Das Triggersystem am COMPASS-Experiment

Das Triggersystem am COMPASS-Experiment
Jonas Neuser
18. Februar 2015
1
Inhaltsverzeichnis
1
2
3
4
5
6
Das COMPASS-Experimet
3
Komponenten eines Triggersystems
4
2.1
Szintillator
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
2.2
Photomultiplier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
2.3
Diskriminator
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
2.4
Logikschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
Aufbau des Triggersystems am COMPASS - Experiment
7
3.1
Targetpointing
7
3.2
Vetosystem
3.3
Gesamttrigger zum Start der Messung
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
Versuche am Triggersystem
8
8
9
4.1
Reexion am oenen Ende . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
4.2
Funktionsweise des Diskriminators
. . . . . . . . . . . . . . . . .
9
4.3
Versuch mit zwei Diskriminatoren
. . . . . . . . . . . . . . . . .
10
Tägliche Arbeit am Triggersystem
11
5.1
Fehlersuche am Detektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
5.2
Eintimen des Triggersystems
11
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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 COMPASSExperiment 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
µ
ca. 10 A, 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.
KƐnjŝůůŽƐŬŽƉ
WƵůƐŐĞŶĞƌĂƚŽƌ
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 gettet, 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