Aufbau und Messungen am Teststand mit einem

Aufbau und Messungen am
Teststrahl mit einem Prototyp des
PANDA elektromagnetischen
Kalorimeters
Masterarbeit
im
Studiengang
„Master of Science“
im Fach Physik
an der Fakultät für Physik und Astronomie
der Ruhr-Universität Bochum
von
Tobias Triffterer
aus
Herten
Bochum, im Wintersemester 2011/2012
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Kern- und Teilchenphysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 PANDA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1
1
2 Physikalische Grundlagen
2.1 Das Standardmodell der Teilchenphysik . . .
2.1.1 Quarks, Leptonen und Bosonen . . .
2.1.2 Vier grundlegende Wechselwirkungen
2.2 Quantenchromodynamik . . . . . . . . . . .
2.2.1 Kopplungskonstanten . . . . . . . . .
2.2.2 Positronium und Charmonium . . . .
2.2.3 Exotische Materie . . . . . . . . . . .
2.3 Antimaterie . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.1 Gegenstück der Materie . . . . . . .
2.3.2 Annihilation . . . . . . . . . . . . . .
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3
3
3
4
6
6
7
7
8
8
8
PANDA-Experiment
Ziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Facility for Antiproton and Ion Research
Der PANDA-Detektor . . . . . . . . . .
3.3.1 Das Target . . . . . . . . . . . .
3.3.2 Das Target-Spektrometer . . . . .
3.3.3 Das Vorwärts-Spektrometer . . .
3.4 Die Vorwärtsendkappe des EMC . . . . .
3.4.1 Grundlegender Aufbau . . . . . .
3.4.2 Der Proto192 . . . . . . . . . . .
3.5 Ultradünne Temperatursensoren . . . . .
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25
25
27
29
3 Das
3.1
3.2
3.3
4 Teststrahlzeiten mit dem Proto192
4.1 Messaufbau am SPS (CERN) . . .
4.2 Ergebnisse der Messung am SPS . .
4.3 Cosmic-Messung in Bochum . . . .
4.4 Messaufbau an ELSA . . . . . . . .
4.5 Messprogramm an ELSA . . . . . .
4.6 Ergebnisse der Messungen an ELSA
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5 Analyse der Messergebnisse
31
5.1 Rohdaten von der DAQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
5.2 Von den Rohdaten zum Spektrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
ii
Inhaltsverzeichnis
5.3
5.4
Fitten der Ergebnisse . . . . . . . . .
5.3.1 Die Novosibirsk-Funktion . . .
5.3.2 Durchführung der Fits . . . .
Auswertung der Ratenfestigkeitstests
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33
33
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36
6 Untersuchung der APD-Amplitudenschwankungen
38
6.1 Messaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
6.2 Reproduzierbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
6.3 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
7 Die Proto192-Kanal-Datenbank
7.1 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2 Struktur der Datenbank . . . . . . . . . . . .
7.2.1 Entity-Relationsship-Diagramm . . . .
7.2.2 Kanäle . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2.3 Detektoren . . . . . . . . . . . . . . .
7.2.4 Subdetektoren . . . . . . . . . . . . . .
7.2.5 Temperatursensoren . . . . . . . . . .
7.2.6 Detektor- und Subdetektor-Typen . . .
7.2.7 Archivsystem . . . . . . . . . . . . . .
7.2.8 Überblick über die Datenbankstruktur
7.3 Sicherheit der Webanwendung . . . . . . . . .
7.3.1 „Never trust your clients“ . . . . . . . .
7.3.2 Gegenmaßnahmen . . . . . . . . . . .
8 Analyse-Framework
8.1 Einführung . . . . . . . . . .
8.2 Selektoren . . . . . . . . . . .
8.3 Auswertung . . . . . . . . . .
8.3.1 Histogramme füllen . .
8.3.2 Peaks fitten . . . . . .
8.3.3 Automatische Analyse
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51
51
51
53
53
53
54
9 Fazit und Ausblick
56
Literaturverzeichnis
58
Tabellenverzeichnis
60
Abbildungsverzeichnis
61
iii
1 Einleitung
Wir können noch nicht einmal exakte Lösungen für die Bewegung
dreier Körper in Newtons Gravitationstheorie finden und die
Schwierigkeiten wachsen mit der Zahl der Körper und der Komplexität
der Theorie.
(Stephen William Hawking)
1.1 Kern- und Teilchenphysik
Seit Jahrtausenden erforscht der Mensch das Universum, in dem er lebt. Insbesondere im letzten Jahrhundert gab es zahlreiche bahnbrechende Entdeckungen und Erfindungen. Trotzdem geht die Suche nach weiterem Wissen und neuen Erkenntnissen
ungebremst weiter, denn eine „Weltformel“ zur Erklärung des gesamten Universums
gibt es noch nicht.
Ziel der Kern- und Teilchenphysik ist es, den Aufbau der Materie auf Ebene
ihrer elementaren Bestandteile zu erklären und die Wechselwirkungen zwischen ihnen zu erforschen. Sie verfolgt somit die alte Frage, „was die Welt Im Innersten
zusammenhält“ [Goe08]. Die aktuellen Theorien der Kern- und Teilchenphysik, darunter insbesondere das Standardmodell, beschreiben die experimentellen Resultate
mit zuvor unerreichter Präzision. Nichtsdestotrotz liefern die Experimente immer
deutlichere Hinweis auf Physik „ jenseits des Standardmodells“. Aus diesem Grund
werden weltweit neue Experimente geplant und gebaut, die nicht nur die Grenze der
bekannten Physik neu abstecken, sondern auch die Grenze des technisch Machbaren
weiter hinausschieben.
1.2 PANDA
Diese Arbeit wurde im Rahmen eines dieser Experimente verfasst, dem PANDAExperiment (Antiproton Annihilation at Darmstadt). Dieses soll in den nächsten
Jahren an dem neu gegründeten Forschungszentrum FAIR (Facility for Antiproton
and Ion Research) in Darmstadt aufgebaut werden. Ziel des Experimentes ist das
bessere Verständnis der starken Wechselwirkung. Dazu wird die Hadronenspektroskopie, insbesondere im Charmonium-Bereich, weiter präzisiert. Darüber hinaus zählen exotische Materie wie Gluonenbälle und Hyperkerne zu den Untersuchungsfeldern. Kapitel 2 führt die physikalischen Grundlagen ein, die dem Experiment zugrunde liegen. In Kapitel 3 wird das PANDA-Experiment vorgestellt.
Das Institut für Experimentalphysik I der Ruhr-Universität Bochum ist federführend an der Entwicklung der Endkappe des elektromagnetischen Kalorimeters
beteiligt. Hierzu wurde ein Prototyp entwickelt, an dem die Technologie der End-
1
1 Einleitung
1.2 PANDA
kappe getestet werden soll. Die Endkappe und ihr Prototyp werden in Abschnitt 3.4
vorgestellt.
Mit dem Prototypen wurden im Rahmen des Jahres, in dem diese Arbeit angefertigt wurde, zwei Teststrahlzeiten durchgeführt. In Kapitel 4 werden die Bedingungen
bei diesen Teststrahlzeiten erläutert. Diese Arbeit konzentriert sich hauptsächlich
auf die zweite Strahlzeit am ELSA-Beschleuniger in Bonn. In Kapitel 5 werden die
Messdaten dieser ELSA-Strahlzeit analysiert, um die im Prototypen genutzen Photodetektoren auf ihre Ratenfestigkeit zu überprüfen. Bei einem Detektortyp, den
Avalanche-Photodioden, wurden bei dieser Untersuchung Probleme festgestellt. Kapitel 6 zeigt, wie diese Probleme weiter untersucht und behoben wurden.
Allerdings wurden in dem Jahr nicht nur Messungen durchgeführt und Messdaten
analysiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurden auch Detektorkomponenten weiterentwickelt. In Abschnitt 3.5 wird das überarbeitete Verfahren zur Herstellung der
Temperatursensoren für den Prototypen vorgestellt. Darüber hinaus wurde im Rahmen dieser Arbeit Software für den Prototypen entwickelt. Kapitel 7 beschreibt die
Proto192-Kanal-Datenbank, in der Daten zu den verbauten Komponenten und zur
Konfiguration des Prototypen gespeichert werden. Kapitel 8 zeigt schließlich das zur
Auswertung der Messdaten des Prototypen entwickelte Analyse-Framework.
2
2 Physikalische Grundlagen
2.1 Das Standardmodell der Teilchenphysik
Das Standardmodell der Teilchenphysik basiert auf der Quantenfeldtheorie und ist
die derzeit beste theoretische Beschreibung der Erkenntnisse der Kern- und Teilchenphysik. Seine Vorhersagen sind vielfach in Experimenten bestätigt worden. Von
den Teilchen, die das Modell vorhersagt, wurde bis jetzt nur das Higgs-Boson noch
nicht nachgewiesen. Allerdings sind Physiker aus aller Welt dem Higgs-Teilchen mit
dem Large Hadron Collider (LHC) am europäischen Kernforschungszentrum CERN
auf der Spur. Aber selbst wenn das Higgs-Teilchen gefunden würde, so wäre die
Teilchenphysik damit noch nicht „abgeschlossen“. Das Standardmodell benötigt die
Massen und Eigenschaften der Teilchen als „Eingabeparameter“. Es erklärt nicht,
warum diese Parameter gerade diesen Wert annehmen oder warum es gerade drei
Teilchen-Generationen gibt und nicht zwei oder vier. Physiker vermuten daher, dass
eine noch grundlegendere Theorie zu den elementaren Bausteinen der Materie formuliert werden kann. Es existieren verschiedene Ansätze für so eine neue Theorie,
aber ohne neue experimentelle Erkenntnisse bleiben sie Gedankenspiele.
2.1.1 Quarks, Leptonen und Bosonen
Unser Universum besteht aus Fermionen und Bosonen. Einige dieser Teilchen haben
eine Substruktur, bestehen also aus weiteren, elementareren Teilchen. Die Teilchen,
bei denen keine Substruktur mehr nachgewiesen werden kann, heißen Elementarteilchen. Diese lassen sich in folgende Kategorien einteilen: Fermionen haben einen
halbzahligen Spin und sind die Bausteine der Materie. Bosonen haben einen ganzzahligen Spin und übertragen die vier Grundkräfte der Natur. Eine Ausnahme sind die
Tabelle 2.1: Übersicht über die Quarks [Nak10]
mit: Q = Ladung, Y = Hyperladung, I = Isospin, T = schwacher Isospin,
Gen. = Generation, QZ = Quantenzahl
Symbol Q [e] Y Flavour-QZ Tz
Masse [ MeV
]
Gen.
Quark
c2
2
1
1
1
Up
u
+3 +3
Iz = + 2
+2
1,7 − 3,3
1
Down
d
− 13 + 31
Iz = − 21
− 12
4,1 − 5,8
1
+70
2
4
1
Charm
c
+3 +3
C = +1
+2
1270−90
2
+29
1
2
1
Strange
s
−3 −3
S = −1
−2
101−21
2
Top
t
+ 23 + 34
T = +1
+ 12 172000 ± 2400
3
+180
1
2
1
Bottom
b
−3 −3
B = −1
−2
4190−60
3
3
2 Physikalische Grundlagen
2.1 Das Standardmodell der Teilchenphysik
Tabelle 2.2: Übersicht über die Leptonen [Nak10]
mit: L = Leptonenzahl, Li = Leptonfamilienzahl, T = schwacher Isospin,
Gen. = Generation
Symbol Q [e] L L1 L2 L3 Tz Masse [ MeV
Lepton
] Gen.
c2
1
−
Elektron
e
−1 +1 +1 0
0 −2
0,511
1
e-Neutrino
νe
0
+1 +1 0
0 + 21
< 2 · 10−6
1
1
Myon
µ
−1 +1 0 +1 0 − 2
105,66
2
1
µ-Neutrino
νµ
0
+1 0 +1 0 + 2
< 0,19
2
Tauon
τ
−1 +1 0
0 +1 − 21
1777
3
1
τ -Neutrino
ντ
0
+1 0
0 +1 + 2
< 18,2
3
Photonen (s.u.), die darüber hinaus auch elektromagnetische Felder übertragen. Die
Fermionen werden nach ihrem Gewicht weiter aufgeteilt, in Leptonen (ursprüngl. für
„leichte Teilchen“) und Quarks. Nicht-elementare Teilchen können nach ihrem Spin
jedoch auch als Fermionen oder Bosonen identifiziert werden.
Beide Gruppen enthalten jeweils sechs Teilchen, die in drei Generationen aufgeteilt
werden. Alle sechs Leptonen kommen einzeln in der Natur vor und sind beobachtet
worden. Dies ist bei den Quarks nicht möglich. Aufgrund des „Confinements“ (siehe
Abschnitt 2.1.2) können nur gebundene Zustände aus mehreren Quarks beobachtet
werden. Dies sind die Mesonen (ursprüngl. für „mittelschwere Teilchen“), die aus
einem Quark-Antiquark-Paar bestehen, und die Baryonen (ursprüngl. für „schwere
Teilchen“), die aus drei Quarks bestehen. Theoretisch sind auch Teilchen mit mehr
als 3 Quarks möglich (z. B. das Tetraquark qqqq oder das Pentaquark qqqqq), diese
wurden bis jetzt aber noch nicht zweifelsfrei nachgewiesen [Nak10]. Mesonen, Baryonen und alle theoretisch möglichen Teilchen mit mehr Quarks werden unter dem
Sammelbegriff „Hadronen“ zusammengefasst. Tabelle 2.1 enthält eine Übersicht der
Quarks, Tabelle 2.2 eine Übersicht der Leptonen.
2.1.2 Vier grundlegende Wechselwirkungen
Die Physik kennt derzeit vier grundlegende Wechselwirkungen („Kräfte“), auf die alle
anderen Kräfte und Wechselwirkungen im Universum zurückgeführt werden können,
so basiert beispielsweise die Lorentz-Kraft auf der elektromagnetischen Wechselwirkung. Diese Wechselwirkungen sind im Einzelnen:
Die elektromagnetische Wechselwirkung
Die elektromagnetische Wechselwirkung bietet eine einheitliche Beschreibung der
Phänomene der Elektrizität und des Magnetismus. Sie vermittelt die Anziehungsund Abstoßungseffekte zwischen elektrisch geladenen Teilchen sowie die Effekte
durch elektrische und magnetische Felder. Elektromagnetische Wellen sind schließlich der physikalische Hintergrund des Lichts und aller Funk-Techniken. Die makroskopischen Eigenschaften elektrischer und magnetischer Felder werden durch die
vier Maxwell-Gleichungen beschrieben. Die quantenmechanisch korrekte Beschreibung (auf Basis der Quantenfeldtheorie) ist die Quantenelektrodynamik (QED). In
4
2 Physikalische Grundlagen
2.1 Das Standardmodell der Teilchenphysik
dieser übermittelt ein Eichboson die Wechselwirkung, das Photon (γ). Das Photon
selbst ist elektrisch neutral und hat eine Ruhemasse von 0, bewegt sich also mit
Lichtgeschwindigkeit, die elektromagnetische Wechselwirkung hat eine unbegrenzte
Reichweite. Experimentell kann zurzeit 6 · 10−17 eV als obere Massengrenze für das
Photon angegeben werden [Ams07].
Die starke Wechselwirkung
Die starke Wechselwirkung ist der „Kleber“, der die
Protonen und Neutronen im Atomkern zusammenhält,
die sich eigentlich elektrisch abstoßen würden. Darüber hinaus bindet sie die Quarks im Nukleon aneinander. Die starke Wechselwirkung ist daher um einige Größenordnungen stärker als die elektromagnetische Wechselwirkung. Abbildung 2.1 zeigt eine künst- Abbildung 2.1: Ein Nukleon
lerische Darstellung eines Nukleons, in der die star- [PAN12b]
ke Wechselwirkung durch die Federn zwischen den
Quarks symbolisiert wird. Die Theorie, die die starke Wechselwirkung beschreibt, ist
die Quantenchromodynamik (siehe Abschnitt 2.2). Analog zur elektrischen Ladung
(positiv und negativ) kann man auch eine Ladung für die starke Wechselwirkung
definieren. Diese hat aber die drei verschiedenen Ausprägungen rot (r), grün (g)
und blau (b) mit den entsprechenden Gegenstücken antirot (r), antigrün (g) und
antiblau (b). Alle Quarks tragen eine Farbladung, Leptonen unterliegen nicht der
starken Wechselwirkung und haben daher keine Farbladung. Die starke Wechselwirkung wird durch das Gluon (g) vermittelt. Im Gegensatz zum Photon trägt das
Gluon aber selbst die Ladung, deren Kraft es vermittelt. Ein Gluon trägt immer eine
Farbe und eine Antifarbe. Daher können Gluonen auch untereinander wechselwirken,
was bei Photonen so nicht möglich ist. Die Farben als Namen für die Ladungszutände der starken Wechselwirkung wurden im Hinblick auf die additive Farbmischung,
die zum Beispiel bei Computermonitoren genutzt wird, gewählt. Rot plus grün plus
blau ergibt weiß, d.h. ein aus Sicht der Farbladung ungeladenes Teilchen [HM84].
Ein weiteres Phänomen der starken Wechselwirkung ist das Confinement. Dieses
besagt, dass alle Hadronen nach außen hin als „weiße“ Teilchen erscheinen. Daher müssen die Farbladungen von Quarks und Gluonen in einen Hadron so zusammenwirken, dass sich ihre Farbladungen immer gegenseitig aufheben. Die Reichweite der starken Wechselwirkung ist somit auf den typischen Hadronenradius von
10−15 m = 1 fm beschränkt [HM84]. Außerdem schließt das Confinement die Beobachtung eines einzelnen freien Quarks aus, denn dieses wäre nicht farblos. Das
Gluon tritt somit in acht verschiedene Varianten auf. Theoretisch wäre eine neunte
Variante denkbar, allerdings wäre diese farblos und das Gluon somit nicht an das
Confinement gebunden. Solche freien weißen Gluonen könnten, wenn sie existieren,
nicht beobachtet werden, da sie mit der von uns beobachtbaren Materie nicht wechselwirken können. Obwohl die starke Wechselwirkung eine beschränkte Reichweite
hat, ist ihr Austauschteilchen, das Gluon, der Theorie nach masselos. Experimentell
kann eine Masse von einigen MeV jedoch nicht ausgeschlossen werden [Nak10].
