit einer hinter dem MCP befindlichen Delay-line Anode bestimmt Grundlegender Aufbau Bei der Delay-line Anode wird die Tatsache ausgenutzt, dass eine irgendwo auf einen Leiter gebrachte Ladung einen Spannungspuls verursacht, der sich zu beiden Enden der Leitung hin ausbreitet. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit dieses Pulses wird durch die Geometrie der Leiteranordnung und des umgebenden Mediums festgelegt[9]. Für einen einfachen Draht, der sich im Vakuum befindet, ist die Signalausbreitungsgeschwindigkeit gleich der Lichtgeschwindigkeit(ca. 299 mm ). Bei der in der Arbeit verwendeten Delay-line ns Anode ist der Leiterdraht wie eine Spule um zwei Keramikisolatoren gewickelt, so dass die gesamte MCP Fläche von dem aufgewickelten Draht erfasst wird. Diese Anordnung bildet einen so genannten Layer.In Abbildung 2.6 ist der Aufbau eines Layer dargestellt.

14 Kapitel 2. Aufbau des Detektors 10 Leitungsende Abbildung 2.6.: Schematische Darstellung eines Delay-line Anoden Layers. Die beschrifteten Abmessungen entsprechen der in dieser Arbeit verwendeten Delayline Anode. Der schraffierte Kreis entspricht dem vom MCP erfassten Ausschnitt des Layers. Ein Layer ermöglicht die Positionsbestimmung einer irgendwo aufgebrachten Ladung entlang einer Richtung, die immer orthogonal zur Richtung der Wicklungen ist. Der Drahtabstand zwischen den Windungen beträgt bei der verwendeten Delay-line Anode für jeden Layer 1 mm. Die vom MCP erzeugte Elektronenwolke wird auf dem Weg zwischen MCP und Delay-line Anode aufgeweitet, so dass der Durchmesser ca.7 mm beträgt. Mit dem angegebenen Abstand der Windungen werden sieben Windungen eines Layers von der Elektronenwolke getroffen. Die räumliche Verteilung der Elektronen innerhalb der Elektronenwolke ist näherungsweise Gauß-förmig. Weil dadurch mehrere Windungen getroffen werden, ist die Ortsauflösung nicht durch den Abstand der Windungen limitiert. Der resultierende Spannungspuls, der an dem jeweiligen Ende des Layers gemessen wird, setzt sich aus der Überlagerung der von jeder Windung erzeugten Spannungspulse zusammen. Für eine unverzerrte Ortsdarstellung ist wichtig, dass alle Windungen die gleiche Länge und den gleichen Abstand zueinander besitzen. Die Anzahl der Windungen bestimmt die Länge des Signallaufwegs und damit die Laufzeit der Signale auf einem Layer. Für die Geschwindigkeit der Ausbreitung entlang einer Richtung kann man eine effektive Ausbreitungsgeschwindigkeit(v ) definieren. Sie ergibt sich aus der Zeit, die ein Signal benötigt, um sich entlang einer Windung fortzubewegen und dem Weg, der dabei in eine festgelegte Richtung zurückgelegt wurde. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Signals ist über den gesamten Layer einer Delay-line nahezu konstant. Damit kann man

15 Kapitel 2. Aufbau des Detektors 11 Abbildung 2.7.: Einfacher Draht als Delay-line schematisch. Die Elektronenwolke -Q erzeugt einen Spannungpuls in dem Draht der sich nach beiden Seiten hin ausbreitet. Der Spannungspuls kann über den Kondensator ausgekoppelt werden. den Ort, an dem die Ladungen auftrafen, durch Messung der Laufzeiten(t R, t L ) des Spannungspulses an einem der beiden Enden der Leitung oder aus der Differenz der Pulslaufzeiten von beiden Enden bestimmen. Dabei ist die Summe der Laufzeiten der beiden Pulse konstant und entspricht der Signallaufzeit entlang der gesamten Länge(l) des Leiters[13]. Abbildung 2.8.: Delay-line(schematisch), zur 1-Dimensionalen Ortsbestimmung. t R und t L stehen für die Laufzeit der beiden auf der Delayline sich ausbreitenden Spannungpulse. X = v t R l 2 = l 2 v t L (2.1) X = v t R t L 2 (2.2) l = v (t R + t L ) = const.bzw.t = t R + t l = const. (2.3) Wird ein zweiter um 90 gedrehter Layer über den ersten gelegt, ist es möglich, die

16 Kapitel 2. Aufbau des Detektors 12 beide Koordinaten des Auftreffortes gleichzeitig zu messen. Jeder Ort auf dem Detektor kann durch die so gewonnenen Koordinaten eindeutig bestimmt werden. Abbildung 2.9.: Delay-line(schematisch) mit einem zweiten um 90 verdrehten Layer,zur 2-Dimensionalen Ortsbestimmung Lecherleitung Eine inhärente Eigenschaft der Delay-line Anode ist die Wechselwirkung mit der vom MCP erzeugten Ladungswolke. Ein einfacher unisolierter Draht erfüllt zwar diese Eigenschaft, nur ist durch eine fehlende Abschirmung die Signalübertragungscharakteristik ungenügend. Damit wird das zu übertragende Spannungssignal stark verfälscht. Das Spannungsignal in dieser Leitung entsteht durch den blitzartigen Einschlag der Elektronenwolke irgendwo entlang dieser Leitung. Der so entstandene Spannungspuls breitet sich dann innerhalb des Drahtes nach beiden Seiten aus. Entsprechend der Fouriertheorie setzt sich ein Puls aus der Überlagerung vieler Schwingungen verschiedener Frequenzen zusammen. Je kürzer die Anstiegszeit eines Pulses ist, umso mehr hochfrequente Anteile sind in dem Signal enthalten. Um dieses hochfrequente Signal möglichst unverfälscht zu übertragen, ist eine breitbandige Übertragungsleitung notwendig. Ein einzelner Draht ist für die Übertragung hochfrequenter Signale ungeeignet, da Störfelder von außen und hohe Energieabstrahlung das Signal überlagern und dämpfen[4]. Um eine Abschirmung bei gleichzeitiger Durchlässigkeit für die Elektronen des MCPs zu realisieren, wird parallel zum ersten Draht ein zweiter Draht hinzugefügt. Es entsteht eine Doppelleitung(Lecher Leitung).Dadurch verbessert sich die Übertragungscharakteristik der Delay-line Anode. Diese Leiteranordnung lokalisiert das Feld zwischen den beiden Leitern, so dass der Einfluss äußerer Störquellen vermindert wird. Weiterhin bewirkt diese Geometrie eine

17 Kapitel 2. Aufbau des Detektors 13 Absenkung der Signalausbreitungsgeschwindigkeit. An beiden Drähten wird eine unterschiedliche Spannung angelegt.die vom Hersteller empfohlene Potentialdifferenz beträgt 50V. Diese Differenz führt dazu, dass alle Elektronen des MCPs nur von einem Draht aufgenommen werden. Zur Vergrößerung des Verhältnisses von Signal zu Rauschen wird das Ausgangssignal durch Differenzbildung aus den Signalen der beiden Drähte gebildet. Dabei wird angenommen, dass äußere Störgrößen beide Drähte gleich beeinflußen und die Differenzbildung diese Störungen entfernt. Abbildung 2.10.: Delay-line als Lecherleitung Bestimmung der Signalausbreitungsgeschwindigkeit einer Lecherleitung Für eine Lecherleitung mit verschwindender Dämpfung folgt aus der Leitungstheorie[8], dass die Phasengeschwindigkeit nur durch die Induktivität(L ) und die Kapazität(C ) pro Länge bestimmt wird. v phase = 1 L C (2.4) Die Größen L und C hängen nur von der Geometrie und vom umgebenden Medium ab.herleitung im Anhang. L = L l = µ 0µ 1 π 4 + lnd r C = C l (2.5) = ɛ 0ɛπ ln( d r 1) (2.6) Für die Ausbreitungsgeschwindigkeit ergibt sich dann aus(2.5,2.6 und 2.4). µ = v phll = µ0 ɛ 0 ɛ ln( } {{ } dr 1) (ln( dr ) + 14 ) (2.7) c Für die in der Arbeit verwendete Delay-line beträgt d = 1 mm und r = 0,25 mm. Die Signalgeschwindigkeit wird somit auf das 0,74 fache der Lichtgeschwindigkeit herabgesetzt.

18 Kapitel 2. Aufbau des Detektors 14 Für die Abmessung der in dieser Arbeit verwendeten Delay-line Anode(Abbildung 2.6) ergibt sich aus dieser Signalgeschwindigkeit eine effektive Ausbreitungsgeschwindigkeit(v ) entsprechend der Formel 2.8 von ca. 0, 63 mm. Die Messungen dieser Signalaufzeit sind ns im Kapitel 5.4 zufinden. v = d 0, 74 c 2 b d Abstand zwischen zwei Windungen d = 1 mm b Länge des Delay-line Layers (2.8) Signal Auskopplung Die Auskopplung der Delay-line Signale erfolgt ähnlich wie bei dem MCP durch einen Hochpass. Die beiden ausgekoppelten Signale der Referenz- und Signalleitung werden anschließend durch eine Differenzverstärker verstärkt, um die Signalstörungen zu reduzieren Störungen des Pulses Einflüsse wie Rauschen, frequenzabhängige Dämpfung, Änderungen der Impendanz und Energieabstrahlung führen dazu, dass der zeitlich sehr kurze Ladungspuls(<1ns) des MCP s beim Durchlaufen der Delay-line zeitlich gestreckt und abgeschwächt wird. Durch die bandbreitenbeschränkte Verstärkung und die Registrierelektronik wird der Puls zusätzlich verbreitert. Die Folge ist, dass die genaue Bestimmung des Zeitpunktes, wann die Elektronenwolke auf die Delay-line auftraf, nicht möglich ist. Die Pulsverbreiterung verschmiert den Auftreffzeitpunkt. Ein konstanter zeitlicher Offset- das heißt eine konstante Verbreiterung- würde die Bestimmung des Ortes nicht beeinflussen. Durch Inhomogenitäten der Delay-line kommt es allerdings zu einer ortsabhängigen Verbreiterung des Pulses. Die Auflösung ist somit ortsabhängig. Wenn ein Ereignis nahe am Rand der Delay-line auftritt, ist die Laufzeit des einen Pulses sehr lang und des andern sehr kurz. Dadurch wird der Puls mit der langen Laufzeit abgeschwächt und verbreitert. Die Inhomogenitäten entstehen durch Fertigungstoleranzen (z.b. Spannen der Delay-line Drähte) und thermische Ausdehnung der Drähte. Dämpfung Die Amplitude des Spannungspulses wird durch den ohmschen Widerstand der Delay-line verringert. Die verwendete Delay-line besitzt einen Gleichstromwiderstand

