Auslese und Funktionsstudien von Mikrostreifengasdetektorenthesis/data/iekp-ka2000... · 2013. 4....

Auslese undFunktionsstudien von

Mikrostreifengasdetektoren

Manuel Fahrer

Diplomarbeit

Institut fur Experimentelle KernphysikUniversitat Karlsruhe

IEKP-KA/2000-2

8. Februar 2000

Diese Arbeit wurde nach denalten Rechtschreibregeln

verfaßt.

Inhaltsverzeichnis

1 Einfuhrung 111.1 Das Standardmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 111.2 Der CMS-Detektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 121.3 Ziel der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 121.4 Aufbau der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 12

2 Grundlagen 152.1 Wechselwirkungen von Teilchen in Materie . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 15

2.1.1 Ionisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .152.1.2 Anregung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.2 Aufbau und Funktion eines MF2-Mikrostreifendetektors. . . . . . . . . . . . . . . 162.3 Signalauswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 19

2.3.1 Clusterdefinition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 202.3.2 Signalverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 202.3.3 Streifenrauschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 202.3.4 Trefferbelegung des Detektors . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 212.3.5 Signal- uber Rauschverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 212.3.6 Clustergroße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 22

2.4 Qualitatsmerkmale einer MSGC+GEM . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 222.4.1 Effizienz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.4.2 Reinheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.4.3 Ortsauflosung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 232.4.4 Defekte Streifen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 23

3 Der Teststand fur kosmische Myonen 253.1 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.2 Elektronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 30

3.2.1 Uberblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.2.2 Ablaufsteuerung (Sequenzer) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 313.2.3 Auslese-Ausloser (Trigger) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 313.2.4 Auslese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323.2.5 Datennahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.3 Programme zur Datennahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 333.3.1 Ausleseprogramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .343.3.2 Pulser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.4 Programme zur Online-Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 34

3

4 INHALTSVERZEICHNIS

3.4.1 Ereignis-Anzeigeprogramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 353.4.2 Online-Monitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 35

3.5 Datenfluß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .353.6 Programme zur Offline-Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 36

3.6.1 Signal und seine Komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 363.6.2 Bestimmung des Pedestals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 373.6.3 Bestimmung des Chip-Rauschens (Common Mode) . . . . . . .. . . . . . . 383.6.4 Bestimmung des Rauschens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 393.6.5 Korrektur der Kathodengruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 393.6.6 Clustersuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .393.6.7 Zusammenfassung aller verwendeten Algorithmen . . . .. . . . . . . . . . 40

4 Testmessungen mit den MF2-Detektoren 434.1 Test der neuen MF2-Module im Teststand fur kosmische Myonen . . . . . . . . . . 43

4.1.1 Ziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444.1.2 Erster Qualitatstest der Detektoren . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 444.1.3 Test der Elektronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 44

4.1.3.1 Pedestal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444.1.3.2 Rauschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.1.4 Betriebstest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 474.1.4.1 Einstellung der Betriebsparameter . . . . . . . . . . . . .. . . . 474.1.4.2 Signalverteilungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .474.1.4.3 Clustergroße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474.1.4.4 Clusterhaufigkeiten pro Ereignis . . . . . . . . . . . . . .. . . . 484.1.4.5 Trefferbelegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484.1.4.6 Uniformitat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484.1.4.7 Kathodenunterschwung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.1.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .504.2 Tests von MF2-Prototypen mit Pionen und Protonen am PSI .. . . . . . . . . . . . 53

4.2.1 Ziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534.2.2 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534.2.3 Vorbereitende Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 534.2.4 Stabilitat der Detektoreigenschaften . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 53

4.2.4.1 Signal- uber Rauschverteilung . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 554.2.4.2 Clustergroße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

4.2.5 Gefahrenquellen fur die Detektorfunktion . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 564.2.5.1 elektrischeUberschlage (Entladungen) . . . . . . . . . . . . . . . 564.2.5.2 zu hohe Strome durch den Detektor (Trips) . . . . . . . .. . . . . 564.2.5.3 Verlorene Streifen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

4.3 Test des ersten MF2-Prototypen mit Myonen im X5-Experiment . . . . . . . . . . . 604.3.1 Ziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 604.3.2 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 604.3.3 Einstellung der Betriebsparameter . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 604.3.4 Spurrekonstruktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 614.3.5 Effizienz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624.3.6 Reinheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634.3.7 Ortsauflosung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 64

INHALTSVERZEICHNIS 5

5 Diskussion und Ausblick 675.1 Resumee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 675.2 Weiterer Ausbau des Teststandes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 67

5.2.1 Siliziumstreifen-Detektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 675.2.2 Der APV-Auslesechip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 685.2.3 Serienfertigung der Detektoren fur den CMS-Vorwarts-Tracker . . . . . . . . 68

5.3 Tests mit kosmischer Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 695.4 Strahlzeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 70

A Beschreibung der Onlineprogramme 71A.1 VME-Bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71A.2 Verwaltung der VXI-Bibliothek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 71A.3 Pulser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71A.4 Konfigurationsprogramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 72A.5 Ausleseprogramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 73

A.5.1 Auswahl der Art des Runs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 73A.5.2 Datenverwaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 73A.5.3 Zahlwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73A.5.4 Sequenzer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

A.6 Anzeigeprogramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 74A.6.1 Hinweise zur Bedienung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 74A.6.2 Skalierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

A.7 Online-Monitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 75A.7.1 LabView-Code-Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 75A.7.2 Vorbereitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 75A.7.3 Verfugbare Histogramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 75A.7.4 Hinweise zur Bedienung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 76A.7.5 Zahlwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

B Beschreibung des Offlineanalyseprogramms 81B.1 Fahigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 81B.2 Detektorkonfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 81B.3 Verfugbare Histogramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 82B.4 Eingabeparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 82B.5 Bedienung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 83B.6 Programmodule und ihre Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 84

B.6.1 Hauptprogramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84B.6.2 Analyseroutinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 84B.6.3 Hbook-Schnittstelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 84B.6.4 Dateischnittstelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 85

C Quellcodes 87C.1 Analyseroutine im Online-Monitor . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 87C.2 Kathodenkorrektur im Offline-Analyseprogramm . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 88C.3 Clusterfinder im Offline-Analyseprogramm . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 89

D Abkurzungen 91

6 INHALTSVERZEICHNIS

Abbildungsverzeichnis

2.1 Energieverlust von Myonen in Eisen . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 152.2 Skizze: MF2-MSGC+GEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 162.3 Skizze: MSGC-Prinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 172.4 Foto: MF2-Detektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 182.5 Skizze: Zeitverhalten des Vorverstarkers . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 19

3.1 Skizze: Teststand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 253.2 Foto: Teststand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 273.3 Skizze: Ausleseelektronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 283.4 Skizze: Auslesezyklus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 293.5 Skizze: Der PreMux-Chip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 303.6 Skizze: Triggerkette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 313.7 Skizze: Datenfluß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 363.8 Skizze: typisches Signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 383.9 Skizze: Kathodenunterschwung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 40

4.1 Cosmic: Pedestal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 434.2 Cosmic: Rauschverteilungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 454.3 Cosmic: mittleres Streifenrauschen . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 464.4 Cosmic: S/R-Verteilungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 484.5 Cosmic: Clustergroßen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 494.6 Cosmic: Clusterhaufigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 504.7 Cosmic: Trefferbelegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 514.8 Cosmic: Detektoruniformitat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 514.9 Cosmic: Kathodenunterschwung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 524.10 PSI: typische S/R-Verteilungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 544.11 PSI: S/R uber viele Runs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 554.12 PSI: Clustergroße uber viele Runs . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 564.13 PSI: Entladungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 574.14 PSI: verlorene Streifen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 574.15 PSI: Streifenrauschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 584.16 X5: Skizze des Aufbaus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 604.17 X5: S/R uber Verzogerung und S/R-Verteilung . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 614.18 X5: Residuen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 624.19 X5: Effizienz und Reinheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 634.20 X5: Clustergroße und Ortsauflosung . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 64

7

8 ABBILDUNGSVERZEICHNIS

A.1 LabView-ProgrammeDetektor-Konfiguration, Pulser, Auslese . . . . . . . . . . . . 77A.2 LabView-ProgrammEreignisanzeige. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78A.3 LabView-ProgrammOnline-Monitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

Tabellenverzeichnis

1.1 Elementarteilchen des Standardmodells . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 111.2 Wechselwirkungen und Austauschteilchen des Standardmodells . . . . . . . . . . . 11

2.1 Erklarungen zum Foto des MF2-Detektors auf Seite 18 . . .. . . . . . . . . . . . . 172.2 Streifendefekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 23

3.1 Erklarungen zum Foto des Teststandes auf Seite 27 . . . . .. . . . . . . . . . . . . 263.2 Datenspeicherung im Sirocco-FADC . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 333.3 Datenorganisation bei der Auslese . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 34

4.1 Detektor-Betriebsspannungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 474.2 Tote Streifen vor und nach dem PSI 11/99 . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 59

A.1 Online: Konfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 72A.2 Online: Histogramme im Monitorprogramm . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 75A.3 Online: Clusterinformationen im Monitorprogramm . . . .. . . . . . . . . . . . . . 76

B.1 Offline: Konfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 82B.2 Offline: Histogramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 83B.3 Offline: Analyse-Unterprogramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 84B.4 Offline: Dateibehandlungs-Unterprogramme . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 85

9

10 TABELLENVERZEICHNIS

Kapitel 1

Einfuhrung

1.1 Das Standardmodell

Ziel der Hochenergiephysik ist es, den Aufbau der Materie aus elementaren Teilchen und deren Wech-selwirkungen [1] untereinander zu verstehen. Nach unserenheutigen Vorstellungen, die durch dasStandardmodell (SM) beschrieben werden, besteht die Materie aus 2 Arten von Teilchen: Lepto-nen und Quarks, die uber verschiedene Wechselwirkungen (WW) miteinander kommunizieren. DieseWechselwirkungen werden durch sogenannte Feldteilchen vermittelt. Die Tabellen 1.1 und 1.2 fassendas SM zusammen.

Leptonen Quarks

Elektron (e−) Elektron-Neutrino (νe−) up (u) down(d)Myon (µ−) Myon-Neutrino (νµ−) charm (c) strange (s)Tau (τ−) Tau-Neutrino (ντ−) top (t) bottom (b)

Positron (e+) Anti-Elektron-Neutrino (νe+) Anti-up (u) Anti-down (d)Anti-Myon (µ+) Anti-Myon-Neutrino (νµ+) Anti-charm (c) Anti-strange (s)Anti-Tau (τ+) Anti-Tau-Neutrino (ντ+) Anti-top (t) Anti-bottom (b)

Tabelle 1.1: Elementarteilchen

Wechselwirkung Austauschteilchen An der WW nehmen teilelektromagnetische WW Photon (γ) e±, µ±, τ±, alle Quarksschwache WW W- und Z-Bosonen (W±, Z0) alle Leptonen und Quarksstarke WW Gluon (g) alle Quarks

Tabelle 1.2: Wechselwirkungen und ihre Austauschteilchen

Eine der großen offenen Fragestellungen ist die Herkunft der Masse dieser Elementarteilchen. Bis-lang gibt es nur Spekulationen dazu, wie z.B. den Higgs-Mechanismus, der im Rahmen des SMein zusatzliches Teilchen, das HiggsbosonH0, fordert. Der im Bau befindliche große Proton-Proton-Kollider LHC1 am CERN2 soll diese Frage beantworten. Daruberhinaus besteht die große Hoffnung,

1LargeHadronCollider2CentreEuropeene pour laRechercheNucleaire

11

12 KAPITEL 1. EINFUHRUNG

am LHC mit dem bisher bestmoglichen Auflosungsvermogen fur Strukturen von bis zu3 · 10−21mneue Teilchen oder Wechselwirkungsphanomene zu entdecken.

1.2 Der CMS-Detektor

Der CMS3-Detektor am zukunftigen LHC soll z.B. das Higgs-BosonH0 nachweisen, falls dessenMasse im Bereich von 90GeV bis 1TeV liegt. Eine Untersuchungder folgenden Zerfallskanale [2] istvielversprechend [3]:

H0 →

γγZ0Z0

W+W−

(1.1)

Der CMS-Detektor wird darauf optimiert sein, die Photonen und die leptonischen ZerfallsproduktevonW± undZ0 nachzuweisen.Jeder Großdetektor benotigt dazu unter anderem einen Spurdetektor, d.h. einen Bereich, in dem diegekrummte Spur von geladenen Teilchen im Magnetfeld fur ihre Impulsbestimmung verfolgt werdenkann.Ein Teil des außeren Spurdetektors von CMS sollte bis vor kurzem noch mit Mikrostreifen-Gasdetek-toren (MSGC4) +Gas-Elektron-Vervielfacher (GEM5) ausgestattet werden.Da die Detektoren am LHC hoher Strahlenbelastung ausgesetzt sein werden, wurden die Detektorender 2.Generation (MF26) einem großen Belastungs- undUberlebenstest in einem hochintensivenStrahl hochionisierender Teilchen (HIP7) unterzogen.

1.3 Ziel der Arbeit

Es sollen die Daten von MSGC+GEM-Detektoren ausgelesen, verstanden und analysiert werden, umzu erfahren, ob die Detektoren die Anforderungen, die man ansie im Rahmen von MF2 stellt, aucherfullen.Zu diesem Zweck sollen Messungen an den Karlsruher MF2-Detektoren am institutseigenen Test-stand fur kosmische Myonen als ersten Funktionstest nach der Herstellung durchgefuhrt und sowohlwahrend der Datennahme vorlaufig als auch unabhangig vonihr grundlich ausgewertet werden.Des weiteren sollen die Daten ausgewertet werden, die wir inzwei Strahlzeiten uber unseren er-sten MSGC+GEM-Detektor gewonnen haben: Am Hochraten-Protonen- und Pionenstrahl am PSI8 alsBelastungs- und Stabilitatstest und am Niederraten-Myonenstrahl am CERN als Spurrekonstruktions-und Effizienztest.

1.4 Aufbau der Arbeit

Im Kapitel 2 werden neben den in dieser Arbeit relevanten Wechselwirkungen von Teilchen mit Ma-terie der Aufbau und die Funktion einer MSGC+GEM erlautert, sowie einige grundlegende Begriffe

3CompaktMyon Solenoid4M icro Strip GasChamber5GasElektronMultiplier6M ilestoneForward 27HeavyIonisingParticle8Paul ScherrerInstitut

1.4. AUFBAU DER ARBEIT 13

zur Datenanalyse geklart.In Kapitel 3 wird beschrieben, wie der Teststand fur kosmische Myonen im Detail aufgebaut ist, undwie er funktioniert. Ferner wird erklart, mit welcher Software er erweitert wurde. Zuletzt wird derWeg der Analyse der Daten, die dieser Teststand lieferte, beschrieben.Im nachsten Kapitel (4) werden sowohl die Messungen der im September 1999 in Karlsruhe gebautenMF2-Detektoren mit diesem Teststand beschrieben (Kap. 4.1) als auch die Messungen des im Marzgebauten Prototyps am PSI (Kap. 4.2) und am X5/CERN (4.3).Zum Schluß des Hauptteils (Kap. 5) werden die Ergebnisse dieser Arbeit kurz zusammengefaßt. Eswird ferner ein Ausblick auf die Ausbaumoglichkeiten des Teststandes gegeben. Zuletzt werden Vor-und Nachteile von Strahlzeiten gegenuber Messungen mit kosmischen Myonen erortert.Im Anhang wird die Funktion der Programme beschrieben, mit denen der Teststand erweitert wur-de (A), und die fur die Offline-Analyse der Teststand-Datenverwendet wurden (B).Im vorletzten Anhang (C) sind die zentralen Programmeinheiten der Offline-Analyse-Software abge-druckt.Im letzten Anhang (D) findet man noch eine alphabethische Liste der in dieser Arbeit verwendetenAbkurzungen.

14 KAPITEL 1. EINFUHRUNG

Kapitel 2

Grundlagen

2.1 Wechselwirkungen von Teilchen in Materie

Fur das Verstandnis der Funktion von Detektoren sind Kenntnisse uber die Wechselwirkung vonTeilchen mit Materie notwendig. In diesem Kapitel sollen diejenigen Wechselwirkungsprozesse ein-gefuhrt werden, die fur das Verstandnis der in dieser Arbeit vorkommenden Detektortypen (MSGCsund Szintillatoren) relevant sind.

2.1.1 Ionisation [4, 2]

Abbildung 2.1: Energieverlust von Myonen in Eisen [5]

Schwere, geladene und maßig relativistische Teilchen verlieren beim Durchgang durch Materie diemeiste Energie durch Ionisation. Ihr Energieverlust pro WegstreckedE/dx gehorcht in diesem Fallder Bethe-Bloch-Formel [2], die in Abb. 2.1 grafisch fur Myonen durch Eisen dargestellt ist. Teilchenmit einer Energie in der Nahe desdE/dx-Minimums heißen minimal ionisierend (MIP1).

1minimum ionisingparticle

15

16 KAPITEL 2. GRUNDLAGEN

2.1.2 Anregung [2]

Ein Teilchen, das Materie passiert, muß nicht sofort ein Elektron aus einem Atomverband heraus-schlagen. Es kommt auch vor, daß ein Atom nur angeregt wird, d.h. daß ein Elektron auf eine hohereenergetische Stufe angehoben wird. Bei der Ruckkehr des Elektrons in den Ausgangszustand wird dieEnergiedifferenz als Photon abgestrahlt.Diesen Sachverhalt macht man sich in Szintillationszahlern zunutze. Meistens werden dort die Photo-nen mit einem Photomultiplier nachgewiesen: Die Photonen schlagen aus der Photokathode Elektro-nen, die dann in einer Dynodenstruktur, die ein ansteigendes elektrisches Potential besitzt, verstarktwerden.

2.2 Aufbau und Funktion eines MF2-Mikrostreifendetektors

In demjenigen Bereich des außeren Spurdetektors von CMS, der die kleinen Winkel bezuglich desStrahls abdeckt (Vorwartsbereich), sollten MSGC+GEM als die Detektoren der zweiten Generation(MF2) eingesetzt werden [6]. Da die Detektoren im Vorwartsbereich in einem geschlossenen Ring an-geordnet werden sollen, besitzen sie eine kreissektor-formige Flache, die24◦ uberdeckt. Die Anoden-und Kathodenstreifen verlaufen dabei radial. Der Abstand des Zentrums eines Anodenstreifens vom(imaginaren) Mittelpunkt des Detektors ist etwa90cm (siehe Kap. 4.3.7). Daraus ergibt sich fur denganzen Detektor eine mittlere Bogenlange von ca.38cm.

Driftkathode

GEM-Folie

Substrat

Kathoden-Anoden-

Streifen

3000

2000200

100 10

50

300

Spannung (V)

-3000

-1500

-1100

- 400

0

Abbildung 2.2: Querschnitt durch eine MF2-MSGC+GEM mit typischen Spannungseinstellungen.Alle Langenangaben (kursiv) in µm

Abb. 2.2 zeigt, daß eine MSGC+GEM im wesentlichen aus 3 Bestandteilen aufgebaut ist [7, 8]:namlich der Driftkathode, der GEM-Folie und dem Substrat.Dazwischen befindet sich ein Gemischaus einem Edelgas (Argon oder Neon) und einem sogenannten L¨osch(Quentch)gas (CO2 oder DME2).Bei der GEM-Folie handelt es sich um eine 50µm dicke Kaptonfolie, die auf beiden Seiten mit Kupfer

2DiMethyl-Ether

2.2. AUFBAU UND FUNKTION EINES MF2-MIKROSTREIFENDETEKTORS 17

beschichtet ist [9]. An beide Seiten werden unterschiedliche Spannungen angelegt. Das entscheiden-de ist nun, daß sie zahlreiche Locher enthalt, wo wegen dieser Spannungsdifferenz und des kleinenAbstandes der beiden Seiten hohe elektrische Felder herrschen.Der Aufbau des Substrats ist in Abb. 2.3 skizziert. Kathodenstreifen, die in 16er-Gruppen mit der

R

Zu

r H

och

sp

an

nu

ng

s-V

ers

org

un

g

Verstärker

Zu

rA

usle

se

-400V 0V

Abbildung 2.3: Prinzip einer MSGC

Hochspannungsversorgung verbunden sind, greifen in die auf Masse liegenden Anodenstreifen, dieuber Vorverstarker mit der Auslese verbunden sind. Auf einem Substrat befinden sich 512 Anoden-streifen. Ihre Lange betragt ca. 10 cm und ihr Abstand 200µm. Die Verstarkerelektronik von jeweils128 Streifen ist in einem Chip integriert. 4 Chips sind zu einem Auslesehybriden zusammengefaßt. EinAuslesehybrid bedient ein Substrat. Ein MF2-Detektor ist aus vier getrennten Substraten zusammen-gesetzt. Fur die Tests wurden aber nur die beiden mittlerenSubstrate mit Auslesehybriden bestuckt.

1 Hochspannungsanschluße 5 Hochspannungshybrid2 Gasanschluße 6 Auslesesignalkabel3 ein Substrat 7 Auslesezusatzkarte (Wing)4 Auslesehybrid (unter der Kupferabdeckung)

Tabelle 2.1: Erklarungen zum Foto des MF2-Detektors auf Seite 18

In Abb. 2.4 ist ein MF2-Detektorin naturazu sehen (mit Hochspanungs- und Gasanschlußen undden Auslesehybriden unter der Kupferabdeckung) [6].

Durchquert nun ein Teilchen den oberen Gasraum (Driftbereich), so ionisiert es typischerweise 50bis 100 Atome [10, 11] und erzeugt somit ebenso viele Elektron-Ionen-Paare. Die positiven Ionenwandern aufgrund desDriftfeldeszur negativen Driftkathode, die Elektronen (Primarladungen) wer-


1

6

5

4

3

2

7

Abbildung 2.4: MF2-Detektor

den in Richtung der positiveren GEM-Oberseite beschleunigt. Dort gelangen einige Elektronen indie Locher, wo sie vom dort herrschenden, sehr starken Feldbeschleunigt werden. Dabei erhal-ten sie genugend Energie, um weitere Atome zu ionisieren, welche wiederum beschleunigt wer-den und Ionisationen verursachen (Gasverstarkung). Die Elektron-Vervielfachung am GEM ereicht103 [12] bis 105 [13]. Die an der Unterseite der GEM-Folie angelangten vervielfachten Elektronen(Sekundarladungen) werden nun entlang desTransferfeldeszum positiveren Substrat hin beschleu-nigt. Dort geraten sie nochmals in den Einfluß eines großen elektrischen Feldes, namlich in dasFeld zwischen den Kathoden- und Anodenstreifen. Dort findetweitere Gasverstarkung statt. TypischeVerstarkungen liegen in der Großenordnung von103 bis104 [14]. Das beobachtete Signal wachst ex-ponentiell mit der Verstarkungsspannung an. Mit den ublicherweise benutzten Gasmischungen fuhreneine Erhohung der Kathodenspannung um etwa 40V [15] und derGEM-Spannugsdifferenz um etwa30V [16] jeweils zu einer Verdoppelung der Gasverstarkung.Die Gesamtverstarkung ist das Produkt aus GEM- und MSGC-Verstarkung. Diese Zahl wird jedochreduziert um einen Verlustfaktor der GEM-verstarkten Elektronen (Transparenz der GEM-Folie),der von der GEM-Geometrie und den Feldern zwischen den beiden Gasraumen abhangt. Fernerist die Idee des 2-fach Vervielfacher-Konzepts (MSGC+GEM), aufgrund der GEM-Verstarkung dieKathoden-Anoden-Spannung nicht auf maximale Werte und damit maximalen Elektronen-Gewinneinstellen zu mussen. Es soll damit die Zahl der elektrischenUberschlage zwischen Anoden- und Ka-

2.3. SIGNALAUSWERTUNG 19

thodenstreifen minimiert werden [17].Der totale Elektronengewinn betragt also bei einer MSGC+GEM ca. 15.000 [18]. Somit werden inder Großenordnung von105 bis 106 Sekundarelektronen erzeugt, was einer Ladung von 10 bis 100fCb entspricht.