5
2 Physikalische Grundlagen
2.2 Quantenchromodynamik
Die schwache Wechselwirkung
Die schwache Wechselwirkung ist die einzige Wechselwirkung, die es ermöglicht,
die Art („Flavour“) eines Quarks oder Leptons zu ändern. Sie ist somit auch für
den radioaktiven Beta-Zerfall verantwortlich [Dem04]. Die schwache Wechselwirkung wird durch drei Bosonen übertragen: Das W + , das W − und das Z 0 -Boson.
Da diese Bosonen eine Ruhemasse von (80.399 ± 23) MeV
im Falle der W ± bzw.
c2
MeV
(91.187,6 ± 2,1) c2 im Falle des Z 0 ist die Reichweite der schwachen Wechselwirkung auf etwa 10−18 m = 1 am beschränkt [Nak10]. Die Bosonen existieren bei den
Wechselwirkungsprozessen nur als virtuelle Teilchen, ihre Ruheenergie kann für den
kurzen Zeitraum ihrer Existenz aufgrund der heisenbergschen Unschärferelation dem
Vakuum entnommen werden („Vakuumfluktuation“) [HM84].
Die Gravitation
Die Gravitation ist im Vergleich zu den anderen drei Kräften extrem schwach. Aufgrund dessen und aufgrund der geringen Massen der beteiligten Teilchen spielt die
Gravitation in der Teilchenphysik keine Rolle. Auf großen Skalen ist es jedoch die
Gravitation, die das Universum dominiert, da starke und schwache Wechselwirkung
auf sehr kleine Skalen beschränkt sind (s. o.) und makroskopische Objekte im Allgemeinen elektrisch neutral sind, so dass die elektromagnetische Wechselwirkung auch
keine Rolle spielt. Auf mikroskopischer Ebene müsste jedoch ein Teilchen wie ein
Quark eine Ruhemasse von etwa 1020 GeV · c−2 haben, damit die Gravitation so
stark wäre wie die starke Wechselwirkung [Ams07].
Die Unterschiede liegen jedoch nicht nur auf experimenteller Ebene vor. Auch in
der Theorie ist bis jetzt eine Vereinigung zwischen den Theorien der Quantenmechanik und der Gravitation (allgemeine Relativitätstheorie) noch nicht gelungen.
Als Austauschteilchen der Gravitation wurde das Graviton postuliert, ein masseloses Boson mit Spin 2. Dieses ist bis jetzt jedoch noch nicht nachgewiesen worden
[Nak10].
2.2 Quantenchromodynamik
2.2.1 Kopplungskonstanten
Die Quantenchromodynamik (QCD) ist die Theorie der starken Wechselwirkung. Sie
beschreibt die Wechselwirkung der Quarks und Gluonen auf Basis der Farbladung
(siehe 2.1.2). Im Gegensatz zur QED ist die QCD zu großen Teilen noch nicht
verstanden. In der QED nimmt die Kopplungskonstante α (Feinstrukturkonstante)
den Wert
1
e2
≈
(2.1)
α=
2cε0 h
137,036
an. Da dies sehr viel kleiner als 1 ist, kann die QED mit Hilfe der Störungstheorie
beschrieben werden. In der QCD nimmt die Kopplungskonstante der starken Wechselwirkung αs keinen festen Wert an, sie ist vom Abstand der wechselwirkenden
Teilchen abhängig. Sie nimmt dabei auch Werte an, die in der Größenordnung von 1
6
2 Physikalische Grundlagen
2.2 Quantenchromodynamik
oder darüber liegen. Somit ist die Störungstheorie nicht mehr anwendbar. Daher sind
wesentlich aufwendigere Methoden wie die Gittereichtheorien nötig, die aufwändige
Computersimulationen erfordern. Dies ist einer der Gründe, warum die QCD noch
nicht so gut verstanden ist wie die QED. Mathematisch basiert die QCD auf der
dreidimensionalen speziellen unitären Gruppe (SU (3)) [HM84, Dem04].
2.2.2 Positronium und Charmonium
Ein gebundener Zustand aus einem Elektron und seinem Antiteilchen (siehe Abschnitt 2.3), dem Positron, wird als Positronium bezeichnet. Analog dazu wird ein
gebundener Zustand aus einem Quark und seinem Antiquark als Quarkonium bezeichnet. Handelt es sich bei dem Quark um ein Charm, so wird der Zustand cc als
Charmonium bezeichnet. Durch die Untersuchung von Charmonium-Zuständen und
dem Vergleich mit Untersuchungen von Positronium können Gemeinsamkeiten und
Unterschiede zwischen der elektromagnetischen und der starken Wechselwirkung gefunden werden.
Ein Vergleich der Spektren zeigt bei niedrigen Energien große Übereinstimmungen, so dass man annehmen kann, dass die Gluonen wie die Photonen ein r−1 Potential erzeugen. Bei größeren Energien zeigen sich
jedoch deutliche Abweichungen, so dass bei der QCD
ein weiterer Effekt hinzukommen muss, der in der QED
nicht existiert. Derzeit wird ein linear mit dem Abstand steigender Anteil angenommen, so dass sich für
das effektive Potential der QCD folgende Gleichung
ergibt:
4 αs (r)~c
+k·r
(2.2)
V (r) = −
3
r
In dieser Gleichung gibt die Proportionalitätskonstante k die Feldenergie pro Länge an und wird als „string
tension“ bezeichnet.
In dieser Gleichung findet sich auch die Erklärung Abbildung 2.2: Illustration
für das bereits erwähnte „confinement“ in der QCD. des Confinements, hier das
Wenn man versucht, ein Quark aus einem Hadron zu Trennen von zwei Quarks
entfernen um es isoliert zu untersuchen, so steigt die [PAN12b]
potentielle Energie mit wachsender Entfernung an. Wenn die Energie die Schwelle
2mq c2 für den Quarkflavour q erreicht, kann ein Quark-Antiquark-Paar dieses Flavours gebildet werden. Eines davon bleibt Konstituent des Hadrons, eines bildet
mit dem Quark, dessen Isolierung man versucht, ein Meson. Somit ist die Isolierung des Quarks nicht möglich [Ams07, HM84]. Abbildung 2.2 zeigt eine graphische
Darstellung dieses Vorgangs.
2.2.3 Exotische Materie
Wie in Abschnitt 2.1.2 erwähnt, tragen Gluonen eine Farbladung und können somit
auch mit sich anderen Gluonen wechselwirken und nicht nur mit Quarks. Daher
7
2 Physikalische Grundlagen
2.3 Antimaterie
sind auch Hadronen denkbar, die an Stelle eines Quarks ein Gluon als Konstituent
enthalten. Dies kann bis zu den so genannten „Gluonenbällen“ gesteigert werden, die
gar keine Quarks enthalten, sondern ausschließlich aus Gluonen bestehen. Derartige Zustände sind laut der QCD erlaubt, wurden bis jetzt aber noch nicht definitiv
nachgewiesen. Es zeigten sich jedoch bei einigen Experimenten Kandidaten für derartige Zustände. Diese zeichnen sich durch „exotische“ Quantenzahlen aus. Dies sind
Kombinationen aus Quantenzahlen wie Gesamtspin, Parität und Ladungskonjugation, die bei Teilchen, die nur aus zwei oder drei Quarks bestehen, nicht vorkommen
können. Tetra- oder Pentaquarks, wie in Abschnitt 2.1.1 erwähnt, hätten ebenfalls
Eigenschaften, wie sie bei den bis jetzt sicher nachgewiesenen Teilchen nicht vorkommen können [Nak10].
2.3 Antimaterie
2.3.1 Gegenstück der Materie
Alle Quarks und die Leptonen besitzen ein Gegenstück in Form eines Antiteilchens.
Dieses stimmt mit dem jeweiligen Teilchen in Masse, Spin und magnetischem Moment überein, die additiven Quantenzahlen wie Ladung, Leptonenzahl, Baryonenzahl etc. haben jedoch das entgegengesetze Vorzeichen. Die Existenz von Antiteilchen wurde bereits vor ihrer Entdeckung aus der Dirac-Gleichung abgeleitet. Diese
sagt für jeden Zustand mit der Energie +E einen zusätzlichen Zustand mit der Energie −E voraus. Da eine „negative Energie“ unphysikalisch ist, wurde dieses Ergebnis
als Gegenstück mit entgegengesetzer Ladung interpretiert, was durch die Entdeckung
des Positrons bestätigt wurde. Teilchen, die aus mehreren Quarks zusammengesetzt
sind, können ihr eigenes Antiteilchen sein, wenn alle additiven Quantenzahlen 0 sind.
Dies trifft beispielsweise auf das π 0 zu. Auch einige der Eichbosonen sind ihr eigenes Antiteilchen wie das γ und das Z 0 . Bei den Neutrinos werden in der Theorie
derzeit Neutrinos und Antineutrinos wie bei den anderen Leptonen unterschieden.
Allerdings ist es im Gegensatz zu diesen experimentell noch nicht erwiesen, dass
Neutrinos und Antineutrinos tatsächlich verschieden sind. Es ist theoretisch auch
möglich, dass Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sind [Nak10].
2.3.2 Annihilation
Schießt man ein Teilchen und sein Antiteilchen aufeinander, so können diese annihilieren, das heißt sich gegenseitig vernichten. In diesem Fall steht die gesamte
Ruheenergie beider Teilchen zuzüglich der kinetischen Energie vor der Kollision,
also E = 2mc2 + Ekin , zur Erzeugung neuer Teilchen zur Verfügung [Dem04]. Da
sich die additiven Quantenzahlen im Eingangskanal dieser Reaktion immer zu null
addieren können im Ausgangskanal Teilchen gebildet werden, deren Erzeugung bei
einer Teilchen-Teilchen-Kollision durch verbotene Übergänge unterdrückt wäre. Bei
einer pp-Annihilation können dagegen Teilchen mit exotischen Quantenzahlen direkt
erzeugt werden [Ern09].
8
3 Das PANDA-Experiment
3.1 Ziele
Das PANDA-Experiment (Antiproton Annihilation at Darmstadt) befindet sich
derzeit in der Planungsphase und soll in den nächsten Jahren am Beschleunigerzentrum FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) in Darmstadt aufgebaut werden. Die PANDA-Kollaboration ist ein internationaler Verbund von 55 Institutionen
mit mehr als 450 Wissenschaftlern. Ziel des Experimentes ist die Untersuchung von
Proton-Antiproton-Kollisionen. Hierdurch eröffnen sich vielfältige Möglichkeiten zur
Untersuchung der in Kapitel 2 vorgestellten physikalischen Grundlagen und einen
tieferen Einblick in noch nicht (vollständig) geklärte Bereiche der Teilchenphysik
zu erhalten. pp-Kollisionen sind dafür besonders interessant, da sich alle Quantenzustände direkt erzeugen lassen. Bei e− e+ -Kollisionen ist dies nicht möglich, da
in diesem Fall die Quantenzahlen aufgrund des beteiligten virtuellen Photons auf
J P C = 1−− festgelegt sind. PANDA soll unter anderem die Charmonium- und OpenCharm-Spektroskopie, D und Ds -Zustände sowie Hyperkerne untersuchen und die
Existenz von Gluebällen und Hybriden wenn möglich verifizieren [Ern09].
3.2 Facility for Antiproton and Ion Research
Die Beschleunigeranlage FAIR wird die Antiprotonenstrahlen für das PANDA-Experiment zur Verfügung stellen. PANDA wird am HESR (High Energy Storage Ring)
stehen. Dieser soll Antiprotonenstrahlen mit Energien von 1,5 GeV bis 15 GeV zur
Verfügung stellen. Neben dem Energiebereich stellt das PANDA-Experiment hohe
Anforderungen an den Beschleuniger, der Strahlen mit einer geringen Unschärfe bei
gleichzeitig hoher Intensität liefern muss. Der HESR ermöglicht hierzu zwei verschiedene Betriebsmodi. Der eine bietet eine Luminosität von 1031 cm−2 s−1 bei
einer Impulsunschärfe von ∆p · p−1 = 10−5 , der andere eine höhere Luminosität von
1032 cm−2 s−1 bei einer erhöhten Impulsunschärfe von ∆p · p−1 = 10−4 [Fac12].
3.3 Der PANDA-Detektor
PANDA ist ein Fixed-Target-Experiment, die Antiprotonen aus dem HESR-Strahl
treffen also auf (nahezu) ruhende Protonen. Abbildung 3.2 zeigt einen Überblick
über den Aufbau des Detektors, der in den folgenden Abschnitten näher erläutert
wird.
Um die im Physikprogramm genannten Ziele zu erreichen, muss der PANDADetektor folgende Kriterien erfüllen:
• Nahezu 4π Raumwinkelabdeckung
9
3 Das PANDA-Experiment
3.3 Der PANDA-Detektor
Abbildung 3.1: Übersicht der bestehenden (blau) und geplaten (rot) Einrichtungen
von GSI und FAIR [Fac12]
• Hohe Winkelauflösung für geladene und ungeladene Teilchen
• Hohe Energieauflösung
• Gute Möglichkeiten zur Identifikation vieler verschiedener Teilchen (Photonen,
Leptonen, Kaonen usw.)
• Kompatibilität mit den Ereignisraten von etwa 107 s−1
Zusätzlich soll der gesamte Detektor aus Gründen der Kosteneffizienz möglichst
kompakt sein.
Da PANDA ein Fixed-Target-Experiment ist, haben die Reaktionsprodukte eine
Vorzugsrichtung (Boost) in Strahlrichtung, die deshalb auch Vorwärtsrichtung genannt wird. Um der Asymmetrie Rechnung zu tragen ist der PANDA-Detektor in
ein Target- und ein Vorwärtsspektrometer eingeteilt.
3.3.1 Das Target
Für das Protonen-Target werden verschiedene Möglichkeiten in Betracht gezogen,
eventuell wird es am fertigen Detektor auch möglich sein, das Target auszutauschen,
um den Anforderungen verschiedener Messprogramme gerecht zu werden.
10
3 Das PANDA-Experiment
3.3 Der PANDA-Detektor
Abbildung 3.2: Überblick des PANDA-Detektors [PAN12b]
Cluster-Jet-Target
Bei einem ClusterJet-Target wird ein gekühltes Gas durch eine Düse mit einem
Durchmesser von wenigen Mikrometern in das Strahlrohr geleitet und in der Düse
zusätzlich gekühlt. Beim Austritt erreicht das Gas Überschallgeschwindigkeit. Bei
richtiger Wahl des Gases und seiner Parameter (Temperatur, Druck etc.) kondensiert
das Gas und es bilden sich Nanopartikel, die etwa 103 bis 105 Atome enthalten. Ein
Cluster-Jet-Target bietet eine homogene Anzahldichte der Nanoteilchen, eine scharfe
Abgrenzung des von ihnen ausgefüllten Volumens und eine konstate Winkelverteilung. Somit wird eine Zeitstruktur in der Dichte und damit eine Zeitstruktur in der
Luminosität in erster Ordnung vermieden. Als Gas für das Cluster-Jet-Target wird
Wasserstoff erprobt, allerdings ist die Verwendung von Deuterium ebenso möglich
[PAN12a].
Pellet-Target
Bei einem Pellet-Target werden zunächst kleine Kugeln, genannt Pellets, aus gefrorenem Wasserstoff erzeugt, deren Durchmesser etwa 20 µm bis 40 µm beträgt. Die
Produktion der Pellets findet außerhalb des Detektorvolumens statt. Die fertigen
Pellets fallen dann durch ein senkrechtes Rohr in das Strahlrohr, wo sie den Strahl
durchqueren und unten hinausgeführt und aufgefangen werden. Der Pellet-Strom
hat eine kleine Winkelverteilung, so dass der Interaktionspunkt zwischen Pellet und
Strahlteilchen mit einer Genauigkeit von ±1 mm bestimmt werden kann. Die Pellets haben eine Fallgeschwindigkeit von 60 ms bei einer Pellet-Rate von 10.000 Pellets
pro Sekunde. Der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pellets beträgt somit
11
3 Das PANDA-Experiment
3.3 Der PANDA-Detektor
Abbildung 3.3: PANDA-Strahlrohr mit dem Pellet-Target, die übrigen DetektorKompinenten sind ausgeblendet [PAN12a]
wenige Millimeter. In einem Pellet finden während seiner Durchquerung des Strahls
etwa 100 Teilchenkollisionen statt [PAN12a].
3.3.2 Das Target-Spektrometer
Mikrovertexdetektor
Den inneren Teil des Target-Spektrometers bildet der Mikrovertexdetektor (MVD).
Dieser besteht aus strahlenharten Silizium-Pixel und Silizium-Streifen-Detektoren
mit einer schnellen Ausleseelektronik. Designziele waren eine maximale Akzeptanz
Abbildung 3.4: Schema-Zeichnung des Mikrovertexdetektors [PAN12a]
(Teile mit Pixel-Detektoren in rot)
12
3 Das PANDA-Experiment
3.3 Der PANDA-Detektor
Abbildung 3.5: Schema-Zeichnung des Straw-Tube-Trackers [PAN12a]
nah am Interaktionspunkt sowie eine gute Rekonstruierbarkeit der Sekundärvertizes
bei D-Meson- und Hyperon-Zerfällen. Derzeit wird an einer Ausleseelektronik gearbeitet, die es ermöglicht, die Daten des MVD kontinuierlich ohne externen Trigger
aufzunehmen [Ern09].
Der MVD besteht aus vier zylinderförmigen Schichten („barrel“) um den Interaktionspunkt sowie sechs Scheiben in Vorwärtsrichtung (siehe Abbildung 3.4). Die
beiden inneren Zylinder und alle sechs Scheiben sind mit Silizium-Pixel-Detektoren
ausgestattet, die beiden äußeren Scheiben jedoch nur teilweise. Die verbleibenden
Teile des MVD sind mit doppelseitigen Silizium-Streifen-Detekoren instrumentiert.
Abbildung 3.4 zeigt eine Schemazeichnung des MVD, anhand derer die beidem Instrumentierungsbereiche unterschieden werden können. Es wird eine Vertexauflösung
besser als 100 µm angestrebt [Ern11].