19 Kapitel 2. Aufbau des Detektors 15 von ca. 17Ω. Da die steilen Flanken des Pulses auch hochfrequente(> 100MHz) Signalanteile bedingen, ist die Verkleinerung des effektiven Drahtquerschnittes durch den Skin- Effekt nicht mehr vernachlässigbar. Die hochfrequenten Signalanteile werden stärker gedämpft. Die Folge ist, dass die Flanken des Pulses abflachen. Die frequenzabhängige Leitfähigkeit entspricht einer Dispersion des Signals[19]. f 50 Hz 1 khz 20 khz 500 khz 10 MHz 200 MHz d 9,7 mm 2,1 mm 0,47 mm 0,094 mm 0,021 mm 0,0047 mm R Ω m 1, Ω m Ω m 0, 03 Ω m 0, 13 Ω m 0, 6 Ω m Tabelle 2.2.: Eindringtiefen und Widerstand pro Meter für verschiedene Frequenzen[11] Signal Reflexion Kommt es während der Ausbreitung des Signals zu einer Änderungen der Impendanz, führt dies an dieser Stelle zu einer teilweisen Reflexion des Signals. Das Reflektierte Signal überlagert sich mit dem Signal auf der Delay line. Dies macht sich durch zusätzliche kleine Spannungserhöhungen im Signal bemerkbar[19] Das Messwerterfassungssystem Die Aufgabe der Messelektronik ist die Bestimmung der Zeitpunkte, zu denen ein Teilchen auf das MCP aufgetroffen ist und wie lange es dauert, bis die daraus entstandenen Spannungspulse auf der Delay-line an beiden Enden eines Layers angekommen sind. Die traditionelle Verfahrensweise zur Bestimmung dieser Zeiten ist zuerst die Erzeugung definierter Rechteckpulse aus den analogen Signalen des Detektors mittels eines Constant Fraction Diskriminators. Die damit erzeugten Rechteckpulse werden anschließend an einen TDC übergeben, der die Zeit registriert, zu der ein Puls eingetroffen ist. Die gemessenen Zeiten werden dann zur Weiterverarbeitung in einen Computer übertragen[13]. Die in dieser Arbeit verwendete Technik zur Bestimmung der Zeitpunkte der Spannungspulse ist eine vollständig andere als die oben beschriebene. Die Spannungssignale des MCPs und der Delay-line Anode werden mit einem Analog Digital Wandler 3 digitalisiert, abgespeichert und anschließend mit einem Computer durch Softwarealgorithmen analysiert.dies bringt eine hohe Flexibilität in der Art und Weise, wie die Signale ausgewertet werden können. Die Digitizer besitzen insgesamt acht Eingangskanäle, von denen sieben durch den Detektor belegt werden(1xmcp 6xDelay-line Anode). Alle Eingänge können über einen gemeinsamen externen Trigger synchronisiert werden, so dass der 3 Desweiteren als Digitizer bezeichnet

20 Kapitel 2. Aufbau des Detektors 16 zeitliche Bezugspunkt für jede aufgezeichnete Signalfolge derselbe ist. Der Beginn einer Signalfolge- der zeitliche Nullpunkt- ist der Zeitpunkt, zu dem der Triggerpuls am Eingang anliegt. Weiterhin besteht die Möglichkeit, einen der acht Eingänge als Trigger zu verwenden.damit ist es möglich, das Signal des MCPs als Trigger der Aufzeichnung zu verwenden und gleichzeitig das MCP Signal aufzuzeichnen. Nach dem die sieben Signalfolgen aufgezeichnet wurden, wird die gesamte digitalisierte Signalfolge nach Spannungspulsen abgesucht und die charakteristischen Größen jedes Pulses abgespeichert. Diese Größen sind: Zeitliche Position, Amplitude und Halbwertsbreite. Die maximale Länge einer Signalfolge ist durch die Größe des internen Speichers der AD-Wandler beschränkt. Bei den hier verwendeten Digitizern beträgt die Größe des internen Speichers Samples. Bei einer verwendeten zeitlichen Auflösung von 250ps pro Abtastpunkt beträgt damit die maximale Aufnahmedauer 128 ms Analog-Digital Wandler Analog Digital Wandler weisen einem analogen Spannungswert einen entsprechenden digitalen Wert zu. Dies führt zu einer Diskretisierung des analogen Spannungssignals. Die wichtigsten Kenngrößen von AD Wandlern sind Abtastfrequenz und Spannungsauflösung. Die Abtastfrequenz gibt an, mit welcher zeitlichen Auflösung das analoge Spannungssignal abgetastet wird. Je größer die Abtastfrequenz umso hochfrequentere Signale können unverfälscht diskretisiert werden. Aus dem Nyquist-Shannonsche Abtasttheorem[4] folgt, dass eine unverfälschte Diskretisierung des analogen Spannungssignals nur möglich ist, wenn die Abtastfrequenz doppelt so groß ist wie die höchste in dem zu diskretisierenden Signal enthaltene Frequenz (f signal ). Die maximale Höhe der Abtastfrequenz(f samp ) wird durch die Elektronik des verwendeten Wandlers vorgegeben. f samp > 2 f signal Die Spannungsauflösung gibt an, in wie viele gleich große Teile der Eingangsspannungsbereich zerlegt wird und damit die Anzahl der Bits, die zur Darstellung des Eingangssignals verwendet werden. Je größer die Auflösung ist, umso kleinere Spannungsdiffernzen( V ) können zwischen zwei Abtastpunkten ermittelt werden. V = V max 2 res Eine weitere Kenngröße, die durch die verwendete Elektronik bestimmt wird und auf die man nur mittelbaren Einfluss hat,ist die effektive Anzahl an Bits- das heißt wie

21 Kapitel 2. Aufbau des Detektors 17 viele Bits können zur Kodierung der Spannungswerte verwendet werden. Abweichungen vom linearen Verlauf der Spannungskennlinie führen zu einer Beschränkung der maximal nutzbaren Bits. Dies betrifft Spannungen, die nahe am Ende bzw. Anfang des zulässigen Eingangsspannungsintervalls liegen. Deswegen empfiehlt es sich nicht, den gesamten nutzbaren Eingangsspannungsbereich zu verwenden. In dieser Arbeit wurden vier gleiche Digitizerkarten der Firma Acquirs verwendet mit der Modellbezeichung: DC252. Jede Karte besitzt zwei Eingangskanäle, einen externen Triggereingang und einen Anschluss zur Synchronisation mit weiteren Karten(AsBUS R ) der gleichen Modellreihe. Die Karten sind Einschübe für einen Crate und werden über eine PXI Schnittstelle mit der Hardware des Rechners verbunden. Der Rechner ist als Embedded-PC in dem Crate integriert. Abbildung 2.11.: Acqiris Crate mit vier Acqiris Digitizereinschüben. Der unterste Einschub ist der Embedded-PC zur Auswertung und Analyse der digitalisierten Signale Bestimmung der Orts- und Zeitkoordinaten Die Bestimmung des Zeitpunktes, wann ein Teilchen auf das MCP aufgetroffen ist, geschieht durch die Ermittlung der Position des Spannungspuls 4 in dem Signal des MCPs.Zur Bestimmung der Peakposition werden die im Kapitel 3 beschriebenen Verfahren angewendet. Der Triggerpuls legt den Nullpunkt des aufgenommenen Signals fest 4 Im weiteren als Peak bezeichnet

22 Kapitel 2. Aufbau des Detektors 18 und damit wie die ermittelten Positionen der Peaks zu interpretieren sind. Wird als Trigger der Zeitpunkt verwendet, zu dem ein Teilchen ionisiert wird, das anschließend auf das MCP trifft, so bedeutet die Position des Peaks aus dem Signal des MCPs die Flugzeit des Teilchens 5. Dabei sind die durch die Übertragungsleitung bedingten Verzögerungszeiten zu addieren. Die Ladungswolke, die aus dem MCP austritt und auf die Delay-line auftrifft, erzeugt an den beiden Leitungsenden jedes Layers der Delay-line Anode jeweils einen zeitlich zum MCP Puls verzögerten Spannungspuls. Dieser zeigt sich in dem aufgezeichneten Signal der Delay-line als ein negativer Peak. Die Position dieses Peaks innerhalb des Signals entspricht der Zeit, die seit dem Eintreffen des Triggerpulses vergangen ist. Diese Zeitspanne setzt sich folgendermaßen zusammen: Dauer vom Auslösen des Triggerpulses bis zum Auftreffen des Teilchens auf das MCP Dauer des anschließenden Verstärkungsprozess Flugzeit vom MCP bis zur Delay-line Anode Zeit, in der der erzeugte Spannunsgpuls auf dem Layer der Delay-line Anode das jeweilige Leitungsende erreicht hat Die Flugzeit vom MCP zur Delay-line und die Dauer der Verstärkung sind zur Bestimmung des Auftrefforts irrelevant, da sie für alle verstärkten Teilchen gleich sind und sich bei der Differenzbildung auflösen. Zur Verdeutlichung sind in Abbildung 2.12 das Signal vom MCP und die zwei Signale der beiden Leitungsenden des obersten Layers, die beim Auftreffen eines Ions entstehen, dargestellt. Die Position des Peaks in dem Signal des rechten Leitungsendes des oberen Layers wird mit u r bezeichnet, für den Peak aus dem linken Ende mit u l. Mit der Formel 2.9 lässt sich der Abstand des aufgetroffenen Teilchens bezüglich der Mitte des Layers berechnen. Mit den Peaks aus den paarweise zusammen gehörenden Signalen der beiden anderen Layer ist genau so zu verfahren(formel 2.10,2.11). Daraus ergeben sich drei Abstände(u, v, w) entlang dreier Achsen. Die Achsen liegen in einer Ebene und werden durch die Anordnung der drei übereinander liegenden Delay-line Layer gebildet, wie in Abbildung 2.13 schematisch dargestellt. Der Winkel zwischen den Achsen beträgt 60. Zur eindeutigen Beschreibung eines Punkts in der Ebene sind allerdings jeweils nur zwei der drei Koordinaten notwendig. Daraus ergeben sich drei mögliche Kombinationen dieser Koordinaten um einen Punkt eindeutig zu bestimmen. Die Koordinatentransformation von den Hexagonalkoordinaten in die kartesischen Ortskoordinaten zeigen die Formeln 2.12 bis Diese Redundanz der Ortsinformation dient zur Rekonstruktion 5 time of flight(tof)

23 Kapitel 2. Aufbau des Detektors 19 Amplitude in Digit t m Zeit in ns MCP Signal Amplitude in Digit u 100 Zeit in ns L Signal des obersten Layers der Delayline Anode linkes Leitungsende Amplitude in Digit u Zeit in ns R Signal des obersten Layers der Delayline Anode rechtes Leitungsende Abbildung 2.12.: Signal aus dem MCP und des obersten Layers von verlorenen Peaks. Näheres dazu im nächsten Abschnitt Im weiteren sind folgende Bezeichnungen für die Pulsposition aus den verschiedenen Signalen gewählt: Für die Position eines Peaks aus dem Signal des MCPs steht: t m Für die Peakpositionen aus den Signalen der Delay-line steht u l, u r, v l, v r, w l, w r wobei die Buchstaben u, v, w für den obersten, mittleren und untersten Layer stehen und l,r für die beiden Enden der Lecherleitung. u = u l u r 2 v = v l v r 2 w = w l w r 2 v U (2.9) v V (2.10) v W + offset (2.11) Der Offset aus Formel 2.11 stellt sicher, dass die drei verschieden Ortskoordinaten eines Ereignisses gleich sind. Die Bestimmung erfolgt durch die Variation des Offsetwerts bis die aus einer Messung ermittelten Koordinaten übereinstimmen. Der auf diese Weise ermittelte Wert beträgt bei der verwendeten Delay-line 1,5 ns.