Diese Elektronen driften nun zu den positiveren Anoden, undzwar viel schneller als die Ionen zuden Kathoden, so daß die Elektronen nur minimal zur Signalentstehung beitragen, wie man in Abb.2.5 erkennen kann: Wahrend sich der Hauptteil des Signals aufbaut, haben bereits alle Elektronen denVorverstarker passiert und werden deshalb kaum von ihm wahrgenommen [19]. Das ausgelesene Si-

Zeit

N

Ele

ktr

on

en

Ionen

Abbildung 2.5: Zeitverhalten des Vorverstarkers

gnal wird hauptsachlich von den wegdriftenden Ionen erzeugt. Dabei bilden sich auf den Anoden diezu den positiven Ionen gehorenden negativen Spiegelladungen, die spater das Treffersignal als Elek-tronenstrom von den Anoden in die Verstarker formen. Die Ionen werden an den Kathodenstreifenneutralisiert.Dabei tritt ein Effekt auf, der typisch fur MSGCs ist: Bei der Neutralisierung der Ionen mussen dieKathoden Elektronen abgeben, wodurch sie positiver werden. Da jeweils 16 Kathodenstreifen uberihrengemeinsamenAnschluß an die Hochspannungsversorgung miteinander verbunden sind, werdenalle Streifen dieser Gruppeetwaspositiver. Damit mussen sich weitere negative Spiegelladungen aufden Anoden bilden,wahrendaber das Signal bereits im Vorverstarker am Entstehen ist.Dazu muß einStrom von ElektronenvomVerstarkerauf die Anodender ganzen Gruppefließen, was derumgekehr-ten Stromrichtung entspricht. Daher sieht man auf allen Anodender Gruppe ein Signal, welches indie andere Richtung als das Treffersignal zeigt (Kathodenunterschwung). Das Signal muß auf diesenUnterschwung korrigiert werden, weil ja die Signal-Elektronen von derAnodenseitein den Verstarkerflossen, aber gleichzeitig auch die Kathoden-Spiegel-Elektronen von deranderenSeite her. Darumwurden vom Verstarkerin der Summenicht alle Signal-Elektronen gesehen, sondern nur die um dieSpiegel-Elektronen reduzierten.

2.3 Signalauswertung

Um die vom Detektor kommenden Daten richtig zu verstehen undum auch Vergleichsmoglichkeitenmit anderen Analysen zu haben, mussen einige Definitionen geklart werden.


2.3.1 Clusterdefinition

Nachdem das Signal aller Streifen eines Detektors verschiedene Korrekturschritte (siehe Kap. 3.6.1)durchlaufen hat, kann man nach getroffenen Streifen suchen. Da sich eine Ladungswolke in den al-lermeisten Fallen auf mindestens 2 Streifen verteilt, sucht man nach allen Streifen, deren Signal einebestimmte Schwelle uber dem elektronischen Rauschen uberschreitet und erklart diese Streifen furgetroffen. Nun faßt man benachbarte getroffene Streifen zu Clustern,also ursprunglich zur selbenLadungswolke gehorend, zusammen [20].

2.3.2 Signalverteilung

Die Summe aller Streifensignale eines Clusters bestimmt die Clusterladung. Sie wird in den folgen-den Analysen in den Einheiten des auslesenden ADC’s (ADC-Counts) angegeben. In einem dunnenDetektor, wie er im Falle von MF2 vorliegt, ist die Primarladung infolge von Fluktuationen beimEnergieverlust nahezu ’landauverteilt’. Da bei denselben Betriebsbedingungen gilt

Primarladung∝ Sekundarladung∝ Clusterladung, (2.1)

ist auch die Clusterladung landauverteilt. Typische Wertefur die Sekundarladung sind in Kap. 2.2angegeben. Die folgende FunktionN(x) kann fur unsere Untersuchungen als gute Naherung fur dieLandauverteilung verwendet werden [21].

N(x) = N0 e−1

2(λ+e−λ) (2.2)

mit λ =x − x0

σL

Dabei istN0 die Normierungskonstante. (Die Normierung kann nicht analytisch, d.h. exakt, durch-gefuhrt werden.)x0 gibt die Lage des Maximums undσL die Breite der Verteilung an.Abb. 4.4 zeigt eine typische Landauverteilung. Die Asymetrie zu hoheren Werten ist die Folge vonzufalligen Stoßen mit relativ hohem Energieverlust (δ-Elektronen).

2.3.3 Streifenrauschen

Nachdem ein Signal aus einem EreignisohneTreffer alle Korrekturen durchlaufen hat (Siehe Kap.3.6.1),bleibt nicht etwa das Null-Signal ubrig, sondern es bleibtein (kleiner) Rest, das Rauschen, welchesverschiedene Komponenten enthalt [22]:

• Die Elektronen in einer KapazitatC sind in thermischer Bewegung, wodurch Fluktuationen dergespeicherten Ladung verursacht werden. Ihre Breite liegtin der Großenordnung vonC

pF·102 Elektronen.

• Bei Ladungsmengen von nur einigen105 Elektronen spielt die Quantisierung der Ladung eineRolle. Die Breite der dadurch verursachten Fluktuationen liegt in der Großenordnung von103

Elektronen.

• Das Gesamtrauschen liegt also in der Großenordnung von104 Elektronen≈ 1 fCb.

Das RauscheneinesStreifens stellt kaum ein Problem dar, wenn man seine Form und Große kennt:Es ist in der Regel um Null herum gaußverteilt, d.h. sein Mittelwert uber viele Ereignisse ist Null.Auch der Mittelwert des Rauschens uber viele Streifen ineinemEreignis ist Null, falls die Rauschver-teilung der betreffenden Streifen dieselbeBreitehat. Diese Breite ist das Maß fur das Rauschen einesStreifens.

2.3. SIGNALAUSWERTUNG 21

2.3.4 Trefferbelegung des Detektors

Die Breite der Rauschverteilung gibt die Schwelle fur die Clustersuche vor: Falls das Signal einesStreifens ein bestimmtes Vielfaches seines Rauschens betragt, gilt er als getroffen. Falls der hochsteStreifen in einem Cluster eine weitere, strengere Schwelleuberschreitet, wird der ganze Cluster alssolcher akzeptiert und weiterverwendet.Tragt man nun auf, wie oft ein Streifen des Detektors wahrend vieler Ereignisse der großte Streifenin einem Cluster war, so erhalt man die Trefferbelegung. Ihre Homogenitat gibt einen Anhaltspunktfur die (gute) Funktion des Detektors. Alternativ kann mananstatt der Lage des hochsten Streifensauch den Schwerpunkt des Clusters auftragen, was in der Regel fur diesen Zweck keinen Unterschiedmacht.

2.3.5 Signal- uber Rauschverteilung

Das Maximum der Signalverteilung, wie sie oben eingefuhrtwurde, ist ein Maß fur die Gasverstarkungdes Detektors. Sie hangt allerdings auch von der elektronischen Verstarkung ab. Falls man stets die-selbe Elektronik verwenden wurde, konnte man direkt die Signalverteilungen miteinander verglei-chen. Nun mochte man aber die Daten aus baugleichen Detektoren bei gleichen Spannungen, aberbei verschiedenenelektronischen Umgebungsbedingungen miteinander vergleichen. Dazu fuhrt mandie Große Signal- uber Rauschverhaltnis S/R ein. Denn sie ist von derelektronischenVerstarkungunabhangig. Die folgende Abschatzung soll die in allen Analysen benutzte Definition des S/R nachTDR3[23] motivieren:

SignalRauschen

(TDR) =Clusterladung

Streifenrauschen

=primare Signalladung· Gasverstarkung· elektronische Verstarkung

primare Rauschladung· elektronische Verstarkung

=primare Signalladung· Gasverstarkung

primare Rauschladung(2.3)

Die primare Rauschladung sollte fur alle Detektoren gleich sein, falls ihre Streifen gleich lang sind,und falls sie mit derselben Art von Auslesechips bestuckt sind. Die Primarladung ist fur alle bau-gleichen und mit demselben Gas gefullten Detektoren auf dieselbe Weise landauverteilt. Somit bleibtals Vergleichsgroße die Gasverstarkung ubrig, welche sich nun je nach Qualitat der Detektoren undsonstigen Problemen bei ihrem Betrieb unterscheiden konnen.Mathematisch erhalt man aus den Clusterinformationen dieTDR-Definition folgendermaßen:

S

R(TDR) =

∑Nk=1 SK√

1N

∑Nk=1 σ2

k

(2.4)

N ist die Anzahl der Streifen im Cluster.Sk undσk sind das Signal bzw. Rauschen desk-ten Streifensim Cluster. Es handelt sich also um das Verhaltnis von Clusterladung zumittleremStreifenrauschenim Cluster. Fur einen guten Detektor erwartet man ohnehin ein etwa konstantes Rauschen fur alleStreifen des Detektors. Aus diesem Grund sinddieseS/R-Werte ebenfalls landauverteilt.

3TechnicalDesignReport


Es sind noch weitere S/R-Definitionen im Umlauf. Eine der gebrauchlichsten soll hier genannt wer-den:

S

R(LYON) =

∑Nk=1 SK√∑N

k=1 σ2k

(2.5)

Es wird diesmal also durch dasgesamteRauschen des Clusters dividiert. Da die Cluster eine verschie-dene Anzahl von Streifen besitzen, ist die Summe im Nenner imallgemeinen verschieden, deshalberwartet man mit dieser Definition auch keine Landauverteilung.Diese Definition wird in einem Online-Monitor-Programm fur PSI-Strahlzeiten und einem Offline-Analyse-Programm [24] verwendet. Die Clusterdaten des letzteren Programms konnen mit der geeig-neten Korrektur in die TDR-Definition umgerechnet werden:

S

R(TDR) =

S

R(LYON) ·

√N (2.6)

Fur alle Analysen wurde immer der großte im Ereignis gefundene Cluster verwendet, da es daszugehorige Teilchen ist, das hochstwahrscheinlich die Auslese ausgelost hat (Trigger). Mischt mandie Signale von Trigger- und Nicht-Trigger-Teilchen, so erhalt man keine Landauverteilung mehr,da die Nicht-Trigger-Teilchen in der Regel zur falschen Zeit auf der Signalentstehungskurve 2.5 denDetektor passiert haben.

2.3.6 Clustergroße

Im Prinzip wurde sie schon erwahnt: Sie bezeichnet die Anzahl der Streifen im Cluster (N ) und istvom verwendeten Gasgemisch abhangig: Bei der Diffusion inAr:CO2 70:30 sind die Streuung derLadungstrager und damit die Cluster großer als in Ne:DME 40:60.

2.4 Qualitatsmerkmale einer MSGC+GEM

Die bisher beschriebenen Auswerteschritte waren nur das Mittel, um die eigentlich wichtigen Detek-toreigenschaften zu erhalten. Im Rahmen der Testmessungenam hochenergetischen Myonenstrahl desCERN (Kap. 4.3) werden die Definitionen der folgenden drei Merkmale exakt genannt und ausfuhrlichmotiviert.

2.4.1 Effizienz

Sie gibt an, wie groß die Wahrscheinlichkeit fur den Nachweis eines Teilchendurchgangs im Detektorist. Dabei kommt es nicht darauf an, daß der Detektor anirgendeinerStelle einen Treffer registrierthat, sondern in einem engen Bereich um den Punkt, wo man den Treffer aus Referenzmessungenerwartet.Von einem MF2-Detektor wird eine Effizienz von≥ 98% gefordert.

2.4.2 Reinheit

Es kann passieren, daß ein Detektor auch dort Cluster nachweist, wo kein Teilchendurchgang stattge-funden hat. Die Reinheit gibt Auskunft daruber, wie hoch der Anteil an wahren Clustern in der Mengealler gefundenen Cluster ist.Die Reinheit hangt nicht nur von der Qualitat des Detektors ab, sondern auch von den Fahigkeiten der

2.4. QUALITATSMERKMALE EINER MSGC+GEM 23

Art des Defektes Auswirkungen auf die DatenDer Streifen ist gebrochen Sein Rauschen ist niedriger als das der anderenDie Umgebung des Streifens ist verunreinigtSein Rauschen ist hoher, deshalb sieht er weniger

TrefferSein Kontakt zum Auslesechip ist abgerissenEr hat ein deutlich verringertes Rauschen

und sieht niemals TrefferDer Kontakt einer Kathodengruppe mit der Die ganze Gruppe der umschlossenen Anoden siehtHochspannungsversorgung ist abgebrochenniemals Treffer. Ihr Rauschen ist jedoch normal

Tabelle 2.2: Streifendefekte und ihre Folgen

verwendeten Analyse-Algorithmen, ’falsche’ Cluster zu eliminieren, und vor allem von den Signal-Schwellen bei der Clustersuche. Daher kann sie stark schwanken. In unserem Fall liegt sie zwischen50% und95%!Ferner sind Effizienz und Reinheit miteinander korreliert:eine Verbesserung der Reinheit zieht oftEffizienzverluste nach sich und umgekehrt.

2.4.3 Ortsauflosung

Wenn man Spuren durch einen Tracker verfolgen will, so ist man auch daran interessiert, wie genauder Verlauf der Spuren bekannt ist. Die Ortsauflosung gibt an, mit welchem statistischen Fehler dergemessene Ort eines Teilchendurchgangs behaftet ist. Sie liegt in der Großenordnung von50µm.

2.4.4 Defekte Streifen

Am LHC wird die Belastung der Detektoren durch hochionisierende Teilchen sehr groß sein. Des-halb muß man Detektoren bauen, die bei dieser Strahlenbelastung wahrend 10 Jahren LHC-Betriebmoglichst wenig Streifen verlieren. Ein Streifenverlustkann nie ganz ausgeschlossen werden, deshalbist es fur den Betrieb einer Kammer innerhalb eines Spurdetektors sehr wichtig zu wissen, welcheBereiche (Streifen) des Detektors zuverlassige Spurinformationen liefern. In diesem Sinne gilt einStreifen als nicht defekt, wenn er uberhaupt Treffersignale liefert, und wenn diese Signale stets vonTeilchendurchgangen stammen.Diese Definition ist recht allgemein formuliert und kann auch nicht spezieller angegeben werden, daes mehrere Ursachen dafur gibt, daß ein Streifen nicht korrekt arbeitet (Tabelle 2.2).Daraus ergeben sich verschiedene Methoden, defekte Streifen zu finden:

Trefferbelegung (T): Falls trotz ausreichender Statistik ein Streifen keinen Treffer zeigt, ist er mitgroßer Wahrscheinlichkeit nicht funktionsfahig. Damit dieser Streifen nicht falschlich durch statisti-sche Unterbelegung fur ’tot’ erklart wird, wurde in dieser Analyse folgendes Kriterium eingefuhrt:Der Streifenk wird als defekt aufgrund seiner TrefferzahlNk eingestuft, wenn

N =Nk−1 + Nk+1

2

N − Nk ≥ 5 · ∆Nstat = 5 ·√

N (2.7)

also, wenn er den Mittelwert seiner Nachbarn um mehr als das 5-fache des statistischen Fehlers un-terschreitet.


Streifenrauschen (R): Ein Streifen gilt in dieser Analyse als geschadigt, wenn sein Rauschen deutlichunter dem der anderen liegt:

σk ≤ σ · 90% (2.8)

Dieser scharfe Schnitt ist legitim und sogar notwendig, falls das Streifenrauschen (zumindest lokal)sehr gleichmaßig ist.

Man kann nun vergleichen, wieviele Streifen aufgrund des einenoderdes anderenund wieviele auf-grund des einenunddes anderen Verfahrens als tot bzw. geschadigt identifiziert wurden.Im allgemeinen wird ein Streifen fur tot erklart, wenn er mit beidenMethoden als geschadigt identi-fiziert wurde.

Die beschriebene Methode kann nur einenAnhaltspunktfur den Streifenverlust liefern. Die endgultigeKlarung uber die tatsachliche Anzahl und Art der Defektekann erst das (irreversible!)Offnen desDetektors und das Betrachten der Substrate unter dem Mikroskop oder dasUberprufen aller Anoden-PreMux-Verbindungen liefern.

Kapitel 3

Der Teststand fur kosmische Myonen

3.1 Aufbau

Szint. oben

Szint. Mitte

Szint. unten

MF2-19

MF2-10

MF2-11

MF2-6

MF2-19

Eisen

11

12

11

12

4

11

30

20

2

m mm

Abbildung 3.1: Schematischer Aufbau des Teststandes (alleLangenangaben in cm). Beispiele furTeilchenspuren: Spur durch alle Detektoren (schwarz). Aufgrund des Triggers mogliche Spuren, dienicht alle Detektoren treffen (grau gestrichelt)

In Abb.3.1 ist der Aufbau des Teststandes fur kosmische Myonen skizziert und in Abb.3.2 alsFotografie zu sehen. Mit seiner Hilfe wurden 4 MF2-Detektoren getestet. Je 2 Detektoren wurden aufeine Aluminiumplatte montiert, einer mit der aktiven Detektorseite nach oben, der andere nach unten.Es wurden drei Szintillationszahler in Koinzidenz geschaltet. Das bedeutet, daß erst dann ein Startsi-gnal fur die Auslese (Trigger) gegeben wird, wenn alle 3 Szintillatoren das Teilchen gesehen haben.

25

26 KAPITEL 3. DER TESTSTAND FUR KOSMISCHE MYONEN

Der mittlere Szintillator wurde etwa genauso groß dimensioniert wie die aktive Flache der Detektoren,damit moglichst wenig Trigger-Ereignisse auftreten, beidenen nicht alle Detektoren getroffen wer-den. Trotzdem sind mit dieser Geometrie solche Ereignisse moglich, wie die beiden eingezeichnetengrauen Spuren zeigen. Die beiden anderen Szintillatoren sind etwas großer als der mittlere, um mehrEreignisse zu erhalten, da so auch schragere Spuren zugelassen werden.Eine vor dem letzten Szintillator angebrachte 2cm dicke Eisenplatte soll die von schnellenδ-Elektronenverursachten niederenergetischen Aufschauerungen herausfiltern, um aufgrund solcher Teilchen kei-nen Trigger auszulosen. Ferner ist der gesamte Teststand im Kellergeschoß eines dreistockigen Gebaudesuntergebracht. Somit werden uberwiegend nur noch kosmische Myonen nachgewiesen.

1 VME-Crate-Controller 13 Zur Gasversorgung2 Sequenzer 14 Gasflußkontrolle3 Sirocco FADC 15 Hochspannungsversorgung des unteren Szintillators4 Pulser 16 Hochspannungsversorgung des mittleren Szintillators5 Diskriminator 17 Hochspannungsversorgung des oberen Szintillators6 NIM-Logik 18 oberer Szintillator7 Triggerkarte 19 Detektoren MF2-19 und MF2-108 NIM-Crate 20 mittlerer Szintillator9 VME-Crate 21 Detektoren MF2-11 und MF2-6

10 zum Datennahme-PC 22 Eisenplatte11 Hochspannungsversorgung 23darunter:Szintillator unten12 zur Hochspannungssteuerung und -Kontrolle

Tabelle 3.1: Erklarungen zum Foto des Teststandes auf Seite 27

3.1. AUFBAU 27

2

8

9

5

11

67

3

4

1

10

12

15

14

13

16

17

22

21

23

20

19

18

Abbildung 3.2: Aufbau des Teststandes


PULSER

SEQUENZER

FADC 1Kanal 0

Kanal 1

FADC 2

TRIGGERKARTE

SERVICEBOARD 1

SERVICEBOARD 2

SERVICEBOARD 3

HYBRID

HYBRID

HYBRID

HYBRID

CRATECONTROLLER

VMEBus

-�

-�

-�

-�

-�

Konvertierungs-Takt

� r

� r

PreMux-Takt& Token

-r

-r

-r

HoldSignal

-

-

-

�

Start derAuslese-Sequenz

�

�

Analoge Daten

� � r

PreMuxZeitgeberund Token

�

-r-r

-r-r

�

6 666

von den Szintillatoren

Abbildung 3.3: Blockschaltbild der Ausleseelektronik [25]

3.1. AUFBAU 29

'

&

$

%

?

6

-

�FADCLoop

'

&

$

%

?

6

-

�FADCLoop

'

&

$

%

?

6

-

�

EventLoop

read FADC memory

��

HHHHH

HHHHH

��no

yes

FADCready?

SEQ disable trigger

��

HHHHH

HHHHH

��no

yes

SEQtrigger?

SEQ enable trigger

SEQ start

SEQ reset

FADC start

FADC set counter

FADC reset

SEQ enable trigger

SEQ set delay

SEQ set premux mode

SEQ reset

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

�

�

6

initialize sequencer

?6

enable FADC

?6

enable sequencer

?6

wait for trigger

?6

wait for end of conversion

?6

event data read–out

?

Abbildung 3.4: Flußdiagramm des Auslesezyklus [25]


Abbildung 3.5: Blockschaltbild des PreMux-Chips [26]

3.2 Elektronik

3.2.1 Uberblick

Die Aufgabe der hier beschriebenen Elektronik (siehe Abb. 3.3) ist es, den gesamten Ablauf der De-tektorauslese zu steuern. In Abb. 3.4 ist der Auslesezyklusschematisch dargestellt.Durchlauft ein Teilchen alle drei Szintillatoren, so lost die Triggerkarte ein Signal aus, welches an dieAuslesesteuerungskarte (SBM1) als Holdsignal und an den Sequenzer als Startsignal weitergegebenwird. Das SBM gibt daraufhin den PreMux2- Auslese-Chips [28] den Befehl, ihr Signal zu behalten,

1SBM, engl:Server-Board-Module2Preamplifier- (dt.Vorverstarker)Mu ltiplexer

3.2. ELEKTRONIK 31

bis der Sequenzer den schnellen Analog-zu-Digital-Konverter3 bereit gemacht hat, Daten zu emp-fangen. Dann gibt der Sequenzer den Befehl an das SBM, die PreMux-Chips auszulesen. Die vomPreMux ausgelesenen und in Serie angeordneten Streifen-Signale werden vom SBM an den FADCweitergegeben und dort in digitale Werte umgewandelt, von wo sie uber einen VME-Bus und einePC-Schnittstelle in den PC gelangen, um dort weiterverarbeitet (gespeichert und analysiert) zu wer-den.Das Ausleseprogramm steuert die eben beschriebene Sequenz, speichert die Daten und bereitet siefur die Online-Analyse vor. Mit der Ereignis-Anzeige kannman die Daten roh und mit verschiedenenKorrekturen versehen betrachten. Der Online-Monitor wertet die Daten aus und zeigt die wichtigstenDetektor-Eigenschaften direkt auf dem Bildschirm an.

