Der Myonendetektor: Kamio-Kanne

Funktionsweise

• Kanne (mit Wasser gefüllt) schirmt Photonen ab, Myonen (einfach geladen) jedoch nicht

• Myonen haben größere Geschwindigkeit als Lichtgeschwindigkeit im Wasser=> Tscherenkov-Effekt

• Ein Myon erzeugt einen Lichtblitz im Wasser• Dieser wird durch einen Photomultiplier verstärkt:

Funktionsweise

• Ein Myon erzeugt ca. 5mV - 30mV großen und etwa 30ns langen Puls im Multiplier

• Signal wird differentiell verstärkt (ca. 300mV) und über ein 5-poliges Kabel an die Messbox weitergeleitet

Funktionsweise

Die Messbox• An der Messbox können zwei Detektoren parallel angeschlossen

werden• Wird ein Puls detektiert, kann dies eine Computersoftware über ein

Parallelkabel auslesen• Bei jeder Detektion blinkt eine grüne LED• Über Drehpoti wird Empfindlichkeit der Messung eingestellt • Koinzidenzmessungen sind möglich

• Enthält BNC-Stecker, an dem TTL-Signal ausgegeben wird. Wird ein Myon detektiert, fällt Pegel von 5V auf 0V ab.

• Separate Spannungsversorgung für die Analog- und Digitalschaltung

Funktionsweise

Probleme• Schwankung der Versorgungsspannung ändert Empfindlichkeit der

Messung• LED blinkt nicht, wenn PC angeschlossen• Hoher Versorgungsstrom, wenn PC angeschlossen• Drehen der Potis und berühren des Gehäuses mit Schraubenzieher

führt zu diversen Problemen• Nachteil LPT => Umrüstung auf USB

Lösungen• Mit LED-Leiste wurde definiertes Lichtsignal erzeugt

• Abgriff am BNC-Ausgang vom PMT

• Sättigungsbereich vom PMT erreicht

Lösungen• Verlauf von Versorgungsspannung Analog- , Digital- und

Verstärker PMT-Teil (ohne Last)

Lösungen• Versorgungsspannung lief nicht im Arbeits-(Sättigungs- )bereich

der Spannungsstabilisatoren

Lösungen• Alle Leitungen der LPT-Verbindung wurden vermessen• Stromschwankungen traten auf• Herkunft konnte nicht geklärt werden

• Neues Ausleseverfahren für Computer vorteilhaft

Lösungen• Verglich TTL-Signal mit unverstärktem Ausgang aus Kanne

• Qualität des Analogteils bestimmt

Lösungen• Nachbau• Originalteile nicht mehr verfügbar • Test mit neuen Teilen (Samplingrate 270 auf 80 MHz)

Ein neuer Digitalteil

• Anforderungen– TTL-Pulse sollen gezählt

werden (300ns, 1Hz)– Einfache Installation der

Treiber– Kostengünstige Schaltung– Stromversorgung getrennt

von Analogteil– Betrieb an standard PC

• Designkonzept– USB-Schnittstelle– Modularer Aufbau mittels

I2C Protokoll– Kommerzieller Zaehlerchip

mit I2C Protokoll out of the box

– Open source/open hardware I2C-USB adapter

Ein neuer Digitalteil• Phillips IC-Zählerbaustein PCF8583

– 1MHz TTL Zähler mit 6 Stellen Speicher• I2C-Tiny-USB Adapter

– Open Projekt von Till Harbaum– Verwendet ATtiny45 Microcontroller– USB-Schnittstelle wird auf ATtiny durch Software verwirklicht

• Treiber fuer die Schnittstelle sind in Kernel source enthalten– Schnittstelle wird als I2C adapter registriert und kann von

standard I2C Applikationen verwendet werden

Ein neuer Digitalteil• Bekannter und einfacher low level Bus• Ein serieller Bus ermöglicht Modularität

– Erweiterung um weitere Kannen oder Logische verknüpfungen– Rechnerfreies Messen– Ansteuerung anderer Komponenten auf Schaltung (Displays,

Relais,…)• Ausleserate wird durch Hostsoftware bestimmt• Zählerstand verbleibt im Hardwarespeicher• Kostengünstige komponenten (Zähler 1,50€; ATtiny 1,85€).

Zusammenfassung

• Erkenntnis: Schwellenspannung ist bei höherer Versorgungsspannung unabhängig von dieser.

• Bestehender Analogteil arbeitet zuverlässig• Nachbau des Analogteils konnte aus Zeitmangel leider nicht

vollständig debugged werden• Neuer Digitalteil mit USB:

– Einfache Anbindung an Linux– Gute Erweiterbarkeit dank I²C– Nur noch eine Stromversorgung erforderlich, denn der USB-Bus

versorgt den Digitalteil– LED-Funktionalität!

Ausblick

• Fertigstellung des Analogteils• Ätzlayout der gesamten Schaltung erstellen• Kunststoffgehäuse beugt Erdungsproblemen vor• Programmierung einer komfortablen

Steuerungs/Auswertungssoftware• Automatische Kalibrierung der Schwellenwertspannung• Verwendung weiterer Zählerbausteine für zweiten Kanal und

Koinzidenzmessung• Vom Rechner unabhängiger Betrieb für (stromsparende)

Langzeitmessungen

I2C Protokoll• Entwicklung vor 20Jahren durch Phillips Semiconductors Inc.• Serieller Bus mit max 3,4 MBit/s• Zwei Leitungen: Datenleitung und Taktleitung• Master initiiert den Datentransfer• Slaves werden beschrieben und ausgelesen

Master erzeugt Startbedingung, spielt 7-Bit Adresse auf Datenleitung und setzt mit Bit 8 die Auszufuehrende Operation (schreiben(0) / lesen(1))

Wenn Bit 8 = 0: Slave schreibt das zweite gesendete Byte in sein Adressregister und die folgenden Bytes in das adressierte Register

Wenn Bit 8 = 1: Slave funkt dem Master den Inhalt des aktiven Registers