24 Kapitel 2. Aufbau des Detektors 20 Abbildung 2.13.: Hex Koordinatensystem mit Delay-line

25 Kapitel 2. Aufbau des Detektors 21 X uv = u (2.12) Y uv = 1 (u 2v) 3 (2.13) X uw = u (2.14) Y uw = 1 (u + 2w) 3 (2.15) X vw = v w (2.16) Y vw = 1 (v + w) 3 (2.17) Multi Hits Treffen zwei Teilchen hintereinander auf die MCP, registriert die Aufnahmeelektronik an der Signalauskopplung der MCP zwei zeitlich versetzte Spannungspulse. Die zwei aus dem MCP austretenden Ladungswolken erzeugen auf jedem Layer abhängig vom räumlichem Abstand der Teilchen bis zu vier Spannungspulse. Wobei sich je zwei Pulse zu dem einen Ende und zwei zu dem anderen Ende des Layers bewegen. In Abbildung 2.14 ist aus einer Messung der zeitliche Verlauf der Spannung an den Hochfrequenzauskopplungen der MCP und den beiden Leitungsenden der Delay-line des obersten Layers zu sehen. Aus dem Abstand der beiden Peaks im Signal der MCP ist anzunehmen, dass zwei Ionen mit einem zeitlichen Abstand von ca. 60 ns auf die MCP aufgetroffen sind. Jedes Ion erzeugt ein Peak im Signal der MCP und ein Peak im Signal an jedem Ende eines Delay-line Layers. Allerdings ist nicht bekannt, welcher Peak aus dem Signal der Delay-line zu welchem Peak aus dem MCP Signal gehört. Weiterhin ist die Zuordnung der Peaks aus den beiden Signalen der Enden eines Layers nicht bekannt. Aus den Peakpositionen der beiden Delay-line Signalen ergeben sich aus den Formeln 2.9,2.10 oder 2.11 vier mögliche Positionen des Auftreffortes der beiden Ionen. Weiterhin existieren zwei mögliche Zeitpunkte, zu denen ein Ion an diesem Ort aufgetroffen ist.damit ergeben sich beim Auftreffen zweier Teilchen für die Berechnung des Auftreffortes und der dazu gehörigen Ankunftszeit in einer Dimension maximal acht mögliche Kombinationen der aus den Peakpositionen abgeleiteten Zeiten. Durch die konstante Gesamtsignallaufzeit auf einem Layer ist eine eindeutige Zuordnung der Peaks aus den Signalen der Layer zu einem MCP Signal und damit zu einem detektierten Teilchen möglich. Weil die Messung aller Signale gleichzeitig beginnt, ist der Bezugspunkt aller aus den Peakpositionen bestimmten Zeiten derselbe. Deswegen ist Zeitsumme laut Formel 2.3 um den Zeitpunkt,

26 Kapitel 2. Aufbau des Detektors 22 zu dem das Teilchen auf der MCP aufgetroffen ist, zu erweitern 2.18 bzw Dieser Auftreffzeitpunkt(t m ) wird, wie im vorigen Absatz beschrieben, für jeden Peak aus dem MCP Signal ermittelt. Mit dieser modifizierten Zeitsummenbedingung lassen sich die zusammengehörenden Peakpositionen aus den beiden Signalen eines Layer mit dem zugehörigen Peak aus dem MCP Signal finden. Amplitude in Digit MCP Signal t t Zeit in ns m m = 170 ns = 230 ns Amplitude in Digit Signal des obersten Layers der Delayline Anode rechtes Leitungsende u 250u r r Zeit in ns = 205 ns = 251 ns Amplitude in Digit Signal des obersten Layers der Delayline Anode linkes Leitungsende u Zeit in ns u l l = 319 ns = 244 ns Abbildung 2.14.: Verstärktes Ausgangssignal der Hochfrequenzauskopplung beim Auftreffen zweier Ionen MCP(oben) Delay-line Layer U l (mitten) U r (unten) In der Tabelle 2.3 sind alle möglichen Kombinationen der Peakpositionen aus den Signalen, die in der Abbildung 2.14 dargestellt sind, angegeben. Ziel ist es, die zwei Kombinationen auszuwählen, deren Summe gleich der bekannten Gesamtsignallaufzeit entspricht.sie beträgt für den ausgewählten Layer ca. 110 ns. Daraus folgt, dass die Peaks an der Position: t m = 170ns im MCP Signal,u r = 205ns im Signal des rechten

27 Kapitel 2. Aufbau des Detektors 23 und u l = 244ns des linken Layerendes zusammengehören. Zum zweiten Ereignis gehören die Peaks an den Positionen t m = 230ns, u r = 251ns und u l = 319ns. Anschließend lässt sich mit der Formel2.9 aus den zusammengehörenden Peakpositionen(u l, u r ) die Auftreffpositionen auf diesem Layer berechnen. T const! = u n l + u i r 2 t j m (2.18) u n l u i r t j m Peakposition des n ten Peaks aus dem Signal des linken Leitungsendes eines Delay Line Layers Peakposition des i ten Peaks aus dem Signal des rechten Leitungsendes eines Delay Line Layers Peakposition des j ten Peaks aus dem Signal der MCP u n l + u i r 2 t j m T const T (2.19) t m u r u l T const lt ns 205 ns 244 ns 109 ns 170 ns 205 ns 319 ns 184 ns 170 ns 251 ns 244 ns 155 ns 170 ns 251 ns 319 ns 230 ns 230 ns 205 ns 244 ns -11 ns 230 ns 205 ns 319 ns 64 ns 230 ns 251 ns 244 ns 35 ns 230 ns 251 ns 319 ns 110 ns Tabelle 2.3.: Mögliche Kombinationen der Peakpostitionen aus den Signalen der Abbildung 2.14 Eine sehr anschauliche grafische Darstellung dieses Verfahrens der Bildung aller möglichen Kombinationen erhält man durch das in Abbildung 2.15 dargestellte Diagramm. Dabei werden in einem kartesischen Koordinatensystem auf der Ordinate die gefundenen Peakpositionen aus dem Signal des linken Leitungsendes eines Layers und auf die Abszisse die des rechten Endes des gleichen Layers aufgetragen( z.b. für den U Layer u i l und u j r). Die (gedachten) von diesen Punkten ausgehenden horizontalen und vertikalen Linien schneiden sich in der u l, u r Ebene. Jeder Schnittpunkt steht für eine mögliche Kombination je zweier Zeitpunkte. Um den dazu passenden Peak aus dem Signal des MCPs zu finden trägt man für jeden Zeitpunkt(t j m) eines Peaks aus dem MCP Signal eine Gerade mit der Geradengleichung u l = g j (u r ) = u r + 2 t j m + T const auf. Schneidet eine Gerade g j einen Punkt aus der u l, u r Ebene, so erfüllt dieser Punkt die Gleichung

28 Kapitel 2. Aufbau des Detektors und ist demzufolge eindeutig dem entsprechenden MCP Peak zugeordnet. Die zwei weiteren Geraden, die diagonal von links unten nach rechts oben verlaufen, begrenzen den Bereich, in dem die Geraden g j der MCP Peaks die Punkte in der Ebene schneiden dürfen. Schneidet ein Punkt die g j -Geraden außerhalb dieses Bereichs, ist zwar die Gleichung formal erfüllt, nur ist die Kausalität nicht mehr erfüllt. Denn es gilt dann, dass der Peak im Signal der Delay-line zeitlich vor dem Peak aus dem MCP Signal liegt. Abbildung 2.15.: Kombinations-diagramm gebildet aus den Peakposition aus den beiden Delay line Signalen eines Layers und den zwei Peaks aus dem MCP Signal. Diese Art der übersichtlichen Darstellung des Prozesses der Peakkombination erlaubt es, komplexe Signale mit vielen enthaltenen Peaks zu analysieren und Algorithmen zur Verarbeitung der Signale daraus abzuleiten oder zu verbessern. Überlagerung der Spannungspulse auf dem Delay-line Layer Es ist nicht immer der Fall, dass zu einem einzelnen Peak aus dem Signal eines Leitungsendes des Delay-line Layers nur ein einziges Teilchen gehört.ist die zeitliche Differenz( T ), mit der zwei Partikel auf dem Detektor ankommen, gleich der Laufzeitdifferenz( U) der beiden Spannungspulse auf dem jeweiligen Layer geteilt durch die Signalausbreitungsgeschwindigkeit, kommen beide Spannungspulse gleichzeitig an einem Leitungsende dieses Layers

29 Kapitel 2. Aufbau des Detektors 25 an(2.20). Die Folge ist, dass im gemessenem Signal des einen Endes nur ein Peak auftaucht und in dem des anderen Endes zwei Peaks. Der einzelnen Peak gehört also zu beiden Partikeln. In Abbildung 2.16 ist dieser Vorgang schematisch dargestellt. Als Beispiel für dieses Ereignis sind in Abbildung 2.17 die Signale aus einer durchgeführten Messung und das aus den Peakpositionen gewonnene Kombinations-Diagramm mit den sich daraus ergebenden möglichen Kombinationen gezeigt. Im Signal der MCP sind zwei Peaks zu sehen. Dies deutet darauf hin, dass der Detektor zwei Ionen registriert hat. Im Signal des rechten Endes des oberen Delay-line Layers sind zwei Peaks sichtbar, im Signal des entgegengesetzten Endes ist lediglich ein Peak vorhanden. t q2 t q1 } {{ } T! = U v } {{ } x (2.20) Y rechtes Leitungsende tq1 q1 x X q2 tq2 linkes Leitungsende Abbildung 2.16.: Die beiden Elektronenwolken(q 1, q 2 ) aus dem MCP treffen zur Zeit t q1 bzw. t q2 auf die Delay-line auf. Sie erzeugen auf dem hier dargestellten Layer vier Spannungspulse von denen sich zwei nach links und zwei nach rechts entlang der Leitungen zu den Enden der Delay-line ausbreiten.

