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Spektrometer am S-DALINAC - Technische Universität Darmstadt
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1. 54 Kapitel 7 Ausleseelektronik 7 3 3 Mikroprozessor Die Software des Mikroprozessors der Ausleseelektronik sorgt f r eine Verbin dungsschicht zwischen Benutzer und damit der weiteren Datenverarbeitung und den Funktionen der Elektronik Ihr kommt deshalb eine zentrale Bedeutung inner halb der Entwicklung der Ausleseelektronik zu Bei der Umsetzung der Software f r den Mikrokontroller standen zwei Punkte im Vordergrund Zun chst sollte ein System entstehen welches flexibel auch bei anderen Problemstellungen zum Einsatz kommen kann Finden sich doch im Umfeld einer so komplexen Maschine wie dem S DALINAC vielfache Anwendungen die einen Datenaustausch und eine Steuerung ber eine Netzwerkstruktur erfordern Weiterhin sollte auf bereits eta blierte Standards zur ckgegriffen werden um m glichst wenig Eigenentwicklung f r z B Protokolle investieren zu m ssen Dies bot weitere Vorteile Zun chst kann bei einem seit langem weit verbreiteten Standard sichergestellt werden da er von groben Funktions oder Konzeptfehlern befreit ist Seine Leistungsf hig keit ist bekannt Zus tzlich kann auf einen gro en Pool an freien Informationen Programmen und Programm Code zugegriffen werden da ein solcher Standard bereits millionenfach implementiert wurde Schlie lich erspart er die Program mierung von Anwendungen auf der Benutzerseite z B dem PC denn es existiert bereits eine gro e Anzahl von Applikationen die als Benutzerschnittstelle die
2. 6 0 5 Auflage Microsoft Press Redmond Washington 1998 ISBN 3 86063 461 5 179 N Josuttis Objektorientiertes Programmieren in C Von der Klasse zur Klassenbibliothek Addison Wesley Bonn 1994 ISBN 3 89319 637 4 180 B Eckel Thinking in C Introduction to Standard C Volume 1 2 4 Edition Prentice Hall New Jersey 2000 ISBN 0 13 979809 9 88 LITERATUR 181 A Friedman L Klander M Michaelis H Schildt C C Annotated Ar chives Osborne McGraw Hill Berkeley 1999 ISBN 0 07 882504 0 182 GCC AVR Inline Assembler Cookbook Ver 1 6 egnite Software GmbH Herne Germany 2002 183 M Platz Dissertation TU Darmstadt in Vorbereitung 184 8 bit AVR Microcontroller with 8K Bytes In System Programmable Flash AT9058515 Summary Rev 0841GS 09 01 Atmel Corporation San Jose California USA 2001 185 8 bit AVR Microcontroller with 8K Bytes In System Programmable Flash AT9058515 Rev 0841G 09 01 Atmel Corporation San Jose California USA 2001 186 8 bit AVR Microcontroller with 8K Bytes In System Programmable Flash AT9058515 Rev B Errata Sheet Rev 1195E 09 01 Atmel Corporation San Jose California USA 2001 187 8 bit AVR Microcontroller with 8K Bytes In System Programmable Flash AT9058515 Rev C Errata Sheet Rev 2494A 09 01 Atmel Corporation San Jose California USA 2001 188 AGB Programming Manual Version 1 25 D C N AGB 06 0001 002 B7 Nintendo of America
3. schlie end den Triggerdetektor erreichen Dieser befindet sich jedoch au erhalb des Vakuums Deshalb wurde im Geh use eine Aussparung hinter dem Halbleiter 24 Kapitel 5 Experimentierplatz streifenz hler gefr st und sie wurde mittels einer aufgeklebten 50 um dicken zur Stabilisierung mit einem Glasfasergewebe unterlegten Mylar Folie abgeschlossen Die hierdurch verursachte zus tzliche Aufstreuung der Elektronen ist nicht von Belang da der Triggerdetektor weder Orts noch Energieinformationen ber das detektierte Teilchen liefert Ein gro es Problem war die Vakuumdurchf hrung der elektrischen Zuleitungen zur Detektoreinheit Dabei handelt es sich um die Steuersignale zum Auslesen der Vorverst rker die 8 Analogsignale der Vorverst rker die Versorgungsspannungen 3 5 V 5 V der Vorverst rker und die 4 Vorspannungen der Halbleiterdetek toren Um St rungen zu vermeiden m ssen diese au erdem getrennt gef hrt wer den Da entsprechende hochvakuumtaugliche Durchf hrungen kommerziell nicht erh ltlich sind wurden sie f r diesen Zweck speziell konstruiert Abbildung 5 4 zeigt ein Beispiel Abb 5 4 Vakuumdurchf hrung zum Vergie en mit Kunstharz f r Lemo Stecker 5 2 Detektorsystem 25 Hierbei wurden Standardstecker mit einem leicht erh ltlichen Kunstharz in einen Aluminumtr ger eingegossen In diesem Aluminiumtr ger ist in einer Nut eine Gummidichtung eingelassen die sich durch Anschrauben des Tr gers an e
4. A Zilges Measurement of the dipole and electric quadrupole strength distribution up to 10 MeV in the double magic nuclei Ca and Ca Phys Rev Letters 85 2000 274 P Mohr C Vogt M Babilon J Enders T Hartmann C Hutter T Rau scher S Volz A Zilges Experimental simulation of stellar photon bath by bremsstrahlung The astrophysical y process Phys Lett B488 2000 127 A Richter Der neue Freie Elektronen Laser in Darmstadt Physikalische Bl tter 54 1998 31 M Brunken S D bert R Eichhorn H Genz H D Gr f H Loos A Rich ter B Schweizer A Stascheck T Wesp First lasing of the Darmstadt cw free electron laser Proc of the 20 Intern FEL Conference Nucl Instr Meth A429 1999 21 V V Morokhovskii K H Schmidt G Buschhorn J Freudenberger H Genz R Kotthaus A Richter M Rzepka P Weinmann Polarization of Parametric X Radiation Phys Rev Lett 79 1997 4389 S Watzlawik Dissertation TU Darmstadt in Vorbereitung 78 LITERATUR 601 B Povh M Rosina Streuung und Strukturen Ein Streifzug durch die Quan tenph nomene Springer Verlag Berlin 2002 ISBN 3 540 42887 9 61 F Sauli Instrumentation in High Energy Physics World Scientific Publish ing Singapore 1992 ISBN 981 02 0597 X 62 Particle Physics Booklet Extracted from Review of Particle Physics Particle Data Group Springer 2000 63 S Kowalski H A Enge RAYTRACE User s Guide Laborato
5. rzung der Me zeiten f hrt Im Rahmen der Strahlzeiten wurden auch erste erfolgreiche Messungen im Ener gieverlustmodus durchgef hrt und es wurden bereits mehrere Wochen lang kern physikalisch relevante Daten zur Untersuchung gemischt symmetrischer Zust nde im Kern Mo aufgenommen Die hierbei gewonnenen Resultate belegen ein dr cklich die volle Funktionst chtigkeit des Me platzes f r hochaufl sende e e Experimente und bilden Teil einer anderen Dissertation 194 Das im Rahmen dieser Arbeit entstandene Entwicklungssystem findet bereits vielfache Verwendung nicht nur im Bereich des Experimentierplatzes am 169 Spektrometer und seiner Strahlf hrung sondern auch in unterschiedlichsten Steu eraufgaben am S DALINAC Eine Frage die erst durch l ngeren Einsatz gekl rt werden kann ist die Unter suchung von Strahlensch den am Halbleiterdetektor durch den Betrieb am 169 Spektrometer Dies k nnte ein interessantes Thema f r eine Folgearbeit sein 45 LITERATUR 73 Literatur H 10 K Alrutz Ziemssen D Flasche H D Gr f V Huck M Knirsch W Lotz A Richter T Rietdorf P Schardt E Spamer A Stascheck W Voigt H Weise W Ziegler Part Acc 29 1990 53 A Richter Proc 5 European Particle Accelerator Conference Barcelona 1996 ed S Myers et al Inst Of Physics Publ Bristol Philadelphia 1996 110 M Brunken H Genz M Gopych H D Graf S Khodyachykh S Kostial U L
6. 100 Das FPGA belegt einen 4 kByte gro en Bereich im Addressraum 7 2 Realisierung der Hardware 51 des Mikrokontrollers und wird wie normaler Speicher angesprochen Das FPGA stammt ebenfalls von der Firma Xilinx und ist erh ltlich bis zu einer Geschwin digkeit von 200 MHz 101 103 Bis zu 140 frei nutzbare Ein und Ausg nge stehen an dessen 208 poligen Geh use zur Verf gung 104 die in dieser Anwendung al le genutzt wurden Auch die Anzahl der programmierbaren Logikzellen auf dem Baustein und sein On Chip Speicher sind zu 98 belegt Wie das CPLD kann sowohl das FPGA wie auch sein Konfigurations EEPROM ber den JTAG Bus programmiert und getestet werden Als Entwicklungsumgebung diente die des CPLDs Bei den ADCs handelt es sich um 12 Bit Flash ADCs mit einer Konvertierungsra te von 50 MSPS mega samples per second der Firma ST 107 Sie bieten einen gen gend gro en Dynamikbereich und ihre Geschwindigkeit ist ausreichend Die ADCs zeichnen sich durch ein sehr geringes Eigenrauschen hohe Linearit t und einen geringen Temperaturdrift aus Zus tzlich besitzen die ADCs eine berlauf Registrierung Damit werden Eingangsspannungen angezeigt die au erhalb des Dynamikbereichs der ADCs liegen Die notwendige Referenzspannung wird durch eine hochgenaue externe Referenzspannungsquelle ADR290 der Firma Analog Devices 108 erzeugt und betr gt genau 2 048 V Dies entspricht einem Me be reich von 4 096 V oder genau 1 mV pro Bit 107 De
7. Charge Counter INieniele amp ADC 5 ADS nj Internal Controlbus ADG AT Controlbus Triggerdetectors Stripcounter ae GE IERT See CPLD eg SE Abb 7 3 Vereinfachtes Schema der Ausleseelektronik in Verbindung mit dem Detektorsystem Die dicken gestrichelten Linien umranden die Module die in einem IC vereint sind 50 Kapitel 7 Ausleseelektronik Wie schon beschrieben fiel die Wahl bei der Realisiserung der Ausleseelektronik auf ein heterogenes System bestehend aus Mikroprozessor FPGA und CPLD Abbildung 7 3 gibt einen berblick welche der in Abb 7 2 gezeigten Teile der Ausleseelektronik in welchem Baustein realisiert wurden Das CPLD erzeugt alle notwendigen Signale f r die Vorverst rker der Detektoren es steuert den gesamten Auslesevorgang Die Steuersignale sind wegen der St rsi cherheit ber differentielle Leitungstreiber nach au en gef hrt 84 Au erdem enth lt das CPLD die Koinzidenzeinheit f r die beiden Signale der Triggerde tektoren und den Eingang f r den softwaregenerierten Triggerimpuls Die beiden externen Triggersignale sind ber ECL TTL Wandler angekoppelt und deswe gen kompatibel mit dem NIM Standard Letztlich erzeugt das CPLD aus einem Quarzoszillator durch einstellbare Teilung den Takt f r die gesamte Elektronik und sorgt damit f r einen synchronen Ablauf aller Prozesse beim Auslesen Als Schnittstelle zum verwendeten Kontroller dienen Steuerleitungen Bei dem CPLD han
8. Lininenform bestimmt Nach einer Ber cksichtigung der Schwinger Bremstrahlungs und Io nisationskorrekturen sowie einer Korrektur auf das Integrationsinterval bei der Anpassung kann man durch die ber die Zeit integrierte Gl 8 1 den Wirkungs querschnitt absolut bestimmen Daraus wiederum ergibt sich das Betragsquadrat des Formfaktors F q ber 8 4 Absolute Effizienz 65 do gt do Z PO Se 8 4 E Elastic dQ Mott o ist hier der Mott Querschnitt f r Elektronenstreuung d LIT a dN J Mott 2Eo sin S Dabei ist Ep die Prim renergie der Elektronen und Z die Ladungszahl des Tar getmaterials 0 1 e Ko E on iS _ Ci DO E 163 1E 4 0 4 0 8 1 2 1 6 2 0 q fm Abb 8 2 Elastischer Wirkungsquerschnitt normiert auf den Mott Wirkungsquer schnitt von C aufgetragen ber dem Impuls bertrag Der dicke schwarze Punkt repr sentiert die Messung am 169 Spektrometer Eine gute bereinstimmung mit fr heren Messungen Dreiecke 190 Rau ten 191 Quadrate 192 Kreise 193 ist zu erkennen 66 Kapitel 8 Experimente am Elektronenstrahl Das Ergebnis dieser Absolutwertmessung zeigt Abb 8 2 Hier sind die Me punkte dieser und der anderen Messungen in einem Graphen aufgetragen
9. N rmann Operationsverstrker in der Hobbypraxis Eine leichtverst ndli che Einf hrung in Aufbau Technik und Arbeitsweise mit praktischen Schal tungen 2 Auflage Franzis Verlag M nchen 1985 ISBN 3 7723 1512 7 L Starke Bauelementenlehre der Elektronik 3 Auflage Frankfurter Fach verlag Frankfurt 1982 ISBN 3 87234 073 5 J Kleemann Digitale Elektronik f r Anf nger Eine Einf hrung in die di gitale Elektronik durch Theorie und Praxis 6 Auflage Franzis Verlag M nchen 1986 ISBN 3 7723 1796 0 R Ufermann CMOS Bauanleitungen Grundlagen und Experimente mit dem Digitalbaustein CMOS 4093 Franzis Verlag M nchen 1986 ISBN 3 7723 1991 2 S Wirsum Experimente mit digitalen Schaltgliedern Das Know how zum kontaktlosen Schalten Steuern Z hlen und Messen 3 Auflage Franzis Ver lag M nchen 1984 ISBN 3 7723 0923 2 TTL Taschenbuch Teil 1 IWT Verlag Vaterstetten 1987 ISBN 3 88322 191 0 TTL Taschenbuch Teil 2 IWT Verlag Vaterstetten 1983 ISBN 3 88322 010 8 CMOS Taschenbuch Teil 1 Standardbausteine 5 Auflage IWT Verlag Vaterstetten 1987 ISBN 3 88322 120 1 CMOS Taschenbuch Teil 2 Spezialbausteine 1 Auflage IWT Verlag Va terstetten 1984 ISBN 3 88322 009 4 8 bit AVR Microcontroller with 128K Bytes In System Programmable Flash ATMega108 ATMega103L Preliminary Summary Rev 0945ES AVR 01 00 Atmel Corporation San Jose California USA 2000 80 84
10. Speci fication Information Science Institute University of Southern California Marina del Rey California 1981 137 RFC 793 Transmission Control Protocol DARPA Internet Program Pro tocol Specification Information Science Institute University of Southern Ca lifornia Marina del Rey California 1981 138 T Socolofsky C Kale RFC 1180 A TCP IP Tutorial Network Working Group Spider Systems Limited 1991 139 C Hornig RFC 894 A Standard for the Transmission of IP Datagrams over Ethernet Networks Network Working Group Symbolics Cambridge Research Center 1984 140 D C Plummer RFC 826 An Ethernet Address Resolution Protocol or Converting Network Protocol Address to 48 bit Ethernet Address for Trans mission on Ethernet Hardware Abstrcat Network Working Group 1982 141 R Finlayson T Mann J Mogul M Theimer RFC 903 A Reverse Ad dress Resolution Protocol Network Working Group Computer Science De partment Stanford University 1984 142 T Bradley C Brown RFC 1293 Inverse Address Resolution Protocol Network Working Group Wellfleet Communications Inc 1992 LITERATUR 85 143 J Postel RFC 792 Internet Control Message Protocol Network Working Group ISI 1981 144 J Reynolds J Postel RFC 1060 Assigned Numbers Network Working Group ISI 1990 145 J Postel J Reynolds RFC 854 Telnet Protocol Specification Network Working Group ISI 1991 146 J
11. Um das alte hochaufl sende Spektrometer wieder in Betrieb nehmen zu k nnen und mit einem neuen Detektorsystem zu versehen wurden die Konstruktionsda ten des Spektrometers ben tigt Diese standen nur sehr l ckehaft zur Verf gung Deshalb wurden diese Daten mit einem modernen CAD System rekonstruiert Das erleichterte auch die Planung und Konstruktion des sp teren Detektorsystems Schon vor dem Einbau des Detektorsystems konnte dessen zuk nftige Position genau bestimmt und die Komponenten entsprechend gefertigt werden Wegen seiner h heren Genauigkeit und Stabilit t wird jetzt ber einen Wechselschalter das Netzteil des QCLAM Spektrometers zur Stromversorgung des Spektrometer dipols genutzt Das K hlwassersystem wurde erneuert Tabelle 5 1 zeigt wichtige Daten des Spektrometers In einem gesonderten Laborbericht 70 finden sich technische Zeichnungen des Spektrometers Abbildung 5 1 zeigt den Experimen tierplatz am 169 Spektrometer Tab 5 1 Wichtige Parameter des hochaufl senden 169 Spektrometers Impulsakzeptanz ER 2 Raumwinkelakzeptanz Onas amp D msr Maximaler Impuls Pmax 120 MeV c Maximale Aufl sung lt 3 1074 FWHM Maximales Magnetfeld Brae 04T Streuwinkelbereich 33 165 12 Schritte 5 1 Spektrometer 19 Abb 5 1 Der Experimentierplatz am 169 Spektrometer ohne Detektoren und Abschirmung Zu sehen sind OU Strahlf hrung Targetkammer 3 Spektrometerdipolmagnet 4 refo
12. das Rauschen der Kan le ermitteln Diese Spei cherzellen sind ebenfalls beliebig les und ver nderbar und werden Single Shot Memory genannt Schlie lich lassen sich zu jeder Zeit die aktuellen Wandlungs werte der 8 ADC Wandler auslesen Ein Funktionsblock mit 48 Bit Z hlern dient der Erfassung verschiedener experi menteller Gr en Hier wird einmal die Gesamtzahl von Ereignissen festgehalten Diese dient zur Funktionspr fung der Elektronik Eine Z hlerzelle die periodisch gel scht wird ist mit dem kombinierten Triggersignal verbunden und wird von diesem inkrementiert Dadurch l t sich die Z hlrate des Triggersystems bestim men Ein anderer Z hler protokolliert die Zeit w hrend der das System auf ex terne Triggerereignisse reagieren konnte die sog On Time Ein weiterer h lt die Zeit fest w hrend der die Elektronik auch tats chlich Ereignisse h tte auswer ten k nnen die sog Life Time Wird ein externer Triggereingang freigeschal tet werden sowohl der On Time als auch der Life Time Z hler aktiviert Der Life Time Z hler wird allerdings w hrend eines Auslesevorgangs angehalten Die Kombination aus beiden Z hlern erlaubt die Bestimmung der Totzeit Weiterhin wird mit zwei Z hlern die Anzahl der Triggerereignisse gespeichert Dabei handelt es sich um den Trigger Got und den Trigger Lost Z hler L st ein Ereignis einen Auslesevorgang aus wird der Trigger Got Z hler inkrementiert Empf ngt die Elektronik einen Trig
13. des Elektrons in der Fokalebene durch den Streifen ermittelt werden der einen Puls liefert Die Form des Pulses ist dabei unwichtig lediglich die Amplitude des Pulses mu sich deutlich vom vorhandenen Rauschen abheben Damit nicht st ndig alle Streifen des Detektors abgefragt werden m ssen wird ein zweites Detektorsystem zum Ausl sen eines Auslesevorgangs installiert Da bei macht man sich zunutze da die gestreuten Elektronen nicht vollst ndig im Material des Halbleiterdetektors gestoppt werden Sie verlassen den Detektor an der R ckseite und k nnen von einem gro fl chigen ortsunempfindlichen Detek tor registriert werden Sein Signal dient dann zum Starten der Ausleseelektronik 5 2 1 Halbleiterdetektor Die Fokalebene des Spektrometers ist 24 cm lang Diese L nge mu durch den Halbleiterstreifenz hler abgedeckt werden Ein Detektor mit diesen Ma en ist nicht erh ltlich Deshalb wurden vier identische Streifenz hlermodule der engli schen Firma Micron Semiconductor Ltd mit jeweils 6 925 cm L nge aneinander gereiht mit einer Gesamtl nge von 27 cm Damit wird die gesamte Fokalebene 22 Kapitel 5 Experimentierplatz abgedeckt Abbildung 5 3 zeigt ein solches Detektormodul In einem gesonderten Laborbericht 70 lassen sich die genauen Ma e des Moduls finden Lon 2 3 cn 3 5 cn cn Abb 5 3 Eines der am 169 Spektrometer verwendeten Detektormodule Wegen der spiegelnden Oberfl che sind hier die Str