Central Tracker
Um den Mikrovertexdetektor herum befindet sich ein Straw-Tube-Tracker (siehe Abbildung 3.5). Dieser besteht aus mit einer Argon-Kohlenstoffdioxid-Mischung gefüllten Röhren mit einem Durchmesser von 10 mm. In der Mitte dieser Röhre befindet
sich ein Draht, an den eine Hochspannung von mehreren Kilovolt angelegt wird.
Wenn ein Teilchen das Gasvolumen durchquert so ionisiert es Gasatome. Die Ionen
driften daraufhin zur Wand, die Elektronen werden zum Draht beschleunigt. Wenn
sie, beschleunigt von der Hochspannung, eine ausreichende Geschwindigkeit erreichen, können sie weitere Atome ionisieren. Dies führt zu einem Lawineneffekt, der
das Signal verstärkt und messbar macht. Der Straw-Tube-Tracker besteht aus vielen
dieser Röhren, so dass aus den zusammengefassten Informationen der Einzelröhren
die Spur des Teilchens rekonstruiert werden kann.
13
3 Das PANDA-Experiment
(a) DIRC
3.3 Der PANDA-Detektor
(b) TOF
Abbildung 3.6: CAD-Zeichnung des DIRC- und TOF-Systems
(die TOF-Zeichnung zeigt auch Teile des Vorwärts-Spektrometers,
vgl. Abschnitt 3.3.3) [PAN12a]
Teilchenidentifikation
Zur Teilchenidentifikation kommt im Target-Spektrometer ein DIRC-Detektor (Detection of Internally Reflected Cherenkov light) zum Einsatz (siehe Abbildung 3.6).
Dieser besteht aus 1,7 cm dicken Quartz-Platten mit einem Brechungsindex von
n = 1,47, in denen Teilchen mit lokaler Überlichtgeschwindigkeit1 unter einem charakteristischen Winkel Licht abgeben, die Čerenkov-Strahlung. Dieses Licht wird
innerhalb der Quartz-Platten durch Totalreflexion weitergeleitet und so aus dem
Barrel herausgeführt. Am Ende sitzen Photomultiplier-Einheiten, die das Licht detektieren [PAN12a]. Da aus der Messung des Emissionswinkels des Čerenkov-Lichtes
die Geschwindigkeit des Teilchens berechnet werden kann, ist die Berechnung der
Teilchenmasse möglich, da sich aus der Krümmung der Spur im Magnetfeld, die von
den Tracking-Detektoren aufgenommen wird, der Impuls der Teilchen ergibt. Aus
der Masse des Teilchens kann auf seine Art (Elektron, Pion, Kaon etc.) geschlossen
werden.
Für Teilchen, die die Čerenkov-Grenzgeschwindigkeit unterschreiten, muss eine
alternative Möglichkeit zur Geschwindigkeitsmessung gefunden werden. Dies wird
über eine Messung der Flugzeit („time of flight“, kurz TOF) erreicht. Daher sind im
Barrel reine Time-Of-Flight-Detektoren aus Szintillatorstreifen für langsame Teilchen geplant. Diese müssen eine Zeitauflösung im Bereich von 50 ps haben. Da es
keinen Detektor gibt, der ein Startsignal für die Flugzeitmessung geben kann, müssen Zeitdifferenzen zwischen mindestens zwei Teilchen gemessen werden [Ern09].
Elekromagnetisches Kalorimeter
An den Central Tracker schließt sich das elektromagnetische Kalorimeter (EMC) an.
Dieses besteht aus dem Fass (Barrel) sowie der Vorwärts- und der Rückwärtsendkap1
Lokale Überlichtgeschwindigkeit bezeichnet eine Geschwindigkeit über der Lichtgeschwindigkeit
in dem jeweiligen Medium c · n−1 , jedoch unter der Vakuum-Lichtgeschwindigkeit c
14
3 Das PANDA-Experiment
3.3 Der PANDA-Detektor
Tabelle 3.1: Eigenschaften der Bleiwolframat-Kristalle für das EMC [Ern08]
Dichte
%
8,28 g · cm−3
Strahlungslänge
X0
0,89 cm
Molière-Radius
RM
2,00 cm
Abklingzeit
τdecay
6,5 ns
Emissions-Wellenlänge
λmax
420 nm
Relative Lichtausbeute (vergl. mit NaI)
LY
0,6% (T = 20 ◦ C)
2,5% (T = −25 ◦ C)
Energieverlust minimalion. Teilchen
dE/dx
10,2 MeV · cm−1
Temperaturabh. der Lichtausbeute
dLY/dT −3,0% · ◦ C−1 (T = 20 ◦ C)
pe. Abbildung 3.7 zeigt eine schematische Übersicht, in der die Rückwärtsendkappe
jedoch nicht eingezeichnet ist. Das EMC dient dazu, die Teilchen abzubremsen bzw.
zu stoppen und die im Kalorimeter deponierte Energie zu messen. Dies gilt insbesondere für den Nachweis von Elektronen, Positronen und Photonen, die aufgrund
der Kristalllänge in nahezu jedem Fall vollständig gestoppt werden können. Dazu
ist das EMC mit Szintillatoren ausgestattet, welche die deponierte Energie in Licht
umwandeln, was dann mit Photodetektoren gemessen werden kann. Beim EMC des
PANDA-Detektors wird Bleiwolframat (PbWO4 ) als Szintillationsmaterial verwendet. Bleiwolframat zeichnet sich durch eine schnelle Abklingzeit von weniger als
6,5 ns aus. Aufgrund der kompakten Bauweise des EMC und der zu erwartenden
Ereignisraten bei PANDA ist eine derart geringe Abklingzeit erforderlich, um Pileup zu minimieren. Des Weiteren zeichnet sich Bleiwolframat durch eine hohe Strahlenhärte aus. Die Lichtausbeute von Bleiwolframat ist jedoch gering, sie beträgt nur
etwa 2,5% der Lichtausbeute von Natriumiodid bei einer Temperatur von −25 ◦ C.
Tabelle 3.1 zeigt eine Übersicht der Eigenschaften des Materials Bleiwolframat, wie
es bei den Kristallen für das PANDA-Kalorimeter zum Einsatz kommt. [Ern08] Die
Vorwärtsendkappe wird in Abschnitt 3.4 noch ausführlicher beschrieben, da diese
Arbeit im Rahmen der Entwicklung eines Prototypen für die Vorwärtsendkappe an
der Ruhr-Universität Bochum entstanden ist.
Die bisher beschriebenen Bauteile vom MVD bis zum EMC werden von einem
supraleitenden Solenoid-Magneten umfasst. Dieser erzeugt ein Feld von 2 T, dass
im Bereich des MVD und Central Tracker bis auf 2% homogen ist.
3.3.3 Das Vorwärts-Spektrometer
Das Vorwärts-Spektrometer ergänzt die Detektoren des Target-Spektrometers für
Teilchen, die unter einem Winkel von weniger als 22◦ zur Strahlachse emittiert werden. Diesen Bereich kann das Target-Spektrometer nicht abdecken, da das Strahlrohr
diesen Bereich einnimmt. Zu den Detektoren im Target-Spektrometer findet sich je
ein Pendant im Vorwärts-Spektromter, mit Ausnahme des Mikro-Vertex-Detektors.
Das Tracking der Teilchen wird hier durch Drahtkammern realisert. An Stelle
eines Solenoiden reicht im Vorwärts-Bereich ein einfacher Dipol-Magnet aus. Zur
15
3 Das PANDA-Experiment
3.4 Die Vorwärtsendkappe des EMC
Abbildung 3.7: CAD-Zeichnung des elektromagnetischen Kalorimeters [Ern08]
Die Rückwärtsendkappe ist in dieser Ansicht ausgeblendet. Die
Zeichnung gibt den Planungsstand von 2008 wieder, die aktuelle Planung für die Vorwärtsendkappe zeigt Abb. 3.8 [PAN12a].
Teilchenidentifikation wird ein RICH-Detektor aufgebaut. Zur Flugzeitmessung werden vor und hinter dem Dipol-Magnet Wände aus Plastik-Szintillatoren aufgestellt.
Das Vorwärts-Spektrometer enthält ebenfalls ein elektromagnetisches Kalorimeter,
in diesem Fall ein Schaschlik-Kalorimeter, dass aus Blei-Szintillator-Schichten besteht.
3.4 Die Vorwärtsendkappe des EMC
3.4.1 Grundlegender Aufbau
Im Folgenden wird nur die Vorwärtsendkappe des elektromagnetischen Kalorimeters
im Target-Spektrometer behandelt, da das Vorwärts-Spektrometer in dieser Arbeit
nicht untersucht wurde. Der aktuelle Planungsstand der Endkappe ist in Abbildung
3.8 gezeigt. Wie im Abschnitt 3.3.2 erläutert, nutzt das EMC Bleiwolframat als
Szintillatormaterial. Dieses liegt in Form von Einkristallen vor, Tabelle 3.2 gibt eine
Übersicht über ihre Eigenschaften. Die Kristalle sind in den so genannten Alveolen
gelagert. Diese bestehen aus Karbonfasern und haben die äußere Form eines Pyramidenstumpfes. Eine Alveole beherbergt 16 Kristalle. In der Alveole befinden sich
16
3 Das PANDA-Experiment
3.4 Die Vorwärtsendkappe des EMC
Abbildung 3.8: CAD-Zeichnung der Vorwärtsendkappe des EMC [PAN12b]
Trennwände, die ebenfalls aus Karbonfasern bestehen und die Alveole in 16 Fächer
für die Kristalle aufteilen. An der Rückseite, d.h. der dem Interaktionspunkt abgewandten Seite, sind Aluminiumbauteile in die Alveole eingeklebt. Diese werden
als „interface pieces“ bezeichnet und nehmen die Photodetektoren auf. Die Photodetektoren werden durch die „mount plate“ fixiert. Die gesamte Subunit wird dann
mit Hilfe der eingeklebten Bauteile an die zentrale Konstruktion der Vorwärtsendkappe, die Backplate, angeschraubt. Die Backplate trägt das gesamte Gewicht und
enthält Leitungen für das Kühlmittel. Auf der Rückseite der Backplate werden die
Versorgungs- und Signalleitungen verlegt und über Durchführungen in einem PVCRahmen nach außen geführt. Nach Vorne werden die Alveolen von der Fronthülle
umschlossen, die ebenfalls an der Backplate befestigt wird. Hinten wird der Detektor
mit einem Deckel abgeschlossen. Innerhalb des Detektors entsteht somit ein von der
Außenwelt isoliertes Volumen. Dieses wird auf −25 ◦ C gekühlt, was die Lichtausbeute der PbWO4 -Kristalle um den Faktor 4 erhöht [Ern09]. Um die Bildung von Eis
zu vermeiden muss das Detektorvolumen luftdicht verschlossen sein und die Luft in
dem Volumen getrocknet werden.
3.4.2 Der Proto192
Um die Realisierbarkeit der geplanten Vorwärtsendkappe des EMC zu beweisen,
wurde am Lehrstuhl für experimentelle Hadronenphysik der Ruhr-Universität Bochum ein Prototyp aufgebaut, der als Proto192 bezeichnet wird. Dieser entspricht
17
3 Das PANDA-Experiment
3.4 Die Vorwärtsendkappe des EMC
Tabelle 3.2: Eigenschaften der Bleiwolframat-Kristalle der Vorwärtsendkappe des
EMC [Ern08]
Abmessungen
l·b·h
200 · 20 · 20 mm3
Lichtausbeute
LY
18 bis 20 Photonen pro MeV (T = 18 ◦ C)
Dicke
d
ca. 22 · X0
Transmittivität
T
≥ 35% bei λ = 360 nm
≥ 60% bei λ = 420 nm
≥ 70% bei λ = 620 nm
einem Ausschnitt aus der geplanten Endkappe direkt an der inneren Aussparung für
das Strahlrohr und enthält 216 Kristalle aus Bleiwolframat. Der Ausschnitt, der für
den Proto192 gewählt wurde, liegt direkt an der Strahlrohrdurchführung der Endkappe. Dies wird in Abbildung 3.10 illustriert, bei der die aus Aluminium gefertigte
Backplate (s.u.) des Proto auf einem Holzmodell der Endkappen-Backplate liegt.
Abbildung 3.9 zeigt eine CAD-Zeichnung des Proto192 mit Aufhängung und Kühlsystem. Derzeit existieren 4 verschiedene Typen von Photodetektoren, die bezüglich
ihrer Eignung für die Verwendung im PANDA-Detektor untersucht werden:
• Vakuum-Phototrioden (VPTs) von Hamamatsu Photonics
• Vakuum-Phototetroden (VPTTs) von Hamamatsu Photonics
• Vakuum-Phototetroden von Research Institute Electro (RIE)
• Avalanche-Photodioden (APDs) von Hamamatsu Photonics
Der Proto192 dient der Untersuchung dieser Photodetektoren mit dem Ziel, eine
begründete Entscheidung über die Photodetektoren treffen zu können, die in die
Endkappe eingebaut werden. Darüber hinaus dient der Proto192 dem Test des Kühlsystems, der Temperaturüberwachung sowie der gesamten Versorgungs- und Ausleseelektronik:
Die Lichtausbeute von Bleiwolframat ist stark von der Temperatur der Kristalle
abhängig. Aus diesem Grund soll die Temperatur in der Endkappe auf ±0,5 ◦ C konstant gehalten werden [Ern08]. Um dies zu kontrollieren sind Temperatursensoren
an den Kristallen befestigt, die eigens für diesen Zweck an der Ruhr-Universität Bochum entwickelt wurden. Die Temperatur wird über den temperaturempfindlichen
Widerstand eines Platin-Drahtes im 4-Draht-Verfahren gemessen. Die Sensoren mit
dem Platindraht und den Kupfer-Zuleitungen sowie beidseitgen Folien zur Isolierung
haben eine Dicke von weniger als 0,1 mm und passen so in den kleinen Zwischenraum zwischen PbWO4 -Kristall und Alveolenwand. In Abschnitt 3.5 werden diese
Temperatursensoren näher beschrieben. Die Leitungen der Sensoren werden auf dafür entwickelten Platinen durch die Isolierung des Proto192 geführt und außen über
Flachbandkabel an einen THMP angeschlossen. Der THMP (Temperature and Humidity Monitoring for PANDA) ist ein an der Ruhr-Universität Bochum entwickeltes
Gerät zur Auslese der Sensoren im Proto192, das auch in der Endkappe zum Einsatz
kommen soll. Vom THMP werden die digitalisierten Daten über einen CAN-Bus zu
einem Computer übertragen und dort in Temperaturen umgerechnet.
18
3 Das PANDA-Experiment
3.4 Die Vorwärtsendkappe des EMC
Abbildung 3.9: CAD-Zeichnung des Proto192 [PAN12b]
Das Kühlsystem, dass die Temperatur innerhalb des Proto192 auf ±0,01 ◦ C konstant halten muss, besteht aus drei Kühlkreisläufen:
Der erste Kühlkreislauf, genannt Hauptkühlung, kühlt die Backplate. Dazu wurden in die Backplate Leitungen gebohrt, in denen das Kühlmittel zirkuliert. Oberhalb der Backplate befindet sich ein Verteiler, der das Kühlmittel auf die Vorläufe
verteilt und die Rückläufe wieder zusammenfasst. Unten in der Backplate sind Vorund Rücklauf über U-Stücke verbunden. Vom Verteiler aus wird das Kühlmittel
über isolierte Schläuche zu dem Kühlaggregat vom Typ Julabo LH47 geleitet. Als
Kühlmittel kommt ein 1 : 1-Gemisch von Methanol und Wasser zum Einsatz.
Der zweite Kühlkreislauf, genannt Frontkühlung, kühlt die Vorderseite der Fronthülle. Hierzu wurden dort ein Plastikschlauch verlegt, der von außen wiederum über
isolierte Schläuche an ein zweites Kühlaggregat angeschlossen ist.
Bei dem dritten Kühlkreislauf handelt es sich um die Luftkühlung. Hierzu wir
Druckluft zunächst gereinigt und getrocknet. Dann durchströmt sie einen Wärme-
19
3 Das PANDA-Experiment
3.4 Die Vorwärtsendkappe des EMC
Abbildung 3.10: Backplate des Proto192 als Ausschnitt aus der Backplate der Endkappe [PAN12b]
tauscher, der sich im Bad eines dritten Kühlaggregates befindet. Dort wird sie ebenfalls auf die Zieltemperatur abgekühlt und dann in einem Schlauch zum Prototypen
geleitet. Damit die Luft sich während des Weges nicht wieder aufheizt, verläuft
der Luftschlauch innerhalb eines mit Methanol-Wasser-Gemisch gefüllten Schlauches, das ebenfalls vom Luftkühler gekühlt wird. Im Proto192 wird die Luft auf die
Rückseite der Backplate geleitet. Dann strömt sie zwischen den Alveolen und Kristallen durch nach vorne, wo sich eine Öffnung befindet, die zum Luftauslass führt.
Der Luftstrom kann mit Magnetventilen im Ein- und Auslass gesteuert werden. Die
Luftkühlung dient nicht nur der Kühlung, sondern auch der Trocknung des Innenraums. Dies ist zum Erreichen einer Temperatur von −25 ◦ C zwingend erforderlich.
Andernfalls würde sich die Luftfeuchtigkeit als Eis im Detektor niederschlagen und
zu Problemen führen. Insbesondere könnte das beim Aufwärmen wieder zu Wasser
gewordene Eis Kurzschlüsse auslösen.
Die Signale der Photodetektoren gelangen von dem Detektor zunächst in einen
Vorverstärker, der direkt hinter dem Detektor montiert ist. Diese Vorverstärker wurden von der Gruppe für experimentelle Teilchenphysik der Universität Basel für das
PANDA-Experiment entwickelt. Designziel war unter anderem ein möglichst rausch-
20
3 Das PANDA-Experiment
3.5 Ultradünne Temperatursensoren
armer Vorverstärker. Von dem Vorverstärker werden die Signale über die Signalplatinen aus dem isolierten Volumen herausgeführt. Diese Platinen wurden ebenfalls
an der Ruhr-Universität Bochum entwickelt und sind so gestaltet, dass die Signale
wie in einem 50Ω-Koaxialkabel weitergeleitet werden. Nach dem Verlassen der Isolierung werden die Signal mit Koaxialkabeln zum Shaper weitergeleitet. Die Shaper
verfügen über zwei Ausgänge zu jedem Eingang. Der eine Eingang („x1“ oder „low
gain“) gibt das geshapte Signal unverändert aus, am zweiten Ausgang („x16“ oder
„high gain“) wird dieses Signal um einen Faktor von etwa 16 verstärkt ausgegeben.