30 Kapitel 2. Aufbau des Detektors 26 MCP Signal Zeit in ns Kombinationsdiagramm Zeit in ns Delayline Signal oberster Layer rechter Kanal 0 Delayline Signal oberster Layer linker Kanal Zeit in ns Abbildung 2.17.: 2PulseKombiDia Ist die Bedingung aus 2.20 nicht exakt erfüllt, kommt es dazu, dass sich der einzelne Peak je nach räumlichem Abstand und Flugzeitdifferenz der beiden Teilchen in zwei Peaks aufspaltet. Die Größe dieser Aufspaltung lässt sich mit der Formel 2.21 für das linke und mit Formel 2.22 für das rechte Leitungsende berechnen. Dabei gilt: Der Abstand x der beiden Teilchen ist größer Null, wenn das zweite Teilchen links vom ersten Teilchen auftrifft, sonst ist x kleiner Null. P l = T x (2.21) P r = T + x (2.22) Die beiden Größen T und x werden durch das Experiment vorgegeben. Je kürzer der zeitliche und/oder räumliche Abstand der auftreffenden Teilchen ist, umso dichter sind die resultierenden Peaks in den gemessenen Signalen zusammen. Die verwendete Messelektronik bestimmt dabei, ab wann zwei Peaks getrennt aufgelöst werden können. Können die Peaks nicht getrennt werden, kommt es zu einer Verringerung der Ortsauflösung oder die Peaks sind nicht mehr durch die konstante Summenzeit einander zuzuordnen. Die Auflösung ist dadurch schlechter als die Auflösung des Detektors. In dem

31 Kapitel 2. Aufbau des Detektors 27 Diagramm 2.18 ist für verschiedene T der Abstand(P ) der beiden resultierenden Peaks im Signal eines Leitungsendes in Abhängigkeit vom Abstand der beiden Teilchen( x) aufgetragen. In der Darstellung wurde angenommen, dass zwei Peaks mit einem Abstand, der kleiner ist als 3 ns, nicht mehr getrennt als zwei Peaks im Signal aufgelöst werden können.wird eine der eingezeichneten Geraden mit konstantem T betrachtet, sieht man, dass mit kleiner werdendem Abstand der beiden Teilchen voneinander der Abstand der daraus resultierenden Peaks im Signal immer kleiner wird, bis beide Peaks zu einem zusammenlaufen. Ab einem bestimmten Abstand der beiden Teilchen vergrößert sich der Abstand der Peaks, bis sie wieder getrennt aufgelöst werden können. Die Grenzen, an denen die Peaks nicht mehr trennbar sind, markiert der grau schraffierte Bereich in der Darstellung Die sich daraus ergebende Ungenauigkeit in der Ortsangabe entlang der jeweiligen Layerdimension beträgt ca. 4,8 mm. Dies ist schlechter als die Auflösung des Detektors(ca.0,1 mm). Aus dem Diagramm folgt weiterhin: Treffen zwei Teilchen gleichzeitig auf den Detektor auf ( T = 0), so müssen sie mindestens einen Abstand von 2,4 mm haben, um eindeutig im Signal identifiziert zu werden. Umgekehrt gilt: Ist der Abstand zweier Teilchen geringer als 2,4 mm, so muß die zeitliche Differenz, mit der sie auf dem Detektor aufkommen, größer sein als 3 ns.

32 Kapitel 2. Aufbau des Detektors 28 Abbildung 2.18.: Peakabstand(P) in Abhängigkeit der Differenz des Auftrefforts( X) der beiden Teilchen für das linke Leitungsende(rote Linien) und das rechte(schwarze Linien). Für verschiedene Auftreffzeitdifferenzen( T ). Bildet man den schraffierten Bereich aus dem Diagramm 2.18 auf die von einem Layer aufgespannten Fläche ab, bekommt man die in Abbildung 2.19 dargestellten Illustrationen. Ist der Abstand des zweiten Teilchens bezüglich des ersten so, dass es in dem grau schraffierten Bereich landet, entsteht nur ein Peak in dem Signal des jeweiligen Leitungsendes. An welchem Leitungsende dieser eine Peak erscheint, hängt davon ab, ob das zweite Teilchen links oder rechts vom ersten aufgetroffen ist. Dieses gilt für jeden Layer, in Abbildung 2.20 ist dies für zwei um 90 zueinander verdrehte Layer dargestellt. Durch Hinzufügen eines dritten Layers ist es möglich, zur Berechnung des Auftrefforts die zwei Layer auszuwählen, bei denen es nicht zu dem Effekt des Peakverlustes kommt[10] siehe Abbildung 2.21.

33 Kapitel 2. Aufbau des Detektors 29 T < 3 ns T = 3 ns tq1 tq1 tq2 x tq2 x 2,4mm 4,8mm (a) (b) T = 10 ns tq1 8mm 5,6mm 8mm 5,6mm tq2 x 2,4mm 2,4mm (c) Abbildung 2.19.: Zwei Teilchen(q 1, q 2 ) treffen mit einem räumlichen Abstand von x auf den Detektor auf. Das erste Teilchen trifft zum Zeitpunkt t q1 und das zweite zur Zeit t q2 auf.( T = t q2 t q1 ) > 0. a) T = 0, b) T = 3, c) T = 10

34 Kapitel 2. Aufbau des Detektors 30 T = 10 ns tq1 2,4mm 2,4mm tq2 2,4mm 2,4mm Abbildung 2.20.: zwei übereinander liegende Layer V Layer tq1 tq1 tq2 W Layer U Layer Abbildung 2.21.: drei übereinadner liegende Layer

35 3. Signalanalyse In diesem Kapitel werden verschiedene Methoden zur Bestimmung der Position eines Peaks in einem Signal diskutiert Bestimmung der Peakposition Schwellenwert Methode(Discriminator) Bei dieser Methode wird die Position des Peaks durch den Zeitpunkt beschrieben, an dem die Spannung einen fest vorgegebenen Schwellenwert überschritten/unterschritten hat. Dieser Schwellenwert muß unterhalb der größten zu erwartenden Peakamplitude liegen und über dem Rauschen um die Grundlinie.Problematisch bei dieser Bestimmungsweise ist die Abhängigkeit der gefundenen Peakposition von der Amplitude des Peaks. In Abbildung 3.1 ist dies dargestellt. Abbildung 3.1.: Verschiebung( walk ) des Auslösezeitpunktes für zwei unterschiedlich hohe Peaks an der gleichen Position. 31

36 Kapitel 3. Signalanalyse Constant Fraction Discriminator Die heute am meisten verwendete Methode zur Bestimmung der Peakposition ist die des Constant Fraction Discriminator[12] 1. Anders als beim einfachen Discriminator wird beim CFD-Verfahren nicht das Überschreiten eines absoluten Schwellenwertes als Auslöser genommen, sondern das Erreichen eines festgelegten Verhältnisses aus Peakhöhe und Grundlinie. Das erlaubt die Bestimmung der Peakpostion unabhängig von der Amplitude des Peaks. Technisch umgesetzt wird dies durch das in Abbildung 3.2 skizzierte Verfahren. Dabei wird das Signal, das den Peak enthält, über zwei verschiedene Wegstrecken geleitet und in einem Komparator wieder zusammengeführt. Das Signal auf dem ersten Weg wird abgeschwächt und das auf dem zweiten Weg wird zeitlich verzögert und invertiert. Im Komparator wird die Summe beider Signale gebildet, der Nulldurchgang dieses Summensignals markiert die zeitliche Position des Pulses. Dieser Zeitpunkt ist unabhängig von der Höhe des Pulses. Das im Komparator entstehende Differenzsignal wird durch die Formel 3.1 beschrieben. Durch Anwendung dieser Formel lässt sich dieses Verfahren sehr leicht in Software mit den digitalisierten Signalen realisieren. Abbildung 3.2.: Elektronische Umsetzung des CFD Verfahrens. DEL: Signalverzögerung INV: Signalinvertierung ADD: Spannungsaddierer [12] D(t) = f S(t) S(t t d ) (3.1) S = S(t) Signal f Dämpfung des ersten Teilsignals f < 1 t d Verschiebung des zweiten Teilsignals t d > 0 Die Position des Peaks (t p ) ergibt sich aus der Bedingung: D(t) =! 0. 0 = f S(t) S(t t d ) (3.2) 1 im folgenden CFD abgekürzt

37 Kapitel 3. Signalanalyse 33 Entspricht der Peak in dem Signal(S(t)) der Form eines Gauß-Pulses, lässt sich der Auslösezeitpunkt in Abhängigkeit von der gewählten fraction(f) und Verzögerung (t d ) berechnen: Aus 3.2 folgt: t tm S(t) = A e ( σ ) 2 t p = σ2 lnf + t 2 d 2 t d + t m (3.3) Aus dieser Formel(3.3) folgt: Die Amplitude des Peaks hat keinen Einfluss auf die gefundenen Peakposition. Die Wahl der optimalen Werte für t d und f hängt von der Peakform und dem Signal-Rausch Verhältnis ab. Es gilt vereinfacht: Je verrauschter das Signal ist, um so größer muß t d und f gewählt werden. Das herkömmmliche CFD Verfahren versagt bei der Analyse zweier sehr dicht aneinander liegender Peaks. Dabei bestimmt die gewählte Verzögerungszeit(t d ) des CFD Signals die minimale Auflösbarkeit zweier benachbarter Peaks. Siehe Abbildung 3.3. Nur mit kleinen Verzögerungen können dicht benachbarte Peaks aufgelöst werden. 1.4 Simuliertes Signal Amplitude a.u Zeit a.u Ableitung t d = 1 t d = 2 t d = Amplitude a.u Zeit a.u Abbildung 3.3.: Resultierendes Signal aus der Überlagerung zweier eng benachbarter Peaks. Die Pfeile markieren die mit dem CFD-Verfahren ermittelten Auslösezeitpunkte. Die Farben entsprechen der gewählten Signalverzögerung(t d ) in Formel 3.1