14. ssen Daten aufgenommen reduziert und ber eine Schnittstelle angeschlossenen Rechnern zur weiteren Ver arbeitung zur Verf gung gestellt werden Diese berlegungen f hrten zu dem folgenden Konzept das in Abb 7 2 schematisch dargestellt ist BEE Reac Ouf Internal Databus _ Detecitoruntt eleeitonies Since SNOL Micros coniroller 4 E GES USIMGS EISE Seege E z TI Internal Databus Triggerdetectors Stripcounter IMieziee Ethernet Abb 7 2 Konzept der Ausleseelektronik in Verbindung mit dem Detektorsystem 7 1 Konzept 47 Der Sequenzer sorgt f r den zeitgesteuerten und synchronen Ablauf aller Prozesse innerhalb der Ausleseelektronik Hier treten die gr ten Verarbeitungsgeschwin digkeiten auf Er erzeugt gleichzeitig die Steuersignale f r die angeschlossenen Vorverst rker und sorgt so f r das R cksetzen dieser das Einfrieren der aufge sammelten Ladung w hrend des Auslesevorgangs und f r das sequentielle Ausle sen der einzelnen Vorverst rkerkan le aus jedem der 8 Vorverst rkermodule Beim Eintreffen eines Triggersignals wird dieses zun chst um eine einstellbare Zeit verz gert damit sich die in den Streifen erzeugte Ladung an den Eing ngen der Vorverst rker sammeln kann Dann wird der eigentliche Auslesezyklus gestartet Zun chst werden alle Vorverst rkereing nge eingefroren um dann Taktsignale an alle Vorverst rker zu schicken Bei jedem Tak
15. 011938 Na tional Semiconductor Corporation Santa Clara California USA 1999 115 The I C Bus Specification Version 2 1 Philips Semiconductors Nether lands 2000 116 MAX825 Datasheet 5 Pin Microprocessor Supervisory Circuits With Wat chdog Timer and Manual Reset 19 0487 Rev 4 MAXIM Integrated Pro ducts Inc Sunnyvale California USA 2001 117 H P Messmer PC Hardwarebuch 3 Auflage Addison Wesley Bonn Paris 1995 ISBN 3 89319 528 9 118 J Koch M Schusser PC XT AT Kompendium Eine detaillierte System beschreibung mit vielen informativen Fotos Markt amp Technik Verlag Haar bei M nchen 1989 ISBN 3 89090 778 4 LITERATUR 83 119 M Tischer PC Intern 3 0 1 Auflage DATA Becker D sseldorf 1992 ISBN 3 89911 591 8 120 RTL8019AS Realtek Full Duplex Ethernet Controller with Plug and Play Function RealPNP Specification Realtek Semiconductor Corp Hsinchu 300 Taiwan 2001 121 RTLSO019AS Realtek Reference Design Realtek Semiconductor Corp Hsin chu 300 Taiwan 2000 122 R Benedikt Web51 http web51l hw server com Czech Republic 2002 123 H Kipp Ethernut http www ethernut de de Deutschland 2002 124 YCL20F001N Datasheet 10 Base T Low Pass Filter YCL Electronics Cor poration Ltd Milpitas California 2000 125 ZLDO500 Datasheet 5 0 VOLT ULTRA LOW DROPOUT REGULATOR ISSUE 2 Zetex plc Oldham United Kingdom 1997 126 REG1117 Da
16. 1 44234 5 LITERATUR 87 169 A Cohen M Woodring Win32 Multithreaded Programming O Reilly Se bastopol 1998 ISBN 1 56592 296 4 170 C Petzold Programming Windows The definitive guide to the Win32 API 5 Edition Microsoft Press Redmond Washington 1999 ISBN 1 57231 995 X 171 J Richter Microsoft Windows Programmierung f r Experten Der Entwick lerleitfaden f r Win32 API f r Windows NT 3 5 und Windows 95 Microsoft Press Deutschland Unterschlei heim 1995 ISBN 3 86063 336 8 172 W Oney System Programmierung f r Windows 95 Eine praktische Anlei tung zum Schreiben von Mrs Microsoft Press Deutschland Unterschlei heim 1996 ISBN 3 86063 365 1 173 R J Simon Windows 95 Windows NT API Bible Win32 Programmie rung Band 1 SAMS Haar bei Miinchen 1996 ISBN 3 8272 4502 8 174 R J Simon Windows 95 Windows NT API Bible Steuerelemente amp Nach richten Band 2 SAMS Haar bei Miinchen 1996 ISBN 3 8272 4501 X 175 R J Simon Windows 95 Windows NT API Bible Multimedia ODBC amp Telefonie Band 3 SAMS Haar bei Miinchen 1997 ISBN 3 8272 4500 1 176 B W Kernighan D M Ritchie Programmieren in C ANSI C 2 Ausgabe Verlage Carl Hanser und Prentice Hall International Miinchen 1988 ISBN 3 446 15497 3 177 B Stroustrup Die C Programmiersprache 3 Auflage Addison Wesley Bonn 1998 ISBN 3 8273 1296 5 178 D Kruglinski G Sheperd S Wingo Inside Visual C
17. 169 Spektrometer ist somit eine interessante Alternative und wertvolle Erg nzung zum QCLAM Spektrometer Wegen altersbedingter und Strahlensch den war das Detektorsystem in der Fo kalebene des 169 Spektrometers zuletzt allerdings nicht mehr einsatzf hig Nach mehr als zwanzigj hrigem Betrieb war eine komplette Erneuerung des Detektor 2 Kapitel 1 Einleitung systems notwendig Zudem sollte ein System entstehen welches die Probleme des bis dahin eingesetzten aus sich berlappenden Szintillatoren bestehenden Detek tors vermeidet Gro e Effizienzschwankungen erforderten es ein Spektrum durch kleine Anpassungen des Spektrometermagnetfeldes in jedem der 36 Szintillatoren zu messen um diese Schwankungen herausmitteln zu k nnen Dies erh hte die Me zeit enorm Die geringe Strahlungsh rte des Szintillatormaterials verschlim merte im laufenden Betrieb die Effizienzunterschiede noch mehr Man entschied sich deshalb damals f r den Einsatz von Vieldrahtdriftkammern Es wurden zwar Prototypen gebaut diese kamen aus verschiedenen Gr nden aber nie zum Einsatz und es wurden nach der Stillegung des alten DALINAC Beschleunigers 15 Jahre lang keine Experimente am hochaufl senden 169 Spektrometer durchgef hrt Da es sich um einen sehr wertvollen Experimentierplatz handelt war das Ziel dieser Arbeit diesen mit einem neu entwickelten Detektorsystem wieder in Betrieb zu nehmen Wegen der geringen m glichen Z hlraten von Vieldrahtdriftka
18. 4 un ver ffentlicht A W Lenhardt Diplomarbeit Technische Universit t Darmstadt 1999 unver ffentlicht F Hinterberger Physik der Teilchenbeschleuniger und Ionenoptik Springer Verlag Berlin 1997 ISBN 3 540 61238 6 A M van den Berg Spectrometers Vortrag TMR Kurs Groningen 1998 76 LITERATUR 37 M Schippers Optics of Charged Particles Vortrag TMR Kurs Groningen 1998 38 A P Banford B Sc The Transport of Charged Particle Beams E amp F N SPON Limited London 1966 39 B L Cohen Resolution of Accelerator Magnetic Analyzing Systems Rev Sci Instr 30 1959 415 40 H G Blosser G M Crawley R DeForest E Kashy B H Wildenthal Nucl Instr Meth 91 1971 61 41 B W Ridley et al Nucl Instr Meth 130 1975 79 42 J Gotthardt Diplomarbeit Technische Hochschule Darmstadt 1994 un ver ffentlicht 43 H Bauer Diplomarbeit Technische Hochschule Darmstadt 1995 un ver ffentlicht 44 G K chler Dissertation Technische Hochschule Darmstadt 1986 D17 45 E Fretwurst G Lindstr m J Stahl I Pintilie Radiation Damage in Silicon Detectors Caused by Hadronic and Electromagnetic Irradiation DESY 02 199 physics 0211118 2002 46 W R Leo Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments A How to Approach 2 Ed Springer Verlag Berlin 1994 ISBN 3 540 57280 5 ISBN 0 387 57280 5 47 T Miyoshi K A Lan Y
19. 55 Letztere ist z B zum Verst ndnis von s und r Prozessen in der Astrophysik von Bedeutung Die Elektronen aus dem Injektor k nnen aber auch in den Hauptbeschleuniger mit seinen zwei Rezirkulationen gelenkt werden Der Hauptbeschleuniger erh ht die Energie der Elektronen bei jedem Durchgang um bis zu 40 MeV Eine Ma ximalenergie von 130 MeV ist so m glich Tats chlich erreicht hat man bisher 102 MeV im Dauerstrichbetrieb und 120 MeV bei 30 Tastverh ltnis Innerhalb der ersten Rezirkulation kann man den Freie Elektronen Laser erkennen 56 57 Die von ihm erzeugte Strahlung im unteren Infrarotbereich wird f r weitere Unter suchungen durch eine optische Strahlf hrung in das ein Stockwerk h herliegende optische Labor geleitet Alternativ leitet man die beschleunigten Elektronen zu verschiedenen Experi mentierpl tzen in der zweiten Halle der Experimentierhalle Zun chst gelangt der Strahl an einen Aufbau f r Hochenergie Channeling Experimente HEC 58 Au erdem k nnen auch hier Experimente mit parametrischer R ntgenstrahlung PXR durchgef hrt werden In Geradeausrichtung folgt hiernach ein Experimen taufbau f r Comptonstreuung am Nukleon Untersuchungen an diesem Aufbau sollen z B Erkenntnisse ber die Polarisierbarkeit des Nukleons liefern Er befin det sich zur Zeit im Entstehen und soll in K rze in Betrieb genommen werden 59 Schlie lich kann der Strahl zu zwei Magnetspektrometern transportiert werden Das erste Spektr
20. 85 86 87 88 LITERATUR ADM1485 Datasheet 5V Low Power EIA RS 485 Transceiver Rev C Ana log Devices Inc Norwood Massachusetts USA 2003 Xiline XC9500 CPLD Series The low cost solution for 2 5 V 3 3 V and5 V applications PN 0010570 03 XILINX Inc Corporation San Jose California USA 2003 XC9572XL High Performance CPLD Preliminary Product Specification DS057 v1 4 XILINX Inc Corporation San Jose California USA 2003 Device Packaging and Thermal Characteristics UG112 v1 0 XILINX Inc Corporation San Jose California USA 2004 TQFP TQ100 TQ144 TQ176 Packages HQFP Heat Sink HT100 HT144 HT176 Packages PK009 v1 1 XILINX Inc Corporation San Jose California USA 2002 Using the XC9500 XL XV JTAG Boundary Scan Interface XAPP069 v3 1 XILINX Inc Corporation San Jose California USA 2002 Using the In System Programming in Boundary Scan Systems XAPPO70 v2 0 XILINX Inc Corporation San Jose California USA 2002 A Quick JTAG ISP Checklist XAPP104 v2 1 XILINX Inc Corporation San Jose California USA 2002 In System Programming Times for XC9500XL XAPP141 v1 0 XILINX Inc Corporation San Jose California USA 1999 Introduction to JTAG Version 0 1 XJTAG Ltd Cambridge UK 2003 JTAG A technical overview Version 0 1 XJTAG Ltd Cambridge UK 2003 R G JTAG Interface 020008 Elektor Heft 381 9 2002 Elektor Verlag 2002 ISS
21. Das Resultat steht in sehr guter bereinstimmung mit den Daten fr herer Messungen und weicht nur um ca 6 von einer Anpassung durch diese ab In Verbindung mit Kap 8 2 belegt dies die korrekte Funktion des Detektorsystems Eine ung nstige Beeinflussung durch Mehrfachz hlungen konnte nicht festgestellt werden 8 5 Bestimmung der Aufl sung 10 9 r Be e e 141 E 70 MeV x 0 O 4 x 2 O O 0 1 0 01 Channel Number Abb 8 3 Be Spektrum mit L cken an den blinden Stellen des Detektorsystems zur Bestimmung der Aufl sung Zu erkennen ist die Linie der ela stischen Streuung und die Linie des angeregten Zustands in Be bei EX 2 429 MeV Zu beachten ist die logarithmische Auftragung der Z hlrate 8 5 Bestimmung der Aufl sung 67 Zur Bestimmung der Aufl sung des Detektorsystems wurden Messungen an Be bei einer Strahlenergie von 70 MeV durchgef hrt Ein gemessenes Spektrum mit L cken zeigt Abb 8 3 Getriggert wurde mit dem Cerenkov Detektor Das Tar get besa hierbei eine Massenbelegung von 5 55 mg cm Dieser Kern eignet sich besonders gut da er eine starke Anregung bei 2 429 MeV besitzt Bei der oben genannten Strahlenergie pa te die Linie dieser Anregung zusammen mit der Linie der elastischen Streuung in das vom Detektorsystem abgedeckte Energieinterval 2 8 MeV Gleichzeitig besa en die beiden Linien einen gen gend gro en Ab stand und sind im Spektrum in Abb 8 3 gut zu erkennen Die Ze
22. Entwicklung eines Si Mikrostreifendetektors f r das 169 Spektrometer am S DALINAC Dem Fachbereich Physik der Technischen Universit t Darmstadt zur Erlangung des Grades eines Doktors der Naturwissenschaften Dr rer nat vorgelegte Dissertation angefertigt von Dipl Phys Alexander Wilhelm Lenhardt aus Langen November 2004 Darmstadt D 17 Referent Professor Dr rer nat Dr h c mult A Richter Korreferent Professor Dr rer nat A Zilges Tag der Einreichung 23 November 2004 Diese Arbeit widme ich meinen Eltern Klaus und Ingrid Lenhardt Zusammenfassung Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Detektorsystem f r das 169 Spektrometer am S DALINAC entwickelt in Betrieb genommen und in ersten kernphysikali schen Messungen eingesetzt Das neue Detektorsystem basiert dabei auf einem Siliziummikrostreifenz hler und stellt die Weiterentwicklung eines bereits fr her vorgestellten Prototypen dieses Detektorkonzepts bis zur Anwendungsreife dar Das neue Detektorsystem wurde so ausgelegt da die relative Energieaufl sung des Gesamtsystems nur von der des Spektrometers mit angeschlossenem Strahl transportsystem von 3 1074 bestimmt wird Die Vorverst rkerelektronik basierend auf dem Einsatz eines GASSIPLEX ICs wurde berarbeitet und das Signal Rausch Verh ltnis durch ein neues Platinen layout deutlich verbessert W hrend der Prototyp nur Verh ltnisse von 5 1 lie ferte werden jetzt Werte von 20 1 f r
23. Frequenzen bis zu 40 MHz auf Die Verwendung eines sehr schnellen Digital Signal Prozessors DSP kam wegen der komplizierten Handhabung dieses Pro zessortyps nicht in Frage Die Wahl fiel deshalb auf ein kombiniertes System in dem die schnellen Vorg nge wie das Auslesen der Vorverst rker durch Logikbau teile gesteuert werden Die komplizierteren zeitunkritischen Abl ufe wie z B das Bedienen der Schnittstellen bernimmt ein Mikrokontroller Die Logik wird nicht mehr mit diskreten Bausteinen sondern mittels sog Field Programmable Gate Arrays FPGAs und Complex Programmable Logic Devices CPLDs realisiert Diese Bausteine bieten eine hohen Verarbeitungsgeschwindigkeit und erm glichen das Anpassen ihrer Funktionen durch eine Programmierung Entwicklungswerk zeuge stehen vom Hersteller zur freien Verf gung Als Mikrokontroller wurde ein preiswerter 8 Bit Typ von ATMEL Corp 83 mit vergleichsweise niedrigem Takt 45 gew hlt Seine Implementierung ist in jeder Hinsicht einfach und er l t sich in Hochsprachen wie C programmieren Alle notwendigen Entwicklungswerkzeuge sind beim Hersteller oder Zweitanbietern erh ltlich Auch der Prozessor kann in nerhalb des Systems programmiert und getestet werden 24 23 D 23 23 23 23 23 D 27 Ei 20 _5 cm KEZI 15 cm FOR 25 cm EDK Abb 7 1 Ausleseelektronik NIM Anschlu 2 Spannungsregler 8 JTAG Anschlu f r das CPLD und das FPGA D Serieller Programmier
24. Fujii O Hashimoto E V Hungerford Y Sato M Sarsour T Takahashi L Tang M Ukai H Yamaguchi A silicon strip detector used as high rate focal plane sensor for electrons in a magnetic spectrometer ELSEVIER Nuclr Instr Meth A 496 2003 362 372 48 E Beuville et al Nucl Instr Meth A288 1990 157 167 49 A Kastenmiiller Diplomarbeit TU M nchen 1994 unver ffentlicht 50 A Kastenm ller 64 Channel Analog Multiplexing Frontend Dokumentation CERN Genf 1996 LITERATUR 17 51 52 53 54 55 56 57 58 59 M Brunken S D bert H Genz M Gopych H D Gr f S Khodyachykh S Kostial U Laier H Loos A Richter S Richter B Schweizer A Sta scheck O Titze Operation of the S DALINAC related Topics and Deve lopments Proc of the 9t Workshop on RF Superconductivity Los Alamos Report LA 13782 C 2000 65 P Mohr J Enders T Hartmann H Kaiser D Schiesser S Schmitt S Volz F Wissel A Zilges Real photon scattering up to 10 MeV The improved facility at the Darmstadt electron accelerator S DALINAC Nucl Instr Meth A423 1999 480 J Freudenberger H Genz V V Morokhovskii V L Morokhovskii U Net hing A Richter R Zahn J P F Sellschop Lineshape linewidth and spec tral density of parametric x radiation at low electron energy in diamond Appl Phys Lett 70 1997 267 T Hartmann J Enders P Mohr K Vogt S Volz
25. Gl 3 1 ergibt und der Lineardispersion Dsp den Versatz Ar in der Fokalebene f r Teilchen mit der Impulsabweichung Ap von po bestimmen Es gilt A Ars Des 3 3 Po 10 Kapitel 3 Magnetspektrometer zum Nachweis von Elektronen Dank der unterschiedlich langen Flugbahnen innerhalb des Magnetfelds werden Elektronen mit gleichem Impuls p und unterschiedlichen Eintrittswinkeln in der Fokalebene auf den selben Punkt projiziert Das Spektrometer wirkt radial foku sierend Um ein Spektrometer mit bestimmten Eigenschaften zu konstruieren geht man zun chst von der Entwicklung des Magnetfeldes auf der Mittelebene des Spek trometers B 2 y 0 Boll n x s B a s yles 3 4 aus Hierbei ist x die Abweichung von der Sollbahn s und B das Magnetfeld auf der Sollbahn Die Variablen n 6 und y sind Designparameter Zur Bestimmung dieser Designparameter wiederum dienen als Ausgangspunkt die Abbildungsei genschaften eines magnetischen Systems die nach 63 wie folgt beschrieben wer den Fern Magnetic Deflection System Abb 3 3 Schematische Darstellung eines magnetischen Ablenksystems Xo F X 01 Y1 dn 6 3 5 ege 0 73 dh 3 6 Y F X 91 4 P Ai 3 7 F X 01 Yi dh Ai 3 8 3 1 Funktionsweise im dispersiven Modus El Abbildung 3 3 und die Gl 3 5 3 6 3 7 und 3 8 verdeutlichen dies Die Variable beschreibt hier der Abweichung des Impulses Ap vom