3.2.2 Ablaufsteuerung (Sequenzer)

Der Sequenzer steuert den Ablauf von Triggerung, Auslese und Datennahme. Er ist als VME-Steckkarterealisiert. Daher kann er direkt uber die PC-Schnittstelle angesteuert werden. Bevor er arbeiten kann,muß er initialisiert werden. Dabei werden in seine RegisterStandardwerte geschrieben (Reset), dieVerzogerung (Delay) gesetzt und die Triggerung in Bereitschaft gebracht. Nachdem er von der Trigger-Karte ein Trigger-Signal erhalten hat, wird seine Triggerbereitschaft abgeschaltet, damit kein weiteresTriggersignal den Zyklus storen kann. Nach dem Verstreichen der Verzogerungszeit gibt er dem SBMdas Auslese-Erlaubnis-Signal (Token) und den Auslesetakt(PreMux-Takt) sowie gleichzeitig demFADC den Konvertierungstakt. Er synchronisiert also die sequenzielle Auslese der Spannungswerteim SBM mit ihrer Konvertierung im FADC.Das Abwarten eines Delays ist notwendig, weil die PreMux-Chips eine gewisse Zeit dafur benotigen,ihre Daten von den Kondensatoren ins Schieberegister zu laden (siehe Abb. 3.5).

Trigger-geber

Diskrimi-nator(Ortec)

NIM-Logik

Trigger-Karte

IN2 A

1(f)

^

v

v

^

Trigger?(w/f)

IN3

IN4

B

C

Szin.oben 2

3

4(f)

Szin.Mitte

Szin.unten

Pulser Test(f)

v

D(f)

Abbildung 3.6: Triggerkette

3.2.3 Auslese-Ausloser (Trigger)

In Abb. 3.6 ist der Weg der Triggersignale vom Triggergeber zur Triggerentscheidung skizziert. DieSignale der 3 Szintillationszahler mussen mindestens sogroß sein, daß sie die Schwelle eines Dis-

3FADC, engl: flashanalog todigital converter


kriminators ubersteigen, damit Untergrundsignale unterdruckt werden. Diese 3 Signale werden ineiner NIM-Logik in Koinzidenz geschaltet, d.h. mitUND verknupft. Dieses Signal (A) wird an dieEingange 2 und 3 der Triggerkarte weitergegeben und auf diefolgende Weise dort verarbeitet. (Diebeiden Eingange 1 und 4 der Triggerkarte sind nicht belegt und daherfalsch.)

Trigger = (T1 ∨ T2) ∧ (T3 ∨ T4)

= (falsch ∨ A) ∧ (A ∨ falsch) (3.1)

= A

Dieser umstandliche Weg mußte gewahlt werden, weil die Triggerkarte bereits auf diese Weise pro-grammiert ist und keinen Trigger ausgelost hatte, wenn man nur einenEingang mit dem Signal belegthatte.Neben den Szintillatoren als Triggergeber wird auch ein Pulser verwendet, um schnelle Triggersignalefur einen Pedestal-Lauf zur Verfugung zu haben. Sein Signal wird in den Test-Eingang der Trigger-Karte gegeben, welcher uberODERmit demUND-Signal verknupft ist. Somit erhalt man bei jedemPuls einen Trigger. Der Pulser kann mit bis zu 1kHz arbeiten.Ein Problem dieser Anordnung ist, daß auch dann ein Trigger von den Szintillatoren akzeptiert wird,wenn die Triggerkarte aufgrund eines Pulsertriggers noch beschaftigt ist. Die Folge ist eine Blockadeder Karte und Stillstand des Zyklus. In diesem Fall muß der Sequenzer initialisiert und der Zyklusneu gestartet werden. Ferner ist es moglich, daß wahrend eines Pedestal-Laufs ein Triggernur vonden Szintillatoren ausgelost wird (zwischen 2 Pulsen). Indiesem Fall werden die Pedestaldaten voneinem Treffersignal verschmutzt.Um hier keine ungewollten Trigger von den Szintillatoren zubekommen, wurde in der NIM-Logikder 4. Eingang D in Koinzidenz zu den anderen Eingangen geschaltet.Naturlich ist auch hiermit nicht auszuschließen, daß wahrend eines Pedestaleregnisseszufallig einTeilchen den Detektor passiert. Dies ist aber aufgrund einer Signalentstehungszeit im Verstarker desPreMux von≈ 40ns, verglichen mit der durchchnittlichen Zeit zwischen 2 Teilchendurchgangen von≈ 2s, sehr unwahrscheinlich, namlich≈ 40ns

2s= 2 · 10−8.

Das Triggersignal von Pulser, bzw. von den Szintillatoren bei der Datennahme gibt die Triggerkarte anden Sequenzer als Startsignal fur den Auslesezyklus weiter. Außerdem erhalt das SBM nach dem Ver-streichen einer Delay-Zeit das sogenannte Hold-Signal, also den Befehl zum Behalten der verstarktenStreifenladung in den Kondensatoren der PreMux-Chips. DasAbwarten eines Delays (≈ 50ns) istnotig, weil sich das Signal in den Verstarkern der PreMux-Chips erst noch aufbauen muß, bis es sei-nen maximalen Wert erreicht hat (siehe Abb. 2.5).

3.2.4 Auslese

Kernstuck der Auslese [27] bildet der PreMux-Chip [28]. Erkann die Signale von 128 Anoden-Streifen parallel verstarken, zwischenspeichern und anschließend seriellzur Auslese weiterleiten(multiplexen). Je 4 PreMux-Chips sind auf einem Auslese-Hybriden zusammengefaßt, welcher mitdem SBM verbunden ist. Gibt das SBM einem Hybriden den Auslesetakt (Token), so wird dieser anden ersten Chip dieses Hybriden weitergegeben. Der PreMux darf daraufhin seine Daten auslesen, andas SBM ubergeben und den Token an den nachsten Chip weiterreichen. Der letzte ausgelesene Chipim Hybriden gibt den Token an das SBM zuruck, welches ihn an den nachsten Hybriden weitergibt,bis alle an das SBM angeschlossenen Hybride ausgelesen sind. An das SBM selbst konnen bis zu 2

3.3. PROGRAMME ZUR DATENNAHME 33

Hybride angeschlossen werden, uber maximal 2 Zusatzkarten (Wings), die mit dem SBM verbundenwerden, jeweils 3 weitere, also bis zu 8 Hybride insgesamt pro SBM. Im Teststand werden2 SBMausgelesen. An jedes SBM ist nureineZusatzkarte angeschlossen, mit dem jedoch nur2 Hybride undsomit insgesamt2× (2+2) = 8 Hybride, also 4 MF2-Detektoren, ausgelesen werden. Diese Variantewar leichter aufzubauen als alle 4 Detektoren uberein SBM auszulesen, da hierbei die Verbindungs-wege zwischen den Hybriden und dem SBM bzw. den Zusatzkarten, zu lang geworden waren.Die ausgelesenen Signale werden vom SBM sofort uber ein besonders gut abgeschirmtes Kabel (Vi-deokabel) an den FADC weitergeleitet. Die gute Abschirmungist sehr wichtig, da der Weg von derAuslese zur Datennahme lang sein kann, und deshalb vom Kabelviele Storsignale empfangen werdenkonnten.

3.2.5 Datennahme

Die Datennahme sorgt fur die Digitalisierung der Daten undihre Weiterleitung in ein EDV-System.Bevor der Analog-zu-Digital-Konverter (ADC) Daten empfangen kann, werden seine wichtigen Re-gister auf Standardwerte gesetzt (Reset), dann wird ihm dieAnzahl der (in diesem Ausleseereignis)vom SBM zu erwartenden analogen Signale (Samples) mitgeteilt.Nun ist der ADC bereit, vom Sequenzer den Takt zur Konvertierung der vom SBM ankommendenDaten zu erhalten. Nachdem alle Daten angekommen sind, kannder Speicher des ADC uber eineSchnittstelle vom PC ausgelesen werden.Als ADC wird ein Sirocco-Flash-ADC (FADC) verwendet. Er besitzt 2 Eingangskanale, die jeweilsuber ein Videokabel mit einem SBM verbunden werden. Die ankommenden Analogwerte, die zwi-schen -0.5V und 0.5V oder zwischen -2V und 2V liegen durfen,werden mit einer Rate von biszu 1 MHz (=Samplingfrequenz) und einer Auflosung von 12 Bit in digitale Werte zwischen 0 und212 − 1 = 4095 konvertiert. Dabei werden stets die gleichzeitig in Kanal oben und unten ankommen-den Werte inein 32Bit-Wort des Sirocco-Speichers geschrieben:

Bit 0...11 12...15 16...27 28...31Kanal oben unbenutzt Kanal unten unbenutzt

Tabelle 3.2: Datenspeicherung im Sirocco

Sein Speicher kann 8K(= 8192 = 213) 32-Bit-Worte (=32KBytes) und somit 16K (= 16384 =214) Detektor-Kanale pro Auslese-Ereignis aufnehmen! Das entspricht genau 16 MF2-Detektoren.(Nur 4 werden im Teststand ausgelesen.)Der Sirocco ist als Steckkarte fur einen VME-Bus realisiert und kann deshalb uber eine PC-Schnittstelleangesprochen werden. Bei der Schnittstelle handelt es sichum eine VXI-Interface-Karte der FirmaNational Instruments. Mit ihr wiederum kann man mit Hilfe von Software der ProgrammierspracheLabView[29] (von derselben Firma) kommunizieren.

3.3 Programme zur Datennahme

Die Programme zur Datennahme und Online-AuswertungPulser, Auslese, Anzeige, Online-MonitorundDetektor-Konfigurationsind in LabView geschrieben. Hierbei handelt es sich um eineEntwick-lungsumgebung (in unserem Fall fur Windows NT) zur grafischen Programmierung von Laborprozes-sen und vielem mehr.


3.3.1 Ausleseprogramm

Das Ausleseprogramm kommuniziert uber VXI-Routinen, derVXI-Interface-Karte und dem VME-Bus mit dem Sirocco-FADC und dem Sequenzer. Es enthalt den kompletten Auslesezyklus als Un-terprogramm. Dieses Unterprogramm wird bei jedem Triggerereignis aufgerufen. Es liest die Datenaus dem Sirocco-Speicher und bereitet sie so auf, daß sie aufeiner Festplatte gespeichert und von derOnline-Auswertung verwendet werden konnen. Die Speicherung auf Platte geschieht nur auf Wunschdes Benutzers, da vor allem im schnellen Pedestal-Lauf schnell sehr viele Daten anfallen, die mannicht immer speichern mochte.Die Daten sind im Falle des Teststandes folgendermaßen im Sirocco-Speicher abgelegt und werdenauf diese Weise im PC-Speicher umgeordnet:

Sirocco-Adressbereich Kanal oben Kanal unten Array-BereichDDD1+(1C00:1FFF) MF2-10 MF2-6 0C00:0FFF MF2-10DDD1+(1800:1BFF) MF2-19 MF2-11 → 0800:0BFF MF2-19DDD1+(0000:17FF) unbelegt 0400:07FF MF2-6

0000:03FF MF2-11

Tabelle 3.3: Datenorganisation bei der Auslese.links: DDD1 ist die Basisadressedes Sirocco-Adressbereichs im VME-Bus.rechts: Ablage der Daten im PC-Speicher

Es ist zu beachten, daß es sich bei den Sirocco-Adressen um32Bit-, bei den Listen(=Array)-indizes im PC-Speicher jedoch um16Bit-Adressen handelt, weil die Trennung der beiden Sirocco-Kanale bereits bei der Auslese des Sirocco vorgenommen wird. Ferner muß man beachten, daß derSirocco die Daten nicht von der Basisadresse an speichert, sondern von der Adresse, bei der sich dasletzteankommende Sample in derletztenAdresse (1FFF) befindet!Das Konzept, die Detektoren im Speicherhintereinander, d.h. eindimensionalanzuordnen, hat sich alsdas praktischste erwiesen, weil Detektoren im allgemeinenFall unterschiedlich viele Kanale habenkonnen.Das Ausleseprogramm ist in der Lage, die 4 Detektoren des Teststandes mit ca. 20Hz auszulesen. Dasentspricht einer Samplingrate von20Hz · 4 · 1024 ≈ 81KHz. Damit ist die maximal mogliche Ratedes FADC’s von 1MHz nicht ausgeschopft. Begrenzendes Element in der Auslesekette ist die zwarkomfortabel zu bedienende aber relativ langsame Programmiersprache LabView.Es ist moglich, mit dem Ausleseprogramm auchmehrereFADC’s auszulesen! Mehr dazu im AnhangA.5.

3.3.2 Pulser

Der Pulser ist ebenfalls als VME-Steckkarte realisiert undkann deshalb uber das kleine LabView-ProgrammPulserangesteuert werden.Der Pulser gibt der Triggerkarte das Triggersignal fur denPedestal-Lauf. Die Frequenz kann stufenlosvon 10 bis 1000 Hz eingestellt werden.

3.4 Programme zur Online-Auswertung

Diese Programme werten die Daten, die das Ausleseprogramm liefert, vor Ort aus und ermoglicheneine erste Einschatzung der Qualitat der Daten und der verwendeten Betriebsparameter.

3.5. DATENFLUSS 35

3.4.1 Ereignis-Anzeigeprogramm

Mit seiner Hilfe ist es moglich, das letzte Ereignis zu betrachten: Es werden alle Kanale eines De-tektors angezeigt und zwar wahlweise roh oder mit verschiedenen Korrekturen versehen (siehe Kap.3.6.1). Ferner gibt es verschiedene Lupen- und Skalierungsfunktionen.Dieses Programm dient dazu, z.B. nach der Inbetriebnahme eines Detektors einen ersten Eindruck vonden Signalen zu bekommen, die die PreMux-Chips erzeugen (Pedestal und Rauschen), oder spater diekosmischen Myonen. Man kann im Roh-Anzeigemodus erkennen,ob viele Signale imUberlauf desFADC liegen, d.h. genau gleich 4095 Zahler sind. In diesem Fall muß man versuchen, das Pedestal ab-zusenken, um mehr dynamischen Bereich fur die Signale zu gewinnen, oder man muß die Verstarkungdes Detektors herabsetzen, um die Signalhohe zu verringern.

3.4.2 Online-Monitor

Der Online-Monitor korrigiert ein Ereignis sofort, so daß die tatsachliche Hohe und Breite von Treffer-signalen bestimmt und weiter ausgewertet werden kann. So werden die Clustergroße und -amplitude,2 verschiedene Signal- uber Rauschverteilungen, sowie die Trefferhaufigkeit fur jeden einzelnen Strei-fen angezeigt. Jederzeit kann die Skalierung der Histogramme innerhalb eingestellter Grenzen geandertund die Zahl der Bins um einen Faktor verringert werden.Der Grund, Daten online auszuwerten, ist, vor Ort herausfinden zu konnen, ob die am Detektor einge-stellten Spannungen geeignet sind, genugend hohe Signaleoder Signal-uber Rauschverteilungen imgewunschten Bereich zu produzieren. In etwa einer Stunde hat man genugend Ereignisse, um anhandder Verteilungen eine Entscheidung uber die anliegenden Spannungen treffen zu konnen.

3.5 Datenfluß

LabView unterstutzt den gemeinsamen Zugriff auf Daten vonverschiedenen(geoffneten) Program-men aus (globale Variablen). Dies hat sich fur die Teststand-Programme als sehr praktisch erwiesenund wurde deshalb auch haufig genutzt.Das wichtigste der Programme, das Ausleseprogramm, versorgt das Anzeigeprogramm und den Online-Monitor uber globale Variablen mit Ereignis-Daten und schreibt diese sofort auf die Festplatte. Damitdiese Programme wissen, wannneueDaten bereit stehen, wird ein globales Triggersignal (LabView-Jargon:Occurence) ausgelost. Nur in diesem Fall werden die Daten gelesen undausgewertet.Ein weiteres Programm, auf das in Anhang A.4 naher eingegangen wird, das Konfigurationspro-gramm, versorgt ebenfalls uber globale Variablen die Auslese, Anzeige und den Online-Monitor mitden vom Benutzer angegebenen Detektoreinstellungen, alsoz.B. von welchem Sirocco (Basis-Adresseim VME) und welchem Kanal (oben oder unten) der Detektor ausgelesen wird, an welcher Position imSpeicher er beginnt und wieviele Streifen er besitzt. Damitder Benutzerwahrenddes Auslesevorgangskeine unerlaubtenAnderungen an diesen Einstellungen vornehmen kann, erhalt die Konfiguration denStatus der Auslese vom Ausleseprogramm.Der Zugriff auf die VXI-Schnittstellen-Karte geschieht uber von LabView zur Verfugung gestellteUnterprogramme (VXI-Bibliothek). Sie wird nur von der Auslese und dem Pulser benotigt, da nurdiese Programme mit dem VME-Bus kommunizieren.


VXIBibliothekPulser

Auslese

Anzeige Analyse

Konfiguration

Festplatte

VXI-Routinen

Trigger

Auslesestatus

Roh- undPedestaldaten

Detektor-Konfiguration

Abbildung 3.7: Kommunikation zwischen den Programmen

3.6 Programme zur Offline-Auswertung

Die Vorteile, Daten nochmals Offline auszuwerten, liegen auf der Hand: Die Rohdaten konnen mehr-mals mit verschiedenen Einstellungen und Schnitten prozessiert werden. Histogramme konnen nachBelieben gebinnt werden, und es stehen mehr Histogramme zurVerfugung.

3.6.1 Signal und seine Komponenten

Das Signal eines Mikrostreifengasdetektors ist folgendermaßen zusammengesetzt: [20, 36]

Sik = Pedk + CMMi

[ k

128]+ Ri

k︸︷︷︸

immer vorhanden

−CGUi[ k

16]+ Trefferik

︸︷︷︸nur bei einem

Treffer vorhanden

(3.2)

Dabei bezeichneti das i-te Ereignis undk den k-ten Streifen im Detektor.[AB

] ist die Ganzzahldivisionvon A durch B.Pedk ist das Pedestal des k-ten Streifens. Es handelt sich dabei um einen Eingangspegel, welcherjeder Kanal eines PreMux-Chips produziert. Er ist zeitlichkonstant, falls sich die Umgebungsbedin-gungen, insbesondere die Lichteinstrahlung auf die Chips,nicht andern, kann sich aber von Kanalzu Kanal unterscheiden. Das Pedestal kann vom Benutzer eingestellt werden. Idealerweise stellt manes etwa auf die Mitte des dynamischen Bereichs des FADC, alsoin unserem Fall auf ungefahr 2000

3.6. PROGRAMME ZUR OFFLINE-AUSWERTUNG 37

ADC-Zahler fur jeden Kanal.Eine Gefahr besteht namlich darin, daß das Pedestal so hochist, daß sich die meisten Treffersignaleim Uberlauf des FADC (= 4095 Zahler) befinden. In diesem Fall sind die Signalverteilungen un-brauchbar, da von manchen Clustern die Ladung nicht bekanntist. Falls das Pedestal zu niedrig ist,wird der Kathodenunterschwung beschnitten, was dieselbe Folge hat.CMMi

[ k

128]ist das Chiprauschen4 des[ k

128 ]-ten Chips im i-ten Ereignis. Es ist also fur alle Kanale ei-

nes Chips konstant, aber von Chip zu Chip und von Ereignis zu Ereignis verschieden und kommt durchgemeinsame elektronische Storungen, z.B. von der Spannungsversorgung, zustande. In den meistenEreignissen gibt der CMM keinen signifikanten Beitrag. Manchmal kann der CMM aber Verschiebun-gen um 200 ACD-Zahler erreichen und muß deswegen im allgemeinen Ansatz berucksichtigt werden.Bei Ri

khandelt es sich um das elektronische Rauschen des k-ten Streifens im i-ten Ereignis. Das

Rauschen ist idealerweise (um 0) gaußverteilt mit einer Breite von 5 bis 30 ADC-Zahlern.

Die bisher genannten Signale sind stets vorhanden, also auch dann, wenn keine Teilchen den Detektorpassiert haben. Die folgenden Signale treten nur bei einem Teilchendurchgang auf:

CGUi

[ k

16]

ist der Unterschwung5 der [ k16 ]-ten Kathodengruppe. Genauer gesagt, handelt es sich um

den Unterschwung derjenigenAnoden, die von den Kathoden der getroffenen Gruppe eingeschlossensind. Der Unterschwung kann 500 ADC-Zahler tief sein.Schließlich istTreffer

i

kdie reine Signalhohe, wie sie fur die weitere Bestimmung von Detekto-

reigenschaften verwendet wird. Die Schwankungen in der Signalhohe folgen im wesentlichen einerLandauverteilung, deren Maximum von der Gasverstarkung abhangt.Die angegebenen ADC-Werte sind nicht als Absolutwerte zu verstehen, sondern hangen von vielenParametern, wie der elektronischen Verstarkung, der Gasverstarkung, den elektronischen Storungen,der Gute der elektrischen Abschirmungen, etc. ab. Es geht nur darum, dieRelationenunter diesenSignalen zu verdeutlichen.Abb. 3.8 zeigt schematisch ein uber die StreifeneinesChips aufgetragenes typisches Teilchensignal.Ein ’echtes’, pedestal-korrigiertes Treffersignal ist inAbb. A.2 auf Seite 78 zu sehen.

Das Ziel der Datenanalyse ist es nun, die Breite des Streifenrauschens sowie die KorrekturgroßenPedestal, Chiprauschenund Kathodenunterschwungzu bestimmen, die Korrekturen durchzufuhrenund die Signalhohe zu bestimmen.

3.6.2 Bestimmung des Pedestals

Im Prinzip braucht man fur die Bestimmung des Pedestals bereits Information uber den CommonMode und das Rauschen der Einzelkanale. Um einen Anfang machen zu konnen, wird die Annahmegemacht, daß sich sowohl der CMM als auch das Rauschen uber viele Ereignisse herausmitteln. DieseAnnahme ist wegen der seltenen Schwankungen des CMM (siehe Kap. 3.6.1) und der im wesentlichengaußformigen Rausch-Verteilungen (siehe Kap. 4.1.3.2) gerechtfertigt. Das mittlere Signal im Streifenfur Ereignisse, die mit dem Pulsertrigger genommen wurden, ist:

〈Sk〉 =1

N

N∑

i=1

Sik

4CMM: Common Mode =koharentesRauschen aller 128 Kanale5CGU:CathodeGroupUnderflow


Streifen

Signalhöhe

»

Streifen

Signalhöhe

Streifen

Signalhöhe

Streifen

SignalhöheClusterladung

a) b)

c) d)

Abbildung 3.8: typisches Treffersignal (schematisch; nicht maßstabgetreu) a) unkorrigiert b) pedestal-korrigiert c) sowie auf das Chiprauschen korrigiert d) und kathoden-korrigiert

=1

N

N∑

i=1

Pedk +1

N

N∑

i=1

CMM i[ k

128]

︸︷︷︸=0

+1

N

N∑

i=1

Rik

︸︷︷︸=0

(3.3)

= Pedk

Fur die Pedestalbestimmung reichen 2000 Ereignisse aus.