38 Kapitel 3. Signalanalyse Extremwertsuche Dieses Verfahren entspricht dem CFD Verfahren, wenn als Verzögerungszeit der Abstand zwischen zwei Abtastpunkten gewählt wird und die Fraction eins beträgt. Es wird dann eine Differenziation des digitalisierten Signals durchgeführt. Die Stelle des Nulldurchgang des differenzierten Signals entspricht die Position des Peakmaximums oder Minimums. Durch die diskrete Abtastung des Signals ist der Nulldurchgang maximal auf die Genauigkeit des Abstands zweier Samples (reziproke Samplingfrequenz) bestimmbar. Eine Erhöhung der Genauigkeit ist durch eine Interpolation(Subsampling) zwischen den Samplingpunkten um den Nulldurchgang erreichbar. Die einfachste Interpolation ist eine Gerade zwischen den zwei Samples des differenzierten Signals oberhalb und unterhalb der Nulllinie(Abbildung 3.4). Die Nullstelle dieser Geraden entspricht der Position des Peakmaximums(minimums). Diese Art der Peakfindung ist sehr präzise und unabhängig von der Peakamplitude.Sie ermöglicht es, auch sehr dicht benachbarte Peaks in dem Signal zu finden. Aus diesen Gründen wurde dieses Verfahren in dieser Arbeit angewendete und ein Software-Algorithmus zur Peakfindung entwickelt. Die Umsetzung ist im Kapitel beschrieben. Das größte Problem bei dieser Methode ist, dass sie falsche -nicht existierende- Peaks findet, wenn das Signal Unstetigkeiten besitzt, was durch Rauschen immer der Fall ist. Unstetigkeit bedeutet, es kommt innerhalb weniger Samplingintervalle zu einem Vorzeichenwechsel in dem differnzierten Signal3.4. Jeder Wechsel des Vorzeichens markiert dabei die Position eines neuen Peaks. Dieses Verfahren kann deshalb nur erfolgreich eingesetzt werden, wenn das zu untersuchende Signal vorher durch einen Tiefpass-Filter geglättet wird. Dadurch werden alle hochfrequenten Signalanteile abgeschnitten und die Unstetigkeiten verringert. In Abbildung 3.4 ist beispielhaft das gefilterte und das Originalsignal dargestellt.

39 Kapitel 3. Signalanalyse Signal Spannung[bit] Ableitung Spannung [bit] Nulldurchgang Zeit [samp] Abbildung 3.4.: Im oberen Teil der Abbildung ist ein Ausschnitt aus dem Signal des MCP zu sehen. Die roten Sterne entsprechen den Samples des Originalsignals, die blauen Quadrate markieren die durch den Tiefpass gefilterten Signalsamples. Im unteren Bild ist das differenzierte gefilterte Signal dargestellt. Der Pfeil markiert die Position des Nulldurchgangs und damit die Position des Peakmaximums im aufgezeichneten Signal. Die weiteren Nulldurchgänge entsprechen der Position weiterer Maximas bzw Minimas im Signal. Durch die Wahl einer Mindest-Peakhöhe werden diese Peaks nicht als Peak eines Ereignisses interpretiert.

40 Kapitel 3. Signalanalyse Erweitere Positionsbestimmungen mittels Peakfit Diese Methode setzt die Position des Peaks im Signal als bekannt voraus. Sie kann aufbauend auf eine der oben beschriebenen Methoden verwendet werden. Um einen Peakfit durchzuführen ist es notwendig, dass die Form des Peaks, der angefittet werden soll, bekannt ist. Dies ist entweder über eine mathematische Beschreibung des Peaks oder durch einen Musterpeak möglich. Der von mir so benannte Musterpeak lässt sich aus der Analyse und der Normierung aufgezeichneter Peaks gewinnen. In Abbildung 3.5 ist die Entstehung solch eines Musterpeak aus dem Signal der MCP dargestellt. Es wurden dazu 500 Peaks ausgeschnitten, die Pulshöhen auf eins normiert und anschließend übereinander gelegt dargestellt. Dabei wurden die 100 Samples(25ns) vor dem Peakmaximum und 100 danach ausgeschnitten. Aus den 500 Samplewerten an jeder Sampleposition wird der Mittelwert gebildet. Der Musterpeak setzt sich aus der Abfolge der so gewonnenen mittleren Samplewerte zusammen normierte Amplitude Zeit(ns) Abbildung 3.5.: Bildung des Musterpeaks durch die Überlagerung von 500 normierten MCP Peaks. Der rote Musterpeak entsteht durch die Mittelung alle Peaks. Die Halbwertsbreite aller MCP Peaks beträgt ca. 5 ns.

41 Kapitel 3. Signalanalyse 37 Um einen Musterpeak an einen Peak aus dem Signal anzufitten, wird zuerst der Musterpeak an die bekannte Position des Peaks in dem Signal gesetzt. Anschließend wird die Position des Musterpeaks solange verändert, bis die Bedingung 3.4 erfüllt ist[14].die so gewonnene Position(n 0 ) des Musterpeaks kann als neue Position des Peaks im Signal betrachtet werden. N (S n m n n0 ) 2 minimal (3.4) n=0 N: Anzahl der Samples des Signalpeaks S n : n ter Samplewert aus dem Peak, der anzufitten ist (Signalpeak). m: Musterpeak n 0 : Verschiebung des Musterpeaks Bedeutungsvoller ist diese Methode bei der Bestimmung der Position zweier sehr dicht nebeneinander liegender Peaks, die durch die Extremwertmethode nicht aufgelöst werden können. Dabei ist die Annahme, dass sich der zu untersuchende Peak im Signal aus der Superposition zweier Musterpeaks ergibt, entsprechend der Formel 3.5.Durch die Summierung der beiden normierten Musterpeaks ist der daraus resultierende Peak nicht mehr auf eins normiert. Deshalb ist nach der Summation eine nochmalige Normierung notwendig. Das Amplitudenverhältnis und die Position der beiden Musterpeaks ist so zu wählen, dass der Signalpeak bestmöglichst durch die Summe der beiden Musterpeaks angenähert wird. Als Maß für die Übereinstimmung wird die oben beschriebene mittlere quadratische Abweichung gewählt. Siehe Formel 3.6. Nachteilig bei dieser Methode ist, dass sie sehr aufwendig ist und damit viel Rechenleistung beansprucht. Aus diesem Grund sollte sie nur angewendet werden, wenn bestimmte Kriterien erfüllt sind. Ein sehr wichtiges Kriterium ist die Halbwertsbreite des Peaks. Weicht sie signifikant von einer normalen Halbwertsbreite ab, ist eine genauere Peakanalyse mit dieser Methode sinnvoll. M n = m n n1 + a m n n2 max(m n n1 + a m n n2 ) N: Anzahl der Samples des Signalpeaks m: Musterpeak n1, n2: Position des ersten Musterpeaks,zweiten Musterpeaks a: Verhältnis der beiden Höhen der Musterpeaks 0 a 1 n = 0 (N 1) (3.5)

42 Kapitel 3. Signalanalyse 38 N (S n M n ) 2 minimal (3.6) n=0 In der Abbildung 3.6 ist beispielhaft der Fit an einen verbreiterten MCP Peak dargestellt. Die Halbwertsbreite des MCP Peaks beträgt 10 ns, was einer Verdopplung zur normalen Halbwertsbreite der MCP Peaks entspricht. Naheliegend ist, dass die Ursache für die Pulsverbreiterung zwei zeitlich sehr dicht eintreffende Teilchen sind. Um diese von beiden Teilchen erzeugten Peaks auflösen zu können, wurde der Signalpeak durch die Summe zweier Musterpeaks angefittet. Die Position dieser beiden Musterpeaks entspricht dem tatsächlichen Zeitpunkt zu dem die beiden Teilchen auf das MCP aufgetroffen sind. Dies wird durch die zwei Peaks in den dazugehörigen die Delay Line Signalen bestätigt normierte Amplitude Signal 2. Musterpeak 1. Musterpeak Summe der Musterpeaks normierte Summe der Musterpeaks Zeit (ns) Abbildung 3.6.: Mit diesem Programm durchgeführte Peakfit mit zwei Musterpeaks an einen gemessenen MCP Peak. Der rote Peak entspricht der normierten Summe der beiden Musterpeaks(grün,blau) für die die Bedingung 3.6 gilt. Der Abstand der Musterpeaks beträgt 3 ns.

43 Kapitel 3. Signalanalyse 39 Zeit (250 ps) Amplitude ( digit) Abbildung 3.7.: Hier Dargestellt das Signal des MCP(positiv) und die beiden Signale des obersten Delay-line Layers(negativ). Durch den Musterpeakfit werden beide Peaks aus denen sich der MCP Peak gebildet hat gefunden. Auf der Delay line sind jeweils zwei Peak zu sehen. Das bedeutet das zwei Ionen mit einem Zeitlichenabstand von 3 ns auf den Detektor trafen.

44 4. Software In diesem Kapitel wird beschrieben, wie die Daten der Digitizer ausgelesen werden und durch welche Algorithmen und Datenstrukturen die Weiterverarbeitung erfolgt. Die Software wurde in der Programmiersprache C geschrieben. Zur Erstellung des GUI 1 und der Thread-Verwaltung wurden die Bibliotheken von LabWindows R verwendet. Zur Berechnung der Fourier-Transformation wurde die externe und frei verfügbare FFTW 2 Bibliothek genutzt Software Schnittstellen der Acqiris Digitizer Um auf Programmebene die eingebauten Digitizer anzusteuern, bietet der Hersteller Acqiris eine Softwarebibliothek an. In dieser sind alle notwendigen Funktionen enthalten, um mit den Digitizern zu arbeiten[2]. Das ermöglicht eine einfache und schnelle Inbetriebnahme der Digitizer. Jede Messung mit einem Digitizer folgt dem hier angegebenen Ablauf: 1. Initialisieren des zu verwendeten Digitizers 2. Konfigurieren der Digitizer 3. Aktivieren des Digitizers zum Starten der Messung 4. Warten bis die Messung beendet ist 5. Auslesen des internen Speichers des Digitizer 6. Für eine weitere Messung zurück zu Punkt 3 Zur Realisierung jeder dieser Schritte bietet die zu den Digitizern mitgelieferte Software- Bibliothek die notwendigen Funktionen. Bei der Initialisierung werden alle eingebauten Digitizer gesucht und für den exklusiven Zugriff an das Programm gebunden. Zusätzlich wird für jeden Digitizer eine eindeutige Identifikationsnummer erstellt, über die man in den weiteren Programmfunktionen die Digitizer eindeutig adressiert. Sind mehrere Digitizer über den AsBus zu einem sogenannten Multi-Instrument miteinander verbunden, 1 Graphical User Interface 2 Fastest Fourier Transform in the West 40

