Digital Signal Processing for the Measurement of Particle Properties with the PANDA Electromagnetic Calorimeter

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Abstract

In den letzten Jahrzehnten wurde die Quantenfeldtheorie der starken Wechselwirkung (QCD) eindrucksvoll im Bereich hoher Energien und Impulsüberträge belegt. Neuartige Experimente erlauben nun, durch immer größere Messgenauigkeiten im nichtperturbativen Bereich die Methoden zur Berechnung der QCD auch dort herauszufordern. PANDA an der zukünftigen FAIR Beschleunigeranlage ist eines dieser Experimente. Bei PANDA werden Antiprotonen mit Impulsen von bis zu 15 GeV/c an einem festen Protonentarget unter hoher Luminosität annihiliert. Ein wichtiges Detektorsystem ist dabei das Bleiwolframat elektromagnetische Kalorimeter (EMC), das einen dynamischen Bereich von 10 MeV bis 14,6 GeV und eine relative Energieauflösung von weniger als 2,5 % bei 1 GeV besitzt. Die Entwicklung des rückwärtigen Teiles eben dieses Kalorimeters ist das erste Forschungsziel dieser Arbeit. Da die Entwicklungsarbeiten soweit fortgeschritten sind, ist dises Kalorimeter für ein Experiment im Rahmen des FAIR Phase-0 Forschungsprogramms vorgesehen. Dabei ist eine Messung des doppel-virtuellen elektromagnetischen Übergangsformfaktors (TFF) des Pions mittels der Primakoff-π0 Elektroproduktion am Mainzer Mikrotron (MAMI) angestrebt. Der Pion TFF ist über die hadronische Licht-Licht-Streuung mit dem g_μ-2 Puzzle verbunden. Folglich sind vorbereitende Studien für dieses Experiment das zweite Forschungsziel dieser Dissertation. Die Entwicklungen dieser Arbeit mündeten in einem voll-funktionsfähigen Prototyp-Kalorimeter, das stabil in einer Vielzahl von Tests an MAMI operierte. Eine Schlüsselkomponente dafür und Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Digitale Signalverarbeitung (DSP) für das PANDA Kalorimeter. Dafür wurde spezielle Software entwickelt, die es ermöglicht Filteralgorithmen und Parameter- Extraktionsmethoden mittels realistisch simulierter Signale zu testen und zu optimieren. Folglich sind die Algorithmen an die Zeitstruktur der PANDA EMC Vorverstärkersignale (APFEL) angepasst. Die optimierten Methoden wurden anschließend auf die Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) der PANDA Digitalelektronik implementiert. Die FPGA Firmware bietet für alle Eingangskanäle eine selbstauslösende Auslese, eine effiziente Implementierung eines Filters hoher Ordnung mit endlicher Impulsantwort (FIR), eine Pile-Up Behandlung und eine Unterdrückung von Rauschereignissen. Durch die erwähnten Methoden konnte zusammen mit dem Prototyp-Kalorimeter eine Energie-Detektionsschwelle von weniger als 2,5 MeV bei Tests an MAMI erzielt werden. Dadurch wurde eine gemessene relative Energieauflösung von 2,190(2) % bei 1 GeV mäglich. Die Nicht-Linearität des Systems beträgt dabei wenige Promille. Durch das selbstauslösende Konzept der Auslese wurden Messungen unter hohen Raten möglich, womit die Totzeit des Kalorimeters zu 464(13) ns und die Pile-Up Wahrscheinlichkeit bei 100 kHz zu 4,53(12) % bestimmt wurden. Da für die Messung des Pion TFF ein hoher niederenergetischer Untergrund erwartet wird, wurde dieser mittels Streuexperimenten an MAMI bestimmt. Durch weiterführende Simulationen konnte eine obere Grenze der relativen Energieaulösung (2,75(4) % bis 6,57(2) % bei 1 GeV) in Abhängigkