Das Triggersystem am COMPASS-Experiment Jonas Neuser 18. Februar 2015 1
Inhaltsverzeichnis 1 Das COMPASS-Experimet 3 2 Komponenten eines Triggersystems 4 2.1 Szintillator.............................. 4 2.2 Photomultiplier............................ 5 2.3 Diskriminator............................ 5 2.4 Logikschaltungen........................... 6 3 Aufbau des Triggersystems am COMPASS - Experiment 7 3.1 Targetpointing............................ 7 3.2 Vetosystem.............................. 8 3.3 Gesamttrigger zum Start der Messung............... 8 4 Versuche am Triggersystem 9 4.1 Reexion am oenen Ende...................... 9 4.2 Funktionsweise des Diskriminators................. 9 4.3 Versuch mit zwei Diskriminatoren................. 10 5 Tägliche Arbeit am Triggersystem 11 5.1 Fehlersuche am Detektor....................... 11 5.2 Eintimen des Triggersystems.................... 11 6 Persönliches Fazit 12 2
1 Das COMPASS-Experimet In der Zeit vom 19. bis 31. Oktober 2014 organisierte das Netzwerk Teilchenwelt Projektwochen am europäischen Kernforschungszentrum CERN. Ich hatte dort die Möglichkeit am COMPASS-Experiment mitzuarbeiten und lernte dadurch die Funktionsweise eines Triggersystems kennen. Im Vorfeld arbeitete ich eng mit dem Schülerforschungszentrum ESFZ der Friedrich-Alexander-Universität zusammen und nahm an diversen Angeboten für Jugendliche teil. Dazu gehörte unter anderem die Cosmic-Forschungswoche, während der ich mich ausführlich mit kosmischen Teilchen beschäftigt habe. Des Weiteren arbeitete ich mit dem Medipix-Detektor und untersuchte verschiedene Strahlungsquellen auf ihre Strahlungsintensität und -art. Durch diese Veranstaltungen erhielt ich erste Einblicke in die aktuelle Forschung. Beim COMPASS-Experiment wird die innere Struktur von Protonen und Neutronen untersucht. Dazu wird ein Teilchenstrahl auf ein polarisiertes Target gelenkt. Anschlieÿend werden die Eigenschaften (z.b. Impuls und Richtung) der austretenden Teilchen gemessen. In dieser kurzen Zusammenfassung meines Aufenthalts werde ich auf die wesentlichen Punkte eingehen. Zunächst beschäftigt sich diese Arbeit mit den Komponenten und der Funktionsweise eines Triggersystems im Allgemeinen. Anschlieÿend gehe ich genauer auf den Aufbau des Triggersystems am COMPASS- Experiment ein, erläutere drei Versuche, die ich dort durchgeführt habe, und erkläre die tägliche Arbeit am Triggersystem. Zum Schluss gebe ich noch ein kurzes Fazit zu meinem Aufenthalt. 3
2 Komponenten eines Triggersystems Die Aufgabe des Triggersystems am COMPASS-Experiment ist es, innerhalb von 500ns zu entscheiden, ob eine Messung am Detektor gestartet werden soll. Dazu verwendet man üblicherweise Szintillations-Detektoren mit anschlieÿender Elektronik um die Daten zu verarbeiten und ein Signal zum Starten der Messung zu erzeugen. Dieses Signal bewirkt das Auslesen der Daten aus allen anderen Detektoren. 2.1 Szintillator Die wichtigste Komponente des Triggersystems ist der Szintillator. Hier werden geladenen Teilchen detektiert. Der Aufbau eines solchen Szintillationszählers mit angeschlossenem Photomultiplier ist in Abbildung 1 zu sehen. Das Material des Szintillators hat die besondere Eigenschaft Licht auszustrahlen, wenn es von einem elektrisch geladenen Teilchen passiert wird. Dieses Licht wird mit Photomultipliern in elektrische Signale umgewandelt. Der Vorteil des Szintillators als Teilchendetektor ist, dass er schnell reagieren kann. Damit ist er für das Triggersystem genau passend. Abbildung 1: Funktionsweise eines Szintillators mit angeschlossenem Photomultiplier 4