45 Kapitel 4. Software 41 arbeiten die einzelnen Digitizer gemeinsam wie ein einziges Gerät mit der entsprechenden Gesamtanzahl an Kanälen. Auf Programmebene ist dabei auch nur ein Gerät mit einer Identifikationsnummer sichtbar. Zur Konfiguration gibt es mehrere Funktionen, bei denen man über die Funktionsparameter die entsprechenden Einstellungen an die Digitzer überträgt. Dabei gibt es Einstellungen, die alle Kanäle eines Digitizer betreffen. Die wichtigsten sind die Anzahl der Segmente, wie viele Samples ein Segment umfasst und die Abtastfrequenz. Die Größe der maximalen Eingangsspannung kann für jeden Kanal getrennt festgelegt werden. Als Trigger kann entweder das Signal von einem der beiden Eingänge dienen oder ein von außen an den externen Triggereingang angelegtes Signal. Die Triggerschwelle und mit welcher Flanke ein Triggerpuls ausgelöst wird, kann über eine weitere Funktion festgelegt werden. Nachdem die Konfiguration abgeschlossen ist, kann jeder Digitizer mit der Messung beginnen. Sind die einzelnen Digitizerkarten über den AsBUS zusammen geschaltet, genügt es, bei einer Digitizerkarte die Aufzeichnung zu aktivieren. Nach diesem Aufruf arbeiten die Digitizer autonom vom Programm und zeichnen solange Samples auf, bis ein festgelegtes Ende erreicht ist. Im normalen Betrieb ist das Ende erreicht, wenn die vorgegebene Anzahl an Segmenten erreicht ist. Wird kein Trigger festgelegt oder kommt kein Triggersignal an, warten die Digitizer solange, bis ein timeout erreicht ist und beenden dann die Aufzeichnung. Um das Programm mit der Messung zu synchronisieren, gibt es verschiedene in der Bibliothek enthaltene Funktionen. Eine einfach zu realisierende Möglichkeit wäre, mit dem Programm fortwährend den aktuellen Status der Digitizer abzufragen und nach Beendung der Aufzeichnung den Programmablauf fortzusetzen, um die Daten aus den Digitizer auszulesen. Der Nachteil dieser Variante ist, dass das Warten sehr viele Ressourcen beansprucht. Besser ist es, den Programmablauf anzuhalten, um die Ressourcen freizustellen.das Programm wird fortgesetzt, nachdem die Digitizer das Ende der Aufzeichnung der Signale an das Programm gemeldet haben. Dieses Verfahren wurde in dem hier erstellten Programm angewendet. Dabei wird nicht das gesamte Programm angehalten, sondern nur die Funktion, die für die Verwaltung der Digitizer zuständig ist. Die parallel dazu laufenden Funktionen, die die Daten vorhergehender Messungen auswerten, arbeiten unterbrechungsfrei weiter. Damit wird die Totzeit des Aufzeichnungssystems nur noch durch die spezifische Verarbeitungsgeschwindigkeit der Digitizer begrenzt. Näheres dazu im Kapitel 4.3. Nachdem das Programm festgestellt hat, dass die Digitizer die Messung beendet haben, kann der Speicher der Digitzer kanalweise ausgelesen werden. Die einzelnen Samples liegen dann als Folge von 16 -Bit-Zahlen im Speicher des Rechners 3. 3 In C entspricht dies einer Array- Datenstruktur mit dem Datentyp short

46 Kapitel 4. Software Implementierung der Software Die funktionellen Anforderungen an das Programm sind das Starten und Auslesen der Digitizer und parallel dazu das Speichern und Darstellen der Auftrefforte und Ankunftszeiten der Ionen. In Anlehnung an diese Forderungen wurde das Programm in vier getrennte Module aufgeteilt. Jedes Modul setzt sich aus Funktionen und Datenstrukturen zusammen, die die jeweiligen Aufgaben erfüllen. Zwischen den in verschiedenen Modulen enthaltenen Funktionen besteht keine Abhängigkeit. Dies hat den Vorteil, dass einzelne Teile des Programms auch in anderen Programmen weiter verwendet werden können. Um das Programm zum Beispiel mit andern Digitizern zu nutzen, ist es nur notwendig, das Modul zur Steuerung der Digitizer entsprechend anzupassen oder neu zu schreiben. Alle anderen Module können unverändert weiter verwendet werden. Ein weiteres Anwendungsszenario wäre lediglich, das Modul zu Steuerung und Verwaltung der Daten der Digitizer zu nutzen und die Module zur Datenanalyse neu zu programmieren. Dadurch können die Digitizer mit dieser Software auch an anderen Detektoren verwendet werden. So ist das Programm für zukünftige Anwendungen offen und flexibel anpassbar. Die Aufgaben an die einzelnen Module sollen hier noch einmal zusammengefasst werden: A) Ansteuerung der Digitizer und Verwaltung der aufgezeichneten Spannungssignale B) Abspeichern der digitalisierten Daten auf der Festplatte in verschiedenen Dateiformaten C) Analyse der Signalfolgen und die Bestimmung der Ortskoordinaten und Ankunftszeiten. D) Darstellung der Ortskoordinaten als Detektorbild und die Ankunftszeitpunkte beispielsweise als time of flight

47 Kapitel 4. Software 43 Die programminterne Speicherung und der Austausch der gemessenen oder errechneten Daten zwischen Funktionen verschiedener Module erfolgt über ein Objekt vom Typ einer Datenstruktur mit dem frei erfundenen Datentypnamen MData 4. In C entspricht dies einer Struktur 5. Eine Struktur fasst mehrere Variable mit verschiedenen oder gleichen Datentypen zu einem neuen Datentyp zusammen. Damit lassen sich Werte(Variable), die logisch zusammen gehören, programmiertechnisch zusammenfassen. Zur Auswertung und Archivierung einer Messung sind die folgenden Angaben notwendig: Zeitpunkt des Beginns der Messung Signalfolgen aus den Eingängen der Digitizer Anzahl der aufgezeichneten Triggerpulse Zeitpunkt der einzelnen Triggerpulse Die MData Struktur bündelt alle zu einer Messung gehörenden Informationen 6 und erleichtert dadurch die interne Verwaltung der gemessenen Signale. Bei dem hier verwendeten experimentellen Setup steht ein MData Objekt für eine Satz von sieben Signalen aus den Digitizern. Jedes Signal setzt sich zusammen aus N Segmenten mit je S Sample. Jedem Segment ist eine Zeit zugeordnet, die durch die interne Uhr der Digitizer mit einer picosekundengenauen Auflösung zur Verfügung gestellt wird. Diese Zeit entspricht der Dauer, die seit dem Anschalten der Digitizer vergangen ist. Die Zuordnung der Kanalnummern der Digitizer zu den Ausgängen des Detektors ist in Tabelle 4.1 angegeben. Im Programm bzw. in einem MData-Objekt werden die einzelnen Signale von den verschiedenen Kanälen über einen Index adressiert. Detektor Anschluss Digitizer Kanalnummer Index MCP Signal 1 0 DLD Layer U links 2 1 DLD Layer U rechts 3 2 DLD Layer V links 4 3 DLD Layer V rechts 5 4 DLD Layer W links 6 5 DLD Layer W rechts 7 6 Tabelle 4.1.: Kanalzuordnung zwischen Detektor und Digitizer 4 MeassuredData 5 Schlüsselwort in C: struct 6 Im Anhang A.1 ist der C-Quellcode zu dieser Struktur angegeben.

48 Kapitel 4. Software 44 Interne Verwaltung der MData Objekte Bei jeder Akquisition entsteht ein Satz von Signalen, die in einem neuen MData Objekt zusammengefasst werden. Dabei bleibt der von diesem Objekt benötigte Speicher solange belegt, bis die Signale verarbeitet wurden und auf einem Datenträger gesichert oder zu verwerfen sind. Da die Verarbeitung der Signale länger dauert als das Messen und Übertragen von den Digitizern in den Speicher des Rechners, ist ein Puffer notwendig. Dieser erlaubt es, eine neue Messung zu beginnen, obwohl die vorhergehende noch nicht vollständig verarbeitet wurde. Der Puffer arbeitet nach dem Prinzip einer Ablage.Dabei werden kontinuierlich neue Messungen hinzugefügt. Die Datenverarbeitungsfunktionen entnehmen fortwährend alte Messungen aus diesem Puffer. Das grundlegende Verarbeitungsprinzip ist das FIFO 7 Prinzip: Die Messung, die als erstes abgelegt wurde, wird auch als erstes verarbeitet. Programmiertechnisch wurde dies mit der abstrakten Datenstruktur einer doppelt verketteten Liste gelöst.eine Liste realisiert man dadurch, dass den Objekten, aus denen sich die Liste zusammensetzt, zusätzlich zu den Daten noch ein Verweis auf ein nächstes Objekt des gleichen Datentyps hinzugefügt wird. In Abbildung 4.1 ist der schematische Aufbau einer doppelt verketteten Liste dargestellt. Der Zugriff auf ein einzelnes Elemente innerhalb der Liste geschieht ausschließlich über einen außerhalb der Liste bekannten Verweis auf das erste Element. Anschließend folgt man solange den Verweisen zu dem nächsten Element, bis das gewünschte Element gefunden wird. Die Liste stellt den Puffer dar. Die Datenakquisitionsfunktion fügt am Ende der Liste die aktuell aufgezeichnete Messung an, und die Verarbeitungsfunktionen entnehmen immer das erste Element der Liste. Im Programm ist vorgesehen, dass mehrere Threads der Verarbeitungsfunktionen gleichzeitig verschiedene MData Objekte verarbeiten. Der Zugriff auf die Liste durch die verschiedenen (Thread-)Funktionen ist in Abbildung 4.2 verdeutlicht. Bevor auf die Liste zugegriffen werden darf,muss sie blockiert werden( lock ).So wird die Konsistenz der Liste bei gleichzeitigem Zugriff verschiedener Funktionen auf sie garantiert. Dadurch kann ausschließlich die Funktion, die die Liste blockiert hat, auf diese zugreifen. Ist der Zugriff abgeschlossen, wird die Liste wieder freigegeben( unlock ), um anderen Funktionen den Zugriff wieder zu gestatten. 7 First in First Out

49 Kapitel 4. Software 45 Begin Ende 1. MData Objekt 2. MData Objekt.. NULL Abbildung 4.1.: doppelt verkettete Liste Puffer(Liste) MData Objekt MData Objekt.. Ende MData Objekt MData Objekt MData Objekt AcquierData() Thread Funktion oder LoadData() Thread Funktion ProcessData() Thread Funktion #1 ProcessData() Thread Funktion #2. MData Objekt,Koordinaten,Peak Position etc. ProcessData() Thread Funktion #N Signale Digitizer Datenträger zb. Festplatte Detektor Abbildung 4.2.: Datenverlaufsplan des Programms. Die beschrifteten Pfeile stehen für die Transportwege der Daten zwischen den jeweiligen Funktionen. Für die Datenverarbeitungsfunktionen(DataProcessingThread()) ist es unerheblich,ob die Daten(Signale) aus den Digitizern(AcqDataThread())kommen oder von der Festplatte aus vorigen abgespeicherten Messungen. Jede in den Rechtecken angegebene Funktion läuft dabei parallel zu allen anderen. Es ist möglich, mehrere(n-stück)dataprocessingthread() Funktionen gleichzeitig parallel laufen zulassen.

