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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-83709
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/8370/


Herrmann, Florian

Development and verification of a high performance electronic readout framework for high energy physics

Entwicklung und Verifikation eines elektronischen Auslesesystems für Hochenergiephysik

Dokument1.pdf (31.837 KB) (md5sum: 69dd0e6d58ee0595b5d67c7868dc26f0)

Kurzfassung in Englisch

The challenging characteristics of electronic output signals from detectors in high energy physics like rate, pile-up and pulse shape require the development of special electronic readout systems. The GANDALF framework was developed to cover the electronic readout challenges for these detectors. The development and verification of this readout system for the CAMERA detector, planned within the COMPASS spectrometer upgrade at CERN, is the main purpose of the work performed within the completion of this thesis.
The expected detector pulse shapes have a rise time in the nanosecond-range and a high repetition rate which makes it impossible to perform the readout task with conventional electronic readout systems without introducing unnecessarily single channel dead times.
The occurrence of the pulses has to be determined with a precision in the pico-second range to enable time-of-flight measurements of the recoiled protons. In addition, an online trigger signal on the characteristics of a recoiled proton in the detector should be implemented to allow for optimum efficiency for the measurement of rare Deeply Virtual Compton Scattering (DVCS) events. Therefore, the readout system must also have the capability to process the combined information of all detector channels.
In this thesis a short introduction for the importance of Generalized Parton Distributions (GPD) and their interpretations will be presented. It will be explained how the measurement of the DVCS process allows for a promising access to the GPD. An overview of the COMPASS-II experiment upgrade, focusing on the major extension of the experiment is given.
The GANDALF framework consists of different programmable electronic components and different mezzanine cards, which can be combined with the GANDALF module. This modularity of the system allows a variety of application fields. An overview of the hardware and software parts developed within this framework is provided.
In the chapter Pulse Shape Analysis a focus on the theory of different algorithms applied on detector pulse shapes to extract characteristics like time and amplitude information is given. The performance of the GANDALF framework operated as a transient analyzer is demonstrated. Further on, the experimental results obtained while using GANDALF modules to analyze detector pulses during various experimental and laboratory test measurements is given. Finally, the work and results obtained within this thesis are summarized.


Kurzfassung in Deutsch

Die herausfordernden Eigenschaften von elektronischen Signalen, die an Detektoren in Experimenten der Hochenergiephysik gemessen werden, sind hohe Raten, Signalformen mit schnellen Anstiegszeiten und Signalüberlagerungen. Diese erfordern die Entwicklung von elektronischen Ausleseeinheiten, die in der Lage sind Informationen aus den komplexen Signalformen zu extrahieren. Die Entwicklung und Verifikation einer solchen Ausleseeinheit für den CAMERA Detektor, welcher im Zusammenhang mit der Erweiterung des COMPASS Experimentes am CERN installiert werden wird, ist die Zielsetzung dieser Arbeit gewesen.
Die zu erwartenden Signalformen haben eine Anstiegszeit von wenigen Nanosekunden und eine hohe Wiederholrate. Dadurch ist es nicht möglich diese Signale mit herkömmlichen Auslesemodulen zu bewerkstelligen ohne unnötig hohe Totzeiten zu erzeugen.
Die Flugzeitmessung von Rückstoßprotonen aus der Tief Virtuellen Compton Streuung (DVCS) soll mit einer zeitlichen Auflösung im Pikosekundenbereich möglich sein. Auch die Erzeugung eines Auslösesignals zur Auslese des gesamten COMPASS Spektrometers soll durch die Ausleseelektronik ermöglicht werden. Daher muss das System in der Lage sein die Gesamtheit aller Detektorkanäle zu verarbeiten.
In dieser Dissertation werden die physikalischen Grundlagen zu den Messungen der DVCS erläutert. Weiterhin werden die dafür nötigen Erweiterungen des COMPASS Spektrometers erklärt. Insbesondere das Design des CAMERA Detektors wird wiedergegeben. Die Arbeit beinhaltet eine umfassende Beschreibung des entwickelten elektronischen Auslesesystems mit seinen vielseitigen Komponenten. Für die Gewinnung von Zeit und Amplitudeninformationen aus den Signalformen wurden verschiedene Algorithmen entwickelt. Die mathematische Beschreibung und Charakterisierung dieser Algorithmen findet sich im Kapitel Pulse Shape Analysis wieder. Die Umsetzung dieser Algorithmen in der Ausleseelektronik wurde mit vielseitigen Messungen bestätigt.


SWD-Schlagwörter: Hochenergiephysik , COMPASS-Detektor , CERN , Elementarteilchenphysik , Wellendigitalfilter , Digitale Signalverarbeitung , Signalprozessor
Freie Schlagwörter (deutsch): Analog-Digital-Umsetzer
Freie Schlagwörter (englisch): Signal processing , analog-to-digital conversion , pile-up pulse processing , detector readout , analog circuit , FPGA , VME
Institut: Physikalisches Institut
Fakultät: Fakultät für Mathematik und Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Fischer, Horst (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 28.09.2011
Erstellungsjahr: 2011
Publikationsdatum: 28.11.2011
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