von Oliver Schäfer DESY Hamburg Universität Rostock EUDET Projekt

Präsentation zum Thema: "von Oliver Schäfer DESY Hamburg Universität Rostock EUDET Projekt"—  Präsentation transkript:

1 Ausleseelektronik für die Large-Prototype-TPC des ILC mit Zeit/Digitalwandlern
von Oliver Schäfer DESY Hamburg Universität Rostock EUDET Projekt Guten Tag – ich möchte Ihnen etwas über eine Ausleselektronik erzählen, die unsere Rostocker Arbeitsgruppe zur Zeit am DESY in Hamburg weiterentwickelt. Was es dabei … Vortrag zur DPG Frühjahrstagung (05. bis 09. März 2006, Heidelberg), Sitzung T509

2 Überblick Large-Prototype-TPC
Ausleseelektronik mit Zeit/Digitalwandlern Test-Equipment … mit der Large Prototype-TPC auf sich hat, und wie diese Elektronik aufgebaut ist, darum soll es in meinem Vortrag gehen. Anschließend werde ich noch kurz auf unser Test-Equipment, insbesondere auf eine neue Testkammer eingehen.

3 Setup der Large-Prototype-TPC
Endplatte mit Padebene 1.2 Tesla-Magnet Feldkäfig Ausleseelektronik I Ausleseelektronik II LCIO Dateien Im Moment wird in einer internationalen EU-geförderten Kollaboration an einem größeren Prototypen, der so genannten Large Prototype TPC gearbeitet. Sie wird zunächst am DESY aufgestellt, und Messungen können dort mit ihr an einem Teststrahl in einem 1,2 Tesla Magneten durchgeführt werden. Der Magnet wird vom KEK aus Japan gestellt. Der Feldkäfig mit etwa 80 cm Durchmesser und circa 60 cm Länge entsteht am DESY und die Endplatte wird von mehreren Arbeitsgruppen gemeinsam entwickelt. Es sind derzeit zwei unterschiedliche Ausleselektroniken vorgesehen, die steckkompatibel von der Universität Lund und unserer Rostocker Arbeitsgruppe entwickelt werden. Die gewonnenen Daten werden schließlich in einem einheitlichen Datenformat abgespeichert. (LCIO steht dabei für das einheitliche Linear Collider Input Output Format). Bevor ich nun …

4 Zeitprojektionskammer (TPC)
… auf die Elektronik zu sprechen komme, möchte ich noch einmal kurz die Größen in Erinnerung rufen, die aus einer TPC eigentlich ausgelesen werden. Dies sind die Projektion der Spur auf die x, y-, bzw. r, Phi-Ebene, die z-Koordinate, die in Form einer Zeitmessung zur Verfügung steht und schließlich die Ladung, die auf der Ausleseelektrode – also zum Beispiel den Pads, registriert wird. Um diese … Padposition  x, y Driftzeit  z-Koordinate Ladung  Verbesserung x, y sowie zur Teilchenidentifikation

5 Ausleseprinzipien für TPCs
Zwei Grundprinzipien für TPC-Ausleseelektronik: Flash ADC: digitalisiert Kurvenform Ladungs-Zeit-Wandlung: liefert Q und tStart Ziel: Q und tStart Analoge Ladungsmessung Q-t-Wandlung bei TPCs zum ersten Mal bei DESY* … Größen zu messen, kommen beim Large Prototype zwei Methoden zur Anwendung. Die erste Methode verwendet ganz konventionell so genannte Flash Analog Digital Wandler, die im Wesentlichen die Signalform digitalisieren. Durch Integration der Form kann später die Ladung des Signals berechnet werden. Unsere Rostocker Arbeitsgruppe wendet eine zweite Methode an. Hierbei wird die Ladung des Signals über das Laden und Entladen eines Kondensators in einen Rechteckimpuls entsprechender Dauer umgewandelt. Es ist also eine analoge Ladungsmessung. Dieser Rechteckimpuls kann hinterher recht einfach über zwei Zeitmessungen digitalisiert werden. Dass die Ladungs-Zeit-Wandlungsmethode prinzipiell einsetzbar ist, konnte bereits von meinem Rostocker Kollegen an Testkammern am DESY demonstriert werden. Ansonsten fand das Verfahren aber noch keine Verwendung zum Auslesen einer TPC, so dass wir hier tatsächlich Neuland beschreiten. * A. Kaukher: „A study of readout electronics based on TDC for the international linear collider TPC detector“, IEEE Trans. Nucl. Sci. 53 (2006) p. 749

6 Unser Aufbau I (Allgemeines)
Etwa 1000 Kanäle für LP-TPC LP-TPC-Padgröße: 1 mm × 4…6 mm Möglichst steckkompatibel mit FADCs der Universität Lund  Zweiteiliges System für Ladungsmessung und Digitalisierung Für die Large Prototype TPC soll unsere Elektronik etwa 1000 Kanäle umfassen. Die Pads der LP-TPC sind 1 mal 4 bis 6 Millimeter groß, was sich auf den für die Elektronik zur Verfügung stehenden Platz auswirkt. Zudem soll sie, wie gesagt, steckkompatibel mit der FADC-Elektronik der Universität Lund sein. Wir werden unser Auslesesystem zweiteilig gestalten: bestehend aus je einem Baustein für die Ladungs-Zeitwandlung und die Zeit-Digitalwandlung.