50 Kapitel 4. Software 46 Datenakquisition mit den Digitizern Die Datenakquisition erfolgt nach einem fest vorgegebenen Schema, wie es im Abschnitt 4.1 beschrieben wurde. Um dieses Schema als Programm zu realisieren, wurde eine Funktion programmiert, in der nacheinander die beschriebenen Schritte ausgeführt werden. Die Funktion trägt den frei erfundenen Namen: AcqDataThread(). In ihr finden die Aufrufe der Bibliotheksfunktionen statt, um die Digitizer anzusteuern. Weiterhin werden von der Funktion die aus den Digitzern ausgelesenen Signale in einem neu erzeugten MData Objekt zusammengefasst und in dem globalen Puffer abgelegt. Die Funktion beginnt dabei immer wieder von vorn mit dem Starten neuer Messungen und dem anschließenden Auslesen, so lange bis die Messung durch den Benutzer oder einen Fehler abgebrochen wurde. Kommt es dazu, dass der Puffer voll ist, also das keine Speicher mehr zur Verfügung steht, wartet die Funktion solange mit dem Akquirieren neuer Daten, bis wieder genügend Speicher zur Verfügung steht. Die Abfolge dieser Schritte ist im Programmablaufplan A.2 im Anhang A.4 dargestellt. Für die genaue Implementierung dieser Funktion sei auf den Quellcode im Anhang A.4 verwiesen. Verarbeitung der akquirierten Daten Um die von der Akquisitionsfunktion im Puffer abgelegten Daten zu verarbeiten, wurde eine weitere Funktion erstellt. Sie trägt den frei erfundenen Funktionsnamen: DataProcessingThread(). Ihre Aufgabe ist es, regelmäßig zu überprüfen, ob sich Daten im Puffer befinden, diese dann aus dem Puffer zu nehmen und die darin enthaltenen Signale auszuwerten und/oder auf einem Datenträger abzuspeichern, um den belegten Speicher wieder frei zu geben. Dazu werden innerhalb dieser Funktionen weitere Funktionen aufgerufen, die beispielsweise die Signale nach Peaks absuchen und aus diesen Peaks anschließend die Koordinaten oder das time of flight des Teilcheneinschlags berechnen. Im Anhang A.4 ist in der Abbildung A.2 der Programmablaufplan und der Programmkode dieser Funktion angegeben. Die Funktion läuft ähnlich wie die Akquistionsfunktion(AcqDataThread()) als Thread parallel zum Programm.Der Unterschied liegt darin,dass es möglich ist, mehr als einen Thread dieser Funktion parallel laufen zu lassen. Jeder Thread dieser Funktion entnimmt sich fortwährend ein MData Objekt aus dem Puffer und verarbeitet die darin enthaltenen Daten. Durch diese Aufteilung der Aufgaben wird die Hardware des verwendeten Rechners maximal ausgelastet. Damit die einzelnen Threads möglichst effektiv arbeiten können, ist es sinnvoll, Rechner zu verwenden, die mehr als einen CPU bzw. mehrere CPU-Kerne besitzen. In dieser Arbeit wurde ein Rechner mit einem Prozessor- bestehend aus zwei CPU-Kernen- verwendet.die beiden Datenverarbeitungsthreads können damit theore-

51 Kapitel 4. Software 47 tisch unterbrechungsfrei 8 zwei Messungen gleichzeitig verarbeiten Der Peakfindungs- Algorithmus Um die Position der Peaks in den Signalen zu bestimmen, wurde in diesem Programm das im Abschnitt beschriebene Verfahren umgesetzt. Dabei wird die erste Ableitung des geglätteten Signals berechnet und anschließend die Nullstellen dieser Ableitung gesucht. Die Ableitung des Signals wird durch die Differenz aufeinander folgender Samples berechnet(formel 4.1).Um das Signal zu glätten, wird ein Software- Tiefpassfilter auf das Signal angewendet. Dieser berechnet durch eine Fouriertransformation das Spektrum des Signals. Anschließend werden alle Spektralanteile, die größer als eine festgelegte Grenzfrequenz sind, auf Null gesetzt. Aus dem so veränderten Spektrum wird durch die inverse Fouriertransformation das geglättete Signal gebildet. Dennoch würde das immer noch vorhandene Rauschen Peakfunde produzieren, die nicht von einem Ereignis auf dem Detektor stammen können. Deswegen kann durch einen Schwellenwert festgelegt werden, welchen Wert ein Sample mindestens haben muss, um als Peak erkannt zu werden. In der Abbildung 4.3 ist der beschriebene Algorithmus als Programmablaufplan dargestellt. Im Anhang A.5 ist der zugehörige Quellcode angegeben. S n = S n+1 S n (4.1) S n Wert des n ten Samples aus dem gefilterten Signal. 0 n < Segmentlänge Bestimmung der Koordinaten eines Ereignisses Die grundlegenden Prinzipien zur Bestimmung der Ortskoordinaten eines Partikeleinschlags auf dem Detektor wurden im Kapitel 2.4 behandelt. An dieser Stelle wird beschrieben, wie dies im Programm umgesetzt wurde. Nachdem die Signalfolgen aus den Digitizern ausgelesen wurden und in einem MData Objekt zusammengefasst im Speicher vorliegen, können die Verfahren aus dem Kapitel 3 zum Finden der Position der einzelnen Peaks auf die gemessenen Signale angewendet werden. Dabei werden nacheinander für jeden Kanal die einzelnen Segmente nach Peaks abgesucht und bei einem Fund wird die zeitliche Position 9,Amplitude und Halbwertsbreite in einem weiteren Array abgespeichert. Damit ergibt sich geordnet nach Kanälen und 8 Andere auf dem Rechner laufende Programme bzw. Prozesse führen dennoch zu kurzen Unterbrechungen 9 bezüglich des Triggerpulses

52 Kapitel 4. Software 48 digitalisiertes Signal Tiefpass Filter geglättetes Signal: S n Sn > Schwellwert nein ja Berechne Ableitung: D 1 = S n+1 - S n D 2 = S n+2 - S n+1 D 1 < 0 und D 2 >= 0 nein ja Peak zwischen n und n+1 gefunden. n=n+1 Gerade zwischen S n und S n+1 Peakposition=Nullstelle d. Gerade Peakposition =1+n-D 1 /(D 2 -D 1 ) ja n < Segmentlänge-2 Peakposition sichern nein Funktion beendet Abbildung 4.3.: Algorithmus zum Finden eines Peaks in einem digitalisierten Signal. Dabei wird angenommen, dass der Peak positiv ist. Die Anzahl der Samples, die das Signal umfasst, entspricht der Segmentlänge. Der Nulldurchgang des abgeleiteten Signals wird durch die Nullstelle der angelegten Geraden berechnet.

53 Kapitel 4. Software 49 für jedes Segment eine Tabelle 10 mit allen gefunden Peaks. Im Anhang A.2 ist die genaue Implementierung der Datenstruktur zum Speichern der charakteristischen Peakgrößen angegeben. Nachdem die Position aller Peaks ermittelt wurde, werden durch Anwendung der Gleichung 2.18 jeweils die Peaks aus den beiden Signalen eines Layers und des MCP Signals ausgewählt, die die Gleichung erfüllen. Dabei müssen alle Kombinationen, die mit den Peakpositionen aus den jeweils drei Kanälen möglich sind, gebildet werden. Die Kombination der Peakpositionen geschieht im Programm durch drei ineinander geschachtelte Schleifen, die jeweils über alle Einträge in der einem Kanal zugeordnetem Peaktabelle laufen. In Abbildung 4.4 ist der Vorgang für drei Peaktabellen mit je drei enthaltenen Peakpositionen dargestellt. Dieses muss für jeden Layer durchgeführt werden. Kanal 1 T m 1. Peak 2. Peak 3. Peak Peakpositionen aus dem Signal des MCPs Kanal 2 U r 1. Peak 2. Peak 3. Peak Peakpositionen aus dem Signal des obersten Delayline Layers rechtes Leitungsende Kanal 3 U l 1. Peak 2. Peak 3. Peak Peakpositionen aus dem Signal des obersten Delayline Layers linkes Leitungsende Abbildung 4.4.: Mögliche Kombinationen dreier Peaks aus drei Signalen. Dabei bedeutet 1.Peak die Position des ersten Peaks in dem entsprechenden Signal. Die Peakpositionen werden miteinander laut Formel 4.4 kombiniert. Durch den Ausschluss von bestimmten Kombinationen lässt sich die Anzahl der zu überprüfenden Kombinationen verringern und damit die Programmlaufzeit verbessern. Die zusammengehörenden Peaks werden in einer weiteren Tabelle zusammengefasst. Der Aufbau der Tabelle ist in Abbildung 4.5 schematisch dargestellt. Dabei werden immer die zusammengehörenden Peaks aus den drei Delay-line Layern mit dem dazugehörigen Peak aus dem MCP Signal zu einer Zeile in der Tabelle zusammengefasst. Sind die Peaks in dieser Form zusammengefasst, erlauben es die Formeln 2.11 die Koordinaten des registrierten Teilchens entlang der drei Layerdimensionen auszurechnen. Mit den Gleichungen 2.17 können die hexagonalen Koordinaten in die zugehörigen kartesischen umgewandelt werden. 10 Tabellen werden in der verwendeten Programmiersprache durch die Datenstruktur Array realisiert