Durch produktionsbedingte Unsicherheiten sind die beiden Faktoren nicht bei allen Shaper-Kanälen gleich und müssen im Rahmen der Kalibration für jeden Kanal
individuell bestimmt werden. Diese Shaper wurden am am Kernfysisch Versneller Instituut (KVI) der Universität Groningen (Niederlande) für das PANDA-Experiment
entwickelt. Zum Schluss gelangen die Signale zum Analog-Digital-Konverter (ADC)
vom Typ Wiener AVM16, wo sie digitalisiert werden. Diese ADCs wurden an der
Universität Uppsala entwickelt, es handelt sich ebenfalls um eine Entwicklung speziell für das PANDA-Experiment.
3.5 Ultradünne Temperatursensoren
Eine besondere Herausforderung beim Proto192 stellt die Überwachung der Kristalltemperatur dar. Zwischen den Kristallen und der Alveolenwand ist nur ein sehr
kleiner Zwischenraum. Unnötige Luft muss an dieser Stelle vermieden werden, um
einen guten Wärmeübergang vom Kristall zur Alveole und zum Insert zu gewährleisten. Dies ist notwendig, um Wärme aus dem Kristall über die Kühlung abführen zu
können und den Kristall somit auf die Zieltemperatur abkühlen zu können. Die verwendeten Sensoren sind eine Eigenentwicklung der Ruhr-Universität Bochum und
haben eine Dicke von weniger als 0,1 mm. Im Rahmen dieser Master-Arbeit wurde
das Herstellungsverfahren überarbeitet und verbessert:
Ausgangsmaterial für die Sensor-Rohlinge ist eine mit Kupfer beschichtete Polyimid-Folie2 . Hieraus werden in einem nasschemischen Verfahren die Zuleitungen
und Kontaktpads der Sensoren hergestellt. Dazu werden die Leitungen und Pads
aufgezeichnet und auf eine Folie im Format DIN A3 gedruckt. Wichtig ist hierbei
der Druck im Negativ-Verfahren, d.h. an der Stelle der Leiterbahnen ist die Folie
durchsichtig, andernfalls schwarz. Auf ein passend zugeschnittenes Stück der kupferbeschichteten Polyimid-Folie wird ein lichtempfindlicher Lack aufgetragen. Danach
ist die Folie bis zum Abschluss der Entwicklung so wenig wie möglich dem Umgebungslicht auszusetzen.
An den Stellen, an denen später Leiterbahnen entstehen sollen, wird der lichtempfindliche Lack nun photochemisch ausgehärtet. Dazu wird die Folie mit den
Leiterbahnen aufgelegt und der Folienstapel für einige Minuten mit ultraviolettem
Licht bestrahlt. Die Leiterbahnen und Kontaktpads sind danach auf der beschichteten Kapton-Folie deutlich zu erkennen.
Im nächsten Arbeitsschritt muss der ungehärtete Lack, der sich unter den schwarzen Stellen der Folievorlage befand, von der Polyimid-Folie entfernt werden. Als
2
Polyimid ist auch unter dem Handlesnamen „Kapton“ bekannt
21
3 Das PANDA-Experiment
3.5 Ultradünne Temperatursensoren
Entwickler kommt die Chemikalie Natriumcarbonat (Na2 CO3 ) zum Einsatz, von der
10 g in 1 L Wasser aufgelöst werden. Die Polyimid-Folie wird in ein Bad aus Natriumcarbonatlösung eingelegt, nach einigen Minuten kann der Lack mit der Hand
einfach abgerieben werden. Dieser Vorgang ist dann abgeschlossen, wenn neben den
Leiterbahnen überall blankes, glänzendes Kupfer zu sehen ist, dass keinen blauen
Schimmer mehr trägt. Die Polyimid-Folie muss danach gründlich mit Wasser gespült
werden, um alle Reste der Entwicklerchemikalie zu entfernen.
Im folgenden Schritt wird alles Kupfer außerhalb der Leiterbahnen entfernt, so
dass nur diese übrig bleiben. Hierzu kommt ein Ätzbad aus einer Natriumperoxodisulfat-Lösung3 (Na2 S2 O8 ) von 250 g auf 1 L Wasser zum Einsatz. Gegenüber dem
üblicherweise in der Platinenherstellung verwendeten Eisen(III)chlorid (FeCl3 ) hat es
den Vorteil, dass es ein feineres Ätzergebnis erzeugt. Im Rahmen der Arbeiten an den
Temperatursensoren wurde festgestellt, dass Eisen(III)chlorid zu ihrer Herstellung
nicht geeignet ist. Das Ätzbad ist auf etwa 50 ◦ C bis 55 ◦ C aufzuheizen.
An der Ablösung des Kupfers ist dabei nur das Säurerestion S2 O2−1
beteiligt, die
8
Natriumionen Na+ sind für die Reaktion irrelevant. Das Säurerestion enthält Sauerstoff in der instabilen Oxidationsstufe −1, wodurch es zum starken Oxidationsmittel
wird. Diese Sauerstoffatome entziehen im Rahmen der Reaktion den Kupferatomen
Elektronen, wodurch das Kupfer oxidiert wird und sich als Cu2+ -Ion im Wasser löst.
2−
2+
Die vollständige Reaktionsgleichung lautet: S2 O2−
8 (aq) + Cu(s) −→ 2 SO4 (aq) + Cu(aq)
[JSFS81]
Nachdem alles Kupfer außerhalb der Leiterbahnen entfernt wurde, kann die Folie
aus dem Ätzbad entnommen werden. Das Ätzergebnis sollte umgehend optisch überprüft werden. Falls an einigen Stellen Kupfer nicht entfernt wurde, so wurde dort
möglicherweise der Lack bei der Entwicklung nicht vollständig entfernt. In diesem
Fall ist es möglich, die Folie „nachzuentwickeln“. Dazu wird sie gründlich mit Wasser
gespült und nochmals in das Entwicklerbad gelegt. Nach einer nochmaligen Spülung
mit Wasser kann sie noch einmal in das Ätzbad gelegt werden, um das überflüssige
Kupfer nun zu entfernen.
Nach dem Ätzen wird die PolyimidFolie mit Wasser gespült und getrocknet. Zum Schluss ist noch der Lack auf
den Leiterbahnen und Kontaktpads zu
entfernen. Dazu wird die Folie in ein
Bad aus Ethanol (C2 H5 OH) oder 2Propanol4 (C3 H8 O) gelegt, bis der Lack
sich ablöst. Danach können die einzelnen Sensor-Rohlinge aus der PolyimidFolie ausgeschnitten werden. Die Kontaktpads der Sensor-Rohlinge werden
nun durch Galvanisierung vergoldet.
Abbildung 3.11: Ein fertiger TemperaturDie Temperaturmessung der Sensoren
sensor [PAN12b]
3
Beim Umgang mit Natriumperoxodisulfat sollten Schutzhandschuhe aus Nitril getragen werden.
Gewöhnliche Latex-Handschuhe werden von der Chemikalie durchdrungen.
4
2-Propanol ist auch bekannt als Isopropanol.
22
3 Das PANDA-Experiment
3.5 Ultradünne Temperatursensoren
erfolgt über die temperaturabhängige
Änderung des Widerstandes eines Platin-Drahtes. Hierzu wird ein Stück PolyimidKlebeband, das eine Dicke von 55 µm hat, auf eine speziell angefertigte Pfostenleiste
gesteckt und Platindraht mit einem Durchmesser von 25 µm entlang der Pfosten gewickelt. Schlussendlich erhält man so die Sensorfläche mit zwei abgehenden Leitungen. Nun werden die vergoldeten Sensorpads des Sensor-Rohlings mit Silberleitkleber
bestrichen und das Klebeband mit dem Platindraht auf den Sensor-Rohling geklebt,
so dass die beiden abgehenden Drähte mit den Kontaktpads verbunden werden.
Abschließend werden die freiliegenden Leiterbahnen zur elektrischen Isolierung
mit Polyimid-Klebeband überklebt. Die Produktion des Sensors ist somit abgeschlossen. Da der Produktionsprozess nicht exakt reproduzierbar ist, muss jeder Sensor
anschließend individuell kalibriert werden.
Bei der Entsorgung der Ätzabfälle ist zu beachten, dass Kupfer nicht in das Abwasser gelangen darf, da es sehr giftig für Wasserorganismen ist (Wassergefährdungsklasse 2). Natriumperoxodisulfat sollte, in Wasser gelöst, nicht in verschlossenen
Behältern gelagert werden, da es dort unter Abgabe von Sauerstoff in Natriumhydrogensulfat zerfällt (Na2 S2 O8 + H2 O −→ 2 NaHSO4 + O) und das freigesetzte Gas
das Platzen des Behälters verursachen kann [JSFS81].
23
4 Teststrahlzeiten mit dem Proto192
4.1 Messaufbau am SPS (CERN)
Die erste Strahlzeit zum Testen des Proto192 fand vom 22. August 2011 bis zum
29. August 2011 am Super-Proton-Synchrotron (SPS) des europäischen Kernforschungszentrums CERN statt. Hier stand ein tertiärer Strahl aus Positronen (e+ )
oder Anti-Myonen (µ+ ) zur Verfügung. Abbildung 4.1 zeigt die Position des Proto192 am Messplatz NA57, der Strahl ist in Rot eingezeichnet.
Das Ziel der Strahlzeit war ein erster Test der Photodetektoren und der gesamten Auslesekette unter realen Einsatzbedingungen. Mit den gesammelten Daten sind
erste Aussagen über die Auflösung des elektromagnetischen Kalorimeters möglich.
Um jeden einzelnen instrumentierten Kanal untersuchen zu können, war der Proto192 auf einem xy-Verfahrtisch montiert, so dass einzelne Kristalle gezielt in den
Strahl gefahren werden konnten. Da der Strahldurchmesser etwas größer war als
die Länge der Frontkanten der Kristalle wurden auch die Nachbarkristalle teilweise
bestrahlt. Da sowohl der x1- als auch der x16-Ausgang des Shapers mit dem ADC
verbunden waren, gibt es für jeden Detektorkanal zwei Kanäle in der Auslese. Zur
Unterstützung der Messungen am Proto192 standen Prototypen von der Universität
Bonn zur Verfügung, die die Bahn der Positironen bzw. Anti-Myonen aufgezeichnet
haben. Aus diesen Daten kann der Ort, an dem das Teilchen in den KalorimeterPrototypen eingedrungen ist, bestimmt werden. Dieses Ergebnis dient im weiteren
Verlauf der Überprüfung der Ergebnisse aus der Rekonstruktion der KalorimeterDaten.
Abbildung 4.1: Position des Proto192 während der CERN-Strahlzeit [PAN12b]
24
4 Teststrahlzeiten mit dem Proto192
4.2 Ergebnisse der Messung am SPS
4.2 Ergebnisse der Messung am SPS
Die Messdaten vom CERN erlauben erste Studien zur Kalibration des Proto192.
Allerdings offenbarte die Strahlzeit am CERN auch diverse Probleme mit den Photodetektoren. Die Einheiten aus Photodetektor und Vorverstärker mit ihrer Abschirmung wurden sowohl einzeln als auch eingebaut in die Alveole intensiv getestet,
bevor die Alveole in den Proto192 eingebaut wurde. Trotzdem musste bei der Auswertung der Daten vom CERN festgestellt werden, dass einige Kanäle nicht korrekt
funktioniert haben. Die Ursachen für diese Probleme sind vielfältig und noch nicht
vollständig verstanden.
Beim Vergleich der Daten aus dem x1- und dem x16-Ausgang des Shapers wurde
festgestellt, dass der Shaper in der Nähe der oberen Grenze seines Arbeitsbereiches
nichtlinear wird. Es wurde daher entschieden, die Daten aus beiden Ausgängen zu
einem Gesamtspektrum zusammenzufassen, wobei die nichtlinearen Bereiche in dem
high-gain-Spektrum ignoriert werden.
4.3 Cosmic-Messung in Bochum
Nach der Strahlzeit wurden für einige Wochen Messungen mit Myonen aus der kosmischen Höhenstrahlung in Bochum durchgeführt. Im Hinblick auf diese Messung
wurde die Aufhängung des Proto192 in seinem umgebenden Rahmen als drehbare Achse gestaltet (siehe Abbildung 3.9). Mit dieser wurde der Proto192 für die
Cosmic-Messungen in eine Position gebracht, in der die Kristalle senkrecht nach
oben zeigen, so dass die Myonen wie bei den Strahltest möglichst auf der ganzen
Länge durch einen Kristall fliegen. Da diese Messung mit Myonen als komplementär zu der am CERN geplant war, wurde der Proto192 in Bochum genauso wie
am CERN aufgebaut, auch die Auslesekette war identisch, um systematische Fehler
durch unterschiedliche Komponenten zu vermeiden.
4.4 Messaufbau an ELSA
Die zweite Strahlzeit fand vom 31. Oktober 2011 bis zum 03. November 2011 an
der Elektronen-Stretcher-Anlage in Bonn statt. Abbildung 4.2 zeigt den Proto192
an dem Messplatz in der ELSA-Halle, der Strahl ist rot eingezeichnet. Hier werden
Elektronen auf einem Radiator geschossen, die dabei erzeugten Photonen treffen
dann das Target (in diesem Fall den Proto192). Die Elektronen werden von einem
Tagger-Magneten abgelenkt und ihre Energie wird gemessen. Da die Energie der
Elektronen vor der Wechselwirkung mit dem Radiator bekannt ist, kann aus der
fehlenden Energie die Energie der Photonen berechnet werden.
Das Energiespektrum der Photonen selbst war während unserer gesamten Messzeit konstant, da die diesbezüglichen Einstellungen des Beschleunigers (Energie der
Elektronen) nicht verändert wurden. Das Tagging-System besteht jedoch aus mehreren Szintillator-Latten, die jeweils einen kleinen Energiebereich abdecken. Diese
Latten wurden in das Erzeugen des Trigger-Signals mit einbezogen. Dafür konnten
25
4 Teststrahlzeiten mit dem Proto192
4.4 Messaufbau an ELSA
Abbildung 4.2: Aufbau des Proto192 an ELSA in Bonn [PAN12b]
die Latten einzeln ausgewählt werden, so dass es möglich war, eine oder mehrere
Energien durch den Trigger zu selektieren.
Im Gegensatz zur Energie wurde die Rate der Photonen während unserer Messung
variiert. Hierzu wurden eine entsprechende Anzahl von Teilchen-Paketen (bunches)
durch einen Kicker-Magneten abgelenkt, so dass sie den Radiator nicht erreicht haben. Mit dieser Variation der Raten sollten die Photodetektoren auf ihre Ratenfestigkeit untersucht werden. Vorhergehende Messungen im Labor mit einem Lichtpulser
hatten gezeigt, dass mit steigender Rate die Amplitude des Photodetektor-Signals
für eine gegebene Lichtmenge abnimmt. Dieser Effekt ist ein ernstes Problem, da er
sich nachteilig auf die Energieauflösung des EMC auswirkt.
Die Auslesekette an ELSA unterschied sich von der am CERN. Bei der ELSAMessung wurde von jedem Kanal nur der high-gain-Ausgang des Shapers mit dem
ADC verbunden. Die Signale des low-gain-Ausgangs wurden verstärkt und zu einem
Diskriminator geleitet. Das Diskriminatorsignal wurde schließlich in den Trigger einbezogen. Die Auslese wurde dann getriggert, wenn eine bestimmte Kombination aus
einzelnen Trigger-Signalen vorlag. So musste ein Signal aus den Tagger-Latten und
ein Signal aus dem Prototyp vorliegen. Zusätzlich gab es noch ein Faser-Hodoskop
von der Universität Bonn, das vor dem Prototypen plaziert wurde. Auch dieses musste ein Signal liefern, damit der Trigger auslöst. Des Weiteren gab es noch SzintillatorPanele, die als Veto dienten. Für die Analyse der Daten bedeutet dass, dass im
Gegensatz zum CERN nur ein Spektrum pro Prototoyp-Kanal zur Verfügung steht.
Eine relative Kalibration dieser beiden Spektren zueinander entfällt somit.
26
4 Teststrahlzeiten mit dem Proto192
4.5 Messprogramm an ELSA
X5Y4
X4Y4
X3Y4
X2Y4
X5Y3
X4Y3
X3Y3
X2Y3
X5Y2
X4Y2
X3Y2
X2Y2
X5Y1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
A
B
C
D
E
F
X4Y1
Abbildung 4.3: Instrumentierung während der ELSA-Strahlzeit
Rot: APDs, Gelb: RIE VPTTs, Grün: Ham. VPTTs, Blau: Ham.
VPTs, Grau: Nicht instrumentiert
4.5 Messprogramm an ELSA
Das Messprogramm bei den Messungen am ELSA-Beschleuniger in Bonn war in
zwei Teile geteilt, die Kalibrationsmessungen und die Ratentests. Die Kalibrationsmessungen wurden mit jedem instrumentierten Kanal durchgeführt, lediglich bei
den RIE VPTTs gab es einige außen liegende Kanäle, die aufgrund der geometrischen Gegebenheiten und der möglichen Verfahrstrecke des xy-Tisches nicht mit
dem Strahl erreicht werden konnten. Wie der Name andeutet, dient die Kalibrationsmessung dazu, Daten für eine Energiekalibration des Kanals zu erhalten. Die Kalibrationsmessungen wurden alle mit einer Beschleunigerrate von νRöhre = 3 · 105 s−1
für die VPTs und VPTTs beider Hersteller durchgeführt, bei den APDs wurde eine
Rate von νAPD = 4,5 · 105 s−1 eingestellt. Die Ratenmessungen dienten, wie im vorstehenden Abschnitt erwähnt, der Untersuchung der Ratenfestigkeit der getesteten
27
4 Teststrahlzeiten mit dem Proto192
4.5 Messprogramm an ELSA
Detektoren. Wie in Abbildung 4.3 gezeigt, sind die Photodetektoren im Proto192 so
angeordnet, dass die Detektoren gleichen Typs in möglichst quadratischen Gruppen
nebeneinander liegen. Einer von diesen Kanälen wurde als Zentralkanal ausgewählt,
die Ratenmessungen wurden jeweils nur mit dem Zentralkanal der einzelnen Detektortypen durchgeführt. Die Kalibrationsmessung des Zentralkanals war in der
Ratenmessung enthalten.