26. Inc PO Box 957 Redmond Washington USA 2001 189 S Strauch F Neumeyer FIT 3 0 User s Guide Technische Hochschule Darmstadt 1996 unver ffentlicht 190 J H Fregeau Phys Rev 104 1956 225 191 H L Crannell T A Griffy Phys Rev B 136 1964 1580 192 F J Kline H Crannell J T OBrien J McCarthy R R Whitney Nucl Phys A 209 1973 381 193 W Reuter G Fricke K Merle H Miska Phys Rev C 26 1982 806 194 O Burda Dissertation TU Darmstadt in Vorbereitung Danksagung Diese Arbeit konnte nur durch das Zusammenwirken und die Unterst tzung der verschiedensten Personen entstehen denen ich an dieser Stelle herzliche danken m chte Mein besonderer Dank gilt Herrn Professor Dr Dr h c mult A Richter der mir die Arbeit an diesem Thema anvertraut hat Mit gro em Interesse und Un terst tzung hat er den Fortgang meiner Arbeit begleitet und er hat stets an das Gelingen dieses schwierigen und umfangreichen Projekts geglaubt Er war selbst f r unkonventionelle L sungen zu begeistern und hat es mir erm glicht an zahlreichen Tagungen und Konferenzen teilzunehmen Dies alles hat mich sehr gepr gt Herrn Priv Doz Dr D von Neumann Cosel bin ich f r die andauernde Un terst tzung bei allen Belangen meiner Arbeit sehr dankbar Herrn Prof Dr K T Kn pfle Uni Heidelberg und Herrn Dr A Kastenmiiller TU M nchen gilt gro er Dank f r viele wertvolle Hilfestellu
27. Layouts und Best ckungspl ne sind als Da tei verf gbar und in einem externen Laborbericht 70 festgehalten 7 3 Realisierung der Logik und Software In den folgenden Abschnitten soll auf die Umsetzung der Software f r den Mi kroprozessor und die Programmierung des FPGAs und des CPLDs eingegangen werden Hierbei werden die Prozessorsoftware und die Programmierung der Lo gikkomponenten getrennt behandelt Aufgrund des Umfangs wird an dieser Stelle aber nur grob auf die Funktion und Struktur der Logik eingegangen Es sei des halb zum vollen Verst ndnis auf den separaten Laborbericht 70 verwiesen 7 3 Realisierung der Logik und Software 53 7 3 1 CPLD Das Logikdesign des CPLDs ist zu einem gro en Teil synchron ausgelegt Al le Prozesse innerhalb der Logik laufen immer in einer festen Phasenbeziehung zum angelegten Haupttakt ab lediglich das Triggern l uft asynchron zu diesem Das war wichtig um die erforderlichen Zeitintervalle bei der Steuerung der Vor verst rker einhalten zu k nnen Hier war besonders die Dauer der Ladungssam melreaktion kritisch W rde das Triggern synchron zu einem festen Taktsignal laufen w rde die Peaking Time schwanken und zwar um die Zeit einer Periode des synchronisierenden Taktes Zur Beschreibung der Logik des CPLDs wurde VHDL Verilog Hardware Description Language 129 verwendet Im Wesentli chen handelt es sich bei VHDL um die Realisierung Bool scher Gleichungen und Zuweisungen als Reaktio
28. N 0932 5468 Parallel Cable IIT Schematic 0380507 v2 0 XILINX Inc Corporation San Jose California USA 1996 LITERATUR 81 97 ByteBlasterMV Parallel Port Download Cable Altera Corporation San Jose California USA 2002 98 A Roth Das Mikrocontroller Applikations Kochbuch 2 Auflage ITP Ver lag Bonn 1998 ISBN 3 8266 2822 5 99 R D Klein Rechner modular Franzis Verlag M nchen 1987 ISBN 3 7723 8721 7 100 Dr P Wratil R Schmidt PC XT AT Messen Steuern Regeln Angewandte Interfacetechnik Markt amp Technik Verlag Haar bei M nchen 1987 ISBN 3 89090 477 7 101 Spartan II 2 5V FPGA Family Introduction and Ordering Information Preliminary Product Specification DSO01 1 v2 3 XILINX Inc Corpora tion San Jose California USA 2002 102 Spartan II 2 5V FPGA Family Functional Description Preliminary Pro duct Specification DS001 2 v2 1 XILINX Inc Corporation San Jose Ca lifornia USA 2001 103 Spartan II 2 5V FPGA Family DC and Switching Characteristics Prelimi nary Product Specification DS001 3 v2 6 XILINX Inc Corporation San Jose California USA 2002 104 Spartan II 2 5V FPGA Family Pinout Tables Preliminary Product Spe cification DS001 4 v2 4 XILINX Inc Corporation San Jose California USA 2001 105 XC18V00 Series In System Programmable Configuration PROMs Product Specification DS026 v3 9 XILINX Inc Corporation San Jose Calif
29. Postel K Harrenstien RFC 868 Time Protocol Network Working Group ISI SRI 1983 147 J Postel J Reynolds RFC 959 File Transfer Protocol Network Working Group ISI 1985 148 S Bellovin RFC 1579 Firewall Friendly FTP Network Working Group AT amp T Laboratories 1994 149 Jonathan B Postel RFC 821 Simple Mail Transfer Protocol Network Wor king Group Information Sciences Institute University of Southern California 1982 150 J Klensin RFC 2821 Simple Mail Transfer Protocol Network Working Group AT amp T Laboratories The Internet Society 2001 151 J Myers RFC 2554 SMTP Service Extension for Authentication Network Working Group ISI 1999 152 J Case RFC 1157 Simple Network Management Protocol SMNP Net work Working Group Stanford University Sun Microsystems 1990 153 B Croft J Gilmore RFC 951 BOOTSTRAP Protocol BOOTP Network Working Group Stanford University Sun Microsystems 1985 154 K Sollins RFC 1350 The TFTP Protocol Revision 2 Network Working Group MIT 1992 155 R Droms RFC 2131 Dynamic Host Configuration Protocol Network Wor king Group Bucknell Univerity 1997 86 LITERATUR 156 R Droms RFC 1534 Interoperation Between DHCP and BOOTP Network Working Group Bucknell Univerity 1993 157 S Alexander R Droms RFC 2132 DHCP Options and BOOTP Vendor Extensions Network Working Group Silicon Graphics Inc Bucknell Uni v
30. SIPLEX Verst rker mit 6 15 mV fC ein Signal von 123 mV fC an einer 50 N Senke Der angeschlossene ADC ist f r den sich daraus ergebenden Dynamikbereich 16 65 fC entsprechend 2 048 V ausgelegt worden Eingangsseitig wurde der verwendete Halbleitermikrostreifenz hler ber einen sog High Density Stecker an die Elektronik angeschlossen Dies geschah nat rlich mit minimalen Leitungsl ngen Der Halbleiterdetektor wurde ber RC Glieder 68 wechselspannungsgekoppelt AC coupling 46 Dies war n tig um die Bias Gleichspannung der Detekoren von den Eing ngen der GASSIPLFX Chips zu trennen Ein weiterer Operationsverst rker mi t ber einen Shunt Widerstand den durch den Detektor flie enden Strom und stellt ihn als Spannung zur wei teren Verarbeitung an einem Stecker zur Verf gung An diesem Stecker wird auch die Vorspannung f r den Halbleiterdetektor angeschlossen Abbildung 6 4 zeigt nochmals schematisch die Ankopplung des Detektors an die Vorverst rker Module EEN BIAS To Pre Amps Silicon detector Abb 6 4 Schematische Darstellung der Kopplung der Halbleiterdetektoren an die verwendeten GASSIPLEX ICs 6 3 Messungen 39 6 3 Messungen Testmessungen an der fertigen Vorverst rkerelektronik gaben Auskunft ber de ren Leistungsf higkeit Sie wurden im Labor mit Hilfe eines Aufbaus unter Nut zung der Entwicklungsplattform der Ausleseelektronik die im folgenden Kapitel n her beschrieben wird realisiert Zur Vermind
31. Sollimpuls po also ar W hlt man Y als Symmetrieachse des Spektrometers und entwickelt die Beziehung zwischen Eingangs und Ausgangsgr en als Taylorreihe erh lt man beispielsweise f r X X X X X X 8 9 X 5 5 X X X X XO X 0 X 8 87 X X 6 X18 X O5 O16 X 67 0 X l it X 6 67 3 9 Die Ausdriicke in Klammern stellen hierbei die partiellen Ableitungen nach dem entsprechenden Parameter dar also z B X X u oder X a 1 In dieser Darstellung beschreiben die Terme erster Ordnung die Abbildung mit einem idealen linearen System Terme h herer Ordnung repr sentieren die Ab bildungsfehler W hlt man ebene Ein und Austrittskanten am Spektrometer und einen Ablenk winkel von 169 7 verschwindet der Bildfehler X Dieser entspricht dem qua dratischen ffnungswinkelfehler 31 64 65 Weiterhin kann der Bildfehler X durch Verkippen der Fokalebene bzw deren Normale gegen die Sollbahn der Elek tronen beseitigt werden Die Verkippung betr gt hier 7 33 Die Ablage Ar im Koordinatensystem ri y 2 mu dann mittels Ag cos T A Zeon 3 10 ebenfalls angepa t werden In Abb 3 2 kann man diese Verkippung gut erkennen Die Designparameter n 3 und y werden nach obigen berlegungen und verschie denen Randbedingungen gew hlt Der einfachen Bauform wegen fiel die Wahl auf ein doppelfokusierendes Sektorfeld Spektromete
32. W rtche Phys Lett B532 2002 179 H Genz H D Gr f P Hoffmann W Lotz U Nething A Richter H Kohl A Weickenmeier W Kn pfer J P F Sellschop Appl Phys Lett 57 1990 2956 J Freudenberger V B Gawrikov M Galemann H Genz L Groening V L Morokhovskii V V Morokhovskii U Nething A Richter J P F Sell schop N F Shul ga Phys Rev Lett 1995 2487 J Freudenberger H Genz V V Morokhovskii A Richter V L Morokhov skii U Nething R Zahn J P F Sellschop Appl Phys Lett 70 1997 267 V V Morokhovskii K H Schmidt G Buschhorn J Freudenberger H Genz R Kotthaus A Richter M Rzepka P M Weinmann Phys Rev Lett 79 1997 4389 J Freudenberger H Genz V V Morokhovskii A Richter J P F Sellschop Phys Rev Letters 84 2000 270 D Bohle A Richter W Steffen A E L Dieperink N Lo Iudice F Pa lumbo O Scholten Phys Lett 137B 1984 27 T Mayer Kuckuk Kernphysik 6 Auflage Teubner Studienb cher Stuttgart 1994 ISBN 3 519 03223 6 J Speth and J Wambach Electric and Magnetic Giant Resonances in Nuclei ed J Speth World Scientific Singapore New Jersey London Hong Kong 1991 1 P F Bortignon A Bracco R A Broglia Giant Resonances Nuclear Struc ture at Finite Temperature Harwood Academic Publisher Singapore 1998 A van der Woude Electric and Magnetic Giant Resonances in Nuclei ed J Speth World Scientific Singapore New J
33. aier A Lenhardt H Loos J M hl M Platz A Richter S Richter B Schweizer A Stascheck O Titze S Watzlawik S D bert Latest Deve lopments from the S DALINAC Proc of the 20 Intern LINAC Conference Ed A W Chao S L Yu R D Ruth SLAC R 561 2000 152 H Diesener U Helm G Herbert V Huck P von Neumann Cosel C Ran gacharyulu A Richter G Schrieder A Stascheck A Stiller J Ryckebusch J Carter Phys Rev Lett 72 1994 1994 P von Neumann Cosel C Rangacharyulu A Richter G Schrieder A Sta scheck S Strauch Phys Rev Lett 78 1997 2924 S Strauch P von Neumann Cosel C Rangacharyulu A Richter G Schrie der K Schweda J Wambach Phys Rev Lett 85 2000 2913 P von Neumann Cosel A Richter G Schrieder A Shevchenko A Stiller H Arenh vel Phys Rev Lett 88 2002 202304 B Reitz F Hofmann P von Neumann Cosel F Neumeyer C Rangacha ryulu A Richter G Schrieder D I Sober B A Brown Phys Rev Lett 82 1999 291 P von Neumann Cosel F Neumeyer S Nishizaki V Yu Ponomarev C Rangacharyulu B Reitz A Richter G Schrieder D I Sober T Waind zoch J Wambach Phys Rev Lett 82 1999 1105 B Reitz A M van den Berg D Frekers F Hofmann M de Huu Y Kal mykov H Lenske P von Neumann Cosel V Yu Ponomarev S Rakers 74 11 12 19 20 LITERATUR A Richter G Schrieder K Schweda J Wambach H J
34. anal ist ein saturierender Z hler zugeordnet welcher von der Addiereinheit inkrementiert wird wenn in dem entsprechenden Kanal ein Ereignis festgestellt wurde Es k nnen so also auch mehrere Ereignisse pro Aus lesevorgang registriert werden Dieser Effekt tritt z B auf wenn ein Elektron zwei Detektorstreifen trifft oder wenn sich die erzeugte Ladung innerhalb des De 48 Kapitel 7 Ausleseelektronik tektors auf benachbarte Streifen verteilt Dies ver ndert die Statistik ung nstig Auch ist es m glich da zwei oder mehr Elektronen quasi zeitgleich den De tektor passieren Eine geeignete Schwellenwahl kann diese Effekte beinahe ganz eliminieren Eine weitere M glichkeit ist nur das Ereignis zu ber cksichtigen welches die gr te Differenz zwischen Signal und Schwellenwert aufweist Dieser Modus ist aber noch nicht v llig getestet Ein weiterer 4 bit Z hler ist jedem Kanal zugeordnet und protokolliert die Anzahl der berl ufe Ein berlauf stellt das berschreiten des Dynamikbereichs der ADCs dar Es ist durch Software einstellbar ob berl ufe auch als Ereignis gewertet werden Alle Z hler sowie Schwellwertzellen sind durch Softwarezugriffe les und schreibbar Zus tzlich steht ein Speicherbereich zur Verf gung in dem die ADC Werte je des Kanals von einem Auslesevorgang gespeichert werden Damit kann die Null punktverschiebung jedes Vorverst rkerkanals und so sein idealer Schwellenwert bestimmt werden Auch l t sich
35. angular dispersion mat ching Bei diesem ist die Abbildung auf einen Punkt auf der Fokalebene zus tz lich unabh ngig vom Eintrittswinkel der Elektronen in das Spektrometer Diese Betriebsart wurde am 169 Spektrometer nicht realisiert da wegen dessen klei ner Raumwinkelakzeptanz von 6 msr keine nennenswerten Verbesserungen der Aufl sung in diesem Modus zu erwarten sind 3 2 Funktionsweise im Energieverlust Modus 13 Abb 3 4 Energieverlustmodus des Dipolmagnetspektrometers Der Auftreffort der gestreuten Elektronen in der Fokalebene h ngt nur vom Ener gieverlust ab den die Elektronen im Target erleiden A Target Q Gegenstandsweite 3 Dipolmagnet LU Bildweite 5 Fokalebe ne 6 Strahlf hrungssystem 14 Kapitel 4 Wechselwirkung von Elektronen mit einem Si Halbleiter 4 Wechselwirkung von Elektronen mit einem Si Halbleiter Im Folgenden sind die Grundlagen zur quantitativen Beschreibung der Wechsel wirkung von Elektronen mit Si Halbleitermaterial und die daraus resultierenden Signaleigenschaften zusammengefa t Dies erlaubt eine optimale Konzeption des notwenigen Vorverst rkers f r die verwendeten Halbleiterstreifendetektoren Beim Durchgang durch Materie erleiden geladene Teilchen einen Energieverlust Dies hat im Wesentlichen zwei Ursachen Zum einen erleiden sie einen Energiever lust durch Kollisionen mit Atom und Molek lelektronen des Mediums Die f r Elektronen modifizierte Bethe Bloch Formel 46 besch
36. anschlu f r den Mikroprozessor 5 Serieller Debug Anschlu 32 KByte EEPROM 7 Mikroprozessor 32 kByte dynamischer Speicher 9 Ethernet Controller CPLD GO JTAG Anschlu f r den Mikroprozessor 1 Konfigurations EEPROM f r das FPGA Gg FPGA ECL TTL Konverter 9 TTL Differentiell Konverter ADC Referenzspannungsquelle 9 Flash ADC Differentielle Analog Treiber Ethernet Induktivit t Trigger Anschlu G Ladungsmesseranschlu G Steueranschlu f r Vorverst rker D Analoge Eing nge f r Vorverst rker Ethernet Anschlu 46 Kapitel 7 Ausleseelektronik Die fertige Ausleseelektronik zeigt Abb 7 1 im Bild Sowohl die mechanischen als auch die elektrischen Eigenschaften der Elektronik entsprechen dem NIM Standard 46 Die Ausleseelektronik ist dadurch mit einer Vielzahl von Ger ten die bei kernphysikalischen Messungen eingesetzt werden kompatibel In den fol genden Kapiteln wird die Ausleseelektronik und ihre Realisierung beschrieben 7 1 Konzept Die Ausleseelektronik mu eine Reihe von Anforderungen erf llen Nachdem ex tern oder per Software getriggert wurde m ssen alle notwendigen Steuersignale f r einen Auslesevorgang der Vorverst rker zur Verf gung gestellt werden Das ex terne Triggersignal setzt sich dabei aus den Signalen der beiden Triggerdetektoren zusammen Ein Koinzidenzbetrieb soll m glich sein aber auch Einzelbetrieb eines ausgew hlten Triggerdetektors V llig eigenst ndig m
37. ben tigt eine nie derohmige Signalquelle Auch diese Bedingung erf llt ein Halbleiterdetektor im Reverse Bias Betrieb nicht Ring gt 10 MQ 46 Die Pulse Shaper und Filter Einheit spielt in der realisierten Anwendung eine geringe Rolle da nur der Puls registriert werden soll Die von ihm eingeschlossene Fl che interessiert nicht Da zu ist ein Signal Rauschverh ltnis von 5 1 angestrebt erreicht werden mindestens 15 1 Beim Auslesen der verwendeten GASSIPLEX ICs bedient man sich eines seriellen Verfahrens Dieses soll anhand von Abb 6 2 im Folgenden erkl rt wer den Channel Levels t T N Signal Source te cee koe et Se Track Hold Amplifiers Data Lal G SEBES Mm UUU Clock Clear Abb 6 2 Schematische Darstellung des seriellen Auslesens der verwendeten GASSIPLEX ICs Nachdem die Ladung an den Eing ngen eine gewisse Zeit akkumuliert wurde fixiert die Sample amp Hold Stufe f r die Dauer des Auslesens die Analogwerte an 36 Kapitel 6 Vorverst rker den Ausg ngen der 16 Verst rkerstufen Durch ein externes Taktsignal k nnen die Spannungen der 16 Kan le nacheinander auf einen internen Nachverst rker ge legt werden an dessen Ausgang sie dann zur weiteren Verarbeitung zur Verf gung stehen Am Ende eines solchen Lesevorgangs mit 16 Takten mu der Chip zum erneuten Auslesen durch ei
38. d welche Aspekte des 17 halb zur sicheren Auswertung der Signale beachtet werden m ssen Beim Durchgang eines minimalionisierenden Elektrons durch den oben beschrie benen Z hler erleidet das Elektron einen Energieverlust von im Mittel 195 keV 61 Die Schwankungen um den Mittelwert werden f r d nne Absorber durch die Landau Verteilung beschrieben 46 61 Obwohl im Experiment keine minima lionisierenden Elektronen nachgewiesen werden kalkuliert man hier mit diesen Ein Detektor der f r minimalionisierende Elektronen ausgelegt ist funktioniert sicherlich auch f r nicht minimalionisierende Ausgehend von einer Energie von 3 62 eV zur Bildung eines Elektron Lochpaares in Silizium erh lt man ca 54000 freie Ladungstr gerpaare entsprechend einer Ladung von 8 65 fC Da die Bildung von Elektron Loch Paaren im Halbleiter im Wesentlichen durch Kollisionen initiiert wird und der Energieverlust durch diese Prozesse auch oberhalb von 1 MeV nur langsam ansteigt kann man auch bei nicht minimalionisierenden Elektronen h herer Energie nicht viel mehr erzeugte Ladungstr ger erwarten Da die erzeugte Ladung au erdem in die benachbarten Streifen diffundiert und wegen des statistischen Charakters des Prozesses wird sp ter mit der halben Ladung kalkuliert In reinstem Silizium liegt die Anzahl der freien Ladungstr ger durch thermische Anregung bei Zimmertemperatur bereits bei 4 6 10 e cm Geht man von dem sp ter eingesetzten Halbleiterstr