2.2 Photomultiplier Der Zweck des Photomultipliers ist es das im Szintillationsmaterial erzeugte Licht in elektrische Signale umzuwandeln. Ein Photomultiplier ist eine Vakuumröhre, die auf der einen Seite ein Glasfenster für eintreende Photonen besitzt. Auf der Innenseite dieser Glasscheibe ist eine spezielle Beschichtigung aufgetragen, aus der Elektronen aufgrund des Photoeekts ausgelöst werden können. Innerhalb der Vakuumröhre sind verschiedene Metallplättchen angeordnet und am anderen Ende bendet sich eine Anode. Die eintreenden Photonen lösen in der speziellen Beschichtung der Kathode des Photomultipliers Elektronen aus. Diese werden in Richtung Anode beschleunigt und treen dabei auf die erste Metallplatte. Durch den Aufprall lösen sich aus dieser Metallplatte Elektronen ab, die zum nächsten Metallplättchen beschleunigt werden. Dadurch wird beim Durchlaufen aller Metallplättchen die Anzahl der Elektronen immer gröÿer, bis eine so groÿe Anzahl an Teilchen an der Anode ankommt, dass ein messbarer Strom, typischerweise im Bereich von ca. 10µA, ieÿt. Betrieben wird der Photomultiplier mit einer Hochspannung im Bereich von 1-2 kv. Um zu wissen, ob gerade Photonen aufgetroen sind, misst man die Spannung, die zwischen Kathode und Anode des Photomultipliers anliegt. Diese liegt im Bereich von ungefähr 500mV. 2.3 Diskriminator Die analogen Signale, die am Photomultiplier messbar sind, bestehen aus Spannungsschwankungen. Diese beinhalten typischerweise kurze Pulse, bei denen die Anstiegszeit kürzer als die Abfallzeit ist ( siehe Abbildung 2). Zur Digitalisierung dieser Signale werden Diskriminatoren verwendet. Abbildung 2: Funktionsweise eines Diskriminators; aufgetragen sind Eingangsspannung V und Ausgangsspannung U als Funktion der Zeit t Der Diskriminator misst die Eingangsspannung und vergleicht sie mit einer eingestellten Schwellenspannung. Die Ausgangsspannung kann genau zwei verschiedene Werte annehmen. Diese werden als logische 1 und logische 0 bezeichnet. 5
Falls die anliegende Spannung die eingestellte Schwellenspannung übersteigt, wechselt der Diskriminator seinen Ausgang von 0 auf 1. Jetzt wartet der Diskriminator, bis ein fest eingestelltes Zeitfenster vorüber ist und stellt den Ausgang wieder auf 0 zurück. Der Vorteil des Diskriminators ist, dass er ein digitales Signal erzeugt, das von Logikbausteinen leicht zu verarbeiten ist. Darüber hinaus ltert er Rauschen aus den Signalen des Photomultipliers, da alle Signale, die kleiner als die eingestellte Schwelle sind, keine Ausgangsspannungsänderung bewirken. Aufgrund der elektronischen Komponenten im Diskriminator hat er eine bestimmte Totzeit, innerhalb der zwei Signale nicht voneinander unterschieden werden können. So kann es passieren, dass ein zweites Signal, das kurz auf ein anderes Signal folgt, keinen Spannungswechsel am Ausgang bewirkt. Der Diskriminator hat hier das zweite Signal ignoriert. 2.4 Logikschaltungen Die nun digitalisierten Signale werden mit Logikbausteinen weiterverarbeitet. Dabei verwendet man die zwei Verknüpfungen UND und ODER (siehe Tabelle 1), sowie die Anweisung NICHT, die die Signale umkehrt (1 wird 0; 0 wird 1). Eine Schaltung besteht meist aus einer Kombination der einzelnen Logikbausteine. Letztlich ist es das Ziel, mithilfe der Logikschaltung einen Impuls für den Start der Messung zu geben. Operation Signal 1 Signal 2 Ergebnis UND 0 0 0 UND 1 0 0 UND 0 1 0 UND 1 1 1 ODER 0 0 0 ODER 1 0 1 ODER 0 1 1 ODER 1 1 1 Tabelle 1: Ergebnisse bei UND und ODER Verschaltungen von verschiedenen Signalen 6
3 Aufbau des Triggersystems am COMPASS - Experiment Bei der Auslösung des Triggers spielen zwei verschiedene Systeme eine Rolle. Das eine ist das Targetpointing, dabei wird festgestellt, ob die im Szintillator gemessenen Teilchen aus Reaktionen im Target stammen. Nur solche Ereignisse sind interesssant. Daneben existiert noch das Vetosystem, welches feststellt, ob ein Teilchen am Target vorbeiiegt. 3.1 Targetpointing Für das Triggersystem ist das Targetpointing wichtig. Dazu sind zwei parallel ausgerichtete Detektoren im Experiment aufgebaut. Zur erfolgreichen Durchführung des Targetpointigs sind diese Detektoren horizontal in einzelne Streifen aus Szintillationsmaterial unterteilt, die alle einzeln ausgelesen werden können. Dadurch ist entlang der Höhen-Achse eine relativ genaue Positionsbestimmung möglich. Wenn ein Teilchen vom Target aus die Detektoren passiert, hinterlässt es in beiden Szintillationsdetektoren ein Signal. Daraus lässt sich derweg der Teilchen bis zum Target zurückverfolgen (siehe Abbildung 