Bei der Messung der VPTs und VPTTs wurden die Latten für folgende Energien
(bei Raten- und Kalibrationsmessungen) im Tagger aktiviert und folgende Raten
für die Ratenmessungen verwendet:
• Energien:
– ca. 900 MeV
– ca. 2 GeV
– ca. 3 GeV
• Raten:
– 1 · 105 s−1
– 3 · 105 s−1
– 5 · 105 s−1
– 8 · 105 s−1
– 1 · 106 s−1
– 1,8 · 106 s−1
Bei den APDs sind diese Werte jedoch anders. Der Grund dafür ist, dass die o.g.
Werte nicht vor der Strahlzeit geplant werden konnten, da die genauen Spezifikationen der Systeme in Bonn nicht bekannt waren. Die Messung an ELSA wurde
mit den APDs begonnen und das o. g. Messprogramm wurde erst während dieser
Messungen erarbeitet. Da die Ratenmessung des Zentralkanals der APDs die erste
Messung überhaupt war, wurde hier mit anderen Parametern gemessen. Dies beeinträchtigt die Analyse und die Vergleichbarkeit, ist im Nachhinein aber nicht mehr
korrigierbar. Folgende Energien und Raten wurden beim Zentralkanal der APDs
benutzt:
• Energien:
– ca. 1760 MeV
• Raten:
– 4,50 · 105 s−1
– 1 · 106 s−1
– 1,8 · 106 s−1
28
4 Teststrahlzeiten mit dem Proto192
4.6 Ergebnisse der Messungen an ELSA
X5Y4
X4Y4
X3Y4
X2Y4
X5Y3
X4Y3
X3Y3
X2Y3
X5Y2
X4Y2
X3Y2
X2Y2
X5Y1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
A
B
C
D
E
F
X4Y1
Abbildung 4.4: Ausgefallene Kanäle während der ELSA-Strahlzeit (vgl. Abb. 4.3)
4.6 Ergebnisse der Messungen an ELSA
Die Ergebnisse der Ratentests an ELSA werden in Abschnitt 5.4 detailliert dargestellt, in diesem Abschnitt wird ein kleiner Überblick über die allgemeinen Resultate
gegeben:
Obwohl die am CERN defekten Kanäle repariert worden waren und alle Kanäle
wiederum sorgsam getestet worden waren, gab es auch in Bonn Ausfälle bei diversen
Kanälen. Die Funktionierenden konnten jedoch kalibriert werden. Allerdings stören
die defekten Kanäle die Rekonstruktion von Clustern, da ein Teil der Informationen
fehlt. Abbildung 4.4 zeigt eine Übersicht der ausgefallenen Kanäle.
Während der Strahlzeit fiel bereits auf, dass die am Beschleuniger eingestellten
Soll-Raten (siehe Abschnitt 4.5) nicht immer der Realität entsprachen. Allerdings
ist zu berücksichtigen, dass der „single bunch extraction mode“ von ELSA, der zum
Modifizieren der Rate benutzt wurde, zum ersten Mal benutzt wurde und daher
vor dieser Strahlzeit noch keine Erfahrungen mit diesem Betriebsmodus vorlagen.
29
4 Teststrahlzeiten mit dem Proto192
4.6 Ergebnisse der Messungen an ELSA
Offensichtlich konnte die reale Rate um mehr als 1 · 105 s−1 von der eingestellten
Rate abweichen. Zudem wurden die Einstellungen für die gegebenen Raten von
verschiedenen Beschleuniger-Operateuren unterschiedlich gehandhabt. Beide Effekte führen zu einem systematischen Fehler in den Messergebnissen. Darüber hinaus
ist zu beachten, dass die am Beschleuniger eingestellte Rate nicht der Photonenrate
am Prototypen entspricht, da sich im Strahlengang ein Kollimator befindet. Diesen Kollimator können 68,5% der Photonen passieren, so dass die Photonenrate am
Proto192 entsprechend berechnet werden kann. Die Schwankungen in der Rate auf
Seiten des Beschleunigers können hier jedoch nicht weiter betrachtet werden. Zwar
hat die DAQ-Software (siehe Abschnitt 5.1) der Bonner Gruppe Daten aufgezeichnet, aus denen die tatsächliche Rate abgeschätzt werden kann. Allerdings lag bis
zum Abgabetermin dieser Arbeit kein auswertbarer Datensatz vor, so dass bei der
Analyse der Ergebnisse von dem um die Kollimatoreffizienz korrigierten Soll-Raten
ausgegangen wird.
30
5 Analyse der Messergebnisse
5.1 Rohdaten von der DAQ
Die DAQ-Software speichert bei jedem Ereignis den kompletten Datensatz, den der
ADC liefert. Bei den ADCs handelt es sich um Sampling-ADCs, die beim Auftreten eines Triggers für einen bestimmten Zeitraum (window) mit einem Abstand von
wenigen Nanosekunden den Spannungswert am Eingang messen, digitaliseren und
als ADC-Kanalwert ausgeben. Die verwendeten ADCs vom Typ Wiener AVM16
speichern dabei 256 Datenpunkte pro Ereignis. Mit diesen Daten kann also die genaue Pulsform (Waveform) wieder sichtbar gemacht werden und es liegt nicht nur
ein einzelner Zahlenwert wie eine maximale Amplitude des Signals vor. Zusätzlich
werden aus dieser Waveform die Ampltiude und das Integral des Signals berechnet
(Feature Extraction) und zusammen mit dem Zeitpunkt des Peaks in dem ADCFenster zusätzlich auf dem Computer in einer Datei gespeichert. Da die Waveform
vorhanden ist, können diese Werte jedoch im Nachhinein durch bessere Algorithmen optimiert werden. Darüber hinaus kann ein Ereignis auch noch Informationen
aus externen Datenquellen speichern. Hierzu wurden am CERN von dem TrackingSystem und an ELSA vom dem Tagging-System Daten an die DAQ-Software des
Proto192 übermittelt.
5.2 Von den Rohdaten zum Spektrum
Bei allen bisherigen Messungen mit dem Proto192 war das Rauschen relativ groß.
Um die aufgezeichneten Daten analysieren zu können müssen daher die Rauschereignisse durch geeignete Filter entfernt werden. Hier werden nun die Filter vorgestellt,
die benutzt wurden, um die in Abschnitt 5.4 gezeigten Ergebnisse der Rauschdatenmessung zu erhalten.
Zur Analyse der Ergebnisse wurde eine in C++ implementierte Version der von
Miroslav Kavatsyuk am Kernfysisch Versneller Instituut (KVI) der Universität Groningen (Niederlande) entwickelten Feauture Extraction für das PANDA-EMC verwendet. Diese Feature Extraction soll in der Endkappe in Hardware (FPGA) implementiert werden und die Daten von den ADCs vorverarbeiten. In diesem Fall
wurde sie auf die gespeicherten Waveforms der Events angewendet (siehe Abschnitt
5.1) und berechnete das Integral des Peaks in der Waveform. Zum Zeitpunkt des
Verfassens dieser Arbeit lag noch keine verlässliche Kalibration der Daten von der
ELSA-Strahlzeit vor. Daher basieren die Ergebnisse der Feature Extraction nur auf
den ADC-Kanalnummern, es handelt sich also um willkürliche Einheiten. In Abbildung 5.1 sind die histogrammierten Integralwerte eines Beispielruns1 aus den Mes1
Kanal 1-X3Y3-5, instrumentiert mit einer Hamamatsu VPTT, bei ν = 1000 · 103 s−1
31
5 Analyse der Messergebnisse
5.2 Von den Rohdaten zum Spektrum
102
10
1
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
Abbildung 5.1: Peak-Integral von 1-X3Y3-5 ohne weitere Verarbeitungsschritte
sungen an ELSA zu sehen. Die Peaks der drei ausgewählten Energien sind deutlich
zu sehen, allerdings liegt unter und zwischen den Peaks auch sehr viel Rauschen,
hinzu kommen viele Einträge bei kleinen Kanalnummern.
Zur Entfernung der Rausch-Events werden zunächst die Daten aus dem Bonner
Tagger-System betrachtet. Hierbei zeigt sich, dass es Events gibt, bei dem im Tagger
mehr als ein Elektron nachgewiesen wurde. Von diesen gleichzeitig nachgewiesenen
Elektronen stammt jedoch nur eines aus dem Strahl, dass andere Signal im Tagger
hat eine andere Quelle (z. B. kosmische Strahlung, radioaktiver Zerfall, SynchrotronStrahlung o. ä.). Es ist nicht möglich, mit Sicherheit zu sagen, welches Elektron das
„Richtige“ ist, daher werden alle Ereignisse mit einer Teilchenzahl von ungleich 1
verworfen. Ereignisse mit 0 Elektronen werden somit auch verworfen. Diese können
auftreten wenn der Tagger zwar den Trigger ausgelöst hat, bei der späteren Analyse
das Elektron im Tagger jedoch nicht rekonstruiert werden konnte. Als Nächstes wird
die Energie des Photons betrachtet, welche das Tagging-System aus der Messung des
Elektrons errechnet hat. Hier werden drei enge Energiebänder um die Soll-Energie
der aktivierten Tagger-Latten herum selektiert. Die Ereignisse, die innerhalb dieser
Bänder liegen, werden auf drei Histogramme aufgeteilt, eines für jedes Energieband.
Abbildung 5.2 zeigt das Resultat der bisherigen Optimierungen. Gegenüber Abbildung 5.1 ist eine deutliche Verbesserung erkennbar, allerdings kann das Ergebnis
noch weiter verbessert werden. Hier wird das so genannte Zeit-Spektrum betrachtet. In diesem Spektrum ist die Nummer des Samples in dem ADC-Fenster, in dem
der Peak sein Maximum erreicht, histogrammiert. Da die Auslesekette während des
Experimentes nicht verändert wurde, ist die Zeitkorrelation zwischen dem Auslösen
des Triggers und dem Eintreffen des Signals am ADC konstant. Folglich sollte auch
die Position des Peak-Maximums innerhalb enger Grenzen konstant sein. Ereignisse,
bei denen der Peak außerhalb dieses Bereichs liegt, sind folglich als Rauschereignisse
einzustufen. Entfernt man diese Ereignisse ebenfalls aus der Betrachtung, so erhält
man die in Abbildung 5.3 dargestellten Histogramme. Diese sind nun für die weitere
32
5 Analyse der Messergebnisse
5.3 Fitten der Ergebnisse
10
10
1
1
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
0
2000
4000
(a) 900 MeV
6000
8000
10000
12000
(b) 2 GeV
102
10
1
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
(c) 3 GeV
Abbildung 5.2: Spektren nach Schnitt auf die Tagger-Energie
Analyse geeignet.
5.3 Fitten der Ergebnisse
5.3.1 Die Novosibirsk-Funktion
Monte-Carlo-Simulationen zu den Experimenten an ELSA zeigen [Sch12], dass das
Signal die Form eines Novosibirsk-Peaks hat. Abbildung 5.4 zeigt das Ergebnis einer
solchen Simulation zur deponierten Energie im Zentralkristall. Vergleicht man diese
Simulation mit den Messdaten in Abbildung 5.1 so fällt zunächst die unterschiedliche Höhe der Peaks auf. Wie in Abschnitt 4.4 erläutert, wurden die Photonen an
ELSA erzeugt, indem Elektronen auf einen Radiator geschossen wurden. Das Energiespektrum der Photonen ist somit ein Bremsstrahlungsspektrum, in dem niedrige
Energien häufiger vorkommen als hohe Energien. Daher enthält der 3 GeV-Peak in
Abbildung 5.4 weniger Ereignisse als der 900 MeV-Peak. Um für jeden Peak eine
vergleichbare Statistik zu haben wurden während der ELSA-Strahlzeit die TaggerLatten für die niedrigen Energien sukzessive deaktiviert, so dass für jede der drei
Energien eine ungefähr gleiche Anzahl von Ereignissen aufgezeichnet wurde. Daher
sind die drei Peaks in Abbildung 5.1 ungefähr gleich hoch.
Die Novosibirsk-Funktion ähnelt der Gaußschen Normalverteilung, ist im Gegensatz zu dieser jedoch asymmetrisch, eine der beiden Flanken zeigt eine deutliche
Erhebung („tail“).
Eine Novosibirsk-Funktion wird durch folgende Parameter charakterisiert: Die
Peak-Position x0 , die Breite σ, die Amplitude A und den Tail-Parameter τ . Die
33
5 Analyse der Messergebnisse
5.3 Fitten der Ergebnisse
10
10
1
1
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
0
2000
4000
(a) 900 MeV
6000
8000
10000
12000
(b) 2 GeV
10
1
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
(c) 3 GeV
counts
Abbildung 5.3: Spektren nach Schnitt auf die Tagger-Energie und das Zeit-Spektrum
350
300
250
200
150
100
50
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Edep / MeV
Abbildung 5.4: Ergebnisse einer Monte-Carlo-Simulation zur ELSA-Strahlzeit: Deponierte Energie im Zentralkristall [Sch12]
Funktion trägt diesen Namen, da sie erstmals auf einem BaBar-Meeting in der sibirischen Hauptstadt Novosibirsk vorgestellt wurde. Die Funktionsvorschrift lautet
[Bab02]:
p
2
sinh
τ
ln(4)
1 ln (1 + λτ (x − x0 ))
p
f (x) = A · exp
+ τ2
mit λ =
(5.1)
2
τ2
στ ln(4)
34
5 Analyse der Messergebnisse
5.3 Fitten der Ergebnisse
12000
Peak-Integral (willk. Einheiten)
10000
8000
Ham VPTT 900 MeV
Ham VPTT 2 GeV
Ham VPTT 3 GeV
Ham VPT 900 MeV
Ham VPT 2 GeV
Ham VPT 3 GeV
RIE VPTT 900 MeV
RIE VPTT 2 GeV
RIE VPTT 3 GeV
Ham APD
Ham APD 2
6000
4000
2000
0
0,0×100
2,0×105
4,0×105
6,0×105
8,0×105
1,0×106
1,2×106
1,4×106
Photonenrate (1/s)
Abbildung 5.5: Absolute Ergebnisse der Ratenmessungen an ELSA: Peak-Integrale
5.3.2 Durchführung der Fits
Das Anpassen und die weitere Auswertung der Daten erfolgt mit dem am CERN
gewarteten Softwarepaket ROOT2 . Dieses stellt umfangreiche Methoden zum Anpassen von Funktionen an Daten zur Verfügung. Die Novosibirsk-Funktion ist in der
Standard-Mathematikbibliothek von ROOT namens TMath nicht enthalten und
wurde daher als C++-Code implementiert. Damit der Fit in ROOT konvergiert,
müssen jedoch einige Vorraussetzungen geschaffen werden. So findet der Fitalgorithmus den Peak in der Regel nicht von selbst. Die Parameter der Novosibirsk-Funktion
müssen daher mit einem ungefähren Schätzwert vorbelegt werden. Ausgehend von
diesen Startwerten wird dann der Fit mit der Log-Likelihood-Methode an die Daten
angepasst. Am Ende gibt ROOT für jeden Parameter den besten Wert inklusive
statistischem Fehler aus.
Zur Bestimmung der Startwerte wurde ein sehr einfacher Peak-Finding-Algorithmus verwendet. Der Bin im Histogramm mit dem maximalen Inhalt dient als Startwert für x0 , die Differenz der Bin-Nummern, in denen die Amplitude auf einen
gewissen Prozentsatz des Maximums abgesunken ist wird als Startwert für σ verwendet und für τ wird ein statischer Schätzwert gesetzt. Im Abschnitt 8.3.2 wird
der verwendete Algorithmus detailliert erläutert.
2
http://root.cern.ch/
35
5 Analyse der Messergebnisse
5.4 Auswertung der Ratenfestigkeitstests
1,05
Relatives Peak-Integral
1,00
0,95
Ham VPTT 900 MeV
Ham VPTT 2 GeV
Ham VPTT 3 GeV
Ham VPT 900 MeV
Ham VPT 2 GeV
Ham VPT 3 GeV
RIE VPTT 900 MeV
RIE VPTT 2 GeV
RIE VPTT 3 GeV
Ham APD
Ham APD 2
0,90
0,85
0,80
0,0×100
2,0×105
4,0×105
6,0×105
8,0×105
1,0×106
1,2×106
1,4×106
Photonenrate (1/s)
Abbildung 5.6: Normierte Ergebnisse der Ratenfetigkeitstests
5.4 Auswertung der Ratenfestigkeitstests
In diesem Abschnitt werden nun die Ergebnisse der Ratentests vorgestellt: In Abbildung 5.5 sind die Peak-Positionen aus den Ratenmessungen zu jeder Energie und
zu jedem Photodetektor als Funktion der Rate aufgetragen. Diese Werte selbst sind
jedoch wenig aussagekräftig. Daher wird in jeder Messreihe (d.h. pro Detektortyp
und Energie) der Maximalwert bestimmt und alle anderen Werte in dieser Messreihe
werden durch diesen Maximalwert geteilt, um eine relative Peakposition zu erhalten. Bei allen Messungen an Röhren liegt dieser Maximalwert bei ν = 3 · 105 s−1 ,
bei den APDs liegt er bei ν = 4,5 · 105 s−1 . Abbildung 5.6 zeigt die so berechneten
relativen Peakpositionen. Die Röhren zeigen bei einer Rate von ν = 1,8 · 106 s−1
ein Absinken um 8% verglichen mit dem Maximalwert. Bei den APDs beträgt der
Amplitudenabfall sogar 15%. Um die nah beieinanderliegenden Punkte der Photoröhren besser unterscheiden zu können, zeigt Abbildung 5.7 die gleichen Daten ohne
die APD-Datenpunkte, was eine feinere Skalierung der y-Achse erlaubt.
Diese Ergebnisse stellen ein ernstes Problem für die Energieauflösung des elektromagnetischen Kalorimeters dar.Die im Technical
−1 Design Report als Ziel angegebene
p
E/ GeV
[Ern08] ist mit diesen AmplitudenAuflösung von ≤ 1% ⊕ ≤ 2% ·
schwankungen nicht zu erreichen, denn die erreichbare Energieauflösung ist direkt
von der Konstanz dieser Werte abhängig. Daher wurden nach der Strahlzeit Möglichkeiten zur Lösung des Problems untersucht.