39. delt es sich um einen 178 MHz Typ der Firma Xilinx 85 88 Er bot einen guten Kompromi aus Preis Geschwindigkeit und zur Verf gung stehender Re sourcen Resourcen bedeuten in diesem Fall die Anzahl der m glichen Ein und Ausg nge und die erreichbare Komplexit t der implementierten Logikfunktio nalit t 89 92 Zum Programmieren besitzt das CPLD einen sog JTAG Bus Joint Test Action Group 93 95 ein Industriestandard Die Programmier und Entwicklungsumgebung kann beim Hersteller kostenlos bezogen werden Als Pro grammieradapter wurde das sog Parallel Download Cable 3 verwendet 96 97 Im FPGA sind alle brigen Komponenten des schnellen Teils der Ausleseelektro nik vereint Es besitzt einen RAM Speicherbereich um die Diskriminatorschwel len und Ereignisz hler aller Kan le aufzunehmen Au erdem werden hier noch die ADC Werte eines einzelnen Auslesevorgangs gesichert das Single Shot Memory Im FPGA befindet sich auch die Diskriminatorlogik und die Addiereinheit Wei terhin ist hier der Multiplexer zu finden der die digitalisierten Analogwerte der Flash ADCs an die Diskriminatorlogik weiterreicht Schlie lich enth lt das FPGA alle in Kap 7 1 beschriebenen Z hler Die Logikkonfiguration des FPGAs ist in einem externen EEPROM 105 106 gespeichert Von dort wird sie beim Anlegen der Versorgungsspannung in das FPGA geladen Als Interface zum Mikrokon troller wurde im FPGA ein Mikroprozessorbus nach Intelstandard implemen tiert 98
40. ebene her ausgedreht ist wird er ben tigt um die Dispersionsrichtung des Strahls um 90 zu drehen und so an das Spektrometer anzupassen Quadrupoles Steerers eo 2 E2QUOI a ea Ee E2QU02 sisie le E4QUOla amp E4QUOIb 2214 E4BMO1a E4QU02a amp E4QU02b mim jm m E4QUO3 Wi E4QU04 1 E4QRO1a amp E4QROIb E4SVOI Q E4QR02a amp E4QR02b E4QR03 E4QU01a S E4QU05a amp E4QUOSb E4QU02a eat E4QUO3 EAQUOA LINTOTT Spectrometer E4QU02b E4QUO1b Abb 5 12 Schematische Darstellung des 169 Spektrometer und seiner Strahlf hrung In Abb 5 13 ist der fertige Experimentierplatz mit komplett installiertem Detek torsystem und Detektorabschirmung zu sehen 5 4 Strahlfiihrung 33 Abb 5 13 Der fertig aufgebaute Experimentierplatz am 169 Spektrometer CU Drehkranz des Spektrometers 2 PE Abschirmung der re fokussierenden Quadrupole 3 Targetkammer LU Ende des Strahlf hrungssystems 5 Spektrometer 6 PE Abschirmung 34 Kapitel 6 Vorverst rker 6 Vorverst rker Da am LINTOTT Spektrometer ein neues und modernes Halbleiterstreifende tektorsystem zum Einsatz kommen sollte stellte sich als erstes die Frage nach den verwendeten Vorverst rkern Sie wurde im Rahmen einer Diplomarbeit 34 bereits beantwortet Es wird der am CERN gefertigte GASSIPLEX Chip 49 50 eingesetzt Im Folgenden wird die Entwicklung zum endg ltigen System erl utert Dies stellt w
41. egen der kleinen Nutzsignale des Halbleiterdetektors und der sich daraus ergebenden Probleme eine der bedeutensten Leistungen dieser Arbeit dar Schlie lich wurden Testmessungen vorgenommen und deren Ergebnisse werden diskutiert Abbildung 6 1 zeigt ein fertiges Vorverst rkermodul von dem sp ter 8 am Detektorsystem des Spektrometers eingesetzt werden H riii Sri iii 3 00 2 K A i Abb 6 1 Vorverst rkermodul f r 48 Streifen eines Halbleiterdetektors D Stecker zum Anschlu an den Halbleiterdetektor 2 GASSIPLEX ICs Treiber f r die analogen Signale der GASSIPLEX ICs 4 Treiber f r die Steuersignale von der Ausleseelektronik 5 Stecker zum Anschlu an die Ausleseelektronik und die Spannungsversorgung 6 Massefl chen zum Abtransport der Verlustw rme 6 1 Funktionsweise 35 6 1 Funktionsweise Bei dem eingesetzten Vorverst rker IC dem GASSIPLEX Chip handelt es sich um einen 16 kanaligen ladungsempfindlichen Verst rker mit Pulse Shaper und Filter Einheit und einer Sample amp Hold Stufe Ein derartiger Vorverst rkertyp hat verschiedene Vorteile Ein spannungsempfindlicher Verst rker z B ist sensitiv gegen ber Kapazit ts nderungen der Quelle Ein Halbleiterdetektor stellt jedoch einen Kondensator dar dessen Kapazit t stark von der verwendeten Vorspan nung abh ngt Da diese aber immer gewissen Schwankungen unterliegt scheidet dieser Verst rkertyp aus Ein stromempfindlicher Verst rker
42. eifen nicht zu erkennen Ein Streifenz hlermodul besteht aus dem Halbleiterkristall montiert auf einem Epoxy Tr ger Auf diesem befinden sich auch die vergoldeten Metallfl chen mit denen die einzelnen Streifen des Halbleiterz hlers ber Golddr hte verbunden sind Die Metallfl chen werden ber Leiterbahnen an zwei High Density Stecker oben und unten auf dem Tr ger gef hrt Hier werden die Vorverst rker ange schlossen Diese werden im Kap 6 beschrieben An zwei vergoldeten Stiften kann die Substratspannung und die Spannung f r den Guard Ring angeschlossen wer den 5 2 Detektorsystem 23 Ein Halbleiterkristall ist in 96 Streifen jeder 650 um breit unterteilt und ist etwas k rzer als das Detektormodul selbst 6 25 cm Es handelt sich um einen n ionenimplantierten Oberflachensperrschichtzahler 46 Die notwendige Vorspan nung um die intrinsische Zone ber den gesamten Kristall auszuweiten ist f r jeden der 4 Z hler etwas verschieden und liegt zwischen 60 und 80 V Die Z hler werden mit einer etwa 10 20 h heren Spannung betrieben um die Ladungs tr gerseparation zu verst rken 69 Wie bereits erw hnt besitzt er einen Guard Ring Dieser umschlie t alle 96 Streifen und kann bei angelegter Spannung f r ein definiertes Feld in den Randbereichen des Kristalls sorgen Hier wird kein Gebrauch von dieser M glichkeit gemacht An den Sto stellen der vier Silizium streifenz hlermodule entstehen blinde Stellen mit eine
43. eifenz hler mit einer Streifenl nge von 2 cm und einer effektiven Streifenbreite von 650 um aus hat man hier bei 300 K bereits 3 10 freie Ladungstr ger pro Streifen Man erh lt also ein Signal Rauschverh lt nis von 1 1000 Dies macht einen Nachweis des Nutzsignals unm glich Um dem zu begegnen kann man den Detektor entweder k hlen oder man fertigt ihn als Diode mit einem p n bergang Diese Diode wird in Sperrichtung mit einer Vorspannung betreiben reverse bias Dadurch bildet sich innerhalb des Halblei ters eine ladungstr gerfreie intrinsische Zone aus deren Dicke von der Vorspan nung der Bias abh ngt 46 66 67 Es flie t nur ein geringer Leckstrom in der Gr enordnung von einigen WA Ist die Vorspannung hoch genug bildet sich diese Schicht ber die gesamte Kristalldicke aus und der Detektor ist ladungstr gerfrei Zus tzlich sorgt das elektrische Feld der angelegten Vorspannung f r eine Sepa ration der erzeugten Ladungstr gerpaare Schlie lich besitzt der Detektor wegen der ausgedehnten Verarmungszone eine sehr niedrige Kapazit t Dies vermindert das Rauschen in Verbindung mit der sp teren Ausleseelektronik 46 68 18 Kapitel 5 Experimentierplatz 5 Experimentierplatz In den folgenden Kapiteln werden die Komponenten des neuen Experimentier platzes am hochaufl senden 169 Energieverlustspektrometer beschrieben Einen zentralen Teil bildet hierbei das entwickelte Detektorsystem 5 1 Spektrometer
44. ekturterm der Born schen N herung Die Gr e f Z ist hier definiert durch 46 f Z alt a 0 20206 0 0369a 0 0083a 0 002 4 5 mit a Za Der totale Energieverlust des Elektrons in der Materie betr gt somit non as 16 Kapitel 4 Wechselwirkung von Elektronen mit einem Si Halbleiter Abbildung 4 1 zeigt diesen Zusammenhang in einem Graphen Erkennbar ist hier ein Minimum bei ca 1 MeV Elektronenenergie und man spricht dabei von soge nannten minimalionisierenden Elektronen Energy Loss MeV g cm 3 4 10 10 10 10 10 10 10 Energy MeV Abb 4 1 Energieverlust eines Elektrons beim Durchgang durch Materie Die ge strichelten Kurven zeigen die Beitr ge durch Sto prozesse und durch Bremsstrahlung Die durchgehende Kurve ist die Summe aus beiden Beitr gen Das erkennbare Minimum bei ca 1 MeV Teilchenenergie zeichnet minimalionisierende Elektronen aus 46 Als neuer Fokalebenendetektor am 169 Spektrometer kommt jetzt ein moder ner Si Streifenz hler der Firma Micron Semiconductor Ltd zum Einsatz Sein Streifenabstand wurde so gew hlt da er nicht als limitierender Faktor in die Energieaufl sung des Gesamtsystems eingeht Die Dicke des Kristalls von 500 um entspricht dem was in dieser Konfiguration fertigungstechnisch als Maximum er reichbar ist Es wird im Folgenden abgesch tzt wie die Signaleigenschaften dieses speziellen Detektors im gegebenen Anwendungsfall sind un
45. eld zur ckgelegten Wegs und B stellt das Magnetfeld im Ursprung des mitbeweg ten Koordinatensystems bzw auf der Bahn des Elektrons dar Abbildung 3 1 verdeutlicht das 8 Kapitel 3 Magnetspektrometer zum Nachweis von Elektronen Abb 3 1 Ablenkung eines Elektrons in einem Magnetfeld und das mitbewegte kartesische Koordinatensystem Durch Umstellen von Gl 3 1 ergibt sich die magnetische Steifigkeit und man erh lt in praktischen Einheiten T Bp 33350 IT po MeV c 3 2 Diese impulsselektive Ablenkung f hrt zu einer Ortsabh ngigkeit der gestreuten Elektronen Die Impulsinformation wird so in eine Ortsinformation umgewandelt welche sich deutlich einfacher mit hoher Genauigkeit bestimmen l t Das opti sche Pendant ist ein Prisma Schickt man die gestreuten Elektronen durch ein Dipolspektrometer ergibt sich eine Situation wie sie in Abb 3 2 dargestellt ist Die gestreuten Elektronen pas sieren das Spektrometer und werden dort abh ngig von ihrem Impuls abgelenkt und auf die Fokalebene des Spektrometers projiziert 3 1 Funktionsweise im dispersiven Modus 9 Abb 3 2 Dispersiver Modus eines Dipolmagnetspektrometers Die vom Target gestreuten Elektronen werden im Magnetfeld des Spektrometers im pulsselektiv abgelenkt D Target 2 Gegenstandsweite 3 Dipol magnet LU Bildweite 5 Fokalebene Betrachtet man po als Sollimpuls kann man nach 30 35 38 durch L sen der Bewegungsgleichung die sich aus
46. en eine enge Verbindung mit dem Rahmen siehe Abb 6 1 Eine Ultraschallreinigung nach der Fertigung diente der Verbesserung der Vakuum tauglichkeit Die Signale zum Steuern des Auslesevorgangs werden ber differentielle Leitungs treiber an die GASSIPLEX ICs gef hrt Das erm glichte l ngere Zuleitungen bei gleichzeitig erh hter St runanf lligkeit Der GASSIPLEX Chip selbst wird in sei nem Si Modus betrieben Der legt die Einstellung der internen Filter und Shaper Einheiten fest und wird durch eine entsprechende Spannung an einem Pin des ICs eingeschaltet 50 Das analoge Ausgangssignal der ICs besitzt einen Nullpunkt offset der im Durchschnitt um ca 100 mV nach oben verschoben ist Allerdings hat jeder Kanal einen etwas unterschiedlichen Offset und ben tigt daher seinen eigenen Schwellenwert Ein Widerstandsnetzwerk verschiebt die Nulllinie um die genannte Spannung nach unten Diese Anpassung war notwendig um sp ter den Dynamikbereich der Ausleseelektronik optimal ausnutzen zu k nnen Das kor rigierte Me signal wird auf eine weitere Verst rkerstufe gegeben Dadurch wer den die Ausg nge der GASSIPLEX Chips nicht durch hohe Str me belastet die Stufe dient als Impedanzwandler Sie besteht aus einem sehr schnellen Operati 38 Kapitel 6 Vorverst rker onsverst rker 73 mit differentiellem Ausgang 74 Dieser Ausgang ist mit 50 Q abgeschlossen und der Verst rkungsfaktor betr gt 20 Dadurch ergibt sich im Si Modus der GAS
47. erity 1997 158 RFC 1001 Protocol standard for a NetBIOS service on a TCP UDP trans port Concepts and methods Network Working Group ISI 1987 159 RFC 1002 Protocol standard for a NetBIOS service on a TCP UDP trans port Detailed specifications Network Working Group ISI 1987 160 J Postel RFC 768 User Datagram Protocol Network Working Group ISI 1980 161 P Mockapetris RFC 1034 Domain Name Concepts and Facilities Net work Working Group ISI 1987 162 P Mockapetris RFC 1035 Domain Name Implementation and Specifi cation Network Working Group ISI 1987 163 R Fielding J Gettys J Mogul H Frystyk L Masinter P Leach T Berners Lee RFC 2616 Hypertext Transfer Protocol HTTP 1 1 Net work Working Group ISI 1987 164 Colour Personal Computer gt CPC6128 lt Benutzerhandbuch Schneider Computer Division Tiirkheim Deutschland 1985 165 H Schildt C The Complete Reference 2 Edition Osborne McGraw Hill Berkeley 1995 ISBN 0 07 882123 1 166 H Schildt The Complete Reference C 3 Edition Osborne McGraw Hill Berkeley 1995 ISBN 0 07 882101 0 167 HyperText Markup Language HTML Home Page http www w3 org W3C Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory Massachu setts Cambridge USA 2004 168 J Beveridge R Wiener Multithreading Applications in Win32 The Com plete Guide to Threads Addison Wesley Boston 1997 ISBN 0 20
48. ersey London Hong Kong 1991 160 H Frauenfelder E M Henley Teilchen und Kerne Subatomare Physik 3 Auflage Oldenbourg Verlag M nchen 1995 ISBN 3 486 22714 9 LITERATUR 75 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 W Greiner J Maruhn Kernmodelle Bd 11 Verlag Harri Deutsch Frank furt am Main 1995 ISBN 3 87144 977 6 M Knirsch Dissertation Technische Universit t Darmstadt 1991 D17 H D Gr f H Miska E Spamer O Titze T Walcher Nucl Instr Meth 153 1978 8 T Walcher R Frey H D Gr f E Spamer H Theissen Nucl Instr Meth 153 1978 17 D Sch ll J Foh H D Gr f H Miska R Schneider E Spamer H Theis sen O Titze Nucl Instr Meth 153 1978 29 J Foh R Frey R Schneider D Sch ll A Schwierczinski H Theissen O Titze Nucl Instr Meth 153 1978 43 W Gross D Meuer A Richter E Spamer O Titze W Kn pfer Phys Lett B84 1979 296 W Steffen H D Gr f W Gross D Meuer A Richter E Spamer O Titze W Kn pfer Phys Lett B95 1980 23 D Sch ll Dissertation Technische Hochschule Darmstadt 1975 D17 T Walcher Habilitationsschrift Technische Hochschule Darmstadt 1974 unver ffentlicht A Rudert Diplomarbeit Technische Hochschule Darmstadt 1973 un ver ffentlicht B F hring Diplomarbeit Technische Hochschule Darmstadt 197
49. erung der Hardware 0 000 e ae 7 3 Realisierung der Logik und Software God CPLD ou to ase eee ole eee eee ee gar ee ee ee MING sh Gi ae oh ae Re Oe ee ee Oe ee 1 33 Mikroprozessor cs ee eee Bee hee aasenso OX 7 4 Entwicklungssystem us 222 en a 2 ow ee eG ee Be eS 7 5 Funktionstests 3224 e Sele ae RS e Oe EE ee ee A 8 Experimente am Elektronenstrahl Sch echte lt 245 4244 4 ew phd ew Rhee BA GeO 8 2 Relative Pinienz 2224222262485 4845 64644066448 8 3 Zihleaten u ern en d 8 4 Absolute Effizienz wach as RPS RR EER ee ee 8 5 Bestimmung der Aufl sung 2 ss su 2 ss a0 He anaes 8 6 Magnetfeldeichung d Sa 223 Pee Se en SoS ent 9 Schlussbemerkung Literaturverzeichnis 34 39 37 39 44 46 49 52 53 53 54 57 59 61 61 62 63 64 66 69 72 73 1 Einleitung Kernstrukturuntersuchungen mittels inelastischer Elektronenstreuung und die Er zeugung intensiver Photonenquellen sind zwei bedeutende Einsatzgebiete eines Elektronenbeschleunigers Der supraleitenden Darmst dter Elektronenlinearbe scheuniger S DALINAC 1 3 am Institut f r Kernphysik IKP der TU Darm stadt stellt ein herausragendes Instrument zur Bearbeitung beider Forschungs gebiete dar 4 15 In der Tat ist der S DALINAC zur Zeit weltweit der einzige Elektronenbeschleuniger an dem Kernstrukturphysik und die damit verbunde nen astrophysikalischen Fragestellungen den Schwerp
50. erung von St rstrahlung Mobil telefon etc fanden alle Messungen innerhalb einer eigens daf r konstruierten Aluminiumkiste und im Dunkeln statt Zun chst wurde das Rauschen untersucht Dazu wurde jeweils ein Vorverst rker modul mit dem Halbleiterdetektor verbunden Die Vorspannung am Detektor entsprach den Herstellerangaben 80 V Der Vorverst rker wurde 65535 Mal nach dem oben beschriebenen Verfahren ausgelesen Aus den Me werten f r jeden Kanal wurde eine Statistik der Spannungsverteilungen erstellt Sie l t sich gut durch eine Gau verteilungen beschreiben Abbildung 6 5 zeigt exemplarisch f r 10 Kan le das Ergebnis dieses Vorgehens Die Schwerpunkte der Gau kuven entspre chen dabei den Nullpunktoffsets der einzelnen Kan le Wie zu sehen ist schwan ken sie erheblich In Abb 6 6 sind die Nullpunktoffsets aller 48 Kan le eines Verst rkermoduls aufgetragen Dies verdeutlicht nochmals die gro en Schwankun gen dieser Offsets selbst innerhalb eines GASSIPLEX ICs Wie bereits erw hnt ben tigt aus diesem Grund jeder Kanal seinen eigenen Schwellenwert F r alle Kan le wurde das o Interval der Gau verteilung des Rauschens bestimmt Au Perdem wurde aus allen diesen Ergebnissen ein Mittelwert von 24 mV bestimmt Die Abweichungen der einzelnen Kan le von diesem Wert sind gering ca 1 mV ihr Verhalten ist nahezu identisch Diese Spannung entspricht einem Rauschen von 0 2 fC Bei einem erwarteten Signal am Halbleiterdetektor vo
51. esezeit zur Me zeit gebildet Das Ergebnis ist die Totzeit in Prozent OnTime LifeTime OnTime tDeaa 100 7 1 60 Kapitel 7 Ausleseelektronik Zum Test wurde die Elektronik mit vier verschiedenen Geschwindigkeiten be trieben Durch einen in der Software einstellbaren Teiler f r den Haupttakt der Elektronik kann die Maximalgeschwindigkeit um Faktoren 2 4 und 8 reduziert werden Das Ergebnis zeigt Abb 7 7 100 80 60 40 Dead Time 20 Count Rate Hz Abb 7 7 Totzeitbestimmung mittels eines statistischen Triggersignals Die Tot zeit wurde fiir 4 verschiedene Teiler des Haupttaktes bestimmt Es wur de mit Teilern von 1 Dreiecke 2 Kreise 4 Rauten und 8 Qua drate gemessen Bei der schnellsten Einstellung wird eine Totzeit von 20 bei einer Z hlrate von ca 30 kHz erreicht bei ca 125 kHz geht das System in die Sattigung 61 8 Experimente am Elektronenstrahl Im abschlie enden Kapitel sollen die Ergebnisse der mit dem beschriebenen neu konzipierten Detektorsystem am 169 Spektrometer durchgef hrten Messungen pr sentiert werden Dazu wird zun chst erst kurz auf die Software zur Datenauf bereitung eingegangen 8 1 Analysesoftware F r den Einsatz des Detektors am 169 Spektrometer wurde eine eigene Analy sesoftware entwickelt Ein Punkt warum dies n tig war ist die relativ geringe I
