Astroteilchenschule Erlangen Okt.07 Merlin Manewald, IPE, FZK Nachweis der Radioemission von Luftschauern und Entwicklung eines Triggers mit LOPES STAR.

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1 Astroteilchenschule Erlangen Okt.07 Merlin Manewald, IPE, FZK Nachweis der Radioemission von Luftschauern und Entwicklung eines Triggers mit LOPES STAR Institut für Prozessdatenverarbeitung und Elektronik, 76021 Karlsruhe Inhalt: 1. Die Erzeugung der Geo-Synchrotron- strahlung 2. LOPES 3. LOPES STAR

2 Astroteilchenschule Erlangen Okt.07 Merlin Manewald, IPE, FZK 1. Die Erzeugung der Geo-Synchrotronstrahlung 1. 2. 3. 1.Hochenergetische kosmische Strahlung trifft auf die Atmosphäre. 2.EAS (Extensive Air Shower), bestehend aus Sekundärteilchen, werden erzeugt. 3.Sekundärteilchen erzeugen EM-Strahlung im Radiobereich (Geo-Synchrotroneffekt).

3 Astroteilchenschule Erlangen Okt.07 Merlin Manewald, IPE, FZK 1.2 EAS (extensive air shower) 1.2 EAS (extensive air shower) Entstehen durch WW der kosmischen Strahlung mit der Atmosphäre Bestehen hauptsächlich aus n/p, e + /e - und μ + / μ - Die Schauerfront ist nur etwa 1m dick Fig.: Alkhofer 1975

4 Astroteilchenschule Erlangen Okt.07 Merlin Manewald, IPE, FZK * H. Falcke and P. W. Gorham: Detecting Radio Emission from Cosmic Ray Air Showers and Neutrinos with a Digital Radio Telescope ** T. Huege & H. Falcke: …MC-Simulations based on CORSIKA. Proc. ICRC 2005 1.3 Geo-Synchrotronstrahlung Erklärungsmodell geht zurück auf Falcke & Gorham* Wird emittiert durch geladene Teilchen, die im Erdmagnetfeld abgelenkt werden Da die Schauerfront nur etwa 1m dick ist Im Radiobereich hauptsächlich konstruktive Interferenz Elektrische Feldstärke am Boden**: 2/γ : Primärteilchenenergie : Abstand : geomagnetischer Winkel T. Huege, Diss. 2004

5 Astroteilchenschule Erlangen Okt.07 Merlin Manewald, IPE, FZK 2. LOPES (LOFAR PrototypE Station) Umfasst 30 invertierte V-Dipol-Antennen Mißt im Frequenzband 40MHz-80MHz Zeichnet Daten unterabgetastet auf (Samplerate 80MHz) Wird fremdgetriggert durch KASCADE-Grande Teilchendetektoren Ziel: Zusammenhang zwischen Synchrotronstrahlung und Schauerparameter A. Horneffer, 2006

6 Astroteilchenschule Erlangen Okt.07 Merlin Manewald, IPE, FZK 2.1 LOPES - Ergebnisse 2.1 LOPES - Ergebnisse Auswertung der Datennahme über 7 Monate (Stand: 2006) - Mehr als 220 Ereignisse weisen klares Radiosignal auf - Klare Abhängigkeit vom geomagnetischen Winkel: Bestätigt Geo-Synchrotronmodell Fig.: A. Haungs, Fig.: A. Haungs, Radio Emission in Atmospheric Air Showers: Results of LOPES-10, 2006 E P =4*10 17 eV

7 Astroteilchenschule Erlangen Okt.07 Merlin Manewald, IPE, FZK 2.1 LOPES – Ergebnisse (2) 2.1 LOPES – Ergebnisse (2) Auswertung der Datennahme über 7 Monate (Stand: 2006) - Die Feldstärke folgt einem Potenzgesetz für die Primärteilchenenergie - Die Feldstärke fällt exponentiell mit dem Abstand Fig.: A. Haungs, Fig.: A. Haungs, Radio Emission in Atmospheric Air Showers: Results of LOPES-10, 2006

8 Astroteilchenschule Erlangen Okt.07 Merlin Manewald, IPE, FZK 2.2 LOPES – Schlussfolgerungen 2.2 LOPES – Schlussfolgerungen Die Radio-Detektion hat großes Potential für die Untersuchung kosm. Strahlung Kostengünstig, d.h. ideal für großflächige Anwendungen (hohe Energien) Hoher Duty-cycle (>90%) Für autarken Einsatz (z.B. am PAO) ist jedoch ein Selbsttrigger notwendig!  LOPES STAR

9 Astroteilchenschule Erlangen Okt.07 Merlin Manewald, IPE, FZK 3. LOPES STAR (SelfTriggered ARray) Umfasst 2 Antennenfelder à 4 LPD-Antennen 2 Kanäle/Antenne (N/S &O/W) Analoger Schwellwerttrigger: ➔ Triggerrate wird von RFI (Radio Frequency Interference) dominiert Mittels Fremdtriggerung durch KASCADE-Grande werden Daten gesammelt ➔ Entwicklung geeigneter Triggeralgorithmen T. Asch et. al., ICRC 2007