Die Entwickler der Vorverstärker haben angeregt, den Einfluss der Widerstände
im Hochspannungsfilter, der auf den APD-Preamps montiert ist, zu untersuchen. Bei
36
5 Analyse der Messergebnisse
5.4 Auswertung der Ratenfestigkeitstests
1,020
1,000
Relatives Peak-Integral
0,980
Ham VPTT 900 MeV
Ham VPTT 2 GeV
Ham VPTT 3 GeV
Ham VPT 900 MeV
Ham VPT 2 GeV
Ham VPT 3 GeV
RIE VPTT 900 MeV
RIE VPTT 2 GeV
RIE VPTT 3 GeV
0,960
0,940
0,920
0,900
0,0×100
2,0×105
4,0×105
6,0×105
8,0×105
1,0×106
1,2×106
1,4×106
Photonenrate (1/s)
Abbildung 5.7: Normierte Ergebnisse der Ratenfetigkeitstests ohne die Datenpunkte
der APDs
den Peak-Raten, die in Bonn erreicht wurden, kann der Strom durch die APD soweit
ansteigen, dass der Widerstand im RC-Filter von 30 MΩ zum limitierenden Element
in dem Stromkreis wird. Folglich sinkt die Spannung hinter dem Widerstand, also
an der APD. Diese reagiert sehr empfindlich auf Spannungsvariationen, bei einer
Verstärkung von 100 bewirkt ein Absinken der Spannung um 1 V ein Absinken der
Verstärkung um 5%.
Aufgrund dieser Erkenntnisse wurde am Institut für Experimentalphysik I der
Ruhr-Universität Bochum ein Messaufbau zur Untersuchung des Einflusses des Widerstandes im Hochspannungsfilter aufgebaut. Die Messung und ihre Ergebnisse
werden in Kapitel 6 beschrieben.
37
6 Untersuchung der
APD-Amplitudenschwankungen
6.1 Messaufbau
Die Strahlzeit am ELSA-Beschleuniger in Bonn hat deutlich gezeigt, dass die APDs
von Hamamtsu mit ihrer derzeitigen Elektronik für die Verwendung in PANDA
nicht geeignet sind. Daher ist es nötig, Lösungsvorschläge für das Problem zu erarbeiten. Die Entwickler der Vorverstärker von der Gruppe für experimentelle Teilchenphysik der Universität Basel haben angeregt, den Wert der Widerstände im
Hochspannungsfilter des Preamps zu verkleinern. Der bei der ELSA-Strahlzeit beobachtete Effekt sollte dadurch theoretisch reduziert werden, gleichzeitig wird jedoch
das Rauschen schlechter gefiltert, das Signal-Rausch-Verhältnis des Ausgangssignals
wird also schlechter. Somit muss ein maximal tolerierbarer Widerstandswert gefunden werden, der bei hoher Rate keine signifikanten Amplitudenschwankungen erzeugt. Zur Ermittlung dieses maximalen Widerstandswertes wurde in Bochum eine
Messreihe durchgeführt.
Abbildung 6.1 zeigt den Schaltplan der Spannungsversorgung der APDs. Der Widerstande R1 bildet mit dem Kondensator C1 den Hochspannungsfilter, der Widerstand R2 dient der Strombegrenzung zwischen Filter und APD. Beide Widerstände
sollten für die Messungen einfach ausgetauscht werden können. Dazu wurde ein
APD-Vorverstärker dahingehend modifiziert, dass die SMD-Widerstände von der
Preamp-Platine abgelötet und durch Drähte ersetzt wurden. Diese Drähte werden
aus der Abschirmung der APD herausgeführt und enden an einer kleinen Platine,
an der sie mit einem IC-Sockel verbunden sind. In diesem IC-Sockel können dann
gewöhnliche Schichtwiderstände eingesteckt werden. Auf diese Weise können die Widerstände einfach ausgetauscht werden, ohne die Abschirmung der APD öffnen oder
Abbildung 6.1: Schematischer Schaltplan der Spannungsversorgung der APD mit
dem Hochspannungsfilter
38
6 Untersuchung der APD-Amplitudenschwankungen
Ratenpulser
1−
Messpulser
1
n
1
n
Rate
Divider
6.1 Messaufbau
Freq.Gen.
PC
ADC
Widerstände
Lichtmischer
APD
Preamp
HV
Abbildung 6.2: Blockschaltbild des APD-Messaufbaus (Breite Linien: Lichtleiter)
(a) Übersicht
(b) Widerstands-Steckplatz
Abbildung 6.3: Fotografien des APD-Raten-Messaufbaus
einen Lötkolben benutzen zu müssen.
Die Auslesekette entsprach im Wesentlichen derjenigen während der ELSA-Strahlzeit, zur Digitaliserung wurde jedoch ein anderer ADC verwendet. Allerdings ist
ein direkter Vergleich mit den Resultaten der Strahlzeit nicht geplant, so dass dies
unschädlich ist. An Stelle von Szintillationslicht traf in dem Teststand jedoch Licht
aus zwei Lichtpulsern auf die APD. Um eine homogene Ausleuchtung der APD zu
gewährleisten wurde das Licht durch einen Lichtmischer geleitet. Abbildung 6.2 zeigt
ein Blockschaltbild des Messaufbaus.
Die Verwendung von zwei Lichtpulsern war zur Gewährleistung einer gleichbleibenden Zeitstruktur und Intensität des Lichtsignals erforderlich. Einer der beiden
Pulser wurde als „Messpulser“ eingesetzt, die Reaktion der APD auf seine Signale
wurde letztlich ausgewertet. Er wurde mit einer konstanten Rate von 1,8 kHz betrieben. Eine Veränderung dieser Frequenz würde die Lichtintensität und die Anstiegsund Abfallzeiten beeinflussen. Der zweite Pulser wurde als „Ratenpulser“ eingesetzt
und mit variabler Frequenz betrieben. Der ADC wurde synchron zu dem Messpulser getriggert, so dass die Pulse des Ratenpulsers nicht aufgezeichnet wurden. Dieser
39
6 Untersuchung der APD-Amplitudenschwankungen
6.2 Reproduzierbarkeit
280
Peakposition in ADC-Kanälen
270
260
250
Messung 1
Messung 2
Messung 3
240
230
220
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Lichtpulserfrequenz (kHz)
Abbildung 6.4: Reproduzierbarkeit der APD-Untersuchungen: Drei identische Messungen bei R = 150 kΩ
zweite Pulser simulierte die Effekte verschiedener Ereignisraten, so dass die Auswirkungen dieser anhand des gleichbleibenden Signals des ersten Pulsers untersucht
werden konnten. Die Pulser wurden über ein Rechtecksignal aus einem Frequenzgenerator gesteuert. Dieses wurde über einen Ratedivider geleitet, der die Steuersignale
zwischen den Pulsern „aufgeteilt“ hat, so dass die Frequenz des ersten Pulsers konstant 1,8 kHz betrug. Insgesamt wurden bei den folgenden Frequenzen gemessen:
• 3,6 kHz
• 360 kHz
• 900 kHz
• 1440 kHz
6.2 Reproduzierbarkeit
Im Verlauf der Messungen ist ein unerwartetes Problem aufgetreten: Die Messergebnisse waren nur eingeschränkt reproduzierbar. Abbildung 6.4 zeigt die Ergebnisse
von drei identischen Messreihen mit einem Widerstand von R = 150 kΩ. Zwischen
den Messungen 1 und 2 sind etwa 20 Minuten vergangen, zwischen den Messungen
2 und 3 etwa eine Minute. Der Messaufbau wurde während der gesamten Messung
nicht verändert, die lichtdichte Kiste, die den APD-Messaufbau enthielt wurde nicht
40
6 Untersuchung der APD-Amplitudenschwankungen
6.2 Reproduzierbarkeit
1,02
1,00
Relative Peakposition
0,98
0,96
4,7 MOhm
2 MOhm
1 MOhm
820 kOhm
560 kOhm
220 kOhm
100 kOhm
0,94
0,92
0,90
0,88
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Pulserfrequenz (kHz)
Abbildung 6.5: Normierte Ergebnisse der Messungen zum Widerstandseinfluss auf
die APD-Ratenfestigkeit
geöffnet, die Spannungsversorgung nicht abgeschaltet. Trotzdem zeigt das Ergebnis
eine Abweichung von bis zu 15%. Vergleicht man den Einfluss steigender Raten innerhalb einer Messreihe, also relativ zu dem jeweiligen Wert für ν = 3,6 kHz, so
zeigen sich auch dort Unterschiede zwischen den Messreihen.
Allerdings sind im Rahmen dieser Messungen nicht nur dann Unterschiede aufgetreten, wenn eine Messreihe nach einiger Zeit wiederholt wurde. Es ist auch vorgekommen, dass das Signal der APD während einer Messung plötzlich um etwa 12
ADC-Kanäle „gesprungen“ ist und danach auf diesem neuen Niveau verharrte.
Diese Tatsache schränkt die Aussagekraft der Messergebnisse in dieser Untersuchung deutlich ein. Die Ursache der Schwankungen und „Sprünge“ in den Ergebnissen
konnte bis zur Abgabe dieser Arbeit nicht aufgeklärt werden. Darüber hinaus kann
aufgrund der derzeit vorliegenden Datenbasis nicht mit Sicherheit ausgeschlossen
werden, dass die APDs im Prototypen ein ähnliches Verhalten zeigen, allerdings
kann das Problem ebensowenig bestätigt werden. Allerdings kann auch nicht mit Sicherheit gesagt werden, dass APDs tatsächlich die Ursache des Problems sind. Der
Testaufbau war nicht temperaturstabilisiert, es wurde ein anderer ADC verwendet
und die APD-Vorverstärker-Einheit war nicht so gut geschirmt wie im Proto192.
41
6 Untersuchung der APD-Amplitudenschwankungen
6.3 Ergebnisse
6.3 Ergebnisse
Ungeachtet der im vorherigen Abschnitt aufgeführten Schwankungen zeigen die Messergebnisse, dass die Ratenfestigkeit der APDs sich mit kleineren Widerständen im
Hochspannungsfilter deutlich verbessern lässt. Abbildung 6.5 zeigt die Ergebnisse der
Messreihen, jeweils normiert auf ν = 3,6 kHz. Bei Widerständen unter 1 MΩ liegt
die verbleibende Ratenabhängigkeit in der Größenordnung, in der sie auch bei den
Photoröhren beobachtet wurde (siehe Abschnitt 5.4). Daher wird derzeit vermutet,
dass diese verbleibende Abhängigkeit an einer anderen Stelle in der Elektronikkette
verursacht wird. Konkret wird an der Universität Basel zur Zeit der Vorverstärker
auf seine Ratenfestigkeit untersucht.
Wie in Abschnitt 6.1 erläutert führt ein Verkleinern des Widerstandes zur einer
Vergrößerung des Rauschens. Bei einer Überprüfung mit einem Oszilloskop konnte dies auch für die Signale hinter dem Vorverstärker bestätigt werden. Die Änderung des Widerstandes ändert jedoch auch die Grenzfrequenz des RC-Gliedes,
dass den Hochspannungsfilter bildet. Somit ändert sich nicht nur die Amplitude,
sondern auch die spektrale Zusammensetzung des Rauschens. Aufgrund dieser Änderung kann der Shaper offensichtlich Rauschen und Messsignale besser trennen, so
dass die Rauschampliude hinter dem Shaper im Vergleich zu dem unmodifizierten
Hochspannungsfilter sinkt. Schlussendlich ist die Entscheidung auf die Widerstandswerte R1 = 100 kΩ und R2 = 50 kΩ gefallen. Mit diesen wurde ein Absinken der
Rauschamplitude um 5% erreicht.
42
7 Die Proto192-Kanal-Datenbank
7.1 Überblick
Bei einem komplexen Projekt wie dem Proto192 ist es notwendig, eine Übersicht über
die verbauten Bestandteile und ihre Eigenschaften zu erstellen. Aus diesem Grund
wurde im Rahmen dieser Arbeit die Proto192-Kanal-Datenbank („Proto192 Channel Database“) entwickelt. Diese Datenbank speichert, ausgehend von den „Kanälen“
des EMC die Position und Eigenschaften der Photodetektoren und Temperatursensoren. Die Datenbank basiert auf dem relationalen Datenbankmanagementsystem
MySQL1 .
Zur Bedienung der Datenbank sowie zum Auslesen und Eingeben von Informationen wurde zunächst eine webbasierte Schnittstelle in der Programmiersprache
PHP2 entwickelt. Über diese Weboberfläche können nahezu alle Daten in der Datenbank geändert werden und außerdem strukturierte Auswertungen angefertigt
werden, beispielsweise eine Übersicht, welche Photodetektoren an welchem Kanal
der Hochspannungsversorgung betrieben werden. Zur Verwendung in Programmen
zur Datenanalyse wurde zusätzlich eine C++-Programmbibliothek mit dem Namen
libchdb_access entwickelt. Diese ermöglicht ebenfalls den Lese-Zugriff auf den gesamten Datenbestand, allerdings können die Daten mit Hilfe der Programmbibliothek nicht geändert werden. Ebenso stehen keine vordefinierten Auswertungsmöglichkeiten zur Verfügung, allerdings kann die Programmbibliothek genutzt werden,
um solche zu implementieren.
7.2 Struktur der Datenbank
7.2.1 Entity-Relationsship-Diagramm
In Abbildung 7.1 ist ein eingeschränktes Entity-Relationsship-Diagramm für die Datenbank zu sehen. Alle Eigenschaften der Entitäten konnten nicht aufgeführt werden,
da diese so zahlreich sind, dass das Diagramm unleserlich würde. Jede Entität wurde
in der Datenbank in eine Tabelle umgesetzt, die Eigenschaften werden in den Spalten der Tabelle gespeichert. Weitere Spalten werden dazu genutzt, die Beziehungen
zwischen den Entitäten abzubilden. Bei dieser Datenbank wurde dabei das Paradigma benutzt, jedem Objekt eine Zahl als eindeutiges Kennzeichen zuzuordnen,
das vom Objekt selbst völlig unabhängig ist. Diese Zahl dient in den Tabellen als
Primärschlüssel, der den Eintrag - und damit das Objekt - eindeutig identifiziert. In
anderen Tabellen, die eine Beziehung zu diesem Objekt abbilden, kann diese Zahl
als Fremdschlüssel benutzt werden.
1
2
http://www.mysql.com/
http://www.php.net
43
7 Die Proto192-Kanal-Datenbank
7.2 Struktur der Datenbank
7.2.2 Kanäle
Der Begriff „Kanal“ bezeichnet im Zusammenhang mit der Datenbank eine Kristallposition an der Endkappe des EMC, er sollte nicht mit Auslese- oder DAQ-Kanälen
verwechselt werden. Der Kanal ist das „Mutterobjekt“ in der Kanal-Datenbank (die
daher auch diesen Namen trägt), alle weiteren Dinge sind direkt oder indirekt einem
Kanal zugeordnet. Kanäle der EMC-Endkappe werden mit einer Zeichenfolge in der
Form q-XxYy-c bezeichnet. Da der Proto192 ein Ausschnitt der Endkappe ist, werden hier bereits die für die fertige Endkappe geplanten Bezeichnungen angewendet.
Die Stelle q kann Werte von 1 bis 4 annehmen und bezeichnet den Quadranten der
Endkappe. Im Proto192 ist diese Stelle immer 1. Mit den Stellen x und y werden
im jeweiligen Quadranten die Alveolen ausgehend vom der Strahlrohrdurchführung
nach außen in x- und y-Richtung abgezählt. Mit diesen drei Angaben kann also eine
Alveole eindeutig identifiziert werden. Die letzte Stelle, c, bezeichnet die Kristallposition innerhalb der Alveole. Da eine Alveole 16 Kristalle aufnimmt, wird diese Zahl
im Hexadezimalsystem angegeben und kann somit Werte von 0 bis F annehmen.
Ein Kanal besitzt als Eigenschaften die Seriennummer des Kristalls sowie der Alveole und ein Freitextfeld für Notizen. Außerdem besitzt er einen Parameter, mit
dem er als gelöscht gekennzeichnet werden kann. Gelöschte Kanäle werden somit
nicht tatsächlich aus der Datenbank entfernt, um einen versehentlichen Löschvorgang rückgängig machen zu können. Das Freitextfeld für Notizen und der GelöschtParameter sind in allen im Folgenden vorgestellten Tabellen ebenfalls enthalten.
Abbildung 7.1: Entity-Relationsship-Diagramm der Proto192-Kanal-Datenbank
Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurden Attribute ausgelassen
44
7 Die Proto192-Kanal-Datenbank
7.2 Struktur der Datenbank
7.2.3 Detektoren
Die Detektoren-Tabelle enthält die Photodetektoren, mit denen der Kristall eines
Kanals ausgelesen wird. Jedem Kanal kann maximal ein Detektor zugeordnet werden. Für Photodetektoren, die nicht verbaut sind, kann die Kanalangabe auf „nicht
zugewiesen“ eingestellt werden. Dieses Verfahren muss für APDs jedoch erweitert
werden, da hier zwei APDs einen Kanal auslesen, einem Kanal jedoch nur ein Detektor zugeordnet werden kann. Aus diesem Grund wurde das Konzept der Subdetektoren eingeführt, dass in Abschnitt 7.2.4 näher erläutert wird.
Ein Detektor wird über seinen Typ und seine Seriennummer bezeichnet. Darüber
hinaus besitzt er eine Vielzahl von Eigenschaften, darunter Kalibrationswerte (Verstärkung, Dunkelstrom, Quanteneffizienz) und Anschlüsse an die Signalleitungen
und die Spannungsversorgung.
7.2.4 Subdetektoren
Ein Subdetektor bezeichnet die Untereinheit eines Detektors. Dies wird verwendet,
um die APDs ihren Capsules zuzuordnen. Es werden jeweils zwei APDs in ein Capsule eingeklebt und mit einer gemeinsamen Spannungsversorgung verbunden. Daher
wird das Capsule als „Detektor“ des Kanals betrachtet und die APDs werden diesem
Capsule als Subdetektoren dem Capsule zugeordnet.