3). Falls ein Teilchen jedoch nicht vom Target kommt, sondern von auÿen, lässt sich dies schnell feststellen. Es ist oensichtlich, dass immer wenn zwei passende Kanäle gleichzeitig ansprechen, ein Signal am Ausgang der Schaltung erzeugt werden soll. Das bedeutet, man verwendet eine UND-Verschaltung, auch Koinzidenz genannt. Um die Verschaltung des Triggersystems einfacher zu gestalten, ist es möglich, in einer Koinzidenzmatrix alle möglichen Verknüpfungen von zwei ansprechenden Detektoren festzulegen. Dabei weist man jeder Kombination von zwei Detektoren zu, ob das Teilchen vom Target oder von auÿerhalb kommt. Diese Matrix wird auf einen Computerchip geladen, der dann automatisch feststellt, ob er bei zwei gleichzeitig ankommende Signalen ein Ausgangssignal ausgeben soll oder nicht. Beam Target Hodoscope 1 Hodoscope 2 Abbildung 3: Funktionsweise des Targetpointing: nur Teilchen aus Reaktionen im Target sollen gemessen werden; Ein Hodoskop besteht aus mehreren zusammengeschalteten Teilchendetektoren, die dazu dienen die Spur der Teilchen zu rekonstruieren 7
3.2 Vetosystem Da der Strahl für das COMPASS-Experiment nicht immer ganz kompakt ist kann es sein, dass einzelne Teilchen am Target vorbeiiegen und trotzdem eine Auslesung von Daten gestartet wird. Durch das Aufstellen von zusätzlichen Szintillationszählern in einer geometrischen Anordnung (siehe Abbildung 4) kann gemessen werden, ob alle Teilchen das Target treen. Wenn einer der Szintillationszähler registriert, dass ein Teilchen ihn passiert hat wird das Auslesen von Daten aus dem Experiment nicht gestartet. Das Vetosystem am COMPASS-Experiment besteht aus 4 Detektoren unterschiedlicher Gröÿe, die um das Strahlrohr kreisförmig angebracht sind. Abbildung 4: Aufbau des Vetosystems am COMPASS-Experiment 3.3 Gesamttrigger zum Start der Messung Um das Startsignal für das Auslesen der Daten aus den übrigen Detektoren zu geben, werden das Targetpointing- und das Vetosystem elektronisch verarbeit. Die Messung wird dann gestartet, wenn die Koinzidenzmatrix eine logische 1 ausgibt und gleichzeitig das Veto nicht anspricht. Daraus ergibt sich für das Signal des Triggers: Trigger = Matrix UND NICHT Veto 8
4 Versuche am Triggersystem Zum besseren Verständnis der einzelnen Komponenten eines Triggersystems machte ich zusammen mit Johannes Bernhard verschiedene Experimente. Bei diesen Versuchen verwendeten wir alle Bausteine, die auch für normale Triggersysteme verwendet werden. Anstelle eines Szintillators mit Photomultiplier benutzten wir zur Vereinfachung einen Pulsgenerator. 4.1 Reexion am oenen Ende Der Aufbau besteht aus einem Pulsgenerator, an dessen Ausgang mithilfe eines T-Stücks zwei gleichlange Kabel verbunden sind. Das eine Kabel wird ins Oszilloskop gesteckt, das andere Kabel wird nicht angeschlossen (siehe Abbildung 5). Bei diesem Versuch werden am Oszilloskop zwei Spitzen gemessen. Die erste Spitze, die am Oszilloskop messbar ist, kommt vom ersten Kabel. Aufgrund der Reexion am Ende des zweiten Kabels kommt das Signal dieses Kabels auch am Oszilloskop an. Da das Signal im Kabel eine bestimmte Zeit für das Zurücklegen der zusätzlichen Strecke benötigt, kommt das zweite Signal verspätet an und es kommt zur zweiten Spitze. Sobald man das zweite Kabel auch mit dem Oszilloskop verbindet, verschwindet die zweite Spitze und es erscheinen zwei gleichgroÿe Spitzen an der gleichen Stelle am Oszilloskop. Durch das Anstecken des zweiten Kabels verschwindet die Reexion, die nur am oenen Ende eines Kabels auftritt. Mithilfe der Reexion ist es möglich, die Laufzeit für Signale in einem Kabel zu bestimmen. Dies ist wichtig, um die einzelnen Signale mit unterschiedlichen Kabellängen aufeinander anzupassen. Den Vorgang des Anpassens nennt man Eintimen. Abbildung 5: schematischer Aufbau des ersten Versuchs 4.2 Funktionsweise des Diskriminators In diesem Versuch wird untersucht, wie ein Disktriminator arbeitet. Hierzu werden die Pulse des Pulsgenerators wieder mit dem T-Adapter auf zwei Kabel aufgeteilt. Das eine Kabel geht direkt ins Oszilloskop, das andere ist mit dem Eingang des Diskriminators verbunden. Zwei der Ausgänge des Diskriminators sind mit dem Oszilloskop verbunden 9