10 Astroteilchenschule Erlangen Okt.07 Merlin Manewald, IPE, FZK 3.1 LOPES STAR - Schauerereignis EW NS 1 2 3 4 LOPES STAR Azimuth φ = 293° Zenith θ = 48° KASCADE-Grande Azimuth φ = 295° Zenith θ = 44° E ≈ 6 · 10 17 eV 4 3 2 1 Fig.: T. Asch et. al., ICRC 2007

11 Astroteilchenschule Erlangen Okt.07 Merlin Manewald, IPE, FZK 3.1 LOPES STAR - Triggerstrategie Sensibilisierung: - Schmalbandige Störquellen (z.B. TV-Transmitter) machen einen Großteil der empfangenen Leistung aus T. Asch et. al., ICRC 2007 Am p t t  Signal-Rausch-Verhältnis verbessert sich signifikant! - Deshalb: In Frequenzdomäne werden schmalbandige Signale unterdrückt - Dazu wird ein fremdgetriggerter Datenblock Fourier-transformiert

12 Astroteilchenschule Erlangen Okt.07 Merlin Manewald, IPE, FZK 3.1 LOPES STAR – Triggerstrategie (2) Aussieben: - 4 Klassifikationsparameter: - Signal-Rausch-Verhältnis: snr - Anz. Pulse in einem def. Fenster: #Pulse - Breite des Pulses: d - Position des Pulses: t - Idealer Puls einer Radioemission + ungestörte Antenne: - snr groß - #Pulse = 1 - d ≈ 12.5 ns - Erfüllt ein gemessener Puls dies in gewisser Toleranz  mit anderen Antennen Koinzidenzüberprüfung mit anderen Antennen d

13 Astroteilchenschule Erlangen Okt.07 Merlin Manewald, IPE, FZK 3.1 LOPES STAR – Triggerstrategie (3) Koinzidenzüberprüfung- Bedingungen für Triggerentscheid: - Mindestens 3 Kanäle registrieren einen “guten” Puls - Triangulation ergibt, daß Pulse nicht aus der horizontalen Ebene kommen Fig.: T. Asch et. al., ICRC 2007

14 Astroteilchenschule Erlangen Okt.07 Merlin Manewald, IPE, FZK 3.2 LOPES STAR – Hardware-Implementierung 1. Implementierung via VHDL in FPGA-Hardware (Nur für 2 Kanäle oder 1 Antenne) 2. Testen auf der Basis einer Antenne 3. Weitere Untersuchungen für Inter-Antennen- Kommunikation --> Koinzidenz-Trigger

15 Astroteilchenschule Erlangen Okt.07 Merlin Manewald, IPE, FZK 3.3 LOPES STAR – Hardware-Implementierung (2) Störunterdrückung: Blockweise FFT: Welche Blocklänge ist notwendig? Untersuchung  Für eine spektrale Auflösung ≤ 312.5 kHz (oder Blocklänge ≥ 256) folgt eine gute Korrelation der wesentlichen Parameter: snr: block length 256 vs. 2048

16 Astroteilchenschule Erlangen Okt.07 Merlin Manewald, IPE, FZK 4. LOPES STAR : Ausblick - Triggeralgorithmus in Software ist getestet und funktioniert unter schwierigen Bedingungen am FZK (Triggerschwelle: E P > 2*10 17 eV)* - Ab Anfang 2008: Hardware-basiert  Autarke Lösung - Einsatz sowohl am FZK als auch in Argentinen (P. Auger Observatorium) geplant. - Weitere Optimierung der Triggeralgorithmen: In Arbeit! * T.A.: Radio@Auger_Amsterdam

17 Astroteilchenschule Erlangen Okt.07 Merlin Manewald, IPE, FZK 1.1 Hochenergetische kosmische Strahlung Hochenergetische kosmische Strahlung: - Entdeckt von Victor Hess beim Ballonflug - Besteht überwiegend aus Atomkernen (99%) und selten aus Elektronen oder γ-Quanten (1%). - Fluss fällt bei hohen Energien ab: - Entstehung ist unklar: Supernovae (bottom-up) oder Zerfallsprodukt schwerer Teilchen (top-down)? A. Haungs 2004

18 Astroteilchenschule Erlangen Okt.07 Merlin Manewald, IPE, FZK 2.1 LOPES – Daten 2.1 LOPES – Daten 1. Phase: LOPES 10: - Umfasst 10 invertierte V-Dipol-Antennen - Misst nur die Ost-/West-Polarisation - Aufgenommener Datensatz umfasst Messzeit von 7 Monaten 2. Phase: LOPES 30: - Erweiterung auf 30 Antennen - Misst beide Polarisationsrichtungen - Ist mittels Referenzquelle absolut kalibriert worden