3.6.3 Bestimmung des Chip-Rauschens (Common Mode)

Das Chiprauschen wird folgendermaßen bestimmt: Man fuhrtdie Pedestalkorrektur durch und bildetanschließend den Mittelwert aller StreifeneinesChips. Das Ergebnis ist seinaktuellesRauschen:

CMM i[ k

128]

=1

128

128·[ k

128]+127∑

l=128·[ k

128]

Sil − Pedl − Ri

l︸︷︷︸∑=0

(3.4)

Dieses Vorgehen ist legitim, weil der Chip so viele Kanale hat, daß die Summe desinkoharentenRau-schens der einzelnen Kanale ungefahr0 ist.


3.6.4 Bestimmung des Rauschens

Das Einzelstreifenrauschen muß bestimmt werden, um Treffersignale aus dem Rauschen des Detek-tors herausfiltern zu konnen. Fur seine Bestimmung werdenbeim Pedestal-Laufvom Rohsignal dasPedestal und anschließend das Chiprauschen subtrahiert. Das Ergebnis ist dasmomentaneRauschenRi

k des Streifensk im i-ten Ereignis. Es muß uber alle Ereignissequadratischgemittelt werden6, weildas Rauschen beide Vorzeichen annehmen kann:

Rik = Si

k − Pedk − CMM i[ k

128]

(3.5)

RMSk =

√√√√ 1

N

N∑

i=1

(Rik)

2 (3.6)

Fur ungefahr gaußformige Verteilungen gibt das RMS einegute Schatzung der Standardabweichungσ.

N(x) =1

σ√

2πe−

x2

2σ2 (3.7)

3.6.5 Korrektur der Kathodengruppen

Im letzten Schritt der Korrekturen wird die getroffene Kathodengruppe auf ihre Basislinie (Null-Linie)gebracht. Um das Signal bei der Berechnung des Kathodenunterschwungs zu eliminieren, wird einiterativer Algorithmus verwendet: Zunachst wird der Mittelwert uber alle Streifen gebildet und dieStreifen mit diesem Wert korrigiert. Dann wird die Gruppe nach getroffenen Streifen durchsucht (sie-he Kap. 3.6.6). Diese Streifen werden von der nachsten Mittelwertbildung ausgeschlossen. Die Pro-zedur wird so lange wiederholt, bis keine neuen getroffenenStreifen mehr dazukommen.

Problem bei großen Treffern:

Wie man in Abb.3.9 a) erkennen kann, ist die Signalverteilung am Rand einer stark getroffenen Katho-dengruppe nicht scharf, sondern ausgewaschen. Nach der Korrektur auf ihre Basislinie bekommt man2 zusatzliche, falsche Treffer. Ferner bekommt man in einer solchen Kathodengruppe oft getroffeneStreifen kleinerer Hohe, die nicht zum eigentlichen Treffer gehoren konnen (nicht eingezeichnet). Umdiese Treffer auszusondern wird nicht nur verlangt, daß daskathodenkorrigierteSignal (Abb. 3.9 b)eine bestimmte Schwelle uberschreitet, wie dies hier ja der Fall ist, sondern auch dasnur pedestal-korrigierte Signal (Abb. 3.9 a). Unddies ist bei den falschen Treffern nicht der Fall, da diese dieNull-Linie nicht einmal uberschreiten.

3.6.6 Clustersuche

Nachdem alle Korrekturen am Signal gemacht wurden, kann mannun nach getroffenen Streifensuchen. Dabei werden alle Streifen des Detektorssequentiell, vom ersten Streifen an, betrachtet.Der Streifenk gilt als getroffen, wenn sein Signal- zu Rauschverhaltniseine bestimmte Schwelleuberschreitet [30]:

Sk

σk≥! 3 (3.8)

6RMS: Root MeanSquare


Streifen

Kathodengruppe

Null-linie

Kathoden-Basis-linie

Signalhöhe

Streifen

Kathodengruppe

Kathoden-Basis-und Null-linie

RichtigerTreffer

FalscheTreffer

Signalhöhe

a) b)

Abbildung 3.9: a) getroffene Kathodengruppe (schematisch) b) auf die Kathodenbasislinie korrigiert

Alle zusammenhangenden getroffenen Streifen werden nun zu einemClusterzusammengefaßt, da siedie gesamte (verstarkte) Ladung des Teilchendurchgangs aufgesammelt haben. Vomhochsten Streifenim Cluster wird noch zusatzlich verlangt:

Sk

σk

≥! 7 (3.9)

Dieser Schnitt ist notwendig, um Rausch-Cluster zu unterdrucken. Denn die Wahrscheinlichkeit, daßein Streifen3σ uberschreitet, ist immerhin0.13%. D.h., daß man in einem Detektor mit 1000 Streifenpro Ereignis 1 bis 2 Streifen erwartet, die aufgrund des Rauschens ’getroffen’ werden. Andererseitskann man nicht vonallenStreifen eines Clusters verlangen, daß sie die Schwelle von7σ uberschreiten,weil dies kleine, aber gute Cluster unterdrucken wurde.Manchmal gibt es Doppeltreffer, die mit diesem einfachen Algorithmus als ein Cluster erkannt wer-den. Deshalb wird zusatzlich eine Analyse der Clusterformverwendet:Bei der Clustersuche wird gespeichert, ob das Signal dergetroffenenStreifen angestiegen und an-schließend wieder abgefallen ist. Falls das Signal dann wieder ansteigt, muß ein Doppeltreffer vor-liegen. In diesem Fall wird der bisher entdeckte Cluster abgeschlossen, und ein neuer Cluster wirdbegonnen.Nachdem alle Cluster gefunden wurden, werden die folgendenGroßen untersucht: Clusterladung,Verhaltnis von Clusterladung zu Rauschen, Clustergroße, Trefferverteilung, Amplitude des hochstenStreifens im Cluster, Verhaltnis von Kathodenunterschwung zu Clusterladung, Anzahl der gefundenenCluster im Ereignis. Alle Verteilungen (außer der letzten)werden sowohl fur den großten Cluster imEreignis als auch fur alle anderen Cluster bestimmt.

3.6.7 Zusammenfassung aller verwendeten Algorithmen

Im ersten Schritt werden die Voraussetzungen zur Signalerkennung geschaffen: Das Pedestal wirddurch Mittelung uber viele Pulser-Ereignisse bestimmt. Anschließend werden alle Kathodengruppen


auf ihre Basislinie korrigiert. Dabei wird das Chiprauschen mitberucksichtigt. Bei Ereignissen mitTreffern werden die Signale getroffener Streifen eliminiert. Das Streifenrauschen erhalt man durchquadratische Mittelung des pedestal- und kathoden-korrigierten Signals uber viele Ereignisse.Im 2. Schritt wird das Teilchensignal bestimmt. Damit ein Streifen als getroffen gilt, muß sein Verhaltnisaus Signalamplitude und Rauschen eine bestimmte Schwelle ¨uberschreiten. Alle zusammenhangendengetroffenen Streifen werden zu einem Cluster zusammengefaßt.Eine iterative Anwendung dieses gesamten Vorgangs ermoglicht es, sogar aus Ereignissen mit Tref-fern das Pedestal und das Streifenrauschen zu bestimmen [20].

Kapitel 4

Testmessungen mit den MF2-Detektoren

4.1 Test der neuen MF2-Module im Teststand fur kosmische Myonen

In Karlsruhe wurden 14 Detektor-Module fur denUberlebenstest (MF2) gebaut. 4 davon wurden imTeststand untersucht, von denen an dieser Stelle auf 2 naher eingegangen wird (MF2-11 und MF2-19).

a)

b)

0

500

1000

1500

2000

2500

0 250 500 750 1000

Ped

esta

l [A

DC

-Cou

nts]

0

500

1000

1500

2000

2500

0 250 500 750 1000Streifennummer

Abbildung 4.1: Pedestal-Signal a) MF-11 b) MF2-19

43

44 KAPITEL 4. TESTMESSUNGEN MIT DEN MF2-DETEKTOREN

4.1.1 Ziele

Die MF2-Detektoren wurden durch Messungen im Teststand aufihre Funktion hin uberpruft. Unter-sucht wurden Pedestalwerte, Rauschen, Signal- uber Rauschverteilungen, Clustergroßen und Treffer-belegungen. Daruberhinaus wurden Studien zur Uniformit¨at der Detektoren durchgefuhrt.

4.1.2 Erster Qualitatstest der Detektoren

Mit Testpulsen konnen sofort nach der Herstellung grobe Defekte im Detektor entdeckt werden.Dazu wird das Signal des Pulsers auf den zu testenden Teil desDetektors gegeben. Anhand der(In)Homogenitat der ausgelesenen Signale kann man diejenigen Stellen ausmachen, die Defekte be-sitzen. So wurden Testpulse an die Driftkathode, die beidenGEM-Seiten und an jede einzelne, sowiean alle Kathodengruppen gleichzeitig, gegeben. Das Signalentsteht in allen Fallen durch kapazitiveKopplung der Anodenstreifen mit dem jeweiligen Bauteil, welches die Testpulse erhalt.

4.1.3 Test der Elektronik

4.1.3.1 Pedestal

Mit Hilfe der Pedestalsignale und des Streifenrauschens soll herausgefunden werden, ob die PreMux-Chips gut arbeiten und ob die Abschirmung der Elektronik ausreichend ist.Das Pedestal der beiden naher untersuchten Detektoren MF2-11 und MF2-19 sieht sehr gut aus(Abb.4.1): Es ist einigermaßen flach und auf einem Niveau, welches Platz fur sowohl das Treffer-signal als auch den Kathodenunterschwung laßt.

4.1.3.2 Rauschen

In vielen Berechnungen und Argumentationen geht man stillschweigend davon aus, daß das Rauscheneines Streifens gaußverteilt ist. Dies wurde nun fur die beiden naher untersuchten Detektoren nachge-pruft. (Abb. 4.2)Man kann anhand der logarithmischen Auftragung sehr gut erkennen, daß das Rauschen vom MF2-11komplett, das vom MF2-19 immerhin bis zur 3. bis 4. Großenordnung gaußformig ist. Diese Storungensind also sehr gering, was man auch amχ2 der Fits erkennen kann.Bei diesen Verteilungen handelt es sich um das Rauschen von16 Streifen (derselben Kathodengrup-pe) aus 20000 Ereignissen. Dies wurde so gemacht, um eine bessere Statistik zu bekommen, und esist legitim, weil man in diesem Fall davon ausgehen kann, daßdie Rauschbreite eines jeden einzelnenStreifens uber diesen kleinen Bereich konstant ist.

Es ist nicht ausgeschlossen, daß ein Streifen die fur die Akzeptanz als Cluster notige Schwellevon 7σ nur aufgrund des Rauschens, alsozufallig, uberschreitet. Die Belastung des Detektors durchsolche Rauschcluster kann man aus der RauschverteilungN(x) durch Integration des Histogrammsberechnen. FallsN(x) normiert ist, ist die Wahrscheinlichkeit fur einen Rauschtreffer:

PRausch =

∫∞

7σN(x)dx (4.1)

Man muß diese Integration fur jeden Streifenk im Detektor mit seinem entsprechendenσk durchfuhrenund anschließend die Ergebnisse summieren. Die Wahrscheinlichkeit, in einem Detektor mit N Strei-

4.1. TEST DER NEUEN MF2-MODULE IM TESTSTAND FUR KOSMISCHE MYONEN 45

a1) b1)

a2) b2)

0

2500

5000

7500

10000

12500

15000

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

ID

Entries

Mean

RMS

42105

320000

0.1188E-03

8.738

75.62 / 76

Constant 0.1462E+05

Mean -0.8479E-04

Sigma 8.733

Rausch-Signal [ADC-Counts]

N

0

2000

4000

6000

8000

10000

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

ID

Entries

Mean

RMS

42104

320000

-0.2313E-03

12.71

99.69 / 98

Constant 0.1005E+05

Mean 0.4054E-02

Sigma 12.70


N

1

10

10 2

10 3

10 4

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

ID

Entries

Mean

RMS

42105

320000

0.1188E-03

8.738

75.62 / 76

Constant 0.1462E+05

Mean -0.8479E-04

Sigma 8.733


N

1

10

10 2

10 3

10 4

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

ID

Entries

Mean

RMS

42104

320000

-0.2313E-03

12.71

99.69 / 98

Constant 0.1005E+05

Mean 0.4054E-02

Sigma 12.70


N

Abbildung 4.2: Rauschverteilung aller Streifen aus einer Kathodengruppe. a) MF2-11 b) MF-19 1)linear 2) logarithmisch aufgetragen. Die durchgezogene Linie entspricht einer gaußformigen Anpas-sung

fen in einem Ereignis einen Rauschcluster zu bekommen, ist also:

PRausch =N∑

k=1

∫∞

7σk

Nk(x)dx (4.2)

In den oben gezeigten Verteilungen sieht man sofort, daß dieStatistik bei weitem nicht ausreicht, umim relevanten Bereich (> 7σ = 61 (MF2-11) = 89 (MF2-19)) noch Eintrage zu haben. Deshalbmußman die Rauschclusterbelastung aus der Theorie unter der Annahme einer Gaußverteilung berechnen:

PRausch =

∫∞

7σ

1

σ√

2πe−

x2

2σ2 dx

≈ 1.3 · 10−12 (4.3)

Somit erwartet man selbst in einer sehr großen Anzahl von Ereignissen, auch in einem Detektor mit1000 Streifen, keine Rauschcluster.


a)

b)

0

5

10

15

20

25

30

0 250 500 750 1000

mitt

lere

s S

trei

fenr

ausc

hen

[AD

C-C

ount

s]

0

5

10

15

20

25

30


Abbildung 4.3: Streifenrauschen a) MF2-11 b) MF2-19

Die Homogenitat des mittleren Streifenrauschens (σk) gibt Auskunft uber die Gute der Streifen.Da die Streifen eines Detektors wie Antennen wirken undein Anteildes Rauschens proportional zurStreifenlange ist, kann man gebrochene Streifen an ihrem zu kleinen Rauschen erkennen. MoglicheUrsachen fur Streifen mit hohem Rauschen sind Verschmutzungen der Glasoberflache oder schlechteKontakte zwischen Anode und PreMux, die aufgrund ihrer hoheren Kapazitat wiezusatzlicheAnten-nen wirken [22]. Einige Ladungswerte des Rauschens wurden in Kap. 2.3.3 genannt.Das Streifenrauschen der beiden untersuchten Detektoren ist sehr homogen (Abb. 4.3) und weist uberden gesamten Detektor keine Schwankungen auf. Man sieht allerdings an zu niedrigem Rauschen,daß manche Streifen gebrochen sind: Beim MF2-11 mehr als beim MF2-19.Manche andere Streifen haben ein viel zu hohes Rauschen. Dies ist besonders in der Detektormitteder Fall, wo bei der Herstellung das Glassubstrat entlang der Streifen geschnitten wurde (ϕ-crack).Eine Folge dieses Vorgangs ist die Verunreinigung der Glasoberflache und der Streifen in der Nahedes Schnitts und damit ein zu hohes Rauschen.Ferner haben manche Streifen in der Nahe von Chipgrenzen ein hohes Rauschen. Man sieht das be-sonders deutlich beim MF2-11 imUbergang vom 2. zum 3. Chip (Streifennummer 256). Immer nochgut zu erkennen ist dies beim Streifen 128 oder im MF2-19 beimUbergang vom 6. zum 7. Chip (768).Dies laßt auf ein (nicht verstandenes) Problem im PreMux schließen.Bei beiden Detektoren hat jeweils der erste Kanal (nicht dargestellt) ein viel zu hohes Rauschen, wasentweder auf ein Herstellungsproblem oder ein generelles Problem im ersten ausgelesenen Streifenzuruckzufuhren ist. Wegen dieses Streifens wird aufgrund von kapazitiver Kopplung jeweils die ge-samte erste Kathodengruppe in ihrem Rauschen angehoben.


4.1.4 Betriebstest

4.1.4.1 Einstellung der Betriebsparameter

Nach der Herstellung der Detektoren wurden sie mit einem Gasgemisch aus Neon und DME im Mi-schungsverhaltnis Ne:DME 40:60 gefullt. Danach erst konnten sie langsam auf hohe Spannungen ge-bracht werden. Es sollten damit Defekte in den Substraten und der GEM-Folie beseitigt werden. (burn-in-Phase). Dabei sollten elektrischeUberschlage dafur sorgen, daß Verunreinigungen verdampft undmit dem durchstromenden Gas weggespult werden. Es ging dabei also hauptsachlich darum, die Ka-thodenspannungen und die Potentialdifferenz zwischen denGEM-Folien auf moglichst hohe Span-nungen zu bringen.Danach wurden die Detektoren bei normalen Spannungen betrieben:

burn-in normalDrift 3000 3000GEM oben 1600 1580GEM unten 1200 1200Kathoden 550 450

Tabelle 4.1: maximale und normale Betriebsspannungen inV

Nachdem die Elektronik ausfuhrlich getestet wurde, und die Detektoren mit dem Gassystem und derHochspannungsversorgung verbunden wurden, konnte mit derDatennahme mit kosmischen Myonenbegonnen werden.Mit dem Teststand wurde eine mittlere Ereignisrate von0, 4Hz erreicht. So wurden bei einem Testlaufin 5 Tagen ca. 170.000 Ereignisse aufgenommen. Dies entspricht einer Datenmenge (bei 4 ausgelese-nen Detektoren) von1, 4GByte.Alle Verteilungen beziehen sich auf den Cluster im Ereignismit dergroßtenLadung.

4.1.4.2 Signalverteilungen

Abb. 4.4 a) zeigt eine typische Signal- uber Rauschverteilung fur den Detektor MF2-19. Es wurdedabei die TDR-Definition verwendet, da diese im Idealfall eine Landau-Verteilung liefern sollte. Diegemessene Verteilung ist im Bereich zwischen den Werten 36 und 200 mit einer Landauverteilungsehr gut vertraglich.Die Verschiebung des Maximums zu hoheren Werten und die Verbreiterung der Verteilung bei großerenClustern sind in Abb.4.4b) gut zu sehen. Der Grund ist, daß große Cluster im Mittel auch eine großereLadung haben. Dadurch verschiebt sich das Maximum nach rechts. DieVerteilungwird dadurch brei-ter, denn diejenigen Verteilungen mit großem Maximum liefern auch die Beitrage fur dieAuslauferder Gesamtverteilung.

4.1.4.3 Clustergroße

Fur das Gasgemisch Ne:DME ist eine mittlere Clustergroßevon2, 2 Streifen normal [30]. Bei diesenMessungen (siehe Abb.4.5) betragt sie allerdings 3,5 bei MF2-11 und gar 3,9 bei MF2-19. Dies kannman nur dadurch erklaren, daß auch einige schrage Spuren gemessen wurden, die deshalb eine großereLadungswolke im Gas erzeugt haben, und daß die Detektoren bei relativ hohen Spannungen betriebenwurden.


a) b)

0

200

400

600

800

0 100 200 300 400

Signal/Rauschen (TDR)

N

0

250

500

750

1000

1250

1500

0 100 200 300 400

ID

Entries

Mean

RMS

11000

111246

134.0

114.2

101.1 / 80

MAXVAL 1453.

MAXPROB 61.04

WIDTH 132.3

Signal/Rauschen (TDR)

N

Abbildung 4.4: MF2-19: a) typische Signal- uber Rauschverteilung b) Signal/Rauschen bei verschie-denen Clustergroßen. (1 bis 5)

4.1.4.4 Clusterhaufigkeiten pro Ereignis

Abb. 4.6 zeigt die Verteilung der Anzahl der in einem Ereignis gefundenen Cluster. Bei kosmischerStrahlung erwartet man in den meisten Fallen einen Clusterpro Ereignis, namlich denjenigen, der vondem Myon stammt, das den Trigger ausgelost hat. Zusatzlich gibt es ziemlich haufig Doppeltreffer,die vom Offline-Analyse-Programm getrennt werden.Im MF2-11 gibt es wesentlich mehr Ereignisse, in denen keineCluster gefunden wurden als im MF2-19. Dies liegt daran, daß MF2-11 trotz gleicher Spannungseinstellungen eine wesentlich geringereVerstarkung hatte. D.h. das Maximum seiner Signalverteilung war sehr klein, aber die Verteilungselbst war trotzdem sehr breit (nicht gezeigt). Der Grund hierfur konnte in der großeren Zahl vondefekten Streifen liegen (siehe Kap. 4.2.5.3).

4.1.4.5 Trefferbelegung

Abb. 4.7 zeigt, wie die Trefferbelegung des Detektors von der Lage im Teststand und der Trigger-Geometrie abhangt. MF2-19 liegt nur ca. 9 cm vom oberen Szintillator entfernt, wahrend MF2-11einen Abstand von ca. 18 cm vom unteren Szintillator besitzt. Dies hat zur Folge, daß der Winkelbe-reich fur mogliche Spuren, die durch die Randzonen des Detektors fuhren, beim MF2-19 aufgrund desgroßeren Hebels weiter ist als beim MF2-11. Deshalb sieht man an den Randern von MF2-11 einenstarken Abfall der Trefferhaufigkeit, wahrend MF2-19 diesen starken Abfall nicht zeigt.

4.1.4.6 Uniformitat

Abb. 4.8 zeigt, daß der Detektor uber weite Bereiche eine konstante Verstarkung hat. Allerdings gibtes Problembereiche, namlich die Rander der Detektoren und derϕ-crack, wo die Verstarkung deutlichkleiner ist. Es ist anzunehmen, daß dieses Problem wieder auf mangelnde Qualitat bei der Herstellungund den Schnitt der Substrate zuruckzufuhren ist.Bei diesen Testmessungen wird die Nicht-Uniformitat1−U(S) einer GroßeSk mathematisch als das


a) b)

0

5000

10000

15000

20000

25000

2 4 6 8 10

ID

Entries

Mean

RMS

14000

81204

3.454

1.300

Clustergröße [Streifen]

N

0

10000

20000

30000

40000

2 4 6 8 10

ID

Entries

Mean

RMS

14000

111246

3.872

1.177


NAbbildung 4.5: Verteilung der Clustergroße a) MF2-11 b) MF2-19)

Verhaltnis zwischen ihrer Standardabweichung und ihrem Mittelwert definiert: Je großer die Stan-dardabweichung ist, umso weniger uniform ist die GroßeSk.

U(S) = 1 −√

< S− < S >>

< S >

= 1 −

√1N

∑Nk=1(Sk− < S >)2

< S >

= 1 −

√√√√ 1

N

N∑

k=1

(Sk

< S >− 1

)2

(4.4)

Diese Rechnung wurde nun mit den fur die 64 Kathodengruppengefundenen S/R-Werten durch-gefuhrt. Man erhalt als Uniformitat83%.Bemerkung: Diese Definition versagt bei großen Fluktuationen vonSk. Die Folge ist, daßU(S) insolchen Fallen negativ wird.