52. essungen mit Elektronenstrahl am neuen Experimentierplatz und deren Ergeb nisse pr sentiert Kapitel 2 Beschleuniger S DALINAC und die Experimentierpl tze 2 Beschleuniger S DALINAC und die Pan Accelerator Hall EN Experimental Hall Q Abb 2 1 Der S DALINAC mit seinen Experimentierpl tzen UU Niederenergie Channeling LEC Parame trische R ntgenstrahlung PXR und Kernresonanzfluoreszenz y 7 amp Freie Elektronen Laser 3 Hochenergie Channeling HEC und PXR Comptonstreuung am Nukleon 5 QCLAM Spektrometer mit Bypass System f r Streuexperimente unter 180 169 Spektrometer mit Experimentierpl tze Energieverlust System 7 Optisches Labor des Freie Elektronen Lasers Abbildung 2 1 zeigt einen Lageplan des supraleitenden Elektronenlinearbeschleu niger S DALINAC 1 3 und seine angeschlossenen Experimentierpl tze am IKP der TU Darmstadt Im oberen linken Teil des Bildes in der Beschleunigerhalle kann man den supraleitenden cw Linearbeschleuniger und seine Komponenten erkennen Mit dem Injektor werden die Elektronen auf eine maximale Energie von 10 MeV vorbeschleunigt Die Beschleunigungsstrukturen bestehen aus Niob und werden mit fl ssigem Helium auf einer Temperatur von 2 K gehalten 51 Darauf folgt direkt der erste Experimentierplatz 52 f r Niederenergie Channeling Experimente LEC Versuche mit parametrischer R ntgenstrahlung PXR 53 sowie y Y 54 und 7 n Reaktionen
53. etektorsystem bestehend aus Halbleiter und Triggerdetektoren mechanisch an das Spektrometer adaptiert Die Strahlf hrung und die Streukammer wurden berarbeitet und modernisiert An dem beschriebenen Gesamtsystem wurden dann im Rahmen von zwei mehr w chigen Strahlzeiten Test Kalibrations Effizienz Aufl sungs und erste kern physikalische Messungen vorgenommen Diese belegen die Funktionst chtigkeit des Systems auch als dispersionsfreies Gesamtsystem im sog Energieverlust modus Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 2 Beschleuniger S DALINAC und die Experimentierpl tze TeilI Grundlagen 3 Magnetspektrometer zum Nachweis von Elektronen 3 1 Funktionsweise im dispersiven Modus 3 2 Funktionsweise im Energieverlust Modus 4 Wechselwirkung von Elektronen mit einem Si Halbleiter Teil II Aufbau des Experimentierplatzes 5 Experimentierplatz Del Spelktromeler s Ee 348 oe SSR ESE RRS SER 5 2 Detektorsystem 2 242 5 Go kG So eG area ee AC 5 2 1 Halbleiterdetektor 222 8 2 2 Detektorgeh use 2 2 2 CC nn 32 3 Triggerdetekt t oe 2 2 an eae 2a 8 20 warn be 5 3 Targetkammer 32 25 ze sn asien DAL Sbrahliuhrung Ee eb ee SE OS EE SS eH ierg 14 6 Vorverst rker 6 1 Funktionsweise e 6 2 Vorverst rkerelektronik 2 2 Ho mon 6 3 Messungen u SoS an in SR ee Bee SE ee 8 7 Ausleseelektronik TI Konzept ores dus ee eae awd papar dt hehe 7 2 Realisi
54. gebauten Targetaufzug in der ge ffneten Targetkammer erkennen Abb 5 11 Blick in die ge ffnete Targetkammer D Targetaufzug Klapp targetvorrichtung 3 Elektronenaustrittsfenster zum Spektrometer 4 Targetkammerbeleuchtung amp Vakuumdurchf hrung 6 Ein trittsfenster der Elektronen vom S DALINAC und des Laserstrahls zur Justierung 7 Anschlu zur Vakuumpumpe Kamerafenster 5 4 Strahlf hrung 31 Innerhalb der Targetkammer werden zum Einstellen des Elektronenstrahls Leucht targets ben tigt Deshalb befindet sich vor dem eigentlichen Target eine Vorrich tung die zwei verschiedene Leuchttargets in den Strahl klappen kann Diese Vor richtung wurde berholt und an die Schrittmotorsteuerung des Targetaufzuges angeschlossen Die Leuchttargets werden mit einer Kamera durch ein Quarzglas fenster in der Targetkammer beobachtet Auf den Targets sind Millimetermarkie rungen zur Justage des Strahls angebracht Damit diese immer gut sichtbar sind wurde innerhalb der Kammer eine LED Beleuchtung installiert Auch diese wird ber die Schrittmotorsteuerung kontrolliert Schlie lich wird mit dieser Steuerung noch ein Justier Laser angesprochen Dieser erzeugt einen Leuchtpunkt auf dem Target oder Leuchttarget der exakt die Strahlachse wiedergibt Im Rahmen einer Diplomarbeit 71 entstand auf Basis von LabView ein Programm mit dem sich die Schrittmotorsteuerung und alle an ihr angeschlossenen Komponenten bequem ber ein graph
55. gerimpuls w hrend eines schon laufenden Auslesevorgangs wird der Trigger Lost Z hler um eins erh ht Auch diese beiden Z hler erlauben so 7 2 Realisierung der Hardware 49 eine Bestimmung der Totzeit Ein weiterer Z hler wird vom Signal eines externen Eingangs inkrementiert und durch einen laufenden Auslesevorgangs blockiert Er dient als Eingang zur Ladungsmessung und bezieht sein Signal von einem Strom Frequenz Wandler am Faraday Cup des Spektrometers Dies erlaubt die genaue ste Totzeitextraktion Das externe Signal zur Ladungsmessung ist zus tzlich an einen letzten Z hler gef hrt der ebenfalls periodisch zur ckgesetzt wird So kann der aktuelle Strahlstrom bestimmt werden Alle Z hler sind les und l schbar Als Schnittstelle zu den Rechnern die die weitere Datenverarbeitung und Aus wertung bernehmen kommt eine Ethernetschnittstelle zum Einsatz Sie er ffnet den Zugang zu bereits vorhandenen und weit verbreiteten bertragungsprotokol len wie IP Internet Protocol und TCP Transmission Control Protocol Durch den Einsatz von TCP wird ein sicherer Datentransport gew hrleistet und ber geordneten Protokolle TELNET HTTP FTP etc k nnen genutzt werden 7 2 Realisierung der Hardware EEN Beck Detecionunt elecitonies ToimrelesiReierenes Seeaitnn d Rz Shor values datas ADC I i Hit Counter eg UN gt ES ees gt ee ADG ane gt ADG ZU Current Counter Life Time
56. hgef hrten Messungen l t sich jetzt die Abh ngigkeit des Spektrometermagnetfeldes vom eingestellten Spektrometerstrom berpr fen Dazu wird Gl 8 11 in Gl 8 10 eingesetzt und nach Eson aufgel st 70 Kapitel 8 Experimente am Elektronenstrahl Man erh lt 1 Ex Es 1 1 3 2 T AB Ey 1 sis _ Jar 8 12 W A Liss 7 As 14 AE sin 2 2 Gleichung 8 12 wurde auf verschiedene Linien aus unterschiedlichen Messungen die in Tab 8 2 zusammengefa t sind angewendet Das Ergebnis ist in Abb 8 5 zu sehen o gt O O N CO co Central Trajectory Energy MeV 65 160 162 164 166 Spectrometer Current A Abb 8 5 Abhangigkeit der Energie auf der Sollbahn des Spektrometers vom ein gestellten Spektrometerstrom Dazu wurde Gl 8 12 auf die in Tab 8 2 zusammengefa ten Linien angewendet Die gestrichelte Linie ist eine li neare Anpassung durch die Daten 8 6 Magnetfeldeichung 71 Tab 8 2 Parameter der Datenpunkte zur Magnetfeldeichung Nr Target pAx mg cm Eo MeV Ex MeV 8 Grad As Kan le 1 BC 66 6 70 4 438 117 43 75 2 Mo 9 65 70 2 067 141 183 25 3 Be 9 99 70 0 141 186 25 4 94Mo 9 65 70 0 141 176 25 5 Mo 9 65 70 0 141 172 25 Mit den gewonnenen Ergebnissen aus diesen Messungen und dem obigen Graphen l t sich die Abh ngigkeit vom Magnetfeld auf der Sollbahn des Spektrometers zum eingestellten Strom durch Gl 3 2 neu bestimmen Ma
57. hier 8 3 Z hlraten 63 ca 10 Stunden erforderlich war Fine lineare Anpassung durch die Me punke ist wie erwartet sehr gut mit einer Steigung von Null vertr glich Nimmt man eine gau f rmige Verteilung der Statistik der gez hlten Ereignisse in den Kan len an befinden sich selbst bei falsch gew hlten Vorspannungen f r die Halbleiter ber 91 der Werte innerhalb der 20 Umgebung Nach Anpassung der Vorspannungen wurden entsprechende Spektren wegen der langen Me zeit nur noch mit deutlich schlechterer Statistik aufgenommen Es lie sich dort jedoch bereits erkennen da die in Abb 8 1 auffallenden Einbr che der Z hlrate in den Kan len 300 400 nicht mehr auftraten Insgesamt zeigen die Ergebnisse dieser Messungen da die relative Effizienz der Halbleiterstreifen als konstant angenommen werden kann 8 3 Zahlraten Zur Bestimmung der Effizienz der Triggerdetektoren wurden Messungen an einem dicken YC Target durchgef hrt Die Messungen fanden bei verschiedenen Spek trometerwinkeln Strahlstr men und Energien statt Der Spektrometerstrom wur de so eingestellt da die Linie der elastischen Streuung der Elektronen am Tar get im Akzeptanzbereich des Detektorsystems lag Die ermittelten Z hlraten der Triggerdetektoren wurde mit theoretischen Absch tzungen des zu erwartenden Wertes verglichen Diese Absch tzung ist sehr genau da die elastischen Wir kungsquerschnitte sehr genau bestimmt werden k nnen Es gilt f r die Z
58. hlrate G d I eam h ND il EN AQ Fe der Na 8 1 Elastic Die effektive Massenbelegung des Targets deg h ngt hierbei von der Stellung des Targets in der Targetkammer ab Fiir eine Geometrie mit Transmission beziiglich des Elektronenstrahls ergibt sich A da L 8 2 cos S f r eine Reflektionsgeometrie A Ze 8 3 64 Kapitel 8 Experimente am Elektronenstrahl Tab 8 1 Variablen der Formeln zur theoretischen Absch tzung der Z hlrate Na Avogadro Konstante 6 023 107 mol A Massenzahl des Targetmaterials 12 pAx Massenbelegung des Targetmaterials 66 6 mg cm TBeam Strahlstrom AQ Eingestellter Raumwinkel des Spektrometers 4 8 msr h Isotopenhaufigkeit Streuwinkel deff Effektive Massenbelegung des Targets EZ Elastischer Wirkungsquerschnitt Es konnte eine bereinstimmung der Z hlraten beider Triggerdetektoren mit dem theoretischen Wert von besser als 5 festgestellt werden Dabei war allerdings auf geringen Untergrund zu achten die Transmission durch das Strahltransport system mu te optimal sein 8 4 Absolute Effizienz Zur Bestimmung der absoluten intrinsischen Effizienz des Detektorsystems wurde ein C Target vermessen und ein Spektrum um die Linie der elastischen Streu ung aufgenommen Anschlie end wurde dieses Spektrum mit der Analysesoftware aufbereitet und mit einem am IKP entwickelten Programm 189 der Linienin halt durch Anpassung einer f r Elektronenstreuspektren geeigneten
59. ine glat te Oberfl che an diese dr ckt und die Verbindung dichtet Diese Durchf hrungen erwiesen sich als tauglich f r Vakua bis zu 1078 mbar Die Konstruktionspl ne f r die erstellten Vakuumdurchf hrungen finden sich in einem externen Labor bericht 70 Abbildung 5 5 zeigt das am 169 Spektrometer montierte Detektor geh use mit Vakuumdurchf hrungen und installierter Detektoreinheit D D EH 20 cm HEH 40 cm Bon Abb 5 5 Am Spektrometer montierter Halbleiterdetektor Spektrometer 2 Vakuumdurchf hrungen f r die Vorspannungen 3 Vakuum durchf hrungen f r die analogen Signale der Vorverst rker 4 Detek toreinheit Vakuumdurchf hrung f r die Betriebsspannungen und die Steuersignale der Vorverst rker 6 Detektorgeh use 7 Auslese elektronik und HV Netzteile 26 Kapitel 5 Experimentierplatz 5 2 3 Triggerdetektor Wie bereits diskutiert ben tigt das Detektorsystem ein Triggersignal Es stehen zwei Triggerdetektoren zur Verf gung Es handelt sich um einen Szintillator sowie dahinter angeordnet einen Cerenkov Detektor Der Szintillator besteht dabei aus 5 mm dickem Material N102A die Dicke des Cerenkov Detektors betr gt 5 cm Sowohl der Szintillator als auch der Cerenkov Detektor decken einen 40 cm langen Bereich ab der die Fokalebene des Spektrometers komplett beinhaltet MOSS 20 cm ECR 20 cm En Abb 5 6 Der Aufbau der Triggerdetektoren Zu erkennen sind 2 Photomulti p
60. isches Benutzerinterface unter Windows steuern lassen 5 4 Strahlfiihrung Eine Reihe von Ma nahmen waren auch zur Wiederinbetriebnahme der Strahl f hrung und einer Verbesserung der Ansteuerung ihrer Elemente notwendig So wurden alle Korrektur und Lenkmagnete durch neu gewickelte ersetzt Die Netz teile der Lenkmagnete k nnen mittels eines Adapters ber eine Netzwerkverbin dung gesteuert werden Ebenso wurden neue ebenfalls ber die Netzwerkverbin dung steuerbare Netzteile f r die Quadrupole der Strahlf hrung installiert Der gesamte Aufbau wurde mit einem modernen Vakuumme system best ckt Dazu wurden an der Strahlf hrung am Faraday Cup an der Targetkammer und am Spektrometer selbst mehrere Sensoren angebracht die das Vakuum permanent und selbst ndig messen Diese Vorrichtung wurde au erdem mit dem Schutzsy stem des Beschleunigers gekoppelt um diesen vor einer Bel ftung zu sch tzen Au erdem wurde die Strahlstromme vorrichtung am Faraday Cup mittels einer handels blichen Batterie mit angeschlossenem Spannungsteiler geeicht 32 Kapitel 5 Experimentierplatz In Abb 5 12 ist die gesamte Strahlf hrung inklusive des 169 Spektrometers schematisch dargestellt Speziell sei hier noch der sog Rotator zu erw hnen Er besteht aus den Quadrupolen EAQROla EAQRO2a E4QR03 EAQRO2b und EAQROIb Da das Spektrometer zur Untergrundreduktion und wegen des sich so ergebenden kleinen ffnungswinkel in der Streuebene aus der Strahl
61. kusierende Quadrupole hinter PE Abschirmung und Strahlf hrung zum Faraday Cup Spektro meterplattform 6 Abschirmung f r den Detektor 7 Kammer mit Flansch zum Anbringen des Detektors in der Fokalebene Schlie lich war eine Neueichung des Spektrometermagnetfeldes notwendig Le diglich der maximale Strom von 280 A durch die Spektrometerspule und das maximale Magnetfeld auf der Sollbahn des Spektrometers waren noch als Daten von der Herstellerfirma LINTOTT vorhanden Es wurde angenommen da das Feld linear vom Strom durch das Spektrometer abh ngt 20 Kapitel 5 Experimentierplatz V B ue H 0 0014286 Am see 5 1 Um dies zu berpr fen wurde das Magnetfeld im Spektrometer bei verschiedenen Str men mittels einer Hallsonde gemessen Dazu ist in die Vakuumkammer des Spektrometers ein Rohr eingelassen Das Ende des Rohres kann sich jedoch nicht genau auf der Sollbahn befinden da es dort den Flug der Elektronen behindern w rde Eine gewisse Abweichung vom Sollwert war deshalb zu erwarten Das Ergebnis der Messung und die erwarteten Werte zeigt Abb 5 2 Eine lineare Abh ngigkeit wird best tigt die gemessenen Werte weichen um ca 10 von den Herstellerangaben ab 400 w CO CH Magnetic Field mT 100 0 50 100 150 200 250 Current A Abb 5 2 Gemessene Abh ngigkeit des Spektrometermagnetfeldes vom einge stellten Strom Quadrate eine lineare Anpassung an diese Datenpunk te durchgezoge
62. l zu klein und hebt sich nicht ausreichend vom Rauschen ab Diese Zeit ist damit die Verz gerung zwischen eintreffendem externen Triggersignal und Aktivierung der Sample amp Hold Stufe Eine Messung der Peaking Time zeigt Abb 6 7 exemplarisch f r einen Kanal 600 gt E 400 E D D I 0 V 200 gt A 0 0 500 1000 1500 2000 2500 Peaking Time ns Abb 6 7 Abh ngigkeit der Signalh he am Ausgang des Verst rkermoduls von der Ladungssammelzeit Gemessen wurde ein 10 mV Puls an einer Kopplungskapazit t von 0 47 pF Dies entspricht einer aufgebrachten Ladung von 4 7 fC Die gestrichelte Linie kennzeichnet das Maximum bei 525 ns Das vom Hersteller angegebene Maximum liegt bei 510 ns 42 Kapitel 6 Vorverst rker Zur Bestimmung der Peaking Time wurde an die Eing nge des Verst rkermoduls anstatt des Halbleiterdetektors ber einen Kondensator gekoppelt ein Pulser angeschlossen Die Signalh he des Pulses betrug 10 mV die Kapazit t des Kop pelkondensators 0 47 pF Das entspricht einer eingebrachten Ladung von 4 7 fC Der Auslesevorgang wurde synchron zu diesem Puls gestartet Die Verz gerung bis zum Aktivieren der Sample amp Hold Stufe wurde sukzessive erh ht Ein Ma ximum ist bei ca 525 ns zu erkennen Dies stimmt gut mit den Angaben des Herstellers 510 ns berein Die anderen Kan le aller Verst rkermodule zeigten ein entsprechendes Verhalten Beim endg ltigen Experimentaufbau wurden die Kabell ngen und die da
63. lek tronenlinearbeschleuniger S DALINAC und seines speziellen Betriebsmodus klar 3 1 Funktionsweise im dispersiven Modus Bei der Elektronenstreuung 17 21 60 mu der Impuls bzw die Energie der am Targetmaterial gestreuten Elektronen bestimmt werden um Aussagen ber die stattgefundenen kernphysikalischen Reaktionen im Medium machen zu k nnen Eine direkte Messung der Energie mit gleichzeitiger guter Aufl sung ist wegen der gro en Reichweite von hochenergetischen Elektronen nicht m glich Hierf r w rden sehr gro e Detektoren ben tigt Geht man wegen der guten Energie aufl sung von einem Halbleiterdetektor aus ben tigt man im Mittel bereits 4 3 mm Silizium um 1 MeV Elektronen vollst ndig zu stoppen 46 61 62 Ent sprechend mehr bei h heren Energien Halbleitereinkristalle mit Ausma en um z B 50 MeV Elektronen zu stoppen sind nicht zu fertigen Man behilft sich indem man die gestreuten Elektronen mit dem Impuls po durch ein Magnetfeld schickt dessen Feldvektor senkrecht zur Bewegungsrichtung der Elektronen orientiert ist B Auf die Elektronen wirkt die Lorentz Kraft als Ra dialkraft und zwingt sie auf eine gekr mmte Flugbahn mit dem Radius p s deren Kr mmung h s in einem mitbewegten Koordinatensystem nach Gl 3 1 35 38 direkt vom Impuls po der Elektronen abh ngt h s B 0 y 0 8 B a 3 1 p s Po Po Die Variable s ist hier die Parametrisierung des vom Elektron im Magnetf