7 Unser Aufbau II (ASDQs)
Verstärker, Shaper, Diskriminator und Q-t-Wandlung Ladungsmessung liefert Rechteckpuls entsprechender Dauer 8 Kanäle pro Chip 12 mm × 12 mm Nominell 0.3 fC … 120 fC mit ca. 10 % Genauigkeit Für den ersten Schritt ist der so genannte ASDQ-Chip zuständig. Die englische Abkürzung steht für Verstärker, Shaper, Diskriminator und Ladungsmessung in Form einer Ladungs-Zeit-Wandlung. Der Schaltkreis vereint auf 12 mal 12 Millimetern 8 Kanäle und kann Ladungen zwischen 0,3 und 120 Femtocoulomb mit ungefähr 10% Genauigkeit zu messen. In der Abbildung sind die einzelnen Stationen eines Signals im ASDQ dargestellt: Das Eingangssignal wird verstärkt, durchläuft einen Shaper, der die Signalform verbessert, einen für unseren Zweck eigentlich nicht benötigten Schritt: den Base Line Restore und im Diskriminator erfolgt schließlich gleichzeitig die Formung des Rechteckimpulses und die Ladungs-Zeit-Wandlung.

8 Unser Aufbau III (HPTDCs)
High Performance Zeit/Digitalwandler TDC ist prinzipiell „Stoppuhr“ Vielzweck-TDC vom CERN 32 Kanäle 27 mm × 27 mm Zeitmessung 105 µs mit 781 ps Kommerzielle Module erhältlich Bild: CERN Electronics Group Der so gewonnene Rechteckimpuls erreicht den zweiten Baustein, dessen englische Abkürzung HPTDC für High Performance Zeit/Digitalwandler steht. Dieser ist im Grunde eine Art Stoppuhr, die die gemessenen Zeiten als Digitalsignal ausgibt. Der HPTDC ist ein Vielzweck-TDC, der vom CERN entwickelt wurde. Er vereinigt auf 27 mal 27 Millimetern Grundfläche 32 Kanäle und erlaubt Zeitmessungen bis zu 105 µs mit 781 ps Genauigkeit. Diese Werte sind für die LP-TPC mehr als ausreichend, denn 105 µs entsprechen bei einer Driftgeschwindigkeit von ungefähr 4 cm pro µs etwa 4,20 Meter Driftlänge. Der HPTDC wird auch in den kommerziellen Modulen angewendet, die Bestandteil unseres derzeitigen Aufbaus sind. Foto: CAEN

9 Unser Aufbau IV (Konzept)
„klassischer“ VME-Ansatz Vorverstärkerplatinen Signale über Kabel zum VME-TDC Erfahrungen vorhanden, aber viele Kabel Momentan verfolgen wir einen eher klassischen Ansatz für das Auslesesystem: Die Signale von den Pads gelangen zunächst auf Vorverstärkerplatinenmit den ASDQs stattfindet. Von dort gelangen die Rechtecksignale über Flachbandkabel zu kommerziellen VME TDC-Modulen, wo die Digitalisierung stattfindet.

10 Unser Aufbau V (Platine)
Platinen direkt auf Endplatte gesteckt Kurze Leitungen, aber Scherkräfte an Steckern 32 Kanäle  Breitenbeschränkung: 32 mm (bei 1 mm Padbreite) Dicke 4…6 mm, Länge „frei“ Die Vorverstärkerplatinen werden direkt auf die Rückseite der Padebene aufgesteckt. Den Vorteil geringer Leitungslängen erkauft man sich dabei mit mechanischen Belastungen der Steckkontakte, insbesondere da Kabel an den Platinen hängen entstehen recht große Scherkräfte. Hier gilt es, diese Belastungen durch entsprechende Gestaltung der Endplatte abzufangen. Die Leiterplatte, die in dieser Anordnung 32 Kanäle verarbeiten kann ist durch die Padbreite von 1 mm auf 32 mal 1 gleich 32 Millimeter Breite beschränkt. Die Dicke kann entsprechend 4 bis 6 Millimeter betragen, während die Länge weitgehend frei ist.