4.1.4.7 Kathodenunterschwung

Eine Betrachtung von Treffer-Ereignissen zeigt, daß der Kathodenunterschwung umso tiefer liegt,je großer die Clusterladung (bezogen auf das kathodenkorrigierte Signal!) ist. Es sollte nun geklartwerden [31], wie der Kathodenunterschwung definiert werdenmuß, damit man eine mathematischeinfache Korrelation zwischen Unterschwung und Clusterladung erhalt.In Abb. 4.9 ist der UnterschwungeinesStreifens gegen diegesamteClusterladung aufgetragen: Be-reits an der 2-dimensionalen VerteilungN(x, y) kann man die Korrelation erkennen. Die ProjektionvonN(x, y) auf die Achse der Clusterladung

P (x) =

∫ ymax

ymin

y · N(x, y) dy (4.5)


a) b)

0

20000

40000

60000

80000

0 2 4 6

ID

Entries

Mean

RMS

30000

153323

0.7066

1.033

Anzahl der Cluster im Ereignis

N

0

20000

40000

60000

80000

0 2 4 6

ID

Entries

Mean

RMS

30000

153323

1.141

1.489

Anzahl der Cluster im Ereignis

NAbbildung 4.6: Clusterhaufigkeiten im Ereignis a) MF2-11 b) MF2-19

und ein Geraden-Fit anP (x) liefern das Ergebnis:

Kathodenunterschwung pro Streifengesamte Clusterladung

= 5% (4.6)

Die statistischen Fehler der Projektion sind mit eingezeichnet. Sie wachsen zu großeren Clusterladun-gen hin an, weil dort die Zahl der Eintrage sehr klein ist.Außerdem ist die lineare Korrelation beim MF2-19 viel besser, was man amχ2 des Fits erkennt,als beim MF2-11. Das liegt daran, daß, wie oben schon erwahnt, der MF2-11 bei den verwendetenSpannungseinstellungen ein sehr kleines Maximum seiner Signalverteilung besitzt (nicht gezeigt),und deshalb die Daten nicht so verlaßlich sind.

4.1.5 Zusammenfassung

In diesem Kapitel wurde gezeigt, daß die Elektronik zur Auslese der neuen MF2-Detektoren gut funk-tioniert: Das Pedestal ist sehr gut geeignet, Signal und Kathoden-Unterschwung aufzunehmen. DasEinzelstreifen-Rauschen ist nahezu gaußverteilt, und dieBreite des Rauschens uber der Streifennum-mer ist homogen.Von den naher untersuchten Detektoren liefert MF-19 eine Signal- uber Rauschverteilung, die sehr gutmit einer Landau-Verteilung vertraglich ist. Das Verhaltnis von Kathoden-Unterschwung pro Streifenund Clusterladung betragt5%.


a)

b)

0255075

100125150175200


N

0255075

100125150175200


N

Abbildung 4.7: Trefferbelegung a) MF2-11 b) MF2-19

0

20

40

60

80

0 250 500 750 1000

Substrate

0

20

40

60

80

0 250 500 750 1000

Chips

S/R

0

20

40

60

80

0 250 500 750 1000

Kathodengruppen

StreifenAbbildung 4.8: Detektor-Uniformitat: Signal- uber Rauschverteilung.


a1) b1)

a2) b2)

a3) b3)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

-0.2 -0.1 0 0.1 0.2

ID

Entries

Mean

RMS

19000

81204

-0.5062E-01

0.3939E-01

Kathodenunterschwung/Clusterladung

N

0

2000

4000

6000

8000

-0.2 -0.1 0 0.1 0.2

ID

Entries

Mean

RMS

19000

111246

-0.5496E-01

0.2511E-01

Kathodenunterschwung/Clusterladung

N

-500

-400

-300

-200

-100

0

0 2000 4000 6000 8000 10000

Clusterladung [ADC-Counts]

Kat

hode

nunt

ersc

hwun

g [A

DC

-Cou

nts]

-500

-400

-300

-200

-100

0

0 2000 4000 6000 8000 10000


Kat

hode

nunt

ersc

hwun

g [A

DC

-Cou

nts]

-500

-400

-300

-200

-100

0

0 2000 4000 6000

74.71 / 93

A0 -0.4700E-03

A1 -0.5447E-01


Kat

hode

nunt

ersc

hwun

g [A

DC

-Cou

nts]

-400

-300

-200

-100

0

0 2000 4000 6000

131.6 / 131

A0 -0.8007

A1 -0.5498E-01


Kat

hode

nunt

ersc

hwun

g [A

DC

-Cou

nts]

Abbildung 4.9: 1) Verteilung von Kathodenunterschwung/Clusterladung 2) Kathodenunterschwunguber Clusterladung 3) Projektion von 2) auf die Clusterladung-Achsefur a) MF2-11 b) MF2-19

4.2. TESTS VON MF2-PROTOTYPEN MIT PIONEN UND PROTONEN AM PSI 53

4.2 Tests von MF2-Prototypen mit Pionen und Protonen am PSI

4.2.1 Ziele

Am Beschleuniger im Paul-Scherrer-Institut (PSI; Schweiz) wurden im April 1999 das Verhalten desersten in Karlsruhe gebauten Prototyps und im November 1999weiterer 4 Prototypen (MF2) un-ter hoher Strahlenbelastung, wie sie spater auch am LHC herrschen wird, untersucht. Dabei sollteherausgefunden werden, wieviele Streifen wahrend dieserZeit Schaden nahmen, und wie stabil dieSignalverteilungen in Breite und Lage ihres Maximums waren. Einen Anhaltspunkt fur die Gefahrenbeim Betrieb bei hohen Strahlintensitaten gibt auch die Anzahl der elektrischenUberschlage. Ihr zeit-licher Verlauf wurde ebenfalls untersucht.Alle nun folgenden Untersuchungen beziehen sich,so weit nicht anders angegeben, auf denim Aprilgetesteten Prototypen.

4.2.2 Aufbau

Pionen durchlaufen einen Moderator und schlagen dabei Protonen heraus. Der Proton-Pionen-Strahldurchlauft dann eine Magnetoptik, die als Impulsfilter wirkt. Somit haben Protonen und Pionen da-nach denselben Gesamtimpuls. Fur unsere Zwecke sind die Protonen erwunscht, da sie in unseremFall, im Gegensatz zu den Pionen, hochionisierend sind. Siestellen daher eine extreme Belastung furdie zu testenden Detektoren dar.Mit einer Blende kann man die hohe Strahlintensitat von ca.5000 Teilchen pro mm2 und sec um meh-rere Großenordnungen auf ca. 1 bis 100 Teilchen pro mm2 und sec verringern [30], um Alterungser-scheinungen zu uberwachen. Die zu testenden Detektoren werden auf einer Halterung hintereinandermontiert, so daß der Strahl alle Detektoren durchlaufen kann.

4.2.3 Vorbereitende Messungen

Bevor erste Testmessungen begonnen werden konnen, muß dieAusleseverzogerung (Delay) bestimmtwerden. Nachdem ein Trigger ausgelost wird, muß diese Zeitbis zum Weitergeben des Hold-Signalszum Behalten der Daten in den PreMux-Kondensatoren abgewartet werden, da sich das Signal nichtsofort aufbaut (Vgl. mit Kap. 3.2.3). Zur Bestimmung des Delays, welches in der Großenordnung von10 bis 100ns liegt, werden geeignet lange Kabel mit bekannter Verzogerung verwendet. Das Delay,bei welchem die großten Signale gemessen werden, wird dauerhaft eingestellt. In diesem Fall warenes 80ns.

4.2.4 Stabilitat der Detektoreigenschaften

Bei der Auswertung der Daten wurde das Offline-Analyse-Programm ’tbeam’ [24] verwendet. Es liestdie von der Datennahme weggeschriebenen ZEBRA1 -Dateien und sucht in den Rohdaten nach allenClustern. Alle relevanten Informationen uber diese Cluster werden als spaltenweise n-Tuppel gespei-chert und konnen mit dem Datenanalyseprogramm PAW2 [32] sehr flexibel weiterverarbeitet werden.PAW beherrscht eine Fortran-ahnliche Makrosprache, die dies erleichtert.Als Schwellen fur die Clustersuche wurde3σ fur alle Streifen im Cluster und5σ fur dasCluster-S/R(Lyon-Definition) eingestellt. (In ’tbeam’ ist fur die Clustersuche nur die Lyon-Definition implemen-tiert.)

1Rohdatenformat, das am CERN entwickelt wurde2PhysicsAnalysisWorkstation


0

20

40

60

80

100

0 100 200 300

ID

Entries

Mean

RMS

4

3034

48.28

45.39

225.3 / 228

NORM 239.9

MAXPROB 23.17

WIDTH 5.746

S/R

N

0

5

10

15

20

25

0 200 400 600

ID

Entries

Mean

RMS

4

2788

169.9

120.2

S/R

N

0

20

40

60

80

100

120

0 100 200 300

ID

Entries

Mean

RMS

4

7155

61.73

56.20

301.8 / 288

NORM 601.7

MAXPROB 23.73

WIDTH 12.86

S/R

N

0

10

20

30

40

0 200 400 600

ID

Entries

Mean

RMS

4

5200

177.4

116.8

S/R

N

0

10

20

30

40

0 100 200 300

ID

Entries

Mean

RMS

4

3668

101.1

73.76

289.0 / 289

NORM 349.4

MAXPROB 30.57

WIDTH 35.00

S/R

N

0

5

10

15

20

25

0 200 400 600

ID

Entries

Mean

RMS

4

3018

193.7

128.2

S/R

N

a1)

b1)

c1)

a2)

b2)

c2)

Abbildung 4.10: typische Signal- uber Rauschverteilungen (TDR) des Prototyps a) Am Anfang b) inder Mitte c) gegen Ende des PSI-Tests 1) niedrige 2) hohe Strahlintensitat


a) b)

0

20

40

60

80

100

120

140

63000 63200 63400 63600

Runnummer

S/R

HI

LI

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 50 100 150

S/R

N

LI

HI

Abbildung 4.11: Signal/Rauschen (TDR) a) uber Zeit b) als Haufigkeitsverteilung

4.2.4.1 Signal- uber Rauschverteilung

Abb. 4.10 zeigt einige typische Signal- uber Rauschverteilungen am Anfang, gegen Mitte und gegenEnde des PSI-Tests, sowohl bei hoher (HI) als auch bei niedriger Strahlintensitat (LI)3.Gegen Ende wurde der Detektor bei hoheren Spannungen betrieben, dies hatte aber nur eine kleineVerschiebung desMaximumszu großeren Werten, jedoch eine starkeVerbreiterungder S/R-Verteilungbei LI zur Folge, was darauf schließen laßt, daß einige Streifen defekt geworden sein mussen.Auch die genau aufgetragene zeitliche Entwicklung (Abb. 4.11) zeigt, daß die Verstarkung bei LIweitgehend konstant war und bei HI kaum zugenommen hat.Bei HI ist das S/R-Verhaltnis beim Prototypen ca. 4-mal so hoch wie bei LI (Pile-Up). Das liegt daran,daß von ca. 10 bis 20 Clustern im Ereignis (HI) stets der großte ausgewertet wird. Dies hat zur Folge,daß systematisch diejenigen Cluster selektiert werden, die imAuslauferder LI-S/R-Verteilung liegen.Bemerkung: Die Nulleintrage im Haufigkeitsschaubild stammen von nicht auswertbaren S/R-Verteilungen,da in diesen Fallen z.B. die Statistik nicht ausreichend war.

4.2.4.2 Clustergroße

Der Pile-Up ist auch die Ursache fur die sehr großen Cluster (Abb. 4.12). Die breite Verteilung vonClustergroßen um3, 0 herum stammt von den bei LI gemessenen Clustern. Die großeren Eintragestammen von den großen Clustern bei HI.

3High-, Low-Intensity


a) b)

1

2

3

4

63000 63200 63400 63600

Runnummer

Clu

ster

größ

e [S

trei

fen]

HI

LI

0

20

40

60

1.5 2 2.5 3 3.5


N

HI

LI

Abbildung 4.12: Clustergroße a) uber Zeit b) als Haufigkeitsverteilung

4.2.5 Gefahrenquellen fur die Detektorfunktion

4.2.5.1 elektrischeUberschlage (Entladungen)

Gerade bei hohen Strahlintensitaten ist der Detektor aufgrund vieler Ionen im Gasraum empfind-lich fur elektrischeUberschlage zwischen seinen Bauteilen.Uberschlage zwischen der Unterseite derGEM-Folie und dem Substrat [30] sowie zwischen Kathoden- und Anodenstreifen wirken sich sehrzerstorerisch auf die Anodenstreifen aus. Die Entladung kann wahrend 20ms einen Strom von 50nAund somit eine Ladung von 1 nCb deponieren [33], was dem104- bis 105-fachen der normalen Clu-sterladung (siehe Seite 19) entspricht! Deshalb ist man daran interessiert, den Detektor so zu betrei-ben, daß moglichst wenigUberschlage auftreten. Dies erreicht man durch Anlegen niedriger Felder(d.h. Spannungen). Dabei muß man aber darauf achten, daß diefur den Einsatz bei CMS minimalvorgesehene Verstarkung erreicht wird. Bei diesem Prototypen ist dies zumindest uber weite Streckengelungen, wie Abb. 4.13 zeigt. Gegen Ende jedoch nahm dieUberschlagrate stark zu, was auf diedann hoch eingestellten Spannungen zuruckzufuhren ist.

4.2.5.2 zu hohe Strome durch den Detektor (Trips)

Eine Entladung ist ein sehr hoher Strom, der nur wahrend kurzer Zeit auftritt und deshalb nur wahrenddieser Zeit eine Gefahr darstellt.Auf Dauer gefahrlich sind aber auch lang anhaltende (mehrere Sekunden) erhohte Strome. Die Hoch-spannungsversorgung ist so programmiert, daß sie in einem solchen Fall sowohl die betreffende alsauch eng mit ihr verknupfte Spannungen abschaltet. Z.B. w¨urde die GEM-Folie zerstort, wenn nur


0

25

50

75

100

63000 63200 63400 63600

Runnummer

N

Abbildung 4.13: Anzahl der Entladungen uber Runnummer

25

26

27

28

29

30

63000 63200 63400 63600

Runnummer

N

Abbildung 4.14: Anzahl der verlorenen Streifen uber Runnummer

eine Seiteauf Null heruntergefahren wurde, da in diesem Fall das Feldzwischen den beiden GEM-Seiten sehr groß werden und die GEM-Folie zerstoren wurde.Leider konnte die Spannungsdifferenz zwischen GEM-oben und GEM-unten nicht hoher als350Veingestellt werden, da sonst sehr oft die Strome durch die GEM-Folie zu hoch wurden. Dies laßt aufeinen Defekt oder verminderte Qualitat schließen, da bei jungeren Tests am PSI mit neuen DetektorenDifferenzen um450V erreicht wurden.

4.2.5.3 Verlorene Streifen

Die in Kap. 2.4.4 beschriebenen Verfahren zum Auffinden defekter Streifen sollen nun auf die MF2-Protoypen angewandt werden.

Fur den im April getesteten Prototypen ist die Anzahl der Streifen, die anhand der Methode des Strei-fenrauschens wahrend eines Runs als defekt identifiziert wurden, in Abb. 4.14 aufgetragen. Darinerkennt man, daß relativ viele Streifen (26) bereits am Anfang (vermutlich) gebrochen waren. Diesverwundert auch nicht, da die Substrate des Prototyps eine sehr schlechte Qualitat hatten, wie Unter-suchungen mit einem Mikroskop vor dem Zusammenbau des Detektors gezeigt haben. Wahrend desPSI-Tests sind nur weitere 3 Streifen gebrochen, was aber noch lange nicht die Zahl der insgesamt


verlorenenStreifen sein muß. Denn außerdem erkennt man in Abb. 4.15 , daß einige Streifen miterhohtem Rauschen, vor allem zwischen 900 und 950, hinzugekommen sind. Dies laßt wahrschein-lich darauf schließen, daß sich an diesen Streifen Schmutz niedergeschlagen hat, der bei elektrischenUberschlagen entstanden ist, als gegen Ende des Tests die Spannungen hochgefahren wurden.Aufgrund von wenig signifikanten Ereignissen ineinemRun konnte die Methode der Untersuchungder Trefferbelegung nicht angewandt werden.

0

5

10

15

200 400 600 800 1000

Rau

sche

n [A

DC

-Cou

nts]

0

5

10

15

200 400 600 800 1000

0

5

10

15

200 400 600 800 1000

Streifen-Nr

a)

b)

c)

Abbildung 4.15: Streifenrauschen a) Am Anfang b) in der Mitte c) gegen Ende des PSI-Tests

In einer weiteren Teststrahlperiode am PSI im November 1999wurden auch die neuen MF2-Detektoren auf Strahlenfestigkeit getestet. Dieselben Detektoren, die vorher im Kapitel 4.1 beschrie-ben wurden, wurden nach diesem Test noch einmal vermessen (siehe Abb. 4.3 und 4.7). Mit Hilfe derTrefferverteilung und des Streifenrauschens wurden fur beide Detektoren die in Kap. 2.4.4 beschrie-benen Methoden, um defekte Streifen zu finden, sowohl mit vordem PSI-Test als auch den danachgenommenen Daten angewandt. Das Ergebnis ist in Tabelle 4.2zusammengefaßt.


Rauschen(R) Treffer(T) R oder T R und TMF2-11

vorher 23 16 30 9nachher 31 43 44 30Verlust 8 27 14 21

MF2-19vorher 3 9 11 1nachher 8 19 24 3Verlust 5 10 13 2

Tabelle 4.2: Anzahl der defekten/toten Streifen (MF2)

Selbstverstandlich wurde darauf geachtet, daß die Streifen, die aufgrund einer bestimmten Methodevorherdefekt waren, auchdanachnoch defekt waren: In 3 Fallen mußten defekte Streifen ’verworfen’werden, weil sie nach dem PSI-Test nicht mehr ’defekt’ waren.Interessanterweise hat MF2-11 aufgrund von MethodeR oder T weniger Streifen verloren als auf-grund vonR und T. Dies liegt daran, daß fast alle rausch-defekten Streifendanachauch treffer-defektwaren.

Nach dem weniger strengen KriteriumR und T haben MF2-11 21 Streifen, also2%, und MF2-19lediglich 2 Streifen, also0, 2%, verloren.


4.3 Test des ersten MF2-Prototypen mit Myonen im X5-Experiment

4.3.1 Ziele

Es sollten die wichtigen Qualitatsmerkmale einer MSGC+GEM gemessen werden, namlich Effizienz,Reinheit und Ortsauflosung. Dies sind, neben Anzahl und Lage der defekten Streifen, die wichtigstenInformationen, die man fur den Betrieb des Detektors im Tracker benotigt.

bari2 1

bari4 3

Proto-typ

Strahl

4949 453289

Abbildung 4.16: Aufbau am X5

4.3.2 Aufbau

In Abb. 4.16 ist der Aufbau des Tests im Juni 1999 am X5-Experiment skizziert. Er besteht aus einemhochauflosendem Siliziumstreifen-Teleskop mit 4 Detektorlagen (Bari 1-4) und dem MSGC+GEM-Protoypen. Einzelheiten zum verwendeten Teleskop werden in Kap. 4.3.4 erklart.Es wurde ein Myonenstrahl hoher Energie (100 GeV [34]) und niedriger Intensitat (Großenordnung 1Myon pro mm2 und sec) verwendet.

4.3.3 Einstellung der Betriebsparameter

Wie ublich mußte wieder die notige Ausleseverzogerung bestimmt werden (siehe Abb. 4.17). Dabeiwurden auch drei Werte fur das Drift- und Transferfeld eingestellt und die zugehorige Verzogerungszeitbestimmt. Man sieht, daß sie bei hoheren Feldern abnimmt, was auch nicht verwundert, da die Elek-tronen und Ionen im hoheren Feld schneller driften, und deshalb diegesamteSignalentstehungszeit,d.h. die einzustellende Verzogerung, geringer ist. Da dasMaximum der Verstarker-Signalentstehungs-kurve (Abb. 2.5) sehr flach ist, und da die zu den 3 Feldern geh¨orenden Verzogerungszeiten nah bei-einanderliegen, war es nicht erforderlich, sie den gerade verwendeten Feldern anzupassen.Als Gasgemisch wurde wieder Ar:CO2 70:30 verwendet, um Vergleichsmoglichkeiten zum PSI-Testzu haben. Denn es sollten wieder diejenigen Spannungen eingestellt werden, bei denen der DetektordamalsUberschlag-frei lief, was bei dem Prototypen unverstandlicherweise nicht mehr gelang! Sowurde wenigstens versucht, ahnliche Werte einzustellen.Eine typische Signal- uber Rauschverteilungist in Abb. 4.17 zu sehen.

4.3. TEST DES ERSTEN MF2-PROTOTYPEN MIT MYONEN IM X5-EXPERIMENT 61

0

5

10

15

20

25

30

35

0 10 20 30 40 50 60

2.5kV/cm 3.0kV/cm 4.0kV/cmVerzögerung [ns]

S/R

0

20

40

60

80

100

120

140

0 50 100 150 200 250

ID

Entries

Mean

RMS

4

9451

61.84

47.85

272.4 / 231

NORM 820.6

MAXPROB 31.66

WIDTH 14.05

S/R

N

a) b)

Abbildung 4.17: a) S/R uber Verzogerung, b) typische S/R-Verteilung

4.3.4 Spurrekonstruktion

Fur die Offline-Clustersuche wurden wieder ’tbeam’ und dieselben Schwellen, wie in Kap. 4.2.4 be-schrieben, verwendet.Um die Ortsauflosung, Effizienz und Reinheit bestimmen zu k¨onnen, mussen die Spuren der Myo-nen rekonstruiert werden. Dafur steht ein Siliziumstreifenteleskop (Bari) mit 4 Einzeldetektoren mitjeweils einer x- und y-Lage zur Verfugung. Dieses Teleskopwurde ebenfalls ausgelesen und seineDaten zusammen mit den anderen Detektordaten weggeschrieben.

Man kann nun die Teleskopdetektoren behandeln wie jeden anderen Detektor auch. Man muß al-lerdings beachten, daß ihre Streifen parallel, in dem Prototypen aber radial verlaufen. Deshalb mußder Prototyp in Polarkoordinaten behandelt werden.Um feststellen zu konnen, welche Treffer in den einzelnen Teleskop-Detektoren und dem zu testendenDetektor zusammengehoren, muß zuerst die Lage aller Detektoren in einem beliebigen Koordinaten-system festgestellt werden (Alignment). Dazu werden dem Programm [35] Startwerte, also ungefahrePositionen, ubergeben. Dabei sind, wie gesagt, nur die Relativpositionen interessant. Das Programmlegt nun durch alle getroffenen Cluster der beteiligten Detektoren diejenige Spur, die von allen Clu-stern die geringste (quadratische) Abweichung besitzt. Als Ort eines Clusters mitN Streifen der


a) b)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

-0.4 -0.2 0 0.2 0.4

x 10-3

ID

EntriesMean

RMS

30810

6772 0.8220E-05

0.2916E-02 82.26 / 10

Constant 1523.