64. lier mit Spannungsteiler Si Lichtleiter zum Einkoppeln von Testpul sen 3 Cerenkov Detektor CD Szintillator Abbildung 5 6 zeigt die Triggerdetektoreinheit bestehend aus Szintillator und Cerenkov Detektor F r einen stabilen mechanischen Aufbau wurden spezielle Tr gereinheiten der Detektoren konstruiert Mittels dieser lassen sich die Trig gerdetektoren bequem am geschlossenen Detektorgeh use montieren Zur Einstellung der Triggerdetektoren wurden Messungen im Labor durchgef hrt bei denen zun chst der optimale Arbeitspunkt der verwendeten Photomultiplier bestimmt wurde Dazu wurde eine Sr Quelle benutzt Die Abh ngigkeit der Z hlraten von der angelegten Spannung zeigen die Abb 5 7 und Abb 5 8 An hand der Resultate wurde der Arbeitspunkt des Szintillators auf 1450 V der des Cerenkov Detektors auf 2250 V festgelegt 5 2 Detektorsystem 27 Counts x10 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 PM Voltage V Abb 5 7 Arbeitspunktbestimmung f r den Photomultiplier des Szintillators Die gestrichelte Linie kennzeichnet den optimalen Arbeitspunkt lt lt oO RB 2 lt o Pa Ge 5 O O erect eee ee ee eee a 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 PM Voltage V Abb 5 8 Arbeitspunktbestimmung fiir den Photomultiplier des Cerenkov Detek tors Die gestrichelte Linie kennzeichnet den optimalen Arbeitspunkt 28 Kapitel 5 Experimentierplatz Anschlie end wurde mittels einer Cs Quelle die
65. m von programmierbarer Logik Da ebenso moderne Benutzerschnittstellen zum Einsatz kommen Ether net besitzt die Elektronik eine eigene Intelligenz in Form eines Mikroprozes sors mit entsprechender Software Um die Halbleiterstreifen nicht permanent auf Treffer durch Elektronen berpr fen zu m ssen wurde ein System von Trigger detektoren bestehend aus einem Szintillator und einem Cerenkov Detektor in die Ausleseelektronik integriert Nur wenn diese ein Signal liefern m ssen die Halbleiterstreifen ausgelesene werden Schlie lich wurden in zwei mehrw chigen Strahlzeiten Testmessungen und erste Experimente mit dem fertig aufgebauten System durchgef hrt Die Messungen belegen die einwandfreie Funktion des Gesamtsystems auch im dispersionsfreien Betrieb Kapitel 2 dieser Arbeit beschreibt zun chst kurz den S DALINAC und seine Experimentierpl tze Das Kap 3 besch ftigt sich dann mit den grundlegenden Aspekten des Nachweises von Elektronen mit Magnetspektrometern Kapitel 4 geht auf die Wechselwirkung von Elektronen mit dem Si Material ein soweit dies f r die Entwicklung und Auslegung des neuen Detektorsystems relevant ist Im Kap 5 wird der Aufbau des Experimentierplatzes am 169 Spektrometer und die notwendigen Entwicklungen zur Wiederinbetriebnahme beschrieben Kapitel 6 diskutiert die Konzeption der neuen Vorverst rker und Messungen werden ge zeigt w hrend Kap 7 die Ausleseelektronik erkl rt Schlie lich werden in Kap 8 M
66. minimalionisierende Elektronen erreicht Der bertragungsweg der analogen Me werte und digitalen Steuersignale wurde komplett berarbeitet um die hier auftretenden hohen Signalgeschwindigkeiten von bis zu 10 MHz nutzen zu k nnen Au erdem wurde die Ableitung der Ver lustw rme der Vorverst rkermodule optimiert so da ein problemloser Betrieb im Vakuum m glich ist Weiterhin wurde die Ausleseelektronik konsequent verbessert vor allem hinsicht lich der St ranf lligkeit und der Geschwindigkeit durch Integration und Minia turisierung der Elektronik Die angestrebten Z hlraten von 100 kHz werden jetzt sogar bertroffen und erlauben Messungen bei hohen Strahlstr men von bis zu 20 uA Die Ausleseelektronik erreicht bei 30 kHz Z hlrate eine Totzeit von nur 20 Au erdem wurde die Elektronik um einen intelligenten Teil mit entspre chender Software erweitert Dies macht nunmehr ein autonomes Arbeiten des Systems m glich und erlaubt es verschiedenste Schnittstellen zum datenverar beitenden PC zu nutzen Ein zus tzlich entwickeltes Testsystem f r die Vor verst rker nebst entsprechender Software komplettieren das System Die Test plattform kann dar ber hinaus als Entwicklungswerkzeug f r Steuerungskonzepte am S DALINAC genutzt werden Au erdem wurde der gesamte Experimentierplatz am 169 Spektrometer ein schlie lich der zugeh rigen Strahlf hrung f r den Betrieb mit dem neuen De tekor umger stet Es wurde zun chst das neue D
67. mit verbundenen Signallaufzeiten beachtet um ein opti males Ergebnis zu erzielen Signal mV Baseline Recovery Time us Abb 6 8 Abh ngigkeit des Nullpunktoffsets Kreise und des Rauschens Rau ten eines Kanals des Verst rkermoduls von der Erholzeit nach einer Messung 6 3 Messungen 43 Um das Timing des Auslesens zu optimieren wurde schlie lich eine Messung zum Minimieren der sog Base Line Recovery Time unternommen Das ist die Zeit die die internen Verst rker ben tigt um nach dem Deaktivieren der Sample amp Hold Stufe zu ihren Nullpunktoffsets zur ckzukehren Abbildung 6 8 zeigt eine Mes sung dieser Gr e exemplarisch f r einen Kanal des Vorverst rkers Dazu wurde wieder der Halbleiterdetektor mit Vorspannung angeschlossen Jetzt wurde durch wiederholtes Auslesen das Rauschen und der Mittelwert der Nullpunktoffsets der einzelnen Kan le bei immer kleiner werdenden Zeiten f r das Base Line Recovery bestimmt Deutlich ist an der Messung zu erkennen da sich der Nullpunktoffset bei zu kurzer Verz gerung nicht wieder einstellen kann Au erdem steigt das Rau schen der Verst rker stark an Auf eine gen gend gro e Erhohlzeit wurde deshalb geachten Die vom Hersteller empfohlenen 3 us stellen einen vern nftigen Wert dar wobei Messungen mit 2 us denkbar scheinen 44 Kapitel 7 Ausleseelektronik 7 Ausleseelektronik Da es sich bei der Ausleseelektronik um eine der wichtigsten Komponenten des neuen Detek
68. mmern 42 44 wur de hier ein f r den Nachweis von Elektronen neuartiges Konzept verfolgt Als Fokalebenendetektor f r das hochaufl sende LINTOTT Spektrometer kommt jetzt ein Halbleiterstreifenz hler zum Einsatz Ein Halbleiterdetektor besitzt im Gegensatz zu dem urspr nglich eingesetzten Szintillatorsystem eine beinahe idea le Effizienz von 100 und eine deutlich h here Strahlungsh rte 45 46 Au erdem l t er sich im Vakuum installieren und vermeidet so die Aufstreuung der nachzu weisenden Elektronen durch eine Vakuumabschlu folie Besonders bei niedrigen Elektronenenergien wirkt sich dies positiv auf die erreichbare Aufl sung aus Die Nutzsignale der verwendeten Halbleiterstreifenz hler sind allerdings sehr klein und das Signal Rauschverh ltnis deshalb sehr schlecht Deshalb wurde erst vor kurzem der erste Einsatz dieses Detektortyps f r Elektronen berichtet 47 Einer der wichtigsten Punkte dieser Arbeit ist daher die Entwicklung geeigneter Vor verst rker in Verbindung mit dem eingesetzten Halbleiterz hler Die in dieser Arbeit vorgestellte L sung basiert auf dem Einsatz des am CERN entwickelten ladungsempfindlichen GASSIPLEX ICs 48 50 Um die m glichen hohen Z hlraten eines solchen Detektorkonzeptes von bis zu 100 kHz auch wirklich nutzen zu k nnen mu eine entsprechende schnelle Aus leseelektronik konzipiert werden Die angestrebten Geschwindigkeiten erfordern den Einsatz modernster Elektronikkomponenten in For
69. mpulsakzeptanz des Spektrometers Dadurch wird immer nur ein kleiner Bereich des gesamten Spektrums aufgenommen F r ein Spektrum ber einen gr eren Energiebereich sind mehrere Messungen n tig Die Einzelspektren m ssen an schlie end aneinandergef gt werden Das beobachtete Energieintervall des Detek torsystems ndert sich mit der Einstellung des Magnetfeldes am Spektrometer Das gilt nat rlich ebenso f r den von einem Streifen abgedeckten Energiebereich die Aufl sung des Detektorsystems ndert sich Um Spektren verschiedener Ma gnetfeldeinstellungen miteinander zu verbinden ist eine Umrechnung auf kon stante Bin Breiten notwendig Dies leistet die Software Weiterhin kann die Software die Spektren auf die akkumulierte Ladung normieren Die Totzeit wird hier als Korrekturfaktor ber cksichtigt Au erdem zeigte sich im Betrieb eine geringe Verschlechterung der Aufl sung ber den gesamten Bereich des Detektors hin zu h heren Anregungsenergien ca 2 Dies kann auf eine leichte Verkippung der Detektoreinheit gegen ber der Fokaleben des Spektrome ters zur ckgef hrt werden und wird beim Re Binning ber cksichtigt Zus tzlich bestimmt das Program den Elektronenimpuls auf der Sollbahn des Spektrometers in Abh ngigkeit vom eingestellten Magnetfeld bzw Strom Dies geschieht mit tels der Magnetfeldeichung des Spektrometers Schlie lich f gt das Program die L cken die durch die blinden Stellen des Detektors entstehen in die Spekt
70. n ADCs ist jeweils noch ein differentieller Treiber mit einer Verst rkung um einen Faktor 2 vorgeschaltet 109 und deren Eing nge sind mit jeweils 50 Q abgeschlossen Damit ergibt sich der gew nschte Konvertierungsbereich von 2 048 V an einer 50 N Quelle Als zentrale Steuereinheit kommt ein 8 Bit RISC Prozessor der ATMEL Corp 83 110 113 zum Einsatz Er besitzt 128 kByte Flash Programmspeicher und wird mit 14 7456 MHz getaktet Diese Taktfrequenz wurde gew hlt weil sie ein Vielfaches der blichen Baudraten f r die serielle Kommunikation darstellt und so konnte problemlos eine serielle Schnittstelle 114 zu Testzwecken integriert wer den Zus tzlich ist dem Kontroller ein dynamischer fl chtiger Arbeitsspeicher von 32 kByte zur Seite gestellt Der Speicher nutzt zur Kopplung an den Prozessor den gleichen Bus wie das FPGA auch Au erdem ist noch ein nicht fl chtiger Speicher EEPROM mit 32 kByte Gr e ber einen sog I C Bus 115 mit dem Prozessor verbunden Hier k nnen z B Konfigurationsdaten abgelegt werden und bleiben auch beim Verlust der Betriebsspannungen erhalten Diese wiederum werden von einem sog Supervisory IC 116 st ndig berwacht Er setzt alle Komponenten 52 Kapitel 7 Ausleseelektronik der Elektronik bei einem kurzzeitigen Abfall der Spannungen Brown Out in einen definierten Zustand zur ck Ebenso beim Einschalten der Elektronik Der Prozessor ist sowohl ber ein JTAG als auch ein serielles Interface p
71. n auf Signal und Zustands nderungen Die Funktion des VHDL Programms wurde mittels der Entwicklungswerkzeuge von Xilinx umfang reich simuliert anschlie end bersetzt und auf das CPLD geladen Es ist als Datei verf gbar mctrl v Schlie lich sorgte eine sog Constraint Datei xilinx ucf f r die korrekte Zuordnung zwischen den Signalnamen innerhalb der VHDL Datei und den physikalischen Ein und Ausg ngen des CPLDs 7 3 2 FPGA Auch die Funktionen des FPGAs wurden in VHDL definiert Aufgrund der gro en Komplexit t dieser war eine starke Modularisierung des VHDL Programms un bedingt erforderlich Die einzelnen in Kap 7 2 beschriebenen Module arbeiten v llig autark nebeneinander und sind ber einen internen bidirektionalen Bus miteinander verbunden Dieser interne Bus gleicht dem der zur Anbindung des FPGAs an den Mikroprozessor dient Au er der Einheit mit den Z hlern laufen alle Module des FPGAs synchron zum Takt des CPLDs Die Z hler sind hiervon unabh ngig und k nnen deshalb verz gerungsfrei auf Impulse an den enstpre chenden Eing ngen reagieren Ladungsmesser Ratemeter etc Wie schon beim CPLD wurde zum bersetzen und Simulieren der einzelnen VHDL Module das Entwicklungswerkzeug von Xilinx eingesetzt Es wurde auch verwendet um das Konfigurations EEPROM des FPGAs mit dem fertig bersetzten Code zu be schreiben Auch hier sorgte eine Contstraint Datei ebenfalls xilinx ucf f r die richtige Pin Signal Zuordnung
72. n ca 4 fC er gibt das ein ausreichendes Signal Rauschverh ltnis Im sp teren Me aufbau am Spektrometer zeigte sich da dieses Verh ltnis sogar noch besser wurde Dies liegt wahrscheinlich am besser abschirmenden HF dichten Geh use des endg lti gen Detektorsystems 40 Kapitel 6 Vorverst rker 2000 1000 Counts SS oi d een zs 0 200 400 600 Signal mV Abb 6 5 Bestimmung des Rauschens einzelner Kan le eines Vorverst rkers Beispiel der statistischen Verteilung der Ausgangsspannung von 10 Kan len und der jeweiligen Anpassung durch eine Gau Kurve Wu Q oO Offset mV 0 8 16 24 32 40 48 Channel Number Abb 6 6 Verteilung der Nullpunktoffsets der 48 Kan le eines Verst rkermoduls Zu jedem Nullpunktoffset ist der jemals gemessene Minimal und Ma ximalwert eingezeichnet Als n chstes wurde der Einflu der Ladungssammelzeit auf die H he der erhal tenen Signale am Ausgang des Vorverst rkers untersucht Diese Zeit wird auch 6 3 Messungen 41 Peaking Time genannt Liegt an einem Eingang des Verst rker ICs eine Ladung an erzeugt die interne Filter und Shaper Stufe des Chips einen Puls mit einer ganz spezifischen Signalform und Dauer Es ist wichtig das Signal an seinem Ma ximum einzufrieren um es f r den sequentiellen Auslesevorgang zur Verf gung zu haben Dies beeinflu t entscheidend das Signal Rauschverh ltnis Wird zu fr h oder zu sp t abgetastet ist das Signa
73. n erh lt B 0 00157 I 0 03233 e 8 13 SCH Die in Abb 8 5 sichtbaren Abweichungen und ein Offset begr nden sich durch etwas verschiedene Prim renergien des Strahls und durch die Remanenz des Spetrometerdipols Aus den Abweichungen folgt da die Einstellung des Spek trometerstroms unbedingt mit einem Cyclingverfahren gemacht werden mu Da als Netzteil f r das 169 Spektrometer das des QCLAM Spektrometers zum Einsatz kommt kann das Program zum Einstellen des Stroms des QCLAM Spektrometers genutzt werden Hier ist bereits eine Cyclingprozedur implemen tiert Ungew hnlich ist jedoch das Vorzeichen des Offsets Vermutlich ist der Verlauf der Abh ngigkeit im Bereich unter 100 A nicht mehr linear Messungen fanden in diesem Strombereich nicht statt Oberhalb von 100 A Spektrometer strom liefert die ermittelte Abh ngigkeit jedoch optimale Ergebnisse 12 Kapitel 9 Schlussbemerkung 9 Schlussbemerkung Im Rahmen dieser Arbeit ist mit der Wiederinbetriebnahme des 169 Spektrometers ein sehr wichtiger neuer Experimentierplatz am S DALINAC entstanden Der Energieverlust Betriebsmodus des Spektrometers erlaubt hier in Zukunft wie der hochaufl sende e e Experimente unter deutlich besseren Bedingungen als vorher durchzuf hren So l st das neue Detektorkonzept des Problem der Effizi enzschwankungen des fr her verwendeten Szintillatorsystems was zusammen mit den hohen Datendurchsatzraten zu einer signifikanten Verk
74. nalit ten in Form von Funktionsaufrufen zur Verf gung Darunter fallen z B des Verwalten des dynamischen Arbeitsspeicher die Kommunikation mit dem Ethernet Kontroller und dem FPGA die Steuerung des CPLDs und die Ver bindung zum nicht fl chtigen Arbeitsspeicher dem EEPROM F r diesen ist im Betriebssystemkernel ein primitives Dateisystem verwirklicht Au erdem verwal tet das Betriebssystem die f r das System zugelassenen Benutzer und beschr nkt deren Zugriffsrechte Schlie lich behandelt der Betriebssystemkern alles was kei ne direkte Aktion des Benutzers erfordert und im Hintergrund abl uft Auf diesen Kernel ist ein kompletter BASIC Interpreter in Recursive Descent Parser Implementation mit Standardbefehlssatz 164 166 aufgesetzt und sorgt so f r eine Verbindungsschicht zwischen Betriebssystemfunktionen und vom An wender ausf hrbaren Aktionen Der Anwender wiederum steht ber TELNET 56 Kapitel 7 Ausleseelektronik oder HTTP HTML 167 mit dem Interpreter in Verbindung und kann Daten abrufen und einzelne BASIC Befehle oder ganze BASIC Skripte ausf hren Die Skripte werden dazu in dem internen Dateisystem gespeichert Die Stuktur der gesamten Software zeigt Abb 7 5 Time Protocol Global BASIC CPLD i l rf Variables Interpreter EES FPGA Interface Sensor Interface ADC and I2C Bus Abb 7 5 Softwarestruktur der Ausleseelektronik Zwei wichtige Aspekte der Software m ssen hier noch erw hnt
75. ne Linie und die von der Herstellerfirma LINTOTT angegebene Abh ngigkeit gestrichelte Linie Mit diesem Ergebnis und Gl 3 2 l t sich ein Zusammenhang zwischen dem eingestellten Strom und dem Impuls der Elektronen auf der Sollbahn des Spek trometers bestimmen Der Radius der Sollbahn po im 169 Spektrometer betr gt lm 5 2 Detektorsystem 21 5 2 Detektorsystem Ein Schwerpunkt dieser Arbeit stellt die Entwicklung und Inbetriebnahme des Halbleiterstreifendetektors f r das 169 Spektrometer dar Der Detektor ist einer der ersten dieses Types welcher zum Nachweis von minimalionisierenden Elektro nen ab 1 MeV kinetische Energie eingesetzt wurde 47 Der Grund hierf r wie in Kap 4 diskutiert ist der geringe Energieverlust den die Elektronen beim Passieren des relativ d nnen Detektors 500 um erfahren Dies erfordert eine aufwendige und empfindliche Vorverst rkerelektronik Nur ein dickerer De tektor k nnte hier Abhilfe schaffen Die Herstellung eines solchen Detektors ist jedoch sehr aufwendig und mit hohen Kosten verbunden Die hier vorgestellte Einsatzform erfordert keine Auswertung der Pulsform die Energieinformation der detektierten Elektronen wird nicht aus der Pulsform ex trahiert sondern mit Hilfe des Magnetspektrometers in eine Ortsinformation l ngs seiner Fokalebene umgewandelt Indem der Halbleiterdetektor in der Fokal ebene plaziert wird und in viele Streifen segmentiert ist kann der Durchsto punkt
76. ne Messung an einem BeO Leuchttarget Hier wurden die Linien der elastischen Streuung des Berylliums und des Sauerstoffs zur Bestimmung der Aufl sung herangezogen Diese sind wegen der verschiedenen R cksto energien im Spektrum trennbar Sie sind aber nicht sehr weit voneinan der entfernt die Genauigkeit ist deshalb gering Abbildung 8 4 fa t schlie lich die Ergebnisse von Messungen an verschiedenen Targets bei gleichbleibender Spek trometereinstellung zusammen Eine lineare Anpassung durch diese Datenpunkte 8 6 Magnetfeldeichung 69 entspricht der in Gl 8 11 bestimmten Aufl sung mit einer Abweichung von lt 1 6 Abweichungen erkl ren sich durch etwas unterschiedliche Beschleuniger einstellungen bei den Messungen und damit leicht variierenden Werten f r Ep E 70 MeV D 0 0 V bd 26 E Be E 0 87109 x O CO Mo E Se K Gs N co Q N 2 4294 O N Mo E Be E g o d Scattered Electron Energy MeV 0 100 200 300 400 Channel Number Abb 8 4 Anregung der Reaktion BeO C Mo e e bei konstanter Elektro nenenergie Ey 70 MeV und konstantem Magnetfeld Aufgetragen ist ihre nach Gl 8 6 ermittelte Energie ber der Lage auf dem Detektor Mit einer linearen Anpassung gestrichelte Linie durch diese Daten punkte l t sich die Energieaufl sung des Detektors bestimmen Sie ergibt sich zu 6 91 keV Kanal 8 6 Magnetfeldeichung Ausgehend von den durc