54 Kapitel 4. Software 50 T m U r U l V r V l W r W l 1.Peak 1.Peak 2.Peak 1.Peak 1.Peak 1.Peak 2.Peak 3.Peak 2.Peak. 2.Peak 3.Peak 1.Peak 3.Peak 2.Peak 3.Peak 3.Peak 2.Peak 2.Peak 3.Peak 1.Peak 3.Peak Abbildung 4.5.: Aufbau der Tabelle, die alle Peakpositionen, die die Bedingung 2.18 erfüllen, zusammenfasst. Dabei steht der Eintrag 1.Peak für die Peakposition des ersten im Signal gefundenen Peaks. Aus welchem Signal der jeweilige Peak stammt, gibt der Tabellenkopf an Performance des Programms Eine bedeutende Größe zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit des Detektors 11 ist, wie viele Ereignisse pro Zeitabschnitt registriert und aufgezeichnet werden können. Die technische Umsetzung der Signalaufzeichnung innerhalb der Digitizer bedingt allerdings eine Unterbrechung bei der Aufzeichnung. Unterbrechungen finden immer dann statt, wenn der interne Speicher der Digitizer voll ist und die Daten in den Speicher des Rechners übertragen werden müssen. Während dieser Übertragung können keine aus dem Detektor kommenden Signale registriert werden. Die Dauer der Übertragung wird nicht nur von den Digitizer bestimmt, sondern auch sehr stark von der Taktfrequenz des in dem Rechner verbauten CPUs und der Bandbreite der BUS-Verbindungen zwischen den Digitizern und der restlichen Hardware. Weiterhin beeinflusst auch die Auslastung des Rechners durch die laufende Anwendung die Geschwindigkeit der Datenübertragung. Durch die Formel 4.2 lässt sich die Übertragungszeit grob abschätzen. Die dort verwendeten Werte sind lediglich Richtwerte, deren exakte Bestimmung schwierig ist. Zur Datenübertragung auf dem PCI Bus des verwendeten Rechners wurde der DMA 12 Modus aktiviert. Dieser erlaubt es, die Daten sehr schnell direkt in den Arbeitsspeicher des Rechners zu kopieren, ohne das dabei die CPU belastet wird. T t = Ovhd DMA + M Ovhd puffer + M(N + Extra) Xfr + M N Cpy (4.2) 11 DLD+MCP und Digitizer 12 Direct Memory Access

55 Kapitel 4. Software 51 Ovhd DMA : Durch die Übertragung im DMA-Modus bedingte zusätzliche Verwaltungszeit(ca. 50ms/CP UT akt in MHz). M: Anzahl der zu übertragenden Segmente. N: Anzahl der Samples pro Segment. Ovhd puffer : Zeit zur internen Verwaltung des Speichers der Digitizer (ca. 2, 5ms/CP UT akt in MHz) Extra Zusätzlich zu übertragende Daten eines DMA Pakets (ca. 300 Samplingf requenz(in GHz) + 194). Xfr: Zeit, um ein Byte auf dem PCI Bus 13 bis zum Arbeitsspeicher zu übertragen (ca. 1,9 ns ). Cpy: Zeit, um ein Byte in den Arbeitsspeicher zu kopieren (ca. 5µs/CP UT akt in MHz). Die Taktfrequenz der in dieser Arbeit verwendeten CPU beträgt 1600 MHz. Daraus ergibt sich zur Übertragung einer Messung, bestehend aus 1000 Segmenten zu je 200 Samples bei einer Samplingfrequenz von 4 GHz, eine theoretische Übertragungszeit pro Kanal von T t = 5, 407ms. Ovhd DMA M Ovhd puffer M(N + Extra) Xfr M N Cpy T t 0,031 ms +1,563 ms +3,188 ms +0,625 ms =5,407 ms Die Laufzeit der Akquisitionsfunktion(AcqDataThread()) wird hauptsächlich durch diese Übertragungszeit bestimmt. Nachdem die Daten im Arbeitsspeicher vorliegen, kann das Programm auf diese zugreifen und sie verarbeiten. Dabei ist wichtig, dass die Verarbeitung der bereits gemessenen Daten so schnell wie möglich geschieht. Als Grenze gilt, dass die Verarbeitung maximal solange dauern darf wie die Aufzeichnungsdauer der Digitizer inklusive der Übertragung der Daten. Wird diese Grenze überschritten,füllt sich der Puffer des Programms immer weiter, bis kein freier Speicher mehr zu Verfügung steht. Dadurch wird die Messung unterbrochen, bis sich der Puffer wieder geleert hat. Im Abschnitt 5.2ist das Laufzeitverhalten des Programms und die Auslesezeit für verschiedene Konfigurationen der Digitizer dargestellt. 13 Übertragungsrate PCI V2.3 66MHz: Bytes/s

56 Kapitel 4. Software Speicherung der Signalfolgen Das Programm bietet die Möglichkeit, zur Laufzeit die Signale in einer Datei auf dem Rechner abzuspeichern. Dabei werden kontinuierlich die gemessenen Signale in eine Datei geschrieben.dies geschieht durch einen Funktionsaufruf in der DataProcessingThread() Funktion. Es zeigte sich, dass es nicht nötig ist, das gesamte Signal in seiner vollen Länge abzuspeichern. Es genügt, die Samples und die Position des ersten Samples eines Peaks zu speichern und das Rauschen um die Grundlinie zu ignorieren. Damit reduziert sich die Menge der abzuspeichernden Samples auf ca. 10 Prozent der Ausgangsmenge. Die einfachste Umsetzung dieser Reduktion ist es, dass alle Samples, die unter oder über einem festgelegten Wert liegen, übersprungen werden. Siehe Abbildung 4.6. Mit diesem Verfahren ist es möglich, sehr effizient die Datenmenge zu reduzieren. Dadurch wird Speicherplatz gespart und die Übertragungszeit verringert. Die Dauer zum Abspeichern der aufgezeichneten Samples auf einen Datenträger ist dadurch ähnlich schnell wie die Übertragung der Daten aus den Digitizern in den Arbeitsspeicher.

57 Kapitel 4. Software 53 Abbildung 4.6.: Arbeitsweise der Datenreduktion durch einen festen Schwellwert von 400. Alle Samples, die unter diesem Wert liegen, werden nicht mit abgespeichert.die ersten 20 Samples, die vor und nach dem Peak liegen, werden aber dennoch mit abgespeichert.

58 Kapitel 4. Software Schnittstellen zur Erweiterung des Programms Die Erweiterung des Programms ist leicht möglich, da der gesamte Programmcode vorliegt, aus dem sich das Programm ergibt. Die Schnittstellen innerhalb des Programmcodesalso die möglichen Punkte, an denen neue Funktionalitäten hinzugefügt werden könnensind durch den modularen Aufbau klar definiert. Die Datenstruktur zur internen Verwaltung der Signale einer Messung zusammen mit dem gloabalen Puffer stellen eine Datenbank innerhalb des Programms dar, auf die von allen Funktionen zugegriffen werden kann. Dies erlaubt es neu programmierten Funktionen, auf die akquirierten Daten aus den Digitizern zuzugreifen, ohne dass die Funktionen zu Datenakquisition verändert werden müssen. Innerhalb der DataProcessingThread() ist es ohne Veränderungen im Programmablauf möglich, weitere Funktionen zu Signalverarbeitung auf die gemessenen Signale anzuwenden. Das Programm erlaubt außerdem den Betrieb mit anderen Digitizern. Es reicht dabei in der AcqDataThread() Funktion die digitizerspezifischen Funktionen durch andere auszutauschen. Der übrige Programmablauf muß nicht verändert werden.

59 5. Messungen Bei den im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Messungen ging es nicht primär darum, bestimmte physikalische Größen zu bestimmen. Viel mehr war es das Ziel, den Detektor und das von mir entwickelte Programm auszutesten, um sicherzustellen, dass die von den entwickelten Programmalgorithmen bestimmten Werte der Realität entsprechen. Deswegen genügte es, Ionen auf den Detektor zu bringen, um die daraus entstehenden Signale zu analysieren. Aus diesem Grund waren die Ansprüche an die Ionenquelle nicht sehr hoch. Es musste nur die gesamte Detektorfläche von Ionen getroffen werden Messaufbau Als Ionenquelle wurde ein Stereo ATI-Spektrometer umgebaut. Dieses Spektrometer befand sich bereits im Labor und es waren nur kleinere Änderungen nötig, um den Detektor in dieser Anlage zu betreiben. Dabei reichte es aus, den Detektor mittels eines Vakuumadapters anstelle des Flugarms an dem Spektrometer zu befestigen. Die Vakuumkammer ist so konzipiert, dass ein Gas von außen über eine Pipette einströmen kann. Der Druck innerhalb der Anlage betrug vor der Gaseinleitung ca mbar. Nach dem Einleiten des Gases wurde ein Druck von ca mbar eingestellt. Orthogonal zum einströmenden Gasstrahl erlauben Glasfenster das Eintreten eines Laserstrahls, so dass ein Laserpuls mit den Atomen des einströmenden Gases wechselwirken kann.die Leistung des Lasers betrug 120 mw mit einer Pulsbreite von 25 fs. Der Laserstrahl wurde vor dem Eintritt in die Vakuumkammer durch einen Hohlspiegel fokussiert. Die Brennweite wurde so gewählt, dass der Fokus unterhalb der Pipette im Strahl des Gases lag. Diese Wechselwirkungszone ist von zwei parallelen Metallplatten umgeben, von denen eine geerdet ist. An die andere wird von außen eine Hochspannung angelegt. Das elektrische Feld, welches dadurch zwischen den parallelen Platten entsteht, beschleunigt die ionisierten Atome in Richtung des Detektors. Die Ionen können durch ein Loch, das sich in der Mitte der Platten befindet, austreten. Die durch diese Öffnung verbundene Störung des homogenen Feldes erwies sich als unbedeutend zum Testen des Detektors. 55

60 Kapitel 5. Messungen 56 Durch Variation der an den Platten angelegten Spannung wird die kinetische Energie der Ionen eingestellt und damit die Flugzeit der Ionen zum Detektor verändert. Als Trigger zur Aufzeichnung der Signale mit den Digitizern wurde eine an der Eintrittsöffnung zur Anlage befindliche Photodiode genutzt. Der von dem Laserpuls erzeugte Strompuls aus der Photodiode wird verstärkt an einen Triggereingang eines digitalen Verzögerungs-Generators(StanfordBox) weitergegeben. Dieser ermöglicht es, einen zeitlich zum Triggersignal der Photodiode verzögerten Rechteckpuls auszugeben. Dieser verzögerte Triggerpuls wird an den Triggereingang der Digitizer weitergegeben. Die mit der StandfordBox eingestellte Verzögerung hängt von der erwarteten Flugzeit der zu messenden Ionen ab. Ziel ist es, erst mit der Signalaufzeichnung zu beginnen, wenn diese Ionen den Detektor erreicht haben. Das spart Speicherplatz in den Digitizern und reduziert Ereignisse, die durch Ionen des Restgases hervorgerufen werden. Das MCP wurde so betrieben, dass positiv geladene Ionen detektiert werden können. Abbildung 5.1.: 3D Darstellung des ATI Spektrometers mit dem eingebauten Orts- und Zeitauflösenden Detektor.

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