Subdetektoren haben ähnliche Eigenschaften wie die Dektektoren (z. B. Signalverkabelung), einige Eigenschaften fehlen jedoch. Dies ist z. B. bei der Spannungsversorgung der Fall, da die beiden APDs eine gemeinsame Versorgung haben und
diese daher in der Detektor-Tabelle angegeben wird. Zudem haben Subdetektoren
auch zusätzliche Eigenschaften, wie die Spezifikation des Zusammenhangs zwischen
Temperatur und Spannung, um eine gegebene Verstärkung zu erreichen.
7.2.5 Temperatursensoren
Wie in Abschnitt 3.4.2 ausgeführt, ist eine engmaschige Temperaturüberwachung des
Proto192 nötig, wozu eigene Temperatursensoren entwickelt wurden. Die Datenbank
speichert Details über die Produktion der Sensoren inklusive der vergebenen Seriennummer sowie über die Position, an der der Sensor in die Alveole eingeklebt wurde.
Der Kristall, an dem der Sensor befestigt wurde, ergibt sich aus der Zuordnung zu
einem Kanal, darüber hinaus wird auch noch die Position am Kristall (vorne, mitten
oder hinten und oben, unten, links oder rechts) gespeichert.
Neben der Kanal-Datenbank existiert noch eine Sensor-Datenbank. Diese enthält
die Informationen zur Verkabelung und Auslese der Temperatur-, Luftfeuchte- und
Drucksensoren. Die Temperatursensoren an den Kristallen werden in beiden Datenbanken behandelt, hier werden die Daten gemeinsam genutzt. Darüber hinaus gibt
es noch Temperatursensoren an der Backplate und in der Fronthülle. Dafür wurden
jedoch kommerzielle Pt100-Sensoren verwendet und keine Selbstgebauten. Wie die
Feuchte- und Drucksensoren sind diese Temperatursensoren in der Kanaldatenbank
nicht enthalten.
45
7 Die Proto192-Kanal-Datenbank
7.2 Struktur der Datenbank
7.2.6 Detektor- und Subdetektor-Typen
Da im Proto192 verschiedene Typen von Photodetektoren eingesetzt werden, wurden Tabellen eingerichtet, um die (Sub-) Detektortypen zu verwalten. Diese Tabellen enthalten Informationen wie den Herstellernamen oder die Modellbezeichnung
mitsamt Abkürzung. Jedem Modell wird wiederum eine Zahl als eindeutige Kennzeichnung zugewiesen, über diese Zahl (als Fremdschlüssel) wird in der Detektorund Subdetektortabelle der Typ des jeweiligen Detektors angegeben. Die beiden
Modell-Tabellen können nur vom Datenbankadministrator geändert werden, Benutzer haben ausschließlich Lesezugriff.
7.2.7 Archivsystem
Nach der Strahlzeit am CERN kam der Wunsch auf, in Zukunft die Geschichte eines
Objektes bzw. Datenbankeintrags zurückverfolgen zu können und somit die Konfiguration des Proto192 in einem bestimmten Zeitpunkt in der Vergangenheit einsehen
zu können. Daher wurden zu allen durch den Nutzer bearbeitbaren Tabellen Archivierungstabellen erstellt. Diese enthalten alle Spalten der Ausgangstabelle und zwei
zusätzliche Spalten. Bei der ersten Spalte handelt es sich wiederum um eine automatisch zugeordnete Zahl, die den Archiv-Eintrag identifiziert (Primärschlüssel).
Die ID-Nummer aus der Ausgangstabelle kann hier nicht mehr als Primärschlüssel dienen, da sie bei jedem Archiveintrag des betreffenden Objektes und damit
mehrfach vorkommt. Allerdings bindet die ID-Nummer als Fremdschlüssel den Archiveintrag an das Objekt in der Ausgangstabelle. Die zweite Zusatzspalte enthält
die Zeit, zu der der Eintrag in dieser Form in die Datenbank eingetragen wurde. Ein
Objekt hatte also zwischen dem Eintragszeitpunkt eines Archiveintrags und dem
Eintragszeitpunkt des nächstfolgenden Eintrags zum selben Objekt die in dem Eintrag angegebene Konfiguration. Diese Herangehensweise hat den Vorteil, dass ein
Archiveintrag, nachdem er einmal in die Archivtabelle eingetragen wurde, niemals
wieder geändert werden muss. Es wäre somit auch möglich, das Datenbankmanagementsystem so zu konfigurieren, dass es Änderungen an den Daten verweigert und
nur das Hinzufügen neuer Daten zulässt.
Die Umsetzung der Archivierung erfolgt vollständig in der Datenbank, eine Anpassung der Weboberfläche war nicht erforderlich. Wenn in Zukunft weitere Anwendungen schreibend auf die Datenbank zugreifen, so müssen diese auch nicht daraufhin
angepasst werden, insbesondere ist es nicht möglich, durch einen Programmierfehler
o.ä. den Eintrag im Archivsystem zu „vergessen“.
Um dies zu erreichen wurde der Trigger-Mechanismus [Ora12] von MySQL verwendet. Wenn ein Client eine Änderung (Einfügung oder Aktualisierung) an einer
der Tabellen vornimmt, so wird dadurch vom Server eine vorher hinterlegte, in SQL
programmierte Prozedur aufgerufen. Diese kopiert den neuen bzw. geänderten Eintrag in die Archivtabelle und fügt automatisch die aktuelle Zeit als Eintragszeitpunkt
hinzu.
46
7 Die Proto192-Kanal-Datenbank
7.2 Struktur der Datenbank
Abbildung 7.2: Übersicht über die Datenbankstruktur
47
7 Die Proto192-Kanal-Datenbank
7.3 Sicherheit der Webanwendung
7.2.8 Überblick über die Datenbankstruktur
Mit diesen Informationen kann nun ein Überblick über die Struktur der Datenbank
gegeben werden. Abbildung 7.2 zeigt alle Tabellen der Proto192-Kanal-Datenbank
mit ihren Beziehungen untereinander. Datenbanktechnisch sind die Beziehungen jeweils als 1:n-Beziehung ausgestaltet. Allerdings gibt es auch faktische 1:1-Beziehun6gen wie die Beziehung zwischen Kanal und Detektor. Hier ist es Aufgabe der
Software, die die Datenbank verwendet, darauf zu achten, dass zur gleichen Zeit
nicht mehr als 1 Detektor einem Kanal zugeordnet ist.
7.3 Sicherheit der Webanwendung
Die Proto192-Kanal-Datenbank ist weltweit mit einem Webbrowser erreichbar, daher
kann sie auch von jedem internetfähigen Computer aus angegriffen werden [RG07].
Auch wenn es unwahrscheinlich ist, dass jemand gezielt die Proto192-Datenbank
kompromitieren will, so könnte sie doch einer automatisierten Attacke zum Opfer
fallen, mit dem Ziel, den Server zu infiltrieren und zu einem Bot-Netz hinzuzufügen.
Aus diesem Grund ist es bei der Entwicklung von Webanwendungen grundsätzlich
erforderlich, geeignete Schutzmaßnahmen einfließen zu lassen [Wet10], so auch bei
dem Webinterface zur Proto192-Datenbank.
7.3.1 „Never trust your clients“
Ein grundlegendes Entwicklungsparadigma, das bei der Entwicklung der Proto192Kanal-Datenbank angewendet wurde, besagt, dass Eingabedaten von außen (also
vom Nutzer) grundsätzlich zu misstrauen ist und diese immer erst auf Korrektheit
überprüft werden müssen, bevor sie verwendet werden dürfen. Dies soll im Folgenden
an einem Beispiel erläutert werden:
Wie in Abschnitt 7.2.1 erläutert wird jedes Objekt in der Datebank durch eine
eindeutige ID, also eine ganze Zahl, identifiziert. Diese IDs werden als Parameter
in der URL [BLCM94] der aufgerufenen Seite übergeben. Allerdings sieht es der
HTTP-Standard [BLFW99] nicht vor, die Art der Parameter in irgendeiner Weise
zu bestimmen, es sind alles Zeichenfolgen. Bevor der Eingabeparameter in der Webanwendung verwendet werden kann, muss er somit gefiltert werden. Hierzu bietet
sich die PHP-Funktion intval() an. Von dieser wird der Parameter Zeichen für
Zeichen abgearbeitet. Bei jedem Zeichen wird überprüft, ob es sich um eine Ziffer handelt. Ist dies nicht der Fall, so wird die weitere Verarbeitung abgebrochen.
Danach werden die erkannten Ziffern als Variable des Typs „Integer“ ausgegeben.
Enthält der Parameter an der ersten Stelle eine Nicht-Ziffer, so ist der Rückgabewert 0.
Würde dieser Schritt nicht erfolgen, so könnte es im Folgenden zu einer Manipulation der Datenbankabfrage kommen, genannt „SQL Injection“: Um die Daten
des angefragten Objektes aus der Datenbank abfragen zu können, muss die ID in
die Datenbankfrage, geschrieben in SQL3 , eingebaut werden. Wenn man nun den
3
Structured Query Language
48
7 Die Proto192-Kanal-Datenbank
7.3 Sicherheit der Webanwendung
ID-Parameter ungefiltert übernehmen würde, so könnte der ID-Parameter so manipuliert werden, dass sich beim Einbau in das SQL-Kommando wiederum ein (oder
mehrere) gültiges Kommando ergibt, dass jedoch eine andere Funktion hat, als vorgesehen ist. Ein Angreifer, der auf diese Weise Kontrolle über den Datenbankserver
erlangt könnte einerseits die Daten beliebig manipulieren, andererseits das Datenbankprogramm als Ausgangspunkt für einen Angriff auf das Betriebssystem des
Servers benutzen [RG07], der ansonsten von außerhalb so nicht möglich wäre. Aus
diesem Grund wurde SQL Injection im Jahr 2010 auf Platz 1 der OWASP4 -Top10
gefährlichsten Sicherheitslücken gewählt [Wet10].
Auf Platz 2 dieser Liste befindet sich Cross-Site-Scripting (XSS). XSS bedeutet,
dass man in den Inhalt einer Webseite Informationen einschleust, die vom Inhaber
der Seite dort nie abgelegt wurden. Hierzu bedient man sich in der Regel der Skriptsprache JavaScript, mit deren Hilfe aktive Inhalte in Webseiten eingebettet werden
können, die im Webbrowser, also clientseitig, ausgeführt werden [Wet10]. Möglich
ist dies beispielsweise bei allen Datenbankfeldern, in die beliebiger Text eingegeben werden kann. Die Proto192-Kanal-Datenbank enthält solche Felder unter anderem als Notizfeld zu jedem Objekt. Wenn jemand dort entsprechende HTML- und
JavaScript-Befehle hinterlegt, so werden diese beim Anzeigen der Objekteigenschaften in die Webseite eingebettet und vom Browser ausgeführt. Die Möglichkeiten zur
Ausnutzung sind vielfältig. So gibt es vorgefertigte Toolkits im Internet, die den
Browser des Webseite-Besuchers auf Schwachstellen abklopfen und, wenn möglich,
infiltrieren und somit den Rechner mit Schadsoftware infizieren [RG07].
7.3.2 Gegenmaßnahmen
In diesem Abschnitt sollen die Maßnahmen vorgestellt werden, die in der Proto192Kanal-Datenbank zur Anwendung kommen, um Missbrauch zu unterbinden. Dies
dient nicht nur der Systemsicherheit und der Verhinderung mutwilliger „Attacken“
auf die Datenbank, sondern auch der Erkennung und Vermeidung von versehentlichen Falscheingaben und Fehlfunktionen. Ohne diese Maßnahmen würde es bereits
zu einem Datenbankfehler führen, wenn ein Kommentar zu einem beliebigen Objekt
in der Datenbank ein Anführungszeichen enthalten würde.
Eine dieser Maßnahmen ist die Verwendung der intval()-Funktion, die im vorhergehenden Abschnitt bereits vorgestellt wurde und die zum Filtern einer ganzen
Zahl aus einer Zeichenfolge dient. Handelt es sich bei dem Eingabeparameter statt
dessen um eine Fließkommazahl, so kommt die Funktion floatval() zum Einsatz.
Allerdings werden in die Datenbank nicht nur Zahlen, sondern auch Texte eingefügt. Bei diesen kann der Inhalt nicht einfach auf 10 Ziffern beschränkt werden. Bei
der Entwicklung der Proto192-Kanal-Datenbank wurde die Entscheidung getroffen,
grundsätzlich den Zeichensatz UTF-85 zu unterstützen. Dieser ermöglicht es, nahezu
alle (Schrift-) Zeichen zu speichern und darzustellen. Damit dies möglich ist muss
an allen Stellen der Verarbeitung beachtet werden, dass es sich um UTF-8-Zeichen
handelt. Einige dieser Zeichen haben in SQL-Abfragen eine besondere Bedeutung, in
4
5
Open Web Application Security Project
ISO/IEC 10646-1:2000 Annex D und RFC3629
49
7 Die Proto192-Kanal-Datenbank
7.3 Sicherheit der Webanwendung
diesem Zusammenhang sind das insbesondere die Anführungszeichen. Zeichenfolgen
müssen in SQL-Kommandos in Anführungszeichen eingeschlossen sein. Wenn die
Zeichenfolge nun selbst Anführungszeichen enthält, so müssen diese maskiert werden, damit MySQL sie nicht mit den Anführungszeichen am Ende der Zeichenfolge
verwechselt. Außerdem ist sonst wieder SQL Injection möglich. Die MySQL-PHPAPI stellt dafür die Funktion mysql_real_escape_string() zur Verfügung, die
eine Zeichenfolge so umformt, dass sie gefahrlos in ein SQL-Kommando eingebaut
werden kann.
Ein ähnliches Kommando existiert auch für Daten, die als Teil einer HTMLSeite ausgeliefert werden sollen. Auch HTML definiert Zeichen, die eine besondere Bedeutung haben, z. B. die spitzen Klammern < und >. Die PHP-Funktion
htmlentities() wandelt diese in ihre maskierte Form < und > um, ebenso
alle anderen Sonderzeichen, für die eine maskierte Notation existiert. Somit kann
in einem Notiz-Feld beispielsweise eine Ungleichung notiert werden, ohne dass es zu
Problemen kommt. Cross-Site-Scripting wird ebenfalls wirkungsvoll verhindert.
Der letzte Pfeiler der Absicherung der Webanwendung ist die Eingabevalidierung.
Hierbei werden die eingegebenen Daten einer Plausibilitätsprüfung unterzogen. Bei
vielen Werten ist dies eine einfache Prüfung auf einen erlaubten Wertebereich. So ist
eine Quanteneffizienz von mehr als 100% physikalisch unmöglich, ein Dunkelstrom
von 1 A bei den verwendeten Photodetektoren ebenfalls. Bei Daten, die Relationen
innerhalb der Datenbank repräsentieren, ist eine weitergehende Prüfung notwendig.
Wird zum Beispiel ein Photodetektor einem Kanal zugewiesen, so muss überprüft
werden, ob dieser Kanal überhaupt existiert und ob ihm nicht bereits ein Photodetektor zugewiesen ist (vgl. Abschnitt 7.2.3).
50
8 Analyse-Framework
8.1 Einführung
Im Rahmen dieser Master-Arbeit wurde auch Software zur Auswertung der Messdaten von ELSA und dem CERN entwickelt. In Zusammenarbeit mit weiteren Mitarbeitern des Instituts für Experimentalphysik I der Ruhr-Universität Bochum entstand somit ein vollständiges Analyse-Framework für die Daten des Proto192. Der
Fokus in meinem Teil des Frameworks liegt auf der dem Filtern, Verarbeiten und
Auswerten der Messdaten.
Dazu setzt dieser Teil des Frameworks auf anderen Teilen auf, die die Dateien
einlesen und die Ereignisse als C++-Objekte zur Verfügung stellen. Das Ziel des
Frameworks ist es, dass der Quellcode des Framework-Nutzers möglichst einfach
und übersichtlich gehalten wird und mit geringem Aufwand an neue Anforderungen angepasst werden kann. Trotzdem soll das Framework universell einsetzbar sein,
damit eine leicht geänderte Aufgabenstellung keinen neuen Programmieraufwand erzeugt. Aus diesem Grund wurde von den in C++ vorhandenen Konstrukten zur Metaprogrammierung und zur Verwendung von Klassen-Vorlagen ausgiebig Gebrauch
gemacht.
Die Klassen in diesem Teil des Frameworks lassen sich grob in zwei Gruppen teilen:
Die einen dienen der Filterung von der Messdaten (Selektion), die anderen dienen
der Verarbeitung und Auswertung der Daten, insbesondere durch Histogrammierung
und das Anfitten von Funktionen. Für die Histogrammierung und das Anfitten wird
auf die Funktionalität des ROOT-Frameworks1 zurückgegriffen. Allerdings werden
die ROOT-Klassen nur benutzt, die Klassen des Frameworks leiten sich nicht von
diesen ab.
8.2 Selektoren
Selektoren dienen der Filterung der Messdaten. Dazu bieten alle Selektoren die
Methode CheckEvent() an, der ein Zeiger auf ein Ereignis übergeben wird. Der
Typ (Klasse) des Ereignisses ist dabei variabel, denn alle Selektoren sind TemplateKlassen und der Typ kann als Template-Parameter angegeben werden. Der Selektor überprüft dann das Ereignis anhand seines Kriteriums. Es gibt insgesamt 11
Selektor-Klassen und jede implementiert ihr eigenes Kriterium, über die Wahl der
Selektor-Klasse wird somit die Arbeitsweise festgelegt. Als Rückgabewert hat die
Methode CheckEvent() einen Wahrheitswert (boolean), der angibt, ob das Ereignis
weitergenutzt oder verworfen werden soll.
1
http://root.cern.ch/
51
8 Analyse-Framework
8.2 Selektoren
Der Parameter, die der Selektor überprüfen soll, wird über seinen Konstruktor
festgelegt. Die Selektoren erlauben prinzipiell die Überprüfung einer beliebigen Eigenschaft eines Ereignisses. Dazu wird dem Selektor im Konstruktor ein Funktionszeiger auf eine Methode der per Template-Parameter festgelegten Ereignisklasse
übergeben. Dazu akzeptiert der Konstruktor noch Grenz- oder Parameterwerte, gegen die die angegebene Ereignis-Eigenschaft geprüft werden soll. Die Datentypen der
Eingabe- und Rückgabe-Parameter der betreffenden Methode der Ereignis-Klasse
werden ebenfalls über Template-Parameter festgelegt. Die Grenzwerte haben dann
automatisch den selben Typ. Auf diese Weise entsteht mit relativ wenig Quellcode
ein universelles Werkzeug zur Ereignis-Selektion.