77. nen k nnen Als Protokoll f r die Netzwerkkommunikation kam deshalb nur der TCP IP Standard mit seinen Zusatzprotokollen ARP RARP ICMP in Frage 131 144 Die Gr e und Geschwindigkeit des Systems in das implementiert werden sollte erforderte die Verwendung der Version 4 von TCP IP Durch die Benutzung dieses Standards l t sich das System nahtlos in eine bestehende Netzwerkarchitektur einf gen Au erdem stehen eine Reihe von bergeordneten Protokollen bereit die auf diesem Standard aufbauen Von diesen Protokollen wurden in einem Kern der Software dem Kernel zahlreiche umgesetzt TELNET 145 Time Protokoll 146 FTP 147 148 SMTP 149 151 SNMP 152 BOOTP 153 TFTP 154 DHCP 155 157 NETBIOS Nameservice 158 159 UDP 160 DNS 161 162 HTTP 163 Die Umsetzung der Protokolle und des sich daraus ergebenden Protokoll Stapel erfolgt streng nach dem OSI Schichtenmodell 130 131 und un terst tzt umfangreiche Authentifizierungsmethoden Die Hierarchie der imple mentierten Protokolle wird in Abb 7 4 gezeigt 7 3 Realisierung der Logik und Software 55 TCP TP SNMP ARP ICMP Ethernet Driver Abb 7 4 Hierarchie der implementierten TCP IP Protokolle Der vorher erw hnte Kernel ist Teil eines selbstentwickelten Betriebssystems Es ist interrupt getrieben und deshalb echtzeitf hig Viele Merkmale stammen aus dem Umfeld von MS DOS 119 Das Betriebssystem stellt hierbei die Grundfunk tio
78. nen Impuls wieder auf den ersten Kanal gesetzt wer den F r eine erneute Messung mu die Sample amp Hold Stufe wieder freigegeben werden Danach wird noch eine gewisse Zeit gegen einen erneuten Me vorgang gesperrt um den Eingangsverst rkern die M glichkeit zu geben ihre Nullwerte wieder zu erreichen Es handelt sich hier um das sog Baseline Recovery Auf der Vorverst rkerplatine werden 3 GASSIPLEX ICs so miteinander gekop pelt da sie wie ein einziger Chip mit 48 Kan len erscheinen Man nennt dies daisy chaining Weitere Informationen zu den GASSIPLEX ICs sind in einem gesonderten Laborbericht festgehalten 70 In Abb 6 3 ist der zeitliche Verlauf der verschiedenen an einem Auslesevorgang beteiligten Signale gezeigt Abb 6 3 Der zeitliche Verlauf wichtiger Signale bei einem kompletten Auslese vorgang Das Bild stammt aus einem Program mit dem die Funktion der Elektronikkomponenten vor der Inbetriebnahme simuliert wurden Der Auslesevorgang startet mit dem softwaregenerierten Triggersignal manual Das Signal mrun markiert den laufenden Auslesezyklus Wei tere Triggerpulse an manual haben jetzt keinen Einflu mehr Nach der Ladungssammlungszeit wird die Sample amp Hold Stufe mittels gassi_th aktiviert und die Analogwerte an allen 48 Kan len eingefroren An schlie end werden mit dem Taktsignal gassi_clk die Analogwerte aller Kan le an den Ausgang des Vorverst rkers gelegt Am Ende des se quentiellen Auslesens wird de
79. ngen bei Problemen betreffend den Detektor und die Vorverst rkerelektronik Danken m chte ich auch Herrn Dr H D Gr f und Herrn Dr G Schrieder f r ihre kompetente und geduldige Beantwortung von Fragen rund um den S DALINAC und das 169 Spektrometer Herrn Dipl Ing U Bonnes danke ich ganz besonders f r seine hervorragende Arbeit an der Detektorelektronik und f r sein beraus wichtiges Mitwirken an dem gesamten Projekt Besonderen Dank geht auch an Herrn Dipl Ing H J Sch tt GSI Darmstadt der mir mit Rat Tat und Material zu jeder Zeit zur Seite stand Gro er Dank f r seinen Einsatz geht auch an meinen ukrainischen Kollegen in diesem Projekt Dipl Phys O Burda Zuletzt aber nicht als Letztes m chte ich die Gelegenheit nutzen um allen meinen Freunden meiner Freundin N Eckert und besonders meinen Eltern und meiner gesamten Familie f r ihren unerm dlichen Einsatz und den Glauben an mich w hrend der letzen 32 Jahre danken Diese Arbeit wurde mit Mitteln des SFB 634 gef rdert Eltern Familienstand Bekenntnis Staatsangeh rigkeit 1979 1983 1983 1989 1989 1992 Juni 1992 1992 1993 1993 1999 Oktober 1999 seit November 1999 Lebenslauf Alexander Wilhelm Lenhardt Pers nliche Daten geboren am 24 November 1972 in Langen Hessen Deutschland Klaus und Ingrid Lenhardt geb Reinwarth ledig evangelisch deutsch Schulbildung Besuch der Karl Nah
80. nliches sind als Datei verf gbar F r eine detaillierte Beschreibung sei hier auf einen die ser Arbeit zugeh rigen externen Laborbericht 70 verwiesen 7 5 Funktionstests An der fertig aufgebauten Elektronik wurden vor der Inbetriebnahme am 169 Spektrometer Funktionstests im Labor durchgef hrt Zun chst wurde ein gene reller Test der Software des Mikroprozessors TELNET FTP und HTTP Server und BASIC Interpreter durchgef hrt Dann wurde berpr ft ob das fertige Lay out der Elektronikplatine das Rauschen der ADCs beeinflu t Messungen zeigten keine Abweichungen von den Angaben in den Datenbl ttern der ADCs 0 5 mV oder 1 2 Bit 107 Auch die verwendeten differentiellen Vorverst rker lieferten keinen me baren Rauschanteil Die Untersuchung des CPLDs und des FPGAs zeigte die gew nschten Eigenschaf ten entsprechend der vorhergehenden Simulationen Getestet wurde dabei mit internen und externen Triggersignalen Die korrekte Funktion der ADCs konnte durch entsprechende Tests ebenfalls gezeigt werden Insgesamt wurde die Funk tion der Ausleseelektronik vor den anschlie enden Messungen sichergestellt Schlie lich sollten Messungen zur Totzeit die wirkliche Leistungsf higkeit des Sy stems belegen Dazu wurde an einem Triggereingang das Signal eines statistischen Pulsers angelegt Der Pulser wurde auf verschiedene Frequenzen bis zu 150 kHz eingestellt Nach einer Messung wurde jeweils das Verh ltnis aus der ben tigten Ausl
81. ntroide der Linien wurden mit Hilfe des oben erw hnten Fit Programms bestimmt Zur Umrechnung von Kan len Anzahl von Detektorstreifen in Ein heiten der Anregungsenergie mu die Kinematik der Elektronenstreuung beachtet werden Die Energie der gestreuten Elektronen einer Linie Epeak ergibt sich aus 1 Ex Eo 3AE Ex 1 ze BEIN 8 6 rer zZ 1 7322 sin 2 2 Epeak Hier ist E die Anregungsenergie des Zustandes 0 MeV f r die Linie der elastischen Streuung der Streuwinkel und M die Ruhemasse des Targetkerns Die Gr e AE stellt hier den Energieverlust der Elektronen im Target dar und kann aus der Beziehung MeV oi II 2 AE 1 4 g cm cos 5 8 7 f r den untersuchten Energiebereich n herungsweise bestimmt werden Die Aufl sung pro Streifen Eres ergibt sich dann aus Ex En TEI TIn ERes 8 8 Hier ist Eu Epeak bei Fy 0 und Em Epeak bei Ex 2 4294 MeV Das Energieinterval pro Streifen betrug in dem gezeigten Spektrum 6 8 keV Es sollte ber die gesamte L nge der Fokalebene konstant bleiben Folgemessungen zeigten jedoch da sie zu niedrigeren Anregungsenergien hin abnimmt Dies ist auf eine minimale Verkippung der Detektoreinheit gegen die Fokalebene zu erkl ren und wird von der Analysesoftware korrigiert Weiterhin ist sie abh ngig vom Impuls 68 Kapitel 8 Experimente am Elektronenstrahl der gestreuten Elektronen auf der Sollbahn des Spektrometers und dami
82. ometer das QCLAM Spektrometer 23 ist haupts chlich f r e e x Experimente vorgesehen Dieses Spektrometer zeichnet sich durch eine hohe Raumwinkel und Impulsakzeptanz aus Der Aufbau der Streukammer an diesem Spektrometer und der Einsatz zus tzlicher Detektoren f r den Nach weis geladener Teilchen oder Neutronen erm glichen echte Koinzidenzexperimen 6 Kapitel 2 Beschleuniger S DALINAC und die Experimentierpl tze te 4 7 Eine sog Schikane oder Bypass erlaubt au erdem 180 R ckstreuexpe rimente 8 10 Das zweite Spektrometer besitzt einen vergleichsweise geringen Akzeptanzbereich f r Raumwinkel 6 msr und Impuls 4 Allerdings sorgt seine Konstruktions weise f r eine bauartbedingt h here Aufl sung Sein spezieller Ablenkwinkel von 169 7 der magic angle minimiert f r Elektronen den Abbildungsfehler Der bedeutenste Unterschied ist jedoch da es in einem besonderen Modus betrie ben werden kann In diesem Betriebsmodus bildet das Spektrometer mit sei ner Strahlf hrung ein dispersionsfreies Gesamtsystem und erlaubt es Messungen weitgehend unabh ngig von der prim ren Energieunsch rfe des Elektronenstrahls durchzuf hren 3 Magnetspektrometer zum Nachweis von Elektronen In den folgenden beiden Unterkapiteln wird genauer auf die Funktionsweise eines Magnetspektrometers in seinen verschiedenen Betriebsarten eingegangen Dabei werden die Vorz ge des 169 Spektrometers am supraleitenden Darmst dter E
83. optimale Einstellung f r die Constant Fraction Diskriminatoren gefunden Diese wandeln das Signal der Pho tomultiplier in einen NIM Puls um F r einen Plastikszintillator der hier gew hl ten Dicke ist der maximale Energieverlust der 661 keV y Quanten dieser Quelle durch Compton Streuung nahezu identisch mit dem minimalionisierender Elek tronen Der Diskriminator wird so eingestellt da solche Ereignisse gerade noch registriert werden Dadurch ist gew hrleistet da sp ter Elektronen jeder Ener gie detektiert werden und gleichzeitig das Signal Untergrundverh ltnis optimal ist Zus tzlich kann an die Detektoren zum Test ein Pulsersystem angeschlos sen werden ber einen Lichtleiter mit gekoppelter LED wird eine fest definierte Lichtmenge in das Detektormaterial eingebracht So l t sich das Verh ltnis aus Pulsh he und Lichtmenge bestimmen Dies stellt eine alternative Methode zur Arbeitspunktbestimmung und zur optimalen Einstellung dar Abb 5 9 Das fertig aufgebaute neue Detektorsystem des 169 Spektrometers D Triggerdetektoren 2 Detektorgeh use OG Flansch des Spektro meters 4 Bleiabschirmung 5 3 Targetkammer 29 In Abb 5 9 ist das fertig montierte System zu sehen Die Triggerdetektoren lassen sich einzeln oder in Koinzidenz betreiben Bei den sp teren Messungen zeigte sich da zum einwandfreien Betrieb des Spektrometers nur der Cerenkov Detektor n tig ist Der Detektor ist schnell genug und seine Selektivi
84. ornia USA 2002 106 Platform Flash In System Programmable Configuration PROMs Prelimi nary Product Specification DS123 v2 5 XILINX Inc Corporation San Jose California USA 2004 107 TSA1201 Datasheet 12 BIT 50MSPS 150mW A D CONVERTER STMicroelectronics Inc San Diego California USA 2001 82 LITERATUR 108 ADR290 Datasheet Low Noise Micropower 2 048V 2 5V and 4 096V Pre cision Voltage Reference Rev B Analog Devices Inc Norwood Massachu setts USA 2001 109 AD8131 Datasheet Low Cost High Speed Differential Driver Rev A Ana log Devices Inc Norwood Massachusetts USA 2000 110 8 bit AVR Microcontroller with 128K Bytes In System Programmable Flash ATMega103 ATMegal03L Preliminary Rev 0945E 11 00 Atmel Corpora tion San Jose California USA 2000 111 8 bit AVR Microcontroller with 128K Bytes In System Programmable Flash ATMega1l03 ATMegal03L Rev L Errata Sheet Rev 1436B 12 99 Atmel Corporation San Jose California USA 1999 112 8 bit AVR Microcontroller with 128K Bytes In System Programmable Flash ATMega128 ATMegal28L Preliminary Summary Rev 2467FS AVR 09 02 Atmel Corporation San Jose California USA 2002 113 8 bit AVR Microcontroller with 128K Bytes In System Programmable Flash ATMega128 ATMegal28L Preliminary Rev 2467F AVR 09 02 Atmel Cor poration San Jose California USA 2002 114 DS14185 Datasheet EIA TIA 232 3 Driver x 5 Receiver DS
85. r Breite von ca 6 75 mm bzw 10 11 Streifen F r ein l ckenloses Spektrum m ssen daher mehrere Messun gen bei verschiedenen Spektrometermagnetfeldern durchgef hrt werden Dadurch lassen sich die entstehenden L cken in den aufgenommenen Spektren schlie en Um die Module nebeneinander zu fixieren war ein Tr ger notwendig Auf diesem sollten auch gleich die 8 Vorverst rkermodule Platz finden Die gesamte Einheit besteht somit aus 4 Halbleiterstreifenz hler 8 Vorverst rkermodulen und dem Tr ger dieser Komponenten Sie besitzt 384 aktive Halbleiterstreifen deckt aber eine L nge von 415 5 Streifen ab Da sich der gesamte Aufbau sp ter im Vakuum befindet kann die Verlustw rme der Elektronik nicht durch die Luft abtransportiert werden Der Tr gerrahmen mu diese Aufgabe erf llen und wurde deshalb aus Metall gefertigt Hier wurde Aluminium gew hlt Der Rahmen selbst hat guten thermischen Kontakt zu an deren massiven Teilen des Aufbaus um seinerseits die Abw rme weiterzugeben Konstruktionsdaten finden sich in einem gesonderten Laborbericht 70 5 2 2 Detektorgeh use Die Detektoreinheit ist in der Fokalebene des Spektrometers plaziert worden Da sich die Einheit im Vakuum der Spektrometerkammer befinden sollte wurde ein entsprechendes Geh use konstruiert und gebaut In einem gesonderten Laborbe richt 70 sind die technischen Zeichnungen festgehalten Die Elektronen welche den Halbleiterdetektor durchquert haben m ssen an
86. r Vorverst rker f r den n chsten Vorgang auf den ersten Kanal zur ck gesetzt Dazu dient gassi_rst Nach Ablauf der Baseline Recovery Zeit ist der Auslesevorgang beendet zu erkennen an mrun 6 2 Vorverst rkerelektronik 37 6 2 Vorverstarkerelektronik Beim endg ltigen Design der Platine f r die Vorverst rkermodule des Detek torsystems mu ten mehrere Punkte ber cksichtigt werden Aufgrund der gerin gen Signalh he waren Rauschfreiheit und St runempfindlichkeit hierbei besonders wichtig 72 Es wurde deshalb eine 4 lagige Platine gefertigt Zwei Lagen dienen hier ausschlie lich als Tr ger f r die Versorgungsspannungsleitungen Die Ver sorgungsspannungen selbst werden von au en ber einen Stecker zugef hrt und sind ber RC Tiefp sse zur Entst rung 68 entkoppelt Analoge und digitale Be triebsspannungen sind streng getrennt Auf k rzeste Signalwege wurde durchweg geachtet Gro e Massefl chen sollen St reinstrahlungen eliminieren Da sich die Vorverst rkerelektronik sp ter im Vakuum befindet und eine nicht unerhebliche Verlustw rme produziert ca 300 mW pro Vorverst rkermodul dienen die Mas sefl chen gleichzeitig als Leiter zum Abtransport der Verlustleistung Um guten thermischen Kontakt zum metallischen Tr gerrahmen der Vorverst rker und des Halbleiterdetektors zu gew hrleisten befindet sich an den Montagestellen der Platine kein L tstoplack Zahlreiche Bohrungen an diesen Stellen erm glichen durch Schraub
87. r mit konischen Polschuhen Da mit sind die Parameter n 0 5 f r Doppelfokusierung 8 0 25 und y 0 125 bereits festgelegt 31 12 Kapitel 3 Magnetspektrometer zum Nachweis von Elektronen 3 2 Funktionsweise im Energieverlust Modus Im Energieverlustmodus wird das Spektrometer mit dem Strahlf hrungssystem so betrieben da das gesamte System dispersionsfrei wirkt Dabei bildet die Strahlf hrung den Elektronenstrahl dispersiv als schmalen vertikalen Streifen auf das Target ab Die Dispersion der Strahlf hrung ist so eingestellt da sie durch die feste Dispersion des Spektrometers genau ausgeglichen wird Man spricht deshalb auch von lateral dispersion matching Elektronen ohne Energieverlust im Target werden hier allesamt in einem einzigen Punkt auf der Fokalebene des Spektrometers abgebildet Nur Elektronen mit einem speziellen Energieverlust AE werden mit einem entsprechenden Versatz von der Sollbahn Ax auf die Fo kalebene projiziert Dadurch sind Messungen in dieser Betriebsart weitgehend unabh ngig von der prim ren Energieunsch rfe des Elektronenstrahls und Ex perimente mit sehr hoher Aufl sung werden m glich Man nennt diesen Modus deshalb auch Energy Loss Mode oder eben Energieverlustmodus Allerdings erfordert diese Methode ein Target mit sehr homogener Massenbelegung ber den vom Strahlfleck abgedeckten Bereich In Abb 3 4 sind diese Zusammenh nge nochmals dargestellt Zu erw hnen sei noch das sog
88. reibt den Energieverlust bei diesem Proze 21 Tra C a OTT meh HF r 6 2 41 Z dE InNar me dx col Tabelle 4 1 erklart die Variablen der Formel Tab 4 1 Variablen der Bethe Bloch Formel Fe klassischer Elektronenradius 2 817 10 1 cm Me Elektronenmasse N Avogadro Konstante 6 023 1077 mol Z Ladungszahl des Mediums A Massenzahl des Mediums p Dichte des Mediums T Kinetische Energie des Elektrons in Einheiten von mec I Ionisationspotential C Schalenkorrektur F r Korrekturterm f r das Elektron Die Gr e F T ergibt sich f r das Elektron zu 15 77 8 2r 1 In2 7 1 F r 1 4 2 Der andere Energieverlustproze ist Bremsstrahlung Sie entsteht durch Wech selwirkung der geladenen Teilchen mit dem Coulombfeld der Elektronenhiille der Atome Molekiile im Medium Das Elektron wird dabei abgebremst Der Energie verlust wird f r Teilchen mit einer Prim renergie me lt Ey lt 137M Z 1 3 n herungsweise beschrieben durch 46 dE E 2 1 4 Dasz l f Z 4 u i in 3 X ee 1 3 F r eine Prim renergie Ey gt 137m c Z gilt dagegen dE _ 4PNa 2 2 1 3 1 4 7 EuZrza DIE kb 18 F Z 4 4 Tabelle 4 2 erl utert die in den Formeln neu vorkommenden Variablen Tab 4 2 Variablen der Formel zum Energieverlust durch Bremsstrahlung Eo Prim renergie des einlaufenden Teilchens a Feinstrukturkonstante f Z Korr