11 Weiterentwicklung Zukünftiger Ansatz:
Vorverstärker- und TDC-Chips auf einer Leiterplatte Spart kritische Kabel Birgt mehr Risiken in der Entwicklung Mischung analoger und digitaler Signale Entwicklung geplant ab Ende 2007 Da die eben vorgestellte Variante aus verschiedenen Gründen nicht auf eine viel größere Anzahl von Kanälen skaliert werden kann, werden wir in Zukunft einen anderen Ansatz verfolgen: ASDQs und TDC-Chip sollen beide auf der Vorverstärkerplatine angeordnet werden. Dies wird das Kabelproblem wesentlich entschärfen, allerdings werden nun analoge und digitale Signale auf einer Leiterplatte geführt, was ein besonders sorgfältiges Design erfordert. Es ist geplant, diese Entwicklung ab Ende des Jahres zu beginnen. Für beide, …

12 Test-Equipment Nach Fertigstellung muss Elektronik getestet werden:
Pulsgenerator für rein elektronische Tests Testkammer für praxisnahe Signale: Funktionstests Störsignalverhalten Bedienung und „Handling“ … die jetzige und die zukünftige Elektronik müssen nach ihrer Fertigstellung Tests durchgeführt werden. Zunächst werden einfache elektronische Funktionsprüfungen mit einem Pulsgenerator durchgeführt, es ist aber auch vorgesehen eine kleine Testkammer einzusetzen, die zurzeit von mir gebaut wird. Hier können dann auch wieder generelle Funktionstest, Untersuchungen zum Störsignalverhalten angestellt und Erfahrungen bei der Bedienung und dem „Handling“ der Elektronik gesammelt werden.

13 Die UNIMOCS*-Testkammer
Material: Aluminium Abmessungen: soll in 5 T- Magnet (28 cm ø) passen Vorerst kein Feldkäfig: etwa 3 cm Driftstrecke für 10 cm GEMs Modulares Design, um Änderungen zu vereinfachen Design umfasst größeren Betriebsparameter-Raum (Druck, Spannung), um flexibel einsetzbar zu sein Auswechselbare Pad-Ebenen für verschiedene Elektronik Besonderes Augenmerk liegt auch auf Dichtung, um Gaseigenschaften kontrolliert untersuchen zu können Die Testkammer – ich habe sie mal auf den Namen UNIMOCS getauft, für „universal modular Chamber System“ – besteht aus Aluminium. Die Abmessungen sind so dimensioniert, dass sie noch in einen fünf Tesla Testmagneten am DESY passt, der eine 28 Zentimeter Bohrung hat. Vorerst ist kein Feldkäfig für die Kammer vorgesehen, so dass die Driftstrecke auf 3 cm beschränkt wurde, um ein hinreichend homogenes Feld zu erzielen. Wie der Name schon andeutet, weist die Kammer ein modulares Design auf, um spätere Änderungen zu erleichtern – auch sind die Betriebsparameter der Kammer (wie Druck und Spannung) reichlich bemessen, damit sie neben den eigentlichen Elektroniktests auch für andere Zwecke weiterverwendet werden kann. Speziell für die Elektroniktests sind die Pad-Ebenen auswechselbar gestaltet. Ein besonderes Augenmerk liegt auch auf der Dichtung der Kammer, damit z. B. Untersuchungen von Gaseigenschaften unter kontrollierten Bedingungen durchgeführt werden können. Im Folgenden … *) UNIversal MOdular Chamber-System

14 Einige Eindrücke … … möchte ich nun einige Ansichten des CAD-Modells der Kammer vorstellen.

15 Hier zunächst die Gesamtansicht der UNIMOCS-Kammer von außen
Hier zunächst die Gesamtansicht der UNIMOCS-Kammer von außen. Erkennbar ist die Dreiteilung der Kammer in Kathoden- Mittel- und Anodenteil. Oben befindet sich der Einbauschacht für die Elektronik. Vorn ein Halter für eine radioaktive Quelle. Gesamtansicht

16 Hier sind die Außenwände nun entfernt und die innere Struktur der Kammer wird sichtbar. Unten montiert auf Stützisolatoren die Kathode und ihr gegenüber der Ausleseturm mit GEMs und der Pad-Ebene. Innenansicht

17 Hier noch einmal die Kathode im Detail, in der Mitte die Stromzuführung.
Detail Kathode

18 Innenansicht

19 Hier sehen Sie einen Blick auf die GEMs mit der umgebenden Schildelektrode. Entfernt man sie …
Schild & GEMs

20 … wird der Blick frei auf den gesamten Ausleseturm und die Anordnung der Hochspannungsstecker und des Gasanschlusses wird sichtbar. Mit diesen Ansichten … Ausleseturm

21 Zusammenfassung und Ausblick
Ziel: Kanäle Ende des Jahres Höher integrierter Aufbau erfolgt danach UNIMOCS-Testkammer wird derzeit gefertigt Kabel werden auf Eignung getestet Momentan liegen wir im Zeitplan … komme ich nun zur Zusammenfassung: Ziel meiner Arbeiten innerhalb der Rostocker Gruppe ist es bis zum Jahresende ein Auslesesystem mit 800 bis 1000 Kanälen aufzubauen. Danach soll versucht werden die Elektronik kompakter zu gestalten. Eine Testkammer wurde von mir entwickelt und wird derzeit gefertigt. Des Weiteren werden demnächst die Signalkabel auf ihre Eignung für das Auslesesystem hin getestet. Zusammenfassend kann ich sagen, dass wir bis jetzt im Zeitplan liegen. Damit …

22 Vielen Dank! … möchte ich meinen Vortrag schließen. Ich bedanke mich für Ihre Aufmerksamkeit und stehe für Fragen zur Verfügung.