Mean 0.1782E-06Sigma 0.6718E-04

Spurabweichung [rad]

N

0

100

200

300

400

500

600

700

800

-0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06

ID

Entries

Mean

RMS

92072

4035

0.1043E-04

0.8695E-02

10.20 / 11

Constant 735.7

Mean 0.2509E-04

Sigma 0.8741E-02

Spurabweichung [mm]

N

Abbildung 4.18: Residuen a) Prototyp,ϕ−Richtung b) 4.Teleskop-Lage, y-Richtung

AmplitudenAk wird dabei sein Schwerpunkt4 verwendet:

CoG =

∑Nk=1 Ak · k

∑Nk=1 Ak

(4.7)

Dies wird fur alle Ereignisse des Testlaufs gemacht und dieGesamtabweichung bestimmt. Nun wer-den die Positionen mit Hilfe der Abweichungen variiert, unddie eben beschriebene Prozedur wirdsolange wiederholt, bis man diejenigen Positionen gefunden hat, fur die die Summe aller Spurabwei-chungen minimal ist. Dieses Alignment muß sehr genau gemacht werden, namlich in der Großenordungder Ortsauflosung des Detektors (≈ 50µm).Nun weiß man, wie die Detektoren zueinander angeordnet sind, und man kann die oben genanntenGroßen bestimmen. Eine typische Spurabweichungsverteilung fur die y-Richtung der 4.Lage des Te-leskops ist in Abb. 4.18 b) zu sehen.

4.3.5 Effizienz

Die Effizienz eines Detektors gibt an, bei welchem Anteil dervon dem Teleskop rekonstruierten Spu-ren der Detektor auch einen Treffer innerhalb eines bestimmten Bereichs um den vom Programmvorhergesagten Durchstoßpunkt der Spur herum gesehen hat.Als Schwelle, wann ein Cluster als zur Spur gehorend akzeptiert wurde, wurde das 3-fache der Breitedes Spur-Abweichungs-Residuums gewahlt (Abb. 4.18 a):

∆ϕ ≤! 3σ (4.8)

4Centerof Gravity


a) b)

90

91

92

93

94

95

96

97

98

99

100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

S/R

Effi

zien

z [%

]

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

0 20 40 60 80 100

S/R

Rei

nhei

t [%

]

Abbildung 4.19: a) Effizienz b) Reinheit uber S/R

Dabei bezeichnet∆ϕ die Winkelabweichung. Man zahlt nun solche Spuren, bei denen der Trefferinnerhalb des Intervalls liegt und setzt diese Zahl ins Verhaltnis zur Gesamtzahl der Spuren. DasErgebnis ist die Effizienz des Detektors fur die eingestellte Verstarkung:

E =

∫ 3σ

−3σN(∆ϕ)d∆ϕ

Nges(4.9)

Man sieht namlich in Abb. 4.19 a), daß die Effizienz mit dem Maximum der Signal- uber Rausch-verteilung zunimmt und in eine Sattigung, in unserem Fall bei ca.97%, kommt. Dies liegt daran, daßbei geringen Verstarkungen der Detektor schlicht manche Cluster ’ubersieht’. Der Punkt, wann dieSattigung erreicht ist, liegt bei einem S/R-Wert von ca. 20bis 25. Seine Bestimmung ist sehr wich-tig, weil man damit auch die maximal sinnvolle Verstarkungkennt. Großere Verstarkungen sind nichtmehr sinnvoll, weil keine Effizienz hinzugewonnen wird.

4.3.6 Reinheit

Die Reinheit gibt Auskunft uber den Anteil der ’richtigen’Cluster in der Gesamtzahl von Clustern[31]: Im Niedrigraten-Myonenstrahl am X5 erwartet man nur einen Cluster pro Ereignis. Man fin-det aber, je nach eingestellter Verstarkung, im Mittel mehr als einen Cluster pro Ereignis. Dies liegtdaran, daß das Gasvolumen auch auf andere Weise als aufgrundeines getriggerten Teilchendurch-gangs ionisiert werden kann: z.B. durch kosmische Strahlung oder elektrischeUberschlage. Diesefreien Ladungen werden nun ebenso verstarkt. Je nach eingestellter Gasverstarkung reichen die Se-kundarladungen aus, um einen Cluster aufzubauen.


Da die Verhaltnisse am X5-Strahl so sind, daß nur ein Cluster pro Ereignis erwartet wird, konnte einesehr einfache Definition fur die Reinheit verwendet werden:

R =Anzahl der Ereignisse im Testlauf

Gesamtzahl der im Testlauf gefundenen Cluster(4.10)

Abb. 4.19 b) zeigt die Reinheit uber der Verstarkung aufgetragen. Sie nimmt mit zunehmender Verstarkungstark ab, bis sie bei S/R=80 nur noch ca. 50% betragt. Das bedeutet, daß die Halfte aller Cluster falscheCluster sind! Dies ist fur den Betrieb in einem Tracker nicht akzeptabel. Deshalb muß, und nicht nuraus diesem Grund, darauf geachtet werden, den Detektor bei moglichst geringen Verstarkungen zubetreiben.Der Grund fur diesen hohen Anteil an falschen Clustern liegt in der schlechten Qualitat der im Proto-typen verwendeten Substrate.

a) b)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

0 20 40 60

S/R

Clu

ster

größ

e [S

trei

fen]

40

42

44

46

48

50

52

54

56

58

60

0 20 40 60

S/R

Auf

lösu

ng [µ

m]

Abbildung 4.20: a) Clustergroße b) Auflosung uber S/R

4.3.7 Ortsauflosung

Eine Verteilung der Abweichungen der Clusterschwerpunktevon der im Prototypen vorhergesagtenSpur ist in Abb. 4.18 a) zu sehen. Die Breite dieser Verteilung (σϕ) dient als Grundlage fur die Be-rechnung der Ortsauflosung des Detektors, d.h. die Genauigkeit, mit der der Durchstoßpunkt einerSpur angegeben werden kann. Denn die Breite gibt Auskunkt daruber, wie stark die Spuren um den’wahren’, d.h. von dem Teleskop vorhergesagten, Durchstoßpunkt herum gestreut sind.Allerdings muß man diese Breite noch mit einigen Korrekturen versehen, denn die Spurvorhersagedes Teleskops ist auch mit einer Unsicherheit behaftet, da es auch eine endliche Ortsauflosung besitzt.Es ist dabei die Ortsauflosung einer der Detektoren iny-Richtunginteressant (σy ≈ 10µm), da der


Prototyp mit den Streifen etwa parallel zur x-Achse montiert war. Daß die Streifen des Prototyps ei-gentlich radial verlaufen und deshalb auch die x-Auflosungdes Teleskops in die Korrektur einfließenmußte, spielt hier eine untergeordnete Rolle, da die Korrekturen ohnehin nicht sehr groß sind, wieman spater sieht, und da die Abweichung der Lage der (getroffenen) Streifen von der Senkrechtenaufgrund der kleinen Winkelausdehnung des Strahls von ca.3◦ nicht sehr groß ist.Diese y-Auflosung, die ja als Lange angegeben ist, muß man nun in einen Fehler inϕ-Richtungam Ortdes Prototypenumrechnen: Der Winkelfehler beim Prototypen ist der Quotient aus y-Auflosung undAbstand des Teleskopdetektors vom Prototypen. Dabei wurdeder Abstand derjenigen y-Lage vomPrototypen verwendet, die ihm am nachsten stand, alsodmin ≈ 290mm, denn dieser y-Fehler liefertden großten Beitrag zumϕ-Fehler. Es wurde darauf verzichtet, die y-Fehler der weiteren Teleskop-Detektoren in die Korrektur mit einzurechnen. Da es sich um statistische Fehler handelt, werden dieKorrekturen quadratisch durchgefuhrt.Hat man nun den Fehler inϕ-Richtung, so muß man diesen Wert in eine Lange senkrecht zudenStreifen umrechnen. Dazu wird der Abstand des Detektorbereiches, von dem man die Ortsauflosungbestimmen will, vom (imaginaren) Mittelpunkt des Detektors benotigt. Fur den Bereich, der vomMyonenstrahl getroffen wurde, lieferte das Alignment einen Abstandswert vonr ≈ 880mm. DieAusdehnung des Strahls von ca.30mm wird hierbei vernachlassigt.Aus allen genannten Korrekturen und Umrechnungen ergibt sich nun die Ortsauflosungσ zu:

σ =

√

σ2ϕ −

(σy

dmin

)2

· r (4.11)

=√

σ2ϕ − (34µrad)2 · 880mm (4.12)

Fur das in Abb. 4.18 a) gezeigte Residuum ergibt sich eine Breite von67µrad und damit eine Winkel-Auflosung von58µrad. Die Korrektur verbessert also die Ortsauflosung etwas, aber nicht so sehr, daßsich weitere, feinere Korrekturen lohnen wurden.Diese Rechnung wurde fur mehrere Testlaufe bei verschiedenen Verstarkungen durchgefuhrt. Das Er-gebnis ist in Abb. 4.20 b) zu sehen: Die Ortsauflosung wird besser mit zunehmender Verstarkung.Dies liegt daran, daß die Cluster bei zunehmender Gasverst¨arkung großer werden (siehe Abb. 4.20 a).Somit ist fur die Bestimmung des Schwerpunkts eine bessereStatistik vorhanden, was den statisti-schen Fehler der Schwerpunktsbestimmung und damit die Ortsauflosung verbessert. Aber auch hiertritt die Ortsauflosung bei 50µm und S/R≈ 25 in die Sattigung ein. Dies ist ein weiterer Grund dafur,daß es sich nicht lohnt, den Detektor bei hoheren Verstarkungen zu betreiben.

Kapitel 5

Diskussion und Ausblick

5.1 Resumee

Diese Arbeit beschreibt die Untersuchung der Eigenschaften des neuen Detektorkonzepts ’Mikrostrei-fen-Gaskammer mit Gas-Elektron-Vervielfacher-Folie’ f¨ur den außeren CMS-Vorwartstracker.Im Teststand fur kosmische Myonen wurden ihre Betriebsparameter zum ersten Mal eingestellt undihre grundlegende Funktionsfahigkeit durch ein neu entwickeltes Online-Auswerteprogramm demon-striert. Ausfuhrliche Untersuchungen der Testdaten wurden mit ebenfalls neu entwickelter Offline-Analyse-Software durchgefuhrt. Dabei wurden sehr gute Signaleigenschaften und Rauschverhaltnissefestgestellt: Der S/R-Wert liegt bei den gewahlten Einstellungen bei 60 und das Rauschen ist sehrhomogen. Die von den Kathoden-Stromen verursachte Absenkung des Gleichspannungspegels derAnoden wurde zu 5% des Clustersignals quantifiziert. Die Uniformitat der Detektoren wurde vermes-sen und zu 80% bestimmt.Im Teststrahl wurde mit Myonen eine Ortsauflosung von 50µm erreicht bei einer Effizienz von 97%und bei einem S/R-Wert ab 20.Teststrahlmessungen mit stark ionisierenden Protonstrahlen ergaben geringe Streifenverluste. Im Milestone-Test am PSI im November wurde demonstriert, daß das MSGC-Konzept sich zum Serienbau eignetund eine Alternative zu anderen Mikrostreifen-Detektoren(z.B. Silizium-Zahler) geworden ist.

5.2 Weiterer Ausbau des Teststandes

5.2.1 Siliziumstreifen-Detektoren

Auch wenn der CMS-Vorwarts-Tracker trotzdem mit Siliziumstreifen-Detektoren ausgestattet werdensollte, kann der Teststand mit wenigen Veranderungen weiterhin genutzt werden:

• Die Hochspannungsversorgung kann auf niedrigere Spannungen umgestellt werden.

• Das Gasversorgungssystem wird uberflussig.

Die Analyse-Software muß modifiziert werden:

• Die Korrektur auf Kathodengruppen entfallt.

• Das Streifenrauschen muß neu untersucht werden.

67

68 KAPITEL 5. DISKUSSION UND AUSBLICK

• Die neue Signalform muß berucksichtigt werden.

5.2.2 Der APV-Auslesechip

Die PreMux-Ara ist zu Ende. Mit dem schnelleren Auslesechip der neuen Generation (APV1) sollendie Detektoren nun bestuckt werden. Auch in diesem Fall istnach einigen Veranderungen eine weitereVerwendung des Teststandes moglich:

• Der Sequenzer muß durch einen Front-End-Kontroller (FEC) ersetzt werden. Glucklicherweiseist er in unserem Fall als VME-Karte realisiert.

• Die schwierigste Aufgabe besteht nun darin, im Auslese-Unterprogramm den neuen Auslese-zyklus zu programmieren und auf den FEC abzustimmen. Vereinfachend ist hier, daß es sichnur umeinUnterprogramm des Datennahme-Programms handelt. Die anderen Teile dieses Pro-gramms sowie alle anderen Programme konnen unverandert bleiben.

• Die Kommunikation zwischen dem FEC und der im Teststand verwendeten Triggerlogik mußverstanden werden.

5.2.3 Serienfertigung der Detektoren fur den CMS-Vorwarts-Tracker

In 2 bis 3 Jahren soll in Karlsruhe mit der Massenproduktion von mehreren hundert Detektormodulenbegonnen werden. Dazu muß, unabhangig von den bisher erwahnten Veranderungen, der Teststand soumgebaut werden, daß ein schneller und vor allem automatischer Test vieler Detektoren gleichzeitigmoglich ist. Dabei sind die folgenden Umbaumaßnahmen notwendig:

• Zunachst muß der Ein- und Ausbau von Detektoren stark vereinfacht werden. Dazu ist einBaukastensystem angedacht: Jeder Detektor und Triggerszintillator wird in eine flache, nach2 Seiten offene (fur Auslese und Spannungsversorgung) Aluminiumbox geschoben. Die Bo-xen werden miteinander befestigt. Die Zahl der Szintillatoren und der zu testenden Detektorenbestimmt die Zahl der Boxen, die gestapelt in den Teststand gestellt werden.

• Auch der Anschluß von Auslese und Spannungsversorgung muß vereinfacht werden.

• Der Auslesevorgang muß vereinfacht werden: Es sollen moglichst wenig Einstellungen anDetektor-Parametern und Schwellen fur die Clustersuche notig sein. Die Testlaufe sollen aufder Festplatte automatisch verwaltet werden. Der Benutzersoll lediglich in ein elektronischesTestlauf-Logbuch und eine Detektordatenbank Kommentare eintragen.

• Da nun viele DetektorengleichzeitigDaten liefern, sollen auch Spurrekonstruktionen durch-gefuhrt werden.

• Die Daten sollen moglichst vor Ort grundlich prozessiertwerden. Die Histogramme hieraussollen automatisch ausgewertet werden: Suche nach dem Maximum von Signal- uber Rausch-verteilungen, Zahlen von verlorenen Streifen, sowie die Bestimmung von Effizienz, Reinheitund Ortsauflosung. Die Software soll anhand dieser Ergebnisse eine Bewertung der Qualitatdes Detektors abgeben.

1AnalogPipelineVoltage type

5.3. TESTS MIT KOSMISCHER STRAHLUNG 69

• Es werden sehr große Datenmengen anfallen. Bei 20 Detektoren a 1000 Streifen und einer Ratevon 0.5 Hz sind das 1.7GByte pro Tag! Deshalb ist an eine Kompression der Daten gedacht:Man speichert nur dieDifferenzder pedestal-korrigierten Signale zweier benachbarter Streifen[36], denn im wesentlichen handelt es sich hierbei um Rauschen. Dadurch muß man nicht mehr16 Bit, sondern nur noch 4 bis 6 Bit pro Streifen speichern. Ist die Differenz aufgrund einesTreffers großer als26 = 64, so wird dies in einem Kontrollbyte vermerkt und danach der Kanaleinmalig in 16 Bit Breite geschrieben. Der Gewinn ist mit dieser Methode also etwa 60 bis 75%.Da ohnehin nur der großte Cluster im Ereignis interessant ist, kann man auch nur den getroffe-nen Bereich speichern. Er muß fur Signalkorrekturen groß genug sein: 32 bis 64 Streifen. DieErsparnis bei einem 1000-Streifen-Detektor ist damit 94 bis 97%!

• Die Bedienung der Spannungsversorgung und dieUberwachung der Umgebungsbedingungen(SlowControl) sollte bequem mit Hilfe desselben PCs und demselben Programmpaket, das dieAuslese steuert, moglich sein.

• Weil ein automatisches Abschalten der Spannungsversorgung bei zu hohen Stromen (Trips)einen Zeitverlust darstellt, da Daten ohne Teilchensignale aufgenommen werden, soll der Ope-rateur des Teststandes automatisch per email davon unterrichtet werden.

Zuletzt sollen noch Moglichkeiten und Einschrankungen von Tests mit kosmischer Strahlung und beiStrahlzeiten diskutiert werden.

5.3 Tests mit kosmischer Strahlung

Die Vorteile von Tests mit kosmischer Strahlung sind:

• Man kann die Tests am Ort der Endfertigung durchfuhren. Baufehler konnen somit sofort ent-deckt und behoben werden.

• Die Meßanordung kann schnell und mit geringem Aufwand in Betrieb genommen werden.

• Beim Betriebeines Teststandes fallen geringe Kosten an.

Die Nachteile liegen aber auch auf der Hand:

• Nicht jedes ausgelesene Ereignis enthalt einen (brauchbaren) Cluster, weil manche Spuren zwaralle Szintillatoren, aber nicht alle Detektoren treffen (siehe Abb. 3.1). Die Folge ist, daß einigeunnutze (=25% aller) Ereignisse weggeschrieben werden.

• Dieser Sachverhalt und die niedrige Rate an kosmischen Teilchen erfordert eine lange Daten-nahme fur signifikante Verteilungen, namlich ca. 5 Tage f¨ur 170.000 brauchbare Cluster.

• Die Spuren verlaufen nicht immer senkrecht zum Detektor. Die Clusterladung wird zu groß,wenn die Spur sehr schrag ist: Bei einem Winkel von30◦ gegenuber der Senkrechten immer-hin um den Faktor1.15. Somit kann bei ungunstigen Trigger-Geometrien die Signalverteilungverzerrt werden.

• Belastungstests unter hohen Teilchenintensitaten sind selbstverstandlich auch nicht durchfuhrbar.

70 KAPITEL 5. DISKUSSION UND AUSBLICK

5.4 Strahlzeiten

’Abhilfe’ bei den meisten der genannten Nachteile schaffenStrahlzeiten, d.h. Tests am Teilchenbe-schleuniger.

• Es konnen viele (bis ca. 40) Detektoren gleichzeitig getestet werden.

• Die Triggerraten sind viel hoher.

• Die Spuren verlaufen stets senkrecht zum Detektor.

• Strahlenbelastungstests konnen am PSI durchgefuhrt werden.

• Am X5/CERN hat man fur Spurrekonstruktionen nicht nur ein Siliziumstreifen-Teleskop undebensogroße Triggerszintillatoren zur Verfugung, sondern die Teilchenraten sind zum einenhoch genug, daß man in kurzer Zeit genugend Ereignisse fursignifikante Verteilungen genom-men hat, aber zum andern klein genug, daß die Spurrekonstruktion aufgrund von Vielfachtref-fern nicht zu schwierig wird.

Die Nachteile solcher Strahlzeiten sind aber auch offensichtlich.

• Sie sind teuer: Betreuungspersonal muß sich vor Ort mehrereWochen aufhalten. Die Inan-spruchnahme von Experimentierraum kostet Geld.

• Der Aufbau ist umstandlich und deshalb zeitraubend: Die Elektronik der aus verschiedenenInstituten mitgebrachten Detektoren muß aufeinander abgestimmt werden. Defekte, die durchden Transport entstanden sind, mussen behoben werden.

• Die Daten sind schwer zu bearbeiten: Der Zugriff auf die Magnetbander ist zeitraubend. DasDateiformat (ZEBRA) ist schwer handhabbar. Deshalb konnen bestehende Analyseprogrammenur schwer aktualisiert oder von Fehlern befreit werden.

• Die Analyse muß an oft uberlasteten Rechnern vor Ort durchgefuhrt werden, da die großenRohdatenmengen nicht zum Heimatinstitut ubertragen werden konnen. Die Wartezeit bis zuden ersten Ergebnissen kann deshalb recht lange sein.

• Es ist zumindest am PSI kaum eine Reaktion auf neue Probleme mit einemeinzelnenDetektormoglich, da der Zutritt zum Strahlbereich bei eingeschaltetem Strahl ausgeschlossen ist.

• Reparaturen sind bei Strahlzeiten immer schwierig, weil die Detektoren, auf der Bank montiert,schwer zuganglich sind. Abmontieren ist auch nur mit einigem Aufwand moglich.

Fazit: Bevor man Detekoren in einer aufwendigen und teuren Strahlzeit testet, sollte man sie soausfuhrlich wie moglich im Teststand vermessen, um moglichst viele Defekte entdecken und behebenzu konnen.

Anhang A

Beschreibung der Onlineprogramme

Die LabView-Kontroll-Fenster der hier beschriebenen Programme sind in den Abbildungen A.1 bisA.3 auf den Seiten 77 bis 79 abgedruckt.

A.1 VME-Bus

Alle Programme, die auf den VME-Bus zugreifen, enthalten eine Variable ’Bus-Fehler’ (Bus Error).Diese Variable wird nachjedemBus-Zugriff abgefragt, und ihre Anzeige wird so bald als moglichaktualisiert.Ein Bus-Fehler wird meistens dadurch verursacht, daß der Benutzer vergißt, vor der LabView-Sitzungdas Programm zu starten, welches die VXI-Interface-Karte fur die Verwendung bereit gemacht.

A.2 Verwaltung der VXI-Bibliothek

Falls ein LabView-Programm die VXI-Bibliothek verwendet,muß diese zuvor geoffnet werden. Da-mit dies nicht verschiedene Programme mehrmals tun, darf nur das erste Programm, das die Bibliothekverwendet, diese offnen. Das letzte dieser Programme schließt sie wieder. Um zu verhindern, daß derBenutzer den Standard-Stop-Knopf von LabView verwendet, dadurch das Programm vorzeitig been-det und somit ein Schließen der Bibliothek verhindert, wurde dieser Knopf in diesen Programmenentfernt, und der Benutzer wird aufgefordert, nur den im Programm zur Verfugung gestellten Stop-Knopf zu verwenden.close VXI Lib statusgibt an, ob die VXI-Bibliothek nach Beendigungdes letztenauf die Bibliothek zugreifenden Programms korrekt geschlossen wurde.

A.3 Pulser

Das ProgrammPulsersteuert die VME-Pulserkarte. Mit dem Schiebeschalterfrequencykann man dieFrequenz stufenlos von 10 bis 1000 Hz einstellen.Die Basisadresse der Pulserkarte im VME-Bus wird inscmpBaseeingestellt. Darunter befindet sichder Schalter zum Ein- und Ausschalten des Pulsers.Mit den SchalternS2 cal delayund cal tr delay kann man die Verzogerungszeiten zwischen denverschiedenen Pulserausgangen einstellen.