89. ren eln 62 Kapitel 8 Experimente am Elektronenstrahl 8 2 Relative Effizienz Zur Bestimmung der relativen Effizienz wurde ein Spektrum der Elektronenstreu ung an C in einem Interval um eine Anregungsenergie von 32 MeV aufgenom men In diesem Bereich ist der Wirkungsquerschnitt n herungsweise konstant es handelt sich also um ein Spektrum hnlich dem von wei em Rauschen Clee 93 E 68 MeV E 32 MeV Counts re J fl a ay 0 100 200 300 400 Channel Abb 8 1 Messung eines wei en Spektrums zur relativen Effizienzbestimmung und eine lineare Anpassung schwarze Linie durch die Datenpunkte Die gestrichelten Linien kennzeichnen die 20 Umgebung unter der An nahme einer Gau verteilung Die blinden Stellen des Detektors wurden bei der Anpassung ausgespart Die Einbr che im ersten und letzen Teil des Spektrums sind durch eine nicht gen gend hohe Vorspannung der entsprechenden Halbleitermodule zu erkl ren und konnten in sp teren Messungen durch Heraufsetzen dieser behoben werden Die berh hun gen an den R ndern der Detektormodule liegen an der etwas gr eren aktiven Fl che der jeweils ersten und letzten Halbleiterstreifen da kein Guard Ring genutzt wurde Das Ergebnis einer solchen Messung zeigt Abb 8 1 Die Z hlraten waren selbst bei Verwendung eines dicken Targets hier 66 6 mg cm und hohem Strahlstrom in diesem Anregungsenergiebereich so gering da eine sehr lange Me zeit
90. rgang Grundschule in Dreieich G tzenhain Besuch der F rderstufe der Weibelfeld Gesamtschule in Dreieich Sprendlingen Besuch des Ricarda Huch Gymnasiums in Dreieich Sprendlingen Abitur Wehrdienst Wehrdienst im PzGrenBtl 352 in Mellrichstadt und im PzArtBtl 355 in Wildflecken Hochschulbildung Studium der Physik an der Technischen Hochschule Darmstadt Studienabschlu mit Diplom Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut f r Kernphysik der Technischen Universit t Darmstadt Eidesstattliche Erkl rung Hiermit erkl re ich an Eides statt da ich die vorliegende Dissertation selbst ndig verfa t keine anderen als die angegebenen Hilfsmittel verwendet und bisher noch keinen Promotionsversuch unternommen habe Darmstadt im November 2004 A W Lenhardt
91. rogram mierbar Das JTAG Interface kann gleichzeitig zum Test der Software auf dem Mikroprozessor genutzt werden Als Entwicklungswerkzeug diente einerseits der AVR GCC C Compiler Andererseits kam zum Fehlerbeseitigen das Programm AVR Studio von Atmel zum Einsatz Beide Werkzeuge sind frei erh ltlich Als Ethernet Controller wird ein Standardbauteil aus der PC Technik verwen det 117 121 Es handelt sich dabei um einen 10 MBit Baustein mit Intel Bus der Firma Realtek 122 123 Er wird ber diesen mit dem Prozessor verbunden und belegt 16 kByte des Prozessoradressraumes Als Nutzerschnittstelle dient ein sog 10BaseT Anschlu der ber eine Netzwerkinduktivit t 124 an den Ethernet Chip angebunden ist Aufgrund des heteorgenen Aufbaus aus Analog und Digitalteil auf einer Platine mu te beim Layout der Platine und der Spannungsversorgung besonders sorgsam vorgegangen werden Gro e Massefl chen wurden f r den analogen und den digi talen Teil getrennt angelegt Eine 4 lagige Platine bei der 2 Lagen fast ausschlie lich zur Spannungsversorgung der einzelnen Module sorgen tr gt stark zur St r und EMV Festigkeit bei Mikroprozessor FPGA CPLD und der analoge Teil be sitzen jeweils eine autarke Versorgung Die verschiedenen Versorgungsspannungen werden durch lineare Low Drop Spannungsregler 125 126 erzeugt Diese bezie hen ihre Eingangsspannungen wiederum ber LC Low Pass Filter 68 127 128 aus dem NIM Anschlu Schaltpl ne
92. ry for Nuclear Science and Department of Physics MIT 1986 64 H Ikegami Rev Sci Instrum 21 1958 943 65 S Penner J W Lightbody Proceedings of the International Symposium on Magnet Technology Stanford 1965 66 Ch Kittel Einf hrung in die Festk rperphysik 11 Auflage Oldenbourg Ver lag M nchen 1996 ISBN 3 486 23596 6 67 Ch Kittel C Y Fong Quantentheorie der Festk rper 3 Auflage Olden bourg Verlag M nchen 1989 ISBN 3 486 21420 9 68 U Tietze Ch Schenk Halbleiter Schaltungstechnik 10 Auflage Springer Verlag Berlin 1993 ISBN 3 540 56184 6 69 D Dannheim U Kotz C Coldewey E Fretwurst A Garfagnini R Klan ner J Martens E Koffemann H Tiecke R Carlin Design and Tests of the Silicon Sensors for the ZEUS Micro Vertex Detector DESY 02 215 2002 70 A W Lenhardt Laborbericht IKDA 2004 19 Technische Universit t Darmstadt 2004 71 A Byelikov Diplomarbeit Technische Hochschule Darmstadt 2003 un ver ffentlicht 72 A Holz H G Kreysch Bio Elektronik Franckh sche Verlagshandlung Stuttgart 1982 ISBN 3 440 05062 9 LITERATUR 79 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 MAX4441 MAX4448 MAX4449 Datasheet 6500V us Wideband High Output Current Single Ended to Differential Line Drivers with Enable 19 1519 Rev 1 MAXIM Integrated Products Inc Sunnyvale California USA 1999 D
93. t t f r geladene Teil chen unterdr ckt den vorhandenen Untergrund gut 34 5 3 Targetkammer Um den Experimentierplatz am 169 Spektrometer wieder in Betrieb nehmen zu k nnen und den Me betrieb zu optimieren wurden eine Reihe von Modifika tionen an der vorhandenen Targetkammer vorgenommen Der bisher eingesetzte Targetaufzug mu te z B komplett berholt werden In Abb 5 10 ist ein Foto des neuen Targetaufzuges zu sehen Abb 5 10 Neuer Targetaufzug OU Magnetkupplung Anschlu f r den Drehimpulsgeber und die Endabschalter 3 kugelgelagerte Gewinde stange 4 Endabschalter Aufnehmerplattform f r den Target rahmenhalter 6 Targetrahmenhalter 30 Kapitel 5 Experimentierplatz Da im Vakuum keine Schmiermittel eingesetzt werden k nnen wurde er auf ein schmiermittelfreies Kugellagersystem umger stet Der verwendete Motor wurde durch ein modernes Schrittmotorsystem ersetzt Da der Schrittmotor nicht vaku umtauglich ist befindet er sich au erhalb der Targetkammer und wird ber eine eigens entwickelte Magnetkupplung mit der Mechanik des Targetliftes gekoppelt Ein Magnetschalter Reed Kontakt sorgt f r eine R ckmeldung der Drehbewe gung Zus tzlich sind zwei Endabschalter angebracht die eine Kalibrierung erlau ben Au erdem wurde ein neuer Halter f r die Targetrahmen gebaut Er ist mit einer Winkelbeschriftung versehen und erleichtert so das Einstellen der Target winkel In Abb 5 11 kann man den ein
94. t vom eingestellten Spektrometermagnetfeld Geht man von einer Detektorl nge von ca 415 5 Streifen aus und ber cksichtigt da die Impulsakzeptanz ae unabhangig vom Spektrometerstrom ist gilt Ap _ 415 5 Eres 8 9 p Eson Die Gr e Eau ist hierbei die Energie der gestreuten Elektronen auf der Sollbahn des Spektrometers Dazu wird angenommen da sich die Mitte des Detektors auf der Sollbahn des Spektrometers befindet Dies ist wegen der fr her genannte Me thode der mechanischen Konstruktion gew hrleistet Betrachtet man eine Linie in einem Spektrum die um die Anzahl Detektorstreifen As von der Mitte des Detektors verschoben ist erh lt man Eson Epeak AsEre 8 10 Man bestimmt ER durch Einsetzen der Ergebnisse aus Gl 8 8 und Gl 8 10 in Gl 8 9 zu 4 04 und kann allgemein festhalten da 1 A SE O74 10 Ba 8 11 sen Re 4155 p Der Impulsbereich von 4 04 wird von 415 5 Streifen abgedeckt Das f hrt zu einer relativen Aufl sung des Detektors von ca 1 1074 und zeigt da die Ge samtaufl sung nur vom Spektrometer limitiert wird Ein sehr wichtiges Ergebnis Im weiteren Verlauf der Strahlzeit wurden noch Messungen bei unterschiedlichen Strahlenergien und Streuwinkeln am Kern 4Mo durchgef hrt In dessen Spek trum sind mehrere Anregungen innerhalb des Energieintervals des Detektors zu sehen Eine Auswertung der Linien nach obigem Verfahren best tigte die bereits erhaltenen Ergebnisse ebenso ei
95. t wird innerhalb der Verst rker automatisch die Nummer des auszulesenden Vorverst rkerkanals inkrementiert Au erdem stellt sich an deren Ausg ngen eine Spannung ein die zu der aufge sammelten Ladung im aktuellen Kanal proportional ist Mittels dieses seriellen Verfahrens werden alle 384 Kan le bzw Halbleiterstreifen abgefragt Am Ende wird in allen Vorverst rkern durch einen Resetimpuls die Nummer des auszule senden Kanals f r den n chsten Zyklus zur ckgesetzt Die Elektronik mu dann noch eine kurze Zeit gegen erneutes Triggern gesperrt bleiben damit sich die Vorverst rker auf ihre Nulloffsets einpendeln k nnen Base Line Recovery Die aus den 8 Vorverst rkern stammenden analogen Signale der jeweils 48 Kan le m ssen mittels ADCs digitalisiert und mit den entsprechenden Schwellenwerten verglichen werden Jeder Kanal besitzt seinen eigenen Schwellenwert Ist der digi talisierte Analogwert des Kanals gr er als sein Schwellenwert wird der Kanal als Kandidat f r ein m gliches Freignis Treffer des dem Kanal zugeordneten Detek torstreifens durch ein Elektron markiert Ideal w re eine parallele Verarbeitung aller 8 ADC Werte Aus Mangel an Resourcen innerhalb des verwendeten FPGAs k nnen aber jeweils nur 2 Werte gleichzeitig bearbeitet werden Die 8 ADC Werte werden deshalb auf diese 2 Verarbeitungspfade verteilt Es wird immer ein gera der ADC Kanal und der n chsth here ungerade zur selben Zeit bedient Jedem Vorverst rkerk
96. tasheet 800mA and 1A Low Dropout Positive Regulator 1 8V 2 5V 2 85V 3 3V 5V and Adjustable SBVS001 Burr Brown Corporation Tucson Arizona USA 1999 127 J Glagla G Lindner Wege in die Elektronik Ein Lern und Werkbuch f r Selbststudium und Unterricht Otto Maier Verlag Ravensburg 1980 ISBN 3 473 61646 X 128 Kosmos Elektronik Labor E200 Super Labor 3 Auflage Franckh sche Ver lagshandlung Stuttgart 1981 129 Donald E Thomas Philip R Moorby The Verilog Hardware Descripti on Language Second Edition Kluwer Academic Publishers Massachusetts USA 1995 ISBN 0 7923 9523 9 130 OSI 7 Layer Model OSI 7498 131 W R Stevens TCP IP Illustrated Vol 1 The Protocols Addison Wesley Professional Boston 1994 ISBN 0 201 63346 9 84 LITERATUR 132 Gary R Wright W R Stevens TCP IP Illustrated Vol 2 The Implemen tation Addison Wesley Professional Boston 1995 ISBN 0 201 63354 X 133 W R Stevens TCP IP Illustrated Vol 3 TCP for Transactions HTTP NNTP and the UNIX Domain Protocols Addison Wesley Professional Bo ston 1996 ISBN 0 201 63495 3 134 M Hill R Zessin Netzwerk Programmierung in C Novell Netware 3 X 4 X 1 Auflage IWT Verlag Bonn 1995 ISBN 3 88322 491 X 135 B Quinn D Shute Windows Sockets Network Programming Addison Wesley Reading Massachusetts 1996 ISBN 0 201 63372 8 136 RFC 791 Internet Protocol DARPA Internet Program Protocol
97. torsystems handelt wurde auf deren Entwicklung besonderen Wert gelegt Ziel war es eine m glichst flexible preisg nstige und kompakte Auslese elektronik f r den Experimentierplatz am LINTOTT Spektrometer zu schaffen Der in 34 beschriebene Prototyp war zwar grunds tzlich funktionst chtig sei ne Realisierung zeigte jedoch signifikante M ngel Durch den Einsatz diskreter Logikbausteine 75 82 war die Flexibilit t zu sehr eingeschr nkt und die enor me Anzahl verwendeter Bausteine erforderte gro e Signalwege Dies wiederum f hrte zu St rungen welche die maximale Auslesegeschwindigkeit begrenzten Die endg ltige L sung nutzt deshalb eine mikroprozessorgest tzte Elektronik Mit einer Intelligenz ausgestattet konnten neuartige Schnittstellen zu den da tenverarbeitenden Computern eingesetzt werden w hrend der Prototyp noch ei ne ISA Schnittstelle nutzte Wegen des hohen Datendurchsatzes wird jetzt das am S DALINAC bzw im Institut f r Kenphysik installierte Ethernet eingesetzt Au erdem lassen sich durch dieses Konzept nachtr glich zus tzliche Funktionen implementieren und Fehler beheben ohne die Elektronik umbauen zu m ssen Lediglich eine Anpassung der Software des Prozessors wird notwendig Ein gro es Problem hierbei war jedoch die sehr hohe Arbeitsgeschwindigkeit der Elektronik Um Messungen bei hohen Strahlstr men zu erm glichen war eine maximale Z hlrate von bis zu 100 kHz angestrebt Hierbei treten in der Elektro nik
98. twareentwicklung parallel erfolgen mu te Daher wurde ein System geschaffen mittels dessen sich Software f r die sp tere Ausleseelektro nik entwickeln und testen l t bevor diese zur Verf gung steht Weiterhin sollte es zum Testen von verschiedenen Hardwareinterfaces und entsprechender Software dienen z B dem CAN Bus 183 Au erdem wurden mit dem Entwicklungssystem Messungen an dem neuen Detektorsystem des LINTOTT Spektrometers durch gef hrt speziell die neuen Vorverst rker wurden umfangreich getestet Schlie lich kann das System als eigenst ndiges Ger t nach dem Baukastenprinzip zu sammengesteckt f r die verschiedensten Aufgaben am S DALINAC eingesetzt werden Zur Zeit ersetzt es den Video Multiplexer am Strahlkontrollsystem des S DALINAC Die M glichkeit der Texteinblendung in die Videobilder ist dabei vorbereitet So ist das Ersatzger t sogar leistungsf higer als das Original Ein weiteres Ger t aus Komponenten der Entwicklungsplattform arbeitet als Wire Scanner zur Strahldiagnose am Experimentierplatz zur Polarisierbarkeit des Nu kleons 59 Es existiert sogar ein Aufbau zum Steuern von Pre lufttargets ber das Netzwerk Die eingesetzte Software auf diesen Ger ten entspricht weitestge hend der Software der Ausleseelektronik Ein Bild einer m glichen Konfiguration der Plattform zeigt Abb 7 6 58 Kapitel 7 Ausleseelektronik se _5 cm KLS 15 cm ESO 25 cm Abb 7 6 Entwicklungsplattform f r die Soft
99. unkt des experimentellen Programms bildet Der Energiebereich des S DALINAC bis 130 MeV eignet sich hervorragend f r die Anregung kollektiver Moden wie z B der sog Scheren mode 16 17 oder elektrischer und magnetischer Riesenresonanzen 17 22 die Aufschlu ber die Dynamik des nuklearen Mediums geben Zum Nachweis und der Bestimmung des Impulses der gestreuten Elektronen kom men am S DALINAC Magnetspektrometer zum Einsatz Derzeit wird haupts ch lich das sog QCLAM Spektrometer 23 f r kernphysikalische Experimente ein gesetzt Dank seiner gro en Raumwinkel und Impulsakzeptanz eignet es sich besonders f r e e x Koinzidenz 4 7 und 180 Streuexperimente 8 10 Au erdem steht f r die gezielte Untersuchung einzelner Kernanregungen in hoch aufl senden e e Streuexperimenten 24 29 das sog 169 oder auch LINTOTT Spektrometer 30 34 zur Verf gung Es kann wie das QCLAM Spektrometer im konventionell dispersiven Modus 35 38 benutzt werden Es zeichnet sich jedoch durch eine besondere Betriebsart den sog Energieverlustmodus bzw eine late rale Dispersionsanpassung aus 39 41 In dieser Konfiguration ist die Aufl sung der Messung weitgehend unabh ngig von der prim ren Energieunsch rfe des vom S DALINAC erzeugten Elektronenstrahls Die damit erreichbare relative Energie aufl sung von bis zu 3 1074 erlaubt so auch das Studium von schweren Kernen mit hoher Niveaudichte bei niedrigen Anregungsenergien Das
100. ware der Ausleseelektronik D Ba sisplatine 2 GameBoy Advance Adaptermodul 8 GameBoy Ad vance 4 2 fach serielle Schnittstelle 6 8 fach 16 Bit ADC Modul 6 10 MBit Ethernetmodul Wie die Abbildung zeigt handelt es sich um ein modulares System Eine Basispla tine tr gt verschiedene Standardkomponenten und kann zus tzlich mit steckba ren Elektronikmodulen best ckt werden Die Versorgungsspannungen k nnen aus einem normalen PC AT Netzteil bezogen werden Der verwendete Bus entspricht im Wesentlichen einem PC ISA Bus 100 117 119 der auch in der Ausleseelek tronik zur Interkommunikation eingesetzt wird Eine gro e Auswahl an Modulen wurde entwickelt und gebaut So existiert beispielsweise ein CAN Bus Interface oder verschiedene Prozessormodule 184 187 Nat rlich wurde auch ein Modul mit dem in der Ausleseelektronik verwendeten Prozessor gefertigt 83 110 113 7 5 Funktionstests 59 Es besteht sogar die M glichkeit eine handels bliche Spielekonsole GameBoy Advance 188 als Prozessor zu nutzen Diese bietet ein gro es Farbdisplay und einen relativ leistungsf higen Prozessor Dadurch eignet sich diese Plattform sehr gut f r Anwendungen die eine hohe Prozessorleistung und oder eine Datendar stellung vor Ort erfordern Mit diesem System ist ein wertvolles Werkzeug f r neue Entwicklungen und ein Plattform f r verschiedenste Steuerungsaufgaben am S DALINAC entstanden Informationen wie Schaltpl ne Layouts und h
101. werden Einer seits ist der BASIC Interpreter multithreading f hig 168 169 Er ist also in der Lage mehrere BASIC Skripte quasi parallel abzuarbeiten Andererseits bietet der Interpreter bzw dessen Skripte die M glichkeit der Ereignis oder Event Steuerung Diese Kommunikationsmethode entstammt dem PC Betriebssystem Windows und wird dort Messaging genannt 170 175 Dadurch verbraucht ein Skript w hrend es auf ein bestimmtes Ereignis wartet keine Rechenzeit und ver mindert so die Auslastung des Prozessors 7 4 Entwicklungssystem 57 Alle Softwarekomponenten sind mittels des freien GNU C Compiler fiir AVR Mikroprozessoren AVR GCC in der Version 3 4 1 bersetzt Die Software Quellen sind vorwiegend in Standard C 166 176 geschrieben Bei der Umsetzung wur den jedoch zahlreiche Ans tze aus der objekt orientierten Programmierung ent liehen 177 181 So werden die Funktionen des Ethernet Treibers z B ber eine Virtual Function Table angesprochen Es lassen sich noch einige Beispiele nen nen Auf eine Programmierung direkt in C wurde verzichtet da der Compiler hier einen zu gro en Code erzeugt Es stehen jedoch nur 128 kByte zur freien Verf gung Teile der Software wurden deshalb sogar in Assembler realisiert 182 7 4 Entwicklungssystem Als Entwicklungsplattform f r die Software der Ausleseelektronik konnte nicht die Elektronik selbst dienen Die Entwicklung des analogen Teils war so komplex und zeitaufwendig da die Sof
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