Bei einem Schnitt auf die Photon-Energie (siehe Abschnitt 5.2) kommt beispielsweise die Selektorklasse SelectorRange zum Einsatz. Diese erhält einen Zeiger auf
die Methode getEGamma() der Ereignis-Klasse und eine obere sowie untere Grenze für die Photonen-Energie. Der Selektor akzeptiert dann ein Ereignis, wenn der
Wert von getEgamma echt größer als die untere Grenze und echt kleiner als die obere
Grenze ist, andernfalls wird es verworfen. Alternativ könnte auch die Selektor-Klasse
SelectorRangeeq benutzt werden, diese prüft nicht auf echt kleiner bzw. größer,
sondern auf kleiner gleich bzw. größer gleich.
Neben den beiden bereits erwähnten Selektorklassen stehen Selektoren zur Verfügung, die bei nur einem Grenzwert die Operationen echt kleiner (SelectorLess),
kleiner gleich (SelectorLesseq), echt größer (SelectorGreater) und größer gleich
(SelectorGreatereq) zur Verfügung stellen. Zur logischen Verkettung mehrerer Selektoren werden auch Funktionen der booleschen Algebra implementiert mit der
Und-Verknüpfung (SelectorAnd), der Oder-Verknüpfung (SelectorOr) und der
Nicht-Verknüpfung (SelectorNot).
Zum Abschluss dieses Abschnitts ist die Klasse SelContainer zu erwähnen. Diese
Klasse sammelt mehrere Selektoren in einem C++-Standardvektor. Darüber hinaus
bietet sie Methoden, die bei Übergabe der entsprechenden Parameter einen passenden Selektor instanziiert und dem Standardvektor hinzufügt. Durch Überladung
dieser Methoden werden die passenden Template-Parameter zur Instanziierung des
Selektors quasi automatisch ausgewählt, so dass der Nutzer des Analyse-Frameworks
dies nicht weiter beachten muss. Abschließend bietet die Klasse SelContainer auch
eine Methode CheckEvent().
Diese hat die selbe Signatur wie die gleichnamige Methode in den Selektor-Klassen
und iteriert über alle Selektoren in dem Standardvektor. Für jeden Selektor wird
dessen CheckEvent()-Methode aufgerufen. Ist das Ergebnis positiv, wird die Verarbeitung fortgesetzt, bei einem negativen Ergebnis wird die Verarbeitung abgebrochen und false an den Aufrufer zurückgegeben. Liefern alle Selektoren ein positives
Ergebnis, so wird true an den Aufrufer zurückgegeben.
52
8 Analyse-Framework
8.3 Auswertung
8.3 Auswertung
8.3.1 Histogramme füllen
Im Folgenden wird ein Überblick über die Klassen des Analyse-Frameworks gegeben, die der Auswertung dienen. Zunächst sind dazu die Klassen HistoFiller und
SelHistoFiller zu nennen. Beiden Klassen wird wieder der Ereignis-Datentyp als
Template-Parameter übergeben. Die Aufgabe der Klassen ist es, Ereignisse in ein
Histogramm einzutragen. Dazu erhalten sie im Konstruktor einen Zeiger auf ein
ROOT-Histogramm vom Typ TH1F. Im weiteren Verlauf werden die Ereignisse dann
der Methode EventToHisto() übergeben, die diese in das Histogramm einträgt.
Ebenso wie bei den Selektoren kann die Eigenschaft des Ereignisses, die histogrammiert werden soll, frei gewählt werden. Dazu wird wiederum dem Konstruktor ein
Methodenzeiger auf die Ereignisklasse übergeben. Übergibt man zum Beispiel einen
Zeiger auf die Ereignis-Methode getTime() entsteht in dem Histogramm ein Zeitspektrum (vgl. Abschnitt 5.2).
Bei der Klasse SelHistoFiller kommt noch ein Zwischenschritt hinzu, denn
diese Klasse enthält als Instanzenvariable einen SelContainer. Ein Ereignis wird
vor dem Eintragen in das Histogramm durch die SelContainer-Klasse geprüft und
nur bei positivem Ergebnis verwendet. Dies ist nützlich, wenn die Ereignisse auf
mehrere Histogramme nach bestimmten Bedingungen aufgeteilt werden sollen. Zur
Anwedung kommt dies bei der Analyse der ELSA-Daten, wo je ein Histogramm pro
Tagger-Energie (siehe Abschnitt 4.5) benutzt wurde.
8.3.2 Peaks fitten
Das Fitten der Peaks in den Histogrammen wurde auch in entsprechenden Klassen
automatisiert. Grundlage für deren korrekte Funktion ist jedoch, dass das Rauschen
hinreichend gut aus den Spektren entfernt wurde, da der Algorithmus ansonsten
den Peak nicht korrekt erkennen kann. Zur Zeit stehen die abstrakte Basisklasse
FittingBase und die Implementierung NovosibirskFit zur Verfügung. Die letztgenannte Klasse stellt eine Implementierung der Novosibirsk-Funktion (siehe Abschnitt
5.3.1) bereit. Es ist jedoch problemlos möglich, auf Grundlage von FittingBase auch
andere Funktionen wie zum Beispiel die Gauß-Funktion zu implementieren.
Alle Fit-Klassen stellen die Methode do_fit() zur Verfügung, die ohne Parameter
aufgerufen wird und einen booleschen Wert zurückgibt, um Erfolg oder Misserfolg
anzuzeigen. Ein Zeiger auf das Histogramm, das gefittet werden soll, ist im Konstruktur der Fit-Klasse anzugeben. Dieses Histogramm wird durch die Fit-Klassen
nicht verändert, der Nutzer des Analyse-Frameworks kann also das Einzeichnen der
Funktion in sein Histogramm selbst steuern.
Die Fit-Funktion wird durch die ROOT-Klasse TF1 repräsentiert, zum Fitten wird
die Methode Fit() der ROOT-Klasse TH1F benutzt. Bevor diese aufgerufen werden kann, müssen jedoch für die fünf Parameter der Novosibirsk-Funktion sinnvolle
Startwerte angegeben werden. Diese Werte sind die Amplitude A des NovosibirskPeaks, seine Position x0 und seine Breite σ. Hinzu kommt der Tail-Parameter τ (vgl.
Abschnitt 5.3.1) und die Amplitude b des als konstant genäherten Untergrundes.
53
8 Analyse-Framework
8.3 Auswertung
Als Startwert für x0 wird der Histogramm-Bin mit dem größten Eintrag verwendet, der Inhalt dieses Bins wird als Startwert für A verwendet. Zur Bestimmung eines
Startwertes für σ werden zunächst die Stellen gesucht, an denen die Amplitude auf
0,5 · A abgefallen ist. Hierzu werden immer 20 Histogramm-Bins gemittelt, um unempfindlich gegen lokale Schwankungen zu sein. Die Klasse NovosibirskFit verwendet dazu die Methoden GetLeftPeakShoulder() und GetRightPeakShoulder() der
Basisklasse FittingBase, da diese die benötigte Funktionalität allgemeinverwendbar kapseln. Aus der Differenz der Punkte, an denen die Amplitude den Wert 0,5 · A
unterschreitet errechnet sich die Breite w des Peaks. Gemäß der Formel
w
σ= p
2 2 ln(2)
(8.1)
wird daraufhin der Startwert für σ berechnet. Diese Formel wurde für die GaußFunktion hergeleitet, eigent sich jedoch trotzdem zur Berechnung einen Startwertes
für die Novosibirsk-Funktion, da diese letztlich eine modifizierte Gauß-Funktion ist
und der „Tail“ größtenteils außerhalb des betrachteten Bereiches liegt. Für den Parameter τ wird der statische Startwert −0,3 verwendet.
Nach dem Setzen der Startwerte wird die gewöhnliche Fit-Routine von ROOT
aufgerufen. Danach können sowohl die einzelnen Parameter der Fitfunktion über
die Methoden GetFitParameter() und GetFitParameterError() als auch die Fitfunktion selbst als Zeiger auf ein TF1-Objekt über die Methoden GetFitFunction()
und GetFitFunctionClone() abgerufen werden.
8.3.3 Automatische Analyse
Die Klasse AutoAnalysis komplettiert das Analyse-Framework. Sie iteriert über
alle Ereignisse einer Messdatendatei und verarbeitet die Daten unter Verwendung
der vorstehend vorgestellten Klassen. Zum Lesen der Daten setzt sie dabei auf den
„unteren Ebene“ des Analyse-Frameworks auf, insbesondere der Klasse ProtoRun
und deren Spezialisierungen ProtoRunBonn und ProtoRunCern.
Die Klasse AutoAnalysis enthält als Instanzenvariablen eine Instanz der Klasse
SelContainer (siehe Abschnitt 8.2) und einen Standardvektor mit Instanzen der
Klasse HistoFiller (siehe Abschnitt 8.3.1). Um eine Datei zu analysieren instanziiert der Nutzer die AutoAnalysis und übergibt der Methode ProcessRun() einen
Zeiger auf die ProtoRun-Instanz.
Während der Iteration wird jedes Ereignis mit Hilfe der CheckEvent()-Methode
der Klasse SelContainer überprüft. Bei einem positiven Ergebnis wird das Ereignis
nacheinander jedem HistoFiller übergeben, wodurch das Ereignis in das bzw.
die Histogramm(e) eingezeichnet wird. Fits werden durch die Klasse AutoAnalysis
jedoch nicht durchgeführt, dies muss der Nutzer nach der Ausführung der Methode
ProcessRun() manuell durchführen.
Eine Analyse-Programm unter Verwendung des Frameworks folgt somit dem folgenden Ablaufschema:
1. Anlegen der zu füllenden Histogramme
2. Erzeugen der ProtoRun-Instanz
54
8 Analyse-Framework
8.3 Auswertung
3. Anlegen der AutoAnalysis-Instanz
4. Einrichten der benötigten Selektoren und Histogramm-Befüller
5. Aufruf von ProcessRun()
6. Fitten der gefüllten Histogramme
7. Speichern der Ergebnisse
8. Löschen der erzeugten Objekte zur Freigabe des Speichers
Der Vorteil des Analyse-Frameworks liegt folglich darin, dass der Analyse-Code
des Nutzers einfach zu lesen und zu schreiben ist, da er kaum Verzweigungen beinhaltet. Des Weiteren sind für eine vollständige Analyse relativ wenige Zeilen nötig.
Der Quellcode ist somit einfach zu warten und an neue Anforderungen anzupassen.
55
9 Fazit und Ausblick
Im Rahmen dieser Master-Arbeit wurde ein Jahr am Prototypen der Vorwärtsendkappe des elektromagnetischen Kalorimeters des PANDA-Experimentes mitgearbeitet. Der Prototyp konnte seine Funktionsfähigkeit bei zwei Strahlzeiten unter Beweis
stellen. Die grundlegenden Konzepte für die Vorwärtsendkappe, von der Spannungsversorgung über die Kühlung und Sensorik bis hin zur Ausleseelektronik, konnten
somit bestätigt werden. Die Photodetektoren funktionieren und können das Szintillationslicht von Bleiwolframat in verwertbare Signale umwandeln.
Allerdings gibt es in Detailfragen durchaus noch Verbesserungsbedarf. Dies wurde
im Rahmen dieser Arbeit beispielsweise an den Hochspannungsfiltern der AvalanchePhotodioden deutlich. Die Auswertung der Messdaten der Strahlzeit am ELSABeschleuniger in Bonn haben gezeigt, dass die Response der Elektronik-Kette bei
den APDs bei hohen Raten um mehr als 15% sinkt. Dieses Verhalten der APDs wäre
in der Endkappe des PANDA-Detektors nicht akzeptabel, da die erreichbare Energieauflösung direkt von der Konstanz der Response der Elektronikkette abhängt.
Daher wurde dieses Problem in einem Testaufbau im Labor untersucht und der
Widerstand im Hochspannungsfilter als Ursache identifiziert. Eine Reduktion des
Widerstandswertes von 30 MΩ auf 150 kΩ löst das Problem. Neue VorverstärkerPlatinen, auf denen sich auch der modifizierte Hochspannungsfilter befindet, sind
zum Zeitpunkt der Abgabe dieser Arbeit in Produktion. Nach ihrer Fertigstellung
werden alle APDs mit diesen neuen Platinen ausgerüstet werden. Zum Abgabezeitpunkt sind bereits die nächsten Teststrahlzeiten in Planung. Bei diesen wird dann
überprüft werden, ob die Probleme mit den Avalanche-Photodioden auch unter realen Einsatzbedingungen nicht mehr auftreten.
Nach den Ergebnissen der ELSA-Strahlzeit verbleibt jedoch auch nach Ausrüstung der APDs mit den neuen Platinen eine Restabhängigkeit von der Rate, die
unabhängig vom verwendeten Photodetektor ist. Diese verbleibende Abhängigkeit
wird in der Elektronikkette vermutet (Vorverstärker, Shaper, ADC) und ist bereits
Gegenstand weiterer Untersuchungen.
Neben der direkten Arbeit am Prototypen wurde im Rahmen dieser Master-Arbeit
auch an der begleitenden Software gearbeitet. Die Proto192-Kanal-Datenbank speichert Zusammensetzung und Verkabelung des Prototypen. Sie ist somit Inventarliste
sowie Bau- und Schaltplan in einem. Ein übersichtliches und effizientes Dokumentieren dieser Informationen ist unerlässlich, um die Komponenten des Prototypen
korrekt verbinden und Messergebnisse zuordnen zu können.
Das Analyse-Framework dient der einfachen Auswertung der Messdaten des Prototypen. Es ist speziell an den Bedürfnissen der Analyse der Prototyp-Daten ausgerichtet und soll zukünftigen Mitarbeitern an dem Prototypen einen einfachen Einstieg
in die Datenauswertung ermöglichen.
In dieser Arbeit wird somit dokumentiert, wie der Prototyp im Laufe eines Jah-
56
9 Fazit und Ausblick
9 Fazit und Ausblick
res weiterentwickelt wurde und dabei Schritt für Schritt den im Technical Design
Report gesetzten Zielen näher gekommen ist. Nachdem die Ideen und Konzepte für
die Vorwärtsendkappe des elektromagnetischen Kalorimeters des PANDA-Detektors
mit dem Prototypen positiv evaluiert worden sind, kann ihn naher Zukunft mit dem
Bau der Endkappe begonnen werden.
In nicht allzu ferner Zukunft dürfte uns das PANDA-Experiment dann der Antwort auf die Frage, „was die Welt Im Innersten zusammenhält“ [Goe08], ein Stück
näherbringen.
57
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2010
59
Tabellenverzeichnis
2.1
2.2
Übersicht über die Quarks [Nak10] . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Übersicht über die Leptonen [Nak10] . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
4
3.1
3.2
Eigenschaften der Bleiwolframat-Kristalle für das EMC . . . . . . . . 15
Eigenschaften der Bleiwolframat-Kristalle der Vorwärtsendkappe . . . 18
60
Abbildungsverzeichnis
2.1
2.2
Ein Nukleon [PAN12b] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Illustration des Confinements, hier das Trennen von zwei Quarks
[PAN12b] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Übersicht der bestehenden und geplaten Einrichtungen von GSI und
FAIR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 Überblick des PANDA-Detektors [PAN12b] . . . . . . . . . . . . . .
3.3 PANDA-Strahlrohr mit dem Pellet-Target . . . . . . . . . . . . . .
3.4 Schema-Zeichnung des Mikrovertexdetektors . . . . . . . . . . . . .
3.5 Schema-Zeichnung des Straw-Tube-Trackers . . . . . . . . . . . . .
3.6 CAD-Zeichnung des DIRC- und TOF-Systems . . . . . . . . . . . .
3.7 CAD-Zeichnung des elektromagnetischen Kalorimeters . . . . . . .
3.8 CAD-Zeichnung der Vorwärtsendkappe des EMC [PAN12b] . . . . .
3.9 CAD-Zeichnung des Proto192 [PAN12b] . . . . . . . . . . . . . . .
3.10 Backplate des Proto192 als Ausschnitt aus der Backplate der Endkappe [PAN12b] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.11 Ein fertiger Temperatursensor [PAN12b] . . . . . . . . . . . . . . .
5
7
3.1
.
.
.
.
24
26
27
29
5.1
5.2
5.3
5.4
Peak-Integral von 1-X3Y3-5 ohne weitere Verarbeitungsschritte . . . .
Spektren nach Schnitt auf die Tagger-Energie . . . . . . . . . . . . .
Spektren nach Schnitt auf die Tagger-Energie und das Zeit-Spektrum
Ergebnisse einer Monte-Carlo-Simulation zur ELSA-Strahlzeit: Deponierte Energie im Zentralkristall [Sch12] . . . . . . . . . . . . . . . .
Absolute Ergebnisse der Ratenmessungen an ELSA: Peak-Integrale .
Normierte Ergebnisse der Ratenfetigkeitstests . . . . . . . . . . . . .
Normierte Ergebnisse der Ratenfetigkeitstests ohne die Datenpunkte
der APDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
33
34
6.5
.
.
.
.
. 20
. 22
Position des Proto192 während der CERN-Strahlzeit [PAN12b]
Aufbau des Proto192 an ELSA in Bonn [PAN12b] . . . . . . .
Instrumentierung während der ELSA-Strahlzeit . . . . . . . .
Ausgefallene Kanäle während der ELSA-Strahlzeit . . . . . . .
6.1
6.2
6.3
6.4
.
.
.
.
10
11
12
12
13
14
16
17
19
4.1
4.2
4.3
4.4
5.5
5.6
5.7
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
Schaltplan der APD-Spannungsversorgung mit HV-Filter . . . . . .
Blockschaltbild des APD-Messaufbaus . . . . . . . . . . . . . . . .
Fotografien des APD-Raten-Messaufbaus . . . . . . . . . . . . . . .
Reproduzierbarkeit der APD-Untersuchungen: Drei identische Messungen bei R = 150 kΩ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Normierte Ergebnisse der Messungen zum Widerstandseinfluss auf die
APD-Ratenfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34
35
36
37
. 38
. 39
. 39
. 40
. 41
61
Abbildungsverzeichnis
7.1
7.2
Abbildungsverzeichnis
Entity-Relationsship-Diagramm der Proto192-Kanal-Datenbank . . . 44
Übersicht über die Datenbankstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
62