71

72 ANHANG A. BESCHREIBUNG DER ONLINEPROGRAMME

A.4 Konfigurationsprogramm

Das Konfigurationsprogramm ermoglicht dem Benutzer, alleEinstellungen vorzunehmen, die fur dieDatennahme und dieOnlineauswertung relevant sind. Die aktuelle Konfiguration wird ¨uber eine glo-bale Variable den ProgrammenAuslese, AnzeigeundOnline-Monitormitgeteilt. Da diese Programmeohne Konfiguration nicht arbeiten konnen, wird vom Benutzer verlangt, vor den 3 genannten Pro-grammen die Konfiguration zu starten.Es ist moglich, mehrere Detektoren, ja sogar mehrere FADCsauszulesen. Ein SBM ist in der Lage,mehrere Detektoren auszulesen (Kap. 3.2.4). Der Benutzer muß nun auf dem SBM verfolgen, wie derToken von Detektor zu Detektor weitergegeben wird.Beispiel:Es werden die 3 Detektoren A bis C (jeweils 1024 Streifen) mitdemselben SBM ausgelesen.Der Token wandert von A uber B nach C. Dann ist der Index des ersten Streifens von A 0, von B ister 1024 und von C 2048.Wird die Zahl der Detektoren verandert, so entfernt das Programm entsprechend viele Zeilen oderfugt welche hinzu. Dabei werden die in der ersten Zeile stehenden Standardeinstellungen, welcheauch verandert werden konnen, eingefugt. Es konnen auch alle oder einzelne (Knopf nicht zu sehen)Detektoren auf die Standardwerte gesetzt werden.Die gesamte Konfiguration kann gespeichert und wieder geladen werden. Pfad und Name der zur letz-ten geladenen Konfiguration gehorenden Datei werden angezeigt. Wie immer sind Standard-Pfad und-Dateiname einstellbar.Tabelle A.1 zeigt die Einstellungen, die fur jeden Detektor vorgenommen werden konnen. Damit der

Einstellung Beschreibung benotigtfadcBase Basisadresse des zum Detektor gehorenden FADCs Rfadc Channel Kanal oben (up) oder unten (down) Rfirst strip Index Nummer seines ersten Streifens bei der SBM-Auslese Rlast strip Index Nummer seines letzten Streifens bei der SBM-Auslese Rstrips wird automatisch berechnet: last - first + 1 -strips per chip Anzahl der Kanale pro Auslesechip RDDet.Name(DAQ-Id) Name des Detektors DOmin strip S/N S/R-Schwelle fur einen getroffenen Streifen Omin high strip S/N S/R-Schwelle fur den hochsten Streifen im akzeptierten Cluster Opol. Richtung des Treffersignals Omax outflag... Maximal erlaubte Zahl von ausgeflagten Streifen im Cluster Ocath in 1st CG Anzahl der Kathoden in der ersten Kathodengruppe Ocath in CG Anzahl der Kathoden in allen weiteren Kathodengruppen Ostrips to flag out Alle Streifen, die bei der Analyse nicht berucksichigt werden sollen O

Tabelle A.1: Detektor-Einstellungen. R=Auslese, D=Anzeige, O=Online-Monitor

Benutzer wahrend der Datennahme keineAnderungen an Hardware-Einstellungen vornimmt, sinddie entsprechenden Eingabefelder (number of detectors, fadcBase, fadcChannel, first strip Index, laststrip index) blockiert. Er wird uber den Status der Auslese in dem Fenster DAQ1 is ON/offinformiert.Wahrend der Benutzer Einstellungen vornimmt, werden diese sofort an die globale Konfigurations-Variable, deren Inhalt bis zum Ende der LabView-Sitzung erhalten bleibt, weitergeleitet. Deshalb darfer das Programm beenden und sogar schließen, wenn er seine Einstellungen vorgenommen hat.

1DataAcquisition

A.5. AUSLESEPROGRAMM 73

A.5 Ausleseprogramm

A.5.1 Auswahl der Art des Runs

Das Ausleseprogramm beherrscht die 2 ArtenPhysics- und Pedestal-Run. Mit dem Schalter unterdem Startknopf schaltet man zwischen ihnen um. Beim Pedestalrun werden die Rohdaten gemitteltund anschließend ein zweiter Run mit derselben Zahl von Ereignissen gestartet, bei dem das Strei-fenrauschen berechnet wird. In welchem Stadium man sich gerade befindet, wird im Fenster darunterangezeigt. Beim Physicsrun wird dies nicht gemacht.Mit Start . . . wird der entsprechende Run gestartet. Dieser Knopf wandeltsich dann um inStop. . .,mit dem man den Run stoppen kann.

A.5.2 Datenverwaltung

Nach dem Start eines Runs wird der Benutzer gefragt, ob er ihnspeichern will und wenn ja, wohin.Standardvorgaben fur den Dateipfad von Pedestal- und Physics-Runs kann man rechts oben angeben.Pfad und Dateiname, wohin der aktuelle Run gespeichert wird, wird darunter angezeigt.Falls das Programm auf einem Rechner mit langsamer Festplatte lauft, kann man die Blockgroße(Standard=1) verandern. Damit werden alle ausgelesenen Ereignisse im Arbeitsspeicher gehalten, bisdie angegebene Zahl erreicht ist, um danach ineinemSchreibvorgang gespeichert zu werden.Das Programm beherrscht 2 Dateiformate: Ein Ascii-Format,in dem die Kanal-Inhalte als lesbareZahlen geschrieben werden und das Binarformat, wie es in Tabelle 3.3 beschrieben ist. Das Ascii-Format unterstutzt nur einen ausgelesenen Detektor und wird aus Kompatibilitatsgrunden zu beste-hender alterer Offline-Analyse-Software angeboten.Im Binarformat beginnt jede Roh-Datei mit einem Kopf dieses Formats (Beispiel):

begin-data-at-fileposition 154begin-time 16.10.99;14:07mode Pedestalnumber-of-detectors 3MF2-11 0 1024MF2-6 1024 1024MF2-19 2048 1024begin-data

Jeder Eintrag in der Liste aller ausgelesenen Detektoren enthalt den Namen, den Index des erstenStreifens und die Anzahl der Streifen. Alle diese Einstellungen werden im ProgrammKonfiguration(Kap. A.4) vorgenommen.Beim Index des ersten Streifens handelt es sich um die Position des Detektors im Rohdatenarray, vgl.Tabelle 3.3.

A.5.3 Zahlwerk

Das Zahlwerk halt die Zahl der Trigger und die seit dem Start vergangene Zeit (in HH:MM:SS) fest.Man kann fur Anzahl und Zeit Limits setzen, nach denen das Programm die Datennahme beenden soll.Dabei kann man angeben, ob das Programm den Run beenden soll,falls das Zeit-oderdas Anzahl-Limit oder falls das Zeit-unddas Anzahl-Limit erreicht ist. ’0’ bedeutet bei der Angabe der Limitsstets ’∞’.Schaltet man auf ’Pedestal-Run’ um, so wird das Anzahl-Limit auf 2000 gesetzt, bei Umschaltung auf


’Physics’ auf 0.Es werden auch aktuelle und durchschnittliche Triggerfrequenz angegeben.Die Anzeigen des Zahlwerks werden lediglich alle 2 Sekunden aktualisiert, um Rechenzeit zu sparen.

A.5.4 Sequenzer

Die Sequenzer-Adresse und das Sequenzer-Delay konnen ganz unten eingestellt werden.

A.6 Anzeigeprogramm

A.6.1 Hinweise zur Bedienung

Es besteht aus den 3 Anzeige-Fenstern fur das letzte ausgelesene Ereignis, fur das Pedestal und furdas Rauschen.Das Programm kann diese Daten immer nur fur einen Detektor anzeigen, den man inDisplay Detectoranwahlen kann. Darunter stellt man ein, ob man das aktuelleEreignis roh oder mit Pedestal- und/oderCommon-Mode-Korrektur anschauen will. In den letzten Fallen muß man mit dem Ausleseprogrammbereits einen Pedestalrun durchgefuhrt haben. Es wird angezeigt, ob Pedestals im Speicher vorhandenist.Das Rauschen im gezeigten Beispiel ist deshalb sehr inhomogen, weil der 2.Pedestalrun nach wenigenEreignissen abgebrochen wurde.Der Inhalt der 3 Anzeigefenster kann auch als unter PAW als Vektoren einlesbare Arrays abgespei-chert werden.Die Anzeige wird nach der vom Benutzer in der rechten unterenEcke einstellbaren Zeit aktualisiert.Falls man ein Ereignis langer betrachten mochte, drucktman denPause-Knopf oben rechts. Er wech-selt dann zumContinue-Knopf. Wahrend einer Pause werden keine weiteren Ereignisse dargestellt.Falls der SchalterOnline Monitorauf connectsteht, pausiert der Online-Monitorgenau dann, wenndas Anzeige-Programm auch pausiert. Siehe Kap. A.7.4.

A.6.2 Skalierung

Die Y-Skala aller drei Fenster kann man automatisch immer (AutoScale Y ON) oder jetzt (AutoScaleY NOW) oder nie (AutoScale Y OFF) an die Daten anpassen lassen. Im letzten Fall kann der Benutzerdie Y-Skala selbst einstellen.Die Skalierung der X-Achse kann rechts unten vorgenommen werden: Entweder man stellt die Gren-zen selbst ein (ZOOM All), oder man skaliert Gruppenweise (Zoom group, nicht zu sehen). In diesemFall stellt man die Zahl der Streifen pro Gruppe ein und kann mit einem Mausklick von einer Gruppezur nachsten Gruppe wandern.Oben in der Mitte kann man zwischen Voll- und Normalbild umschalten. Im Vollbild werden alle 3Anzeigen auf die gesamte Fensterhohe gestreckt. Man hat somit eine detailiertere Ansicht des Ereig-nisses.

A.7. ONLINE-MONITOR 75

A.7 Online-Monitor

A.7.1 LabView-Code-Interface

Der Online-Monitor analysiert sofort die von der Auslese kommenden Daten. Dabei wurde der zen-trale Teil des Programms, die Signalkorrektur und die Clustersuche mit Hilfe des LabView-Code-Interfaces [38] realisiert. Ein C-Programm (siehe Kap. C.1) erhalt von LabView unter anderem diepedestalkorrigierten Daten, das Streifenrauschen und dieKonfiguration. Mit diesen Informationensucht das C-Programm nach dem großten Cluster im Ereignis und gibt die Informationen uber die-sen Cluster an das Ausleseprogramm zuruck. Die Vorteile, umfangreiche Berechnungen mit Hilfe desCode-Interfaces einzubinden, sind Schnelligkeit undUbersichtichkeit, denn aufwendige Rechnungenwerden in LabView erstens langsamer ausgefuhrt, und zweitens ist ihr zugehoriger Code sehr schwerlesbar.

A.7.2 Vorbereitungen

Bevor man mit dem Online-Monitor Verteilungen aufnehmen kann, muß ein Pedestalrun durchgefuhrtwerden. Es wird angezeigt, ob Pedestals im Speicher sind.Im FensterHistogram-parametermuß der Benutzer angeben, wieviele Bins die Histogramme ha-ben (number of bins) und welchen Bereich (max value) sie abdecken sollen. Rechts daneben wirdangezeigt werden, wieviele Werte großer sind alsmaxvalue(Histogramm-Uberlauf). Fur diese Ein-stellungen existieren unveranderliche Standards, die beim Start gesetzt sind, und die man entwederfur das aktuelle oder fur alle Histogramme setzen kann.Hinweis: Die Histogramm-Parameter sindfur alle Detektoren gleich!Mit dem Knopf rechts neben der Detektor-Auswahl kann man denOnline-Monitor starten und stop-pen.

A.7.3 Verfugbare Histogramme

Der Online-Monitor fullt nun fur jeden Detektor die folgenden Verteilungen mit den Werten desgroßtenClusters im Ereignis:

clustersize Zeigt die Verteilung der Anzahl der Streifen im Cluster ancluster amplitude Enthalt die Verteilung der ClusterladungS/N: TDR Signal uber Rauschen nach TDR (Gleichung 2.4)S/N: LYON Signal uber Rauschen nach LYON (Gleichung 2.5)highest strip position Trefferhaufigkeit fur jeden Streifen

Tabelle A.2: Histogramme im Online-Monitor

Nach einem Stop sind die Histogramme nicht verloren, es wirddamit lediglich verhindert, daß weitereEreignisse ausgewertet werden, wahrend man z.B. die Cluster-Werte des letzten Ereignisses naherbetrachten will. Will man die Histogramme loschen, so muß man den Online-Monitor mit dem Stop-Knopf von LabView beenden und dann neu starten.Es ist moglich, die x-Achsen und Bin-Inhalte der Histogramme als PAW-Array zu speichern, und zwaralle, alle des gerade verwendeten Detektors, alle des angezeigten Typs oder nur das gerade angezeigte.


A.7.4 Hinweise zur Bedienung

Falls der SchalterDisplay auf connectsteht, pausiert die Anzeigegenau dann, wenn der Online-Monitor auch pausiert (gestoppt ist). Selbstverstandlich werden die Stellungen dieses Schalters inAnzeige und Online-Monitor automatisch einander angeglichen. Der Sinn dieses Features ist nun, dasletzte Ereignis in Ruhe betrachten zu konnen, weil man anhand der Cluster-Daten am Aussehen derRohdaten interessiert ist. Umgekehrt kann man in der Ereignisanzeige pausieren, weil man aufgrunddes Treffersignals an den zugehorigen Clusterdaten interessiert ist.Jederzeitkann nur ein bestimmter Ausschnitt des Histogramms betrachtet werden (x-min, x-max).Dabei bleibt die nicht angezeigte Information naturlich erhalten. Ferner kann man das Histogrammgrober binnen, falls man z.B. zu wenig Eintrage hat. Dazu stellt man einen ganzzahligen Wert ein(divide # of bins), durch den die Anzahl der Bins dividiert wird. Auch hierbeigeht keine Informationverloren, denn diese Zahl kann wieder auf ihren ursprunglichen Wert (1) gesetzt werden.

A.7.5 Zahlwerk

Es werden alle Trigger mitgezahlt (# of Trigger). Fur jeden Detektor wird nun gezahlt, in wievielenEreignissen ein Cluster gefunden wurde. Das Verhaltnis dieser beiden Werte wird ebenfalls angezeigt.Ob er imletztenEreignis einen Cluster gefunden hat, wird ebenfalls angegeben.Außerdem werden dem Benutzer die Informationen zum letztengefundenen Cluster mitgeteilt:

size Anzahl der Streifen im ClusterAmpl ClusterladungCluN quadratische Summe des EinzelstreifenrauschensMeanN quadratisches Mittel des EinzelstreifenrauschensHSP Position des hochsten Streifens im Cluster

Tabelle A.3: Clusterinformationen im Online-Monitor


Abbildung A.1: LabView-Programme: links:Detektor-Konfiguration, oben:Pulser, unten:Auslese


Abbildung A.2: LabView-ProgrammEreignisanzeige


Abbildung A.3: LabView-ProgrammOnline-Monitor

Anhang B

Beschreibung desOfflineanalyseprogramms

Es handelt sich hierbei um ein C-Programm, welches die Rohdaten aus dem Ausleseprogramm grundlicherauswertet als dies der Online-Monitor kann.

B.1 Fahigkeiten

• Es ist moglich, die Rohdaten eines Pedestal-Laufs oder aber die Physics-Daten zur Pedestalbe-rechnung verwenden zu lassen. Das letztere dauert wesentlich langer, weil Pedestal und Rau-schen iterativ bestimmt werden mussen.

• Es konnen mehrere Detektoren und sogar ein und derselbe Detektor mehrmals mit verschiede-nen Schwellen in einem Durchlauf ausgewertet werden. Fur jeden dieserlogischenDetektorenmuß eine Zeile in der Konfigurationsdatei angegeben werden.

• Es werdenalle Cluster im Ereignis gesucht und in Histogramme einsortiert.

• Ferner kann fur jeden logischen Detektor angegeben werden, ob das Programm eigene Clustersuchen soll, oder ob die Cluster aus einem anderen Detektor verwendet und einsortiert werdensollen. Dies hat den Vorteil, nicht immer fur jedenSub-Detektor die Cluster neu suchen zumussen (siehe Beispiel-Konfiguration unten).

• Es ist moglich, die Histogramme fur die Signal- und S/R-Verteilungen beliebig zu binnen.

• Streifen, deren Rauschen um einen bestimmten Faktor uber oder unter dem Mittelwert der an-deren liegt, werden automatischausgeflagt, d.h. bei der Analyse nicht verwendet.

• Der Benutzer kann zusatzlich Streifen ausflagen.

B.2 Detektorkonfiguration

Bevor die Daten prozessiert werden konnen, muß eine Konfigurationsdatei angelegt werden. Sie siehtz.B. folgendermaßen aus (Kommentarzeilen beginnen mit ’*’):

81

82 ANHANG B. BESCHREIBUNG DES OFFLINEANALYSEPROGRAMMS

* Hints:

* At least one space is needed between the entries in the dataline!

* But there mustn’t be any spaces in the ignore- and DAQId-entry!

* Put the number of strips per chip in all cathode group-entries,

* if there aren’t any cathodes (e.g. in a double-gem detector).

* All strip-entries are C-like: counting starts with 0 !!

* ignore strips in the evaluation (flag out strips) (example:22,211:219,1001,1022)---------------|

* upper \ cut on cluster size------------------------------------------------------------------| |

* lower / (bounds included)-----------------------------------------------------------------| | |

* use all clusters from this detector (int.Id) (-1=use its own ones)---------------------| | | |

* maximum entry of cluster-amplitude-histograms-------------------------------------| | | | |

* number of bins of cluster-amplitude-histograms-------------------------------| | | | | |

* maximum entry of signal/noise-histograms-------------------------------| | | | | | |

* number of bins of signal/noise-histograms--------------------------| | | | | | | |

* max number of dead,noisy,ignored strips in cluster------------| | | | | | | | |

* maxnoise/meannoise-ratio for strip is noisy-----------------| | | | | | | | | |

* minnoise/meannoise-ratio for strip is dead--------------| | | | | | | | | | |

* min highest strip s/n for accepted cluster----------| | | | | | | | | | | |

* min signal/noise for accepted hit---------------| | | | | | | | | | | | |

* number of cath. in 1st cath. group----------| | | | | | | | | | | | | |

* number of cath. in cath. group----------| | | | | | | | | | | | | | |

* polarity (1 or -1)------------------| | | | | | | | | | | | | | | |

* evaluate \ last------------------| | | | | | | | | | | | | | | | |

* strips: / first------------| | | | | | | | | | | | | | | | | |

* additional information--| | | | | | | | | | | | | | | | | | |

* int. Id(0..999)--| | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

* DAQId--------| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

* | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |mf2-11 0 <none> 0000 1023 1 16 16 3.0 7.0 0.5 1.5 1 400 800 500 20000 0 0 99 44,67,990:1010mf2-11 1 subst1 0000 511 1 16 16 3.0 7.0 0.5 1.5 1 400 800 500 20000 0 0 99 44,67mf2-11 2 subst2 512 1023 1 16 16 3.0 7.0 0.5 1.5 1 400 800 500 20000 0 0 99 990:1010mf2-19 10 <none> 0000 1023 1 16 16 3.0 7.0 0.5 1.5 1 400 800 500 20000 10 0 99 0,200:203

Die Datei erklart sich weitgehend selbst, außerdem sind einige Einstellungen identisch zu denen inder Online-Konfiguration.Lediglich auf wenige Einstellungen soll naher eingegangen werden.

DAQId Sie mußexaktmit der DAQId bei der Auslesekonfiguration ubereinstimmen.int. Id internal Id.Dies ist die Zahl, die zu jeder Hbook-Histogramm-Id addiertwird.additional. . . Kommentar. Er wird zusammen mit der DAQ-Id an den Anfang eines jeden

Hbook-Histogramm-Titels gesetzt.polarity Polaritat (=Richtung) desTreffersignals.

Das pedestal-korrigierte Signal wird mit diesem Wert multipliziert.minnoise. . . Untere relative Rausch-Schwelle fur das automatische Ausflagen eines Streifensmaxnoise. . . Obere relative Rausch-Schwelle fur das automatische Ausflagen eines Streifensuse all. . . Interne Nummer desjenigen Detektors, von dem die gefundenen Cluster ubernommen

werden sollen. -1: Er soll seine eigenen Cluster suchen.

Tabelle B.1: Einige Einstellungen der Offline-Analyse

B.3 Verfugbare Histogramme

Es werden wesentlich mehr Histogramme bereitgestellt als dies im Online-Monitor der Fall war (sieheTabelle B.2).

B.4 Eingabeparameter

Folgende Eingaben sind moglich:

cluster p <Pedestal-Rohdatei> e <Ereignis-Rohdatei> c <Konfigurationsdatei>o <Ausgabedatei fuer die Hbook-Histogramme>

B.5. BEDIENUNG 83

Name des Hbook- Erkl arungHistogramms

Auf den großten Cluster im Ereignis bezogenAmplitude ClusterladungS/N(Tdr) Signal uber Rauschen (TDR) (Gleichung 2.4)S/N(Lyon,TC) Signal uber Rauschen (LYON) (Gleichung 2.5)S/N(Lyon,HS) Verteilung: großter Streifen im Cluster: Amplitude/Rauschensize Anzahl der Streifen im Clusterall strips pos Trefferbelegung, gewonnen ausallen Streifen eines Clustershigh strip pos Trefferbelegung: gewonnen aus demgroßtenStreifen eines Clustershigh strip raw Verteilung desRohsignalsdes hochsten Streifenscog Trefferbelegung aufgrund des ClusterschwerpunktsCGAvg/Ampl Verteilung von CGU(Kap. D)/ClusteramplitudeCGAvg/Ampl (2D) 2-dimensionale Verteilung von CGU uber Clusteramplitude

sowie dieselben Histogramme auf alle anderen Cluster im Ereignis bezogen

cluster-multiplicity Anzahl der Cluster im Ereignispedestal Pedestalsignal uber Streifennnummernoise vs channel mittleres Rauschen uber Streifennummernoise-deviation Rauschsignal, als Verteilungignore-flags Ausgeflagte Streifen uber Streifennummer

Tabelle B.2: Histogramme der Offline-Analyse

In diesem Fall wird die Datei<Pedestal-Rohdatei> verwendet, um Pedestal und Rauschen zu berech-nen. Dabei geht das Programm ’cluster’ davon aus, daß keine Treffersignale in den Daten enthaltensind. Als Trefferdatei wird<Ereignis-Rohdatei> verwendet.

cluster e <Ereignis-Rohdatei> c <Konfigurationsdatei>o <Ausgabedatei fuer die Hbook-Histogramme>

Nun wird die<Ereignis-Rohdatei> zur (iterativen) Pedestal- und Rausch-Bestimmung verwendet.

B.5 Bedienung

Nach dem Start des Programms werden von allen in der Konfiguration angegebenen Detektoren Pe-destal und Rauschen berechnet. Dann wird der Benutzer gefragt, was er nun tun mochte:

We are before event #1. What do You want to do?(input= 0) process until end of file(input= 1) write this event as paw-array(input> 1) process to event# input(input<-1) jump to event# -input(input=-1) finish. write all histogramsinput=

Diese Aufforderungen erklaren sich fast von selbst, bis auf das eine: Man kann ein Ereignis als PAW-Array abspeichern. Die N-te Zeile dieser Datei enthalt dieN-ten Elemente der folgenden Arrays indieser Reihenfolge:


• Rohsignal

• pedestalkorrigiertes Signal

• kathodenkorrigiertes Signal

• Pedestalsignal

• Streifenrauschen

• Markierung von getroffenen Streifen

• Markierung der vom Benutzer und vom Programm ausgeflagten Streifen

Daraus ergibt sich in PAW z.B. das folgende Kommando, um die Datei zu lesen:

v/read raw,pedc,cgc,ped,noise,hitflag,ignore [file]

B.6 Programmodule und ihre Funktion

Das Programmpaket ist folgendermaßen aufgebaut.

B.6.1 Hauptprogramm

Das Hauptprogramm ruft das Unterprogramm zum Lesen der Konfiguration und das zur Pedestal-Bestimmung auf. Es fuhrt den Dialog mit dem Benutzer uber die Kommandozeile, uber die Fehler-meldungen, die sich aus der Kommando-Zeile oder der Konfigurationsdatei ergeben, und uber dieBenutzereingaben wahrend der Prozessierung der Daten. Esenthalt den Clusterfinder.

B.6.2 Analyseroutinen

In dieser Sammlung sind alle Unterprogramme enthalten, diedie Daten analysieren:

PedNoise Berechnet Pedestal und RauschenPedCG Fuhrt die Pedestal- und Kathoden-Korrektur des Rohsignals durchExitCluster Schließt einen Cluster ab, d.h. pruft, ob er akzeptiert wird, sortiert gegebenenfalls

die Werte in Histogramme und ruftInitClusterauf.InitCluster Setzt alle Werte des Clusters auf 0.SwapArray Vertauscht in jedem Rohdaten-Eintrag das hoher- mit dem niederwertigen Byte, da die

Speicherung eines Wortes im Betriebssystem des Datennahme-PCs in der umge-kehrten Byte-Reihenfolge geschieht, wie im Betriebssystem des Offline-Analyse-PCs

Tabelle B.3: Unterprogramme zur Datenanalyse

B.6.3 Hbook-Schnittstelle [36]

Hbook [37] ist ein Paket von Routinen zum Buchen, Fullen undSpeichern von Histogrammen, diemit PAW weiterverarbeitet werden konnen. Es wird, ebenso wie PAW, vom CERN bereitgestellt. Diedaraus benotigten Routinen werden von der Hbook-Schnittstelle fur den Programmierer nutzbar ge-macht.

B.6. PROGRAMMODULE UND IHRE FUNKTION 85

B.6.4 Dateischnittstelle

Sie enthalt die Unterprogramme, die dasOffnen, Lesen und Schließen von Dateien betreffen:

SearchForConfig Liest die Konfigurationsdatei, durchsucht sie auf Fehler und schreibt dieKonfigurationaller Detektorenin den Arbeitsspeicher

SearchForHeader Liest die Informationen des Rohdatei-HeadersFileOpen Offnet eine Datei, mit FehlerbehandlungFileClose Schließt eine Datei, mit Fehlerbehandlung

Tabelle B.4: Unterprogramme zur Behandlung von Dateien

Anhang C

Quellcodes

Dieser Anhang enthalt die zentralen Teile der Analyseprogramme.

C.1 Analyseroutine im Online-Monitor#include "c:\programme\labview\cintools\extcode.h"

UseDefaultCINInitUseDefaultCINDisposeUseDefaultCINAbortUseDefaultCINLoadUseDefaultCINUnloadUseDefaultCINSave

typedef struct {int32 dimSize;float32 arg1[1];} TD1;

typedef TD1 **TD1Hdl;

typedef struct {int32 dimSize;int32 arg1[1];} TD2;

typedef TD2 **TD2Hdl;

typedef struct {float32 minS2N;float32 minCluS2N;int32 polarity;int32 MNOISIC;int32 NOCICG;int32 NOCIFCG;} TD3;

typedef struct {int32 size;float32 Ampl;float32 CluN;float32 MeanN;int32 HSP;} TD4;

CIN MgErr CINRun(TD2Hdl HitFlag, TD1Hdl CathodeGroupCorrected, TD2Hdl Ignore, TD1Hdl Noise, TD3 *Config, TD4 *Cluster,LVBoolean *Accepted);

CIN MgErr CINRun(TD2Hdl HitFlag, TD1Hdl CathodeGroupCorrected, TD2Hdl Ignore, TD1Hdl Noise, TD3 *Config, TD4 *Cluster,LVBoolean *Accepted) {

int32 Strips=(**CathodeGroupCorrected).dimSize;int32 Channel,BeginCathodeGroup,EndCathodeGroup,NumberOfHits,NumberOfNotHitStrips,MaxChannel,direction,BeginChannel,

EndChannel,NumberOfIgnoredStripsInCluster=0,NumberOfStripsInCluster=1;float32 CathodeGroupMean,MaxVal=-9999.,Tmp;

// init cluster

(*Cluster).size =0 ;(*Cluster).Ampl =0.0;(*Cluster).CluN =0.0;(*Cluster).MeanN=0.0;(*Cluster).HSP =0 ;

87

88 ANHANG C. QUELLCODES

// polarity - correctionfor(Channel=0;Channel<Strips;Channel++) (**CathodeGroupCorrected).arg1[Channel] *= (*Config).polarity;

// loop over all CathodeGroups and set the hitflagsfor((BeginCathodeGroup=0,EndCathodeGroup=(*Config).NOCIFCG);EndCathodeGroup<(*Config).NOCICG+Strips;

(BeginCathodeGroup=EndCathodeGroup,EndCathodeGroup+=(*Config).NOCICG)){if(EndCathodeGroup>Strips) EndCathodeGroup=Strips;do{

NumberOfNotHitStrips=CathodeGroupMean=NumberOfHits=0;for(Channel=BeginCathodeGroup;Channel<EndCathodeGroup;Channel++)if((**Ignore).arg1[Channel]&&!(**HitFlag).arg1[Channel]) {

CathodeGroupMean+=(**CathodeGroupCorrected).arg1[Channel];NumberOfNotHitStrips++;

}if(NumberOfNotHitStrips) CathodeGroupMean/=NumberOfNotHitStrips;for(Channel=BeginCathodeGroup;Channel<EndCathodeGroup;Channel++) if((**Ignore).arg1[Channel]) {(**CathodeGroupCorrected).arg1[Channel]-=CathodeGroupMean;if(((**CathodeGroupCorrected).arg1[Channel]>(**Noise).arg1[Channel]*(*Config).minS2N)&&(!(**HitFlag).arg1[Channel])) {

NumberOfHits++;(**HitFlag).arg1[Channel]=1;

}}

}while(NumberOfHits);}

// find max valfor(Channel=0;Channel<Strips;Channel++) if((**Ignore).arg1[Channel])

if((**CathodeGroupCorrected).arg1[Channel]>MaxVal) {MaxVal=(**CathodeGroupCorrected).arg1[Channel];MaxChannel =Channel;

}

// Does the max strip fullfill the highest-strip-S/N-criterion?if((**CathodeGroupCorrected).arg1[MaxChannel]>=(*Config).minCluS2N*(**Noise).arg1[MaxChannel]) {

// build a cluster arround itBeginChannel=EndChannel=MaxChannel;for(direction=-1;direction<=1;direction+=2)

for(Channel=MaxChannel+direction;(NumberOfIgnoredStripsInCluster<=(*Config).MNOISIC)&&(**HitFlag).arg1[Channel]&&(Channel<Strips)&&(Channel>0);Channel+=direction)

if((**Ignore).arg1[Channel]) {if(direction==-1) BeginChannel=Channel; else EndChannel=Channel;NumberOfStripsInCluster++;

}else NumberOfIgnoredStripsInCluster++;

// enter cluster values(*Cluster).size = NumberOfStripsInCluster;(*Cluster).HSP = MaxChannel;// scan through clusterfor((Channel=BeginChannel,NumberOfStripsInCluster=0);Channel<=EndChannel;Channel++)

if((**HitFlag).arg1[Channel]) {Tmp=(**Noise).arg1[Channel];(*Cluster).Ampl+=(**CathodeGroupCorrected).arg1[Channel];(*Cluster).CluN+=Tmp*Tmp;NumberOfStripsInCluster++;

}(*Cluster).CluN =sqrt((*Cluster).CluN);(*Cluster).MeanN=(*Cluster).CluN/sqrt(NumberOfStripsInCluster);

*Accepted = LVTRUE;}else *Accepted = LVFALSE;return noErr;}

C.2 Kathodenkorrektur im Offline-Analyseprogramm

Einige der Variablen sind global und deshalb hier, sowie in Kap. C.3, nicht deklariert.int PedestalCathodeGroupCorrection(double*Pedestals,double*Noise,int HitEval,Dtype*Raw){

double CathodeGroupMean;int Channel,BeginCathGroup,EndCathGroup,PrevBeginCathGroup=0,PrevEndCathGroup=0,MarkNextCathodeGroup=0,NumberOfHits,

Hit=0,CathodeGroupStrips;

// init all strips as not hitfor(Channel=ConfigPtr->FIRST;Channel<ConfigPtr->LAST;ConfigPtr->HitFlag[Channel++]=0);

// if pedestals are avaliable ...

if(*Pedestals!=VARNOTUSED) {

// pedestal and polarity - correctionfor(Channel=ConfigPtr->FIRST;Channel<ConfigPtr->LAST;Channel++)PedestalCorrected[Channel]=(double(Raw[Channel])-Pedestals[Channel])*ConfigPtr->POLARITY;

C.3. CLUSTERFINDER IM OFFLINE-ANALYSEPROGRAMM 89

// loop over all Cathode-Groups

for((BeginCathGroup=ConfigPtr->FIRST,EndCathGroup=ConfigPtr->CGEnd[ConfigPtr->FIRST]);BeginCathGroup<ConfigPtr->LAST;(BeginCathGroup=EndCathGroup,EndCathGroup=((ConfigPtr->CGEnd[EndCathGroup]<ConfigPtr->LAST)?ConfigPtr->CGEnd[EndCathGroup]:ConfigPtr->LAST))) {

do {CathodeGroupMean=CathodeGroupStrips=NumberOfHits=0;for(Channel=BeginCathGroup;Channel<EndCathGroup-HitEval;Channel++)

if(!ConfigPtr->HitFlag[Channel]&&!ConfigPtr->Ignore[Channel]) {CathodeGroupMean+=PedestalCorrected[Channel];CathodeGroupStrips++;

}if(CathodeGroupStrips) CathodeGroupMean/=CathodeGroupStrips;

// CathodeGroup-correctionfor(Channel=BeginCathGroup;Channel<EndCathGroup;Channel++)

CathodeGroupCorrected[Channel]=PedestalCorrected[Channel]-CathodeGroupMean;

// find hit strips, if noise is avaliable and if CG is correctedif((*Noise!=VARNOTUSED)&&CathodeGroupStrips)

for(Channel=BeginCathGroup;Channel<EndCathGroup;Channel++)if(!ConfigPtr->Ignore[Channel])// check hit: only strips that are not hit yet.if((CathodeGroupCorrected[Channel]>ConfigPtr->MINS2N*Noise[Channel])&&(!ConfigPtr->HitFlag[Channel])) {

NumberOfHits++;Hit=1;// mark hit stripConfigPtr->HitFlag[Channel]=2;

}} while(NumberOfHits);if(Hit) {

Hit=0;MarkNextCathodeGroup=1;if(!ConfigPtr->HitFlag[PrevBeginCathGroup]&&(BeginCathGroup>ConfigPtr->FIRST)&&!HitEval)

for(Channel=PrevBeginCathGroup;Channel<PrevEndCathGroup;ConfigPtr->HitFlag[Channel++]=3);for(Channel=BeginCathGroup;Channel<EndCathGroup;Channel++)

if(!ConfigPtr->HitFlag[Channel]) ConfigPtr->HitFlag[Channel]=1;}else

if(MarkNextCathodeGroup&&!HitEval) {MarkNextCathodeGroup=0;for(Channel=BeginCathGroup;Channel<EndCathGroup;ConfigPtr->HitFlag[Channel++]=3);

}PrevBeginCathGroup=BeginCathGroup;PrevEndCathGroup=EndCathGroup;

}}return 0;

}

C.3 Clusterfinder im Offline-AnalyseprogrammPedestalCathodeGroupCorrection(ConfigPtr->Pedestals,ConfigPtr->Noise,1,Raw+ConfigPtr->Previous);for((Channel=ConfigPtr->FIRST,NumberOfClusters=0);Channel<ConfigPtr->LAST;Channel++)

if(!ConfigPtr->Ignore[Channel])if(ConfigPtr->HitFlag[Channel]==2) {if(!Cluster.In) Cluster.In=1;if((CathodeGroupCorrected[Channel]<Cluster.Previous)||!Cluster.Decrease) {

NoiseTmp=ConfigPtr->Noise[Channel];if(CathodeGroupCorrected[Channel]<Cluster.Previous)

Cluster.Decrease=1;if((CathodeGroupCorrected[Channel]>Cluster.Previous)&&(Cluster.Previous!=VARNOTUSED))// if there is a good strip after some bad strips, insert the// mean-amplitude between the 2 good strips into the cluster// instead of the dead stripsif(Cluster.dead) {

Cluster.dead=0;LastChannel=Cluster.ASP[Cluster.Size-1];MeanAmplitude=(CathodeGroupCorrected[LastChannel]+CathodeGroupCorrected[Channel])/2.;MeanNoise=(pow(ConfigPtr->Noise[LastChannel],2.)+pow(ConfigPtr->Noise[Channel],2.))/2.;for(k=LastChannel+1;k<Channel;k++) {

Cluster.Ampl +=MeanAmplitude;Cluster.COG +=MeanAmplitude*k;Cluster.Noise+=MeanNoise;Cluster.ASP[Cluster.Size++]=k;

}}Cluster.ASP[Cluster.Size++]=Channel;Cluster.Previous =CathodeGroupCorrected[Channel];Cluster.COG +=CathodeGroupCorrected[Channel]*Channel;Cluster.Ampl +=CathodeGroupCorrected[Channel];Cluster.Noise+=NoiseTmp*NoiseTmp;// find highest strip in cluster with s/n!if(CathodeGroupCorrected[Channel]/NoiseTmp>Cluster.HSA/Cluster.HSN) {

90 ANHANG C. QUELLCODES

Cluster.HSP = Channel ;Cluster.HSA =CathodeGroupCorrected [Channel];Cluster.HSAC=PedestalCorrected[Channel];Cluster.HSAR=(Raw+ConfigPtr->Previous)[Channel];Cluster.HSN =NoiseTmp;Cluster.HSCGUnderFlow=Cluster.HSAC-Cluster.HSA;

}}// when the signal increases and there was already a decrease:else {

ExitCluster(&NumberOfClusters);Channel--;

}}// when there is a good, not hit strip:elseif(Cluster.In)

ExitCluster(&NumberOfClusters);else;

elseif(Cluster.In) {Cluster.dead=1;if(Cluster.In++>Config->MNODNISIC)// when the maximum number of defect strips is exceeded:

ExitCluster(&NumberOfClusters);}

// when we are at the end of the detector:if(Cluster.In)

ExitCluster(&NumberOfClusters);

Anhang D

Abkurzungen

ADC Analog toDigital ConverterAPV AnalogPipelineVoltage typeCERN CentreEuropeene pour laRechercheNucleaireCGU CathodeGroupUnderflowCMM Common ModeCMS CompaktMyonSolenoidCoG Centerof GravityDAq DataAcqisitionDME DiMethyl-EtherFADC FlashAnalog toDigital ConverterFEC Front EndControllerGEM GasElektronMultiplierHI High IntensityHIP HeavyIonisingParticleLHC LargeHadronColliderLI Low IntensityMF2 M ilestoneForward 2MIP M inimum IonisingParticleMSGC M icro Strip GasChamberPAW PhysicsAnalysisWorkstationPreMux Preamplifier-Mu ltiplexerPSI Paul ScherrerInstitutRMS Root MeanSquareS/R Signal uberRauschenSBM ServerBoardModuleSM StandardModellTDR TechnicalDesignReportVME VersaModuleEurocardVXI VME-BusExtension forInstrumentationWW WechselwirkungX5 Nummer eines Experiments am CERNZEBRA Detektor-Rohdatenformat (CERN)

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Literaturverzeichnis

[1] C. Berger: Teilchenphysik,Springer: Berlin, Heidelberg1992

[2] The European Physical Journal C:Review of Particle Physics, Vol.3, 1998

[3] CMS-Collaboration:CMS - Technical Proposal, CERN/LHCC 94-38, LHCC/P1

[4] The American Physical Society,Physical Review D: Particles and Fields, Vol.54 Part I, Jul.1996

[5] C.Grupen,Teilchendetektoren, Wissenschaftsverlag: Mannheim· Leipzig · Wien · Zurch, 1993

[6] CMS-Collaboration,Milestone Forward 2 mit MSGC+GEM-Detectoren, CMS Note in Vorbe-reitung

[7] P. Blum et al.,Investigation of a two-stage amplifying detector module with a fourfold sensorplane, CMS Note 1999/036

[8] A. Zghiche,Status report on Micro Strip Gas Chambers, CMS CR 1999/025

[9] F.Sauli et al.Charge amplification and transfer processes in the gas electron multiplier CERN-EP/99-048

[10] F.SauliGas Detectors: Recent Developments and Future Perspectives CERN-EP/98-51

[11] F.SauliPrinciples of Operation of multiwire proportional and drift ChambersCERN-EP/77-09

[12] R.Bellazzini et al.,What is the real Gas Gain of a standard GEM?, Nuclear Instruments &MethodsA 419 (1998) 434

[13] F.Sauli et al.Optimization of operation and test of large size GEM detectors CERN-EP/99-148

[14] F.Angelini et al.,Operation of MSGCs with Gold Strips built on surface-treated thin GLases,Nuclear Instruments & MethodsA 382 (1996) 466/467

[15] A. Oed,Position sensitive Detector with Microstrip Anode for Electron Multiplication with Ga-ses.Nuclear Instruments & Methods,A 263 (1988) 353

[16] F.Sauli et al.Beamtests of the Gas Electron MultiplierCERN-EP/98-163

[17] W. Beaumont et al.,Studies of an MSGC equipped with a GEM Grid as a tracking DeviceNuclear Instruments & Methods,A 419 (1998) 396-398

93

94 LITERATURVERZEICHNIS

[18] Y. Benhammou et al.,Comparative Studies of MSGC and MSGC-GEM Detectors., Nuclear In-struments & Methods,A 419 (1998) 402

[19] Private Mitteilung von Dr. Peter Blum

[20] The CMS-Collaboration,CMS Forward-Backward MSGC milestone, CMS Note 1998/095

[21] Private Mitteilung von Dr. Hans-Jurgen Simonis

[22] Private Mitteilung von Dr. Siegfried Weseler

[23] The CMS-Collaboration,CMS - The Tracker Projekt, Technical Design Report,CERN/LHCC98-6

[24] Offline-Analyse-Softwaretbeamvon L.Mirabito, IPN Lyon,Juli 1996

[25] Wolf Hagen Thummel,F1 Read-Out Electronics, CMS-Ka-Note, unveroffentlicht

[26] A.Lounis, I.Ripp-Baudot, J.Croix, J.C.Fontaine, T.Henkes, A.Zghiche,A standalone VME basedread-out system for MSGC detector with PREMUX front-end, Centre de Recherches NucleairesStrasbourg,1997

[27] G.Claus, W.Dulinski, A.Lounis,Strip Detectors Read-Out System user’s guide, Centre de Re-cherches Nucleaires Strasbourg,1996

[28] L.L.Jones,PreMux128 Specification, Version 2.1, 19.12.1994

[29] LabView:Reference Manual, National Instruments,1996

[30] P.Vanlaer et al.,Study of discharges in a large wedge-shaped MSGC+GEM detector exposed toa high intensity beam of pions at 300 MeV/c, CMS IN 1999/024

[31] Private Mitteilung von Privatdozent Dr. Martin Erdmann

[32] CERN Program Library Long WriteUps Q121:PAW - Physics Analysis Workstation, EditionFeb. 1995

[33] R.Bellazzini et al.,Technique for the Characterization of Discharges in Micro-Strip Gas Cham-bers, Nuclear Instruments & MethodsA 398 (1997) 427

[34] O. Pooth,Report on the CMS forward–backward MSGC milestoneNuclear Instruments & Me-thods,A 419 (1998) 377

[35] Spurrekonstruktions-Software von Dr. Wolf Hagen Thummel, Juni 1999

[36] Private Mitteilung von Dr. Wolf Hagen Thummel

[37] CERN Program Library Long WriteUps Y250:Hbook - Reference Manual, Edition May 1995

[38] LabView:Code Interface Manual, National Instruments,1996

Danksagung

Solch eine Arbeit ware ganz alleine nicht zu schaffen. Deshalb danke ich allen, die mich untersutzthaben:

• Herrn Prof. Dr. Thomas Muller danke ich fur die interessanten Aufgabenstellungen und dieMoglichkeiten bei Testzeiten und Meetings, die Welt außerhalb des Instituts kennenzulernen.

• Bei Herrn Prof. Dr. Karl-Heinz Kampert bedanke ich mich furdie Ubernahme des Korreferats.

• Fur die zahlreichen Tips in PAW und LATEX und fur seine Ideen zur Verbesserung der DAqdanke ich Herrn Dr. Wolf Hagen Thummel. Außerdem hat er den Prototypen des Teststandesaufgebaut.

• Herrn Dr. Dirk Neuberger und Hagen Thummel danke ich fur ihre Unterstutzung beim Tracking.

• Ich danke meinem Betreuer Herrn Dr. Peter Blum, der zu allenmeinen Fragen eine hilfreicheAntwort wußte.

• Herrn Dr. Hans-Jurgen Simonis und Peter Blum mochte ich fur ihre Hilfe und den Einsatz ihrergroßen Erfahrung beim Betrieb der Hardware danken.

• Herrn Privatdozent Dr. Martin Erdmann danke ich fur seine Ideen zum Verstandnis der Datensowie fur die intensive Betreuung beim Abschluß der Arbeit.

• Herrn Dr. Siegfried Weseler danke ich fur Hinweise zur Statistik und Elektronik und fur seinekritischen Fragen, die manchen Denkanstoß gaben.

• Allen, die bei den beiden Strahlzeiten aufgebaut und DAq-Schichten abgeleistet haben, mochteich an dieser Stelle danken: Tobias Barvich, Peter Blum, Kurt Karcher, Frank Kuhn, besondersDirk Neuberger, der sich mit Datenanalysen am X5 manche Nacht um die Ohren geschlagenhat, sowie Frank Roderer, Hans-Jurgen Simonis und ThomasWeiler.

• Bei Frau Edeltraud Haas bedanke ich mich fur die Erledigungder administrativen Dinge.

• Ein besonderer Dank gehort meinem besten Freund Matthias,der mich gegen Ende der Arbeitermutigt und manches Mal mit dem notigsten versorgt hat.

• Nicht zuletzt gilt mein Dank meinen Eltern, die mich wahrend meines Studiumsnicht nur fi-nanziell unterstutzt haben!

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