Abbildung 6: Ergebnis des zweiten Versuchs Am Oszilloskop werden nun von den drei Eingängen Signale sichtbar. An Eingang 1 beobachtet man den Puls des Pulsgenerators. An den anderen beiden Eingängen ist jeweils ein Rechtecksimpuls zu beobachten. Das Rechteck ist im Vergleich zur Spitze des Pulses nach rechts verschoben. Deutlich zu erkennen ist, dass der Diskriminator aus dem analogen Signal des Pulsgenerators ein digitales Signal gemacht hat, welches als Rechteck sichtbar wird. Aufgrund der Elektronik im Diskriminator und der Kabellängen ist das digitale Signal verzögert am Oszilloskop angekommen. 4.3 Versuch mit zwei Diskriminatoren Anstatt einen Diskriminator zu verwenden, kann man auch zwei verschiedene verwenden, die beide ans Oszilloskop angeschlossen werden. Ziel des Versuchs war es die Signale der Diskriminatoren so zu verändern, dass das ausgegebene Rechteck eines Diskriminators genau innerhalb des Rechtecks des anderen Diskriminators liegt. Zuerst wird das Zeitfenster des ersten Diskriminators verkürzt, bis es kleiner als das des zweiten Diskriminators ist. Um nun die Signale gegeneinander zu verschieben werden die Kabellängen angepasst, bis das gewünste Ergebnis (vergleiche Abbildung 6) erreicht ist. 10
5 Tägliche Arbeit am Triggersystem Am Triggersystem werden in der Testphase täglich kleine Fehler bei der Konguration der Detektoren gefunden. Diese werden möglichst schnell behoben. 5.1 Fehlersuche am Detektor Nach einem Testlauf des Experiments zeigen die Zählraten von einigen Kanälen, an denen Szintillationsdetektoren angeschlossen sind, keine Reaktionen. Diese müssen für eine optimale Funktion des Detektors repariert werden. Damit wieder Signale gemessen werden können, sucht man den Fehler, der zumeist in lockeren Kabeln liegt, die nicht richtig im vorgesehenen Anschluss stecken. Dazu verwendeten wir ein Oszilloskop und kontrollierten, ob Signale aus den Photomultipliern kommen und ob diese die Diskriminatoren erreichen. Dabei ist der Fehler meistens leicht zu nden und wurde von uns sofort behoben. 5.2 Eintimen des Triggersystems Desweiteren kommen die Signale der Szintillationszähler des Targetpointingsystems häug nicht gleichzeitig an den verarbeitenden Geräten an. Deshalb ist es notwendig diese einzutimen. Dabei werden Kabel mit unterschiedlichen Längen verwendet, um die Signale alle zur gleichen Zeit am Gerät ankommen zu lassen. Zur Feststellung der Genauigkeit der eintreenden Photomultipliersignale wird ein sehr genauer Zeitmesser verwendet. Im Verhältnis dazu werden die Ankunftszeiten der Triggersignale aufgetragen. Dies sieht man in Abbildung 7. Hierbei wurde die Anzahl der Signale in einem bestimmten Zeitbereich als Histogramm aufgetragen. In diese Verteilung wurde eine Normalverteilung ge- ttet, die man als dicke schwarze Linie erkennen kann. Je schmaler der Peak der schwarzen Kurve ist, desto besser sind die Triggersignale aufeinander abgestimmt. Beim Eintimen möchte man eine möglichst schmale Spitze erhalten. Dazu verwendet man, wie bei den Versuchen schon angedeutet, Kabel mit unterschiedlichen Laufzeiten, um Signale zu verzögern. Abbildung 7: Triggertiming der beiden Hodoskope OT und MT 11
6 Persönliches Fazit Während meines Aufenthalts am CERN konnte ich vielseitige neue Erfahrungen sammeln und mich auf dem Gebiet der Teilchenphysik weiterbilden. Besonders mein Betreuer, Johannes Bernhard, hat mir alles sehr genau und detailliert erklärt. Dadurch erhielt ich einen Einblick in die Tätigkeiten eines Forschers am CERN und konnte mein Wissen erweiteren. Danken möchte ich an dieser Stelle auch der Friedrich-Alexander-Universität in Erlangen, die es mir, maÿgeblich durch die Unterstützung von Prof. Gisela Anton und Dr. Angela Fösel, ermöglicht hat an den CERN-Projektwochen teilzunehmen. Für meine beruiche Zukunft kann ich mir vorstellen Physik zu studieren, um die zugrunde liegenden Zusammenhänge der Teilchenphysik besser zu begreifen und um später auf diesem Gebiet zu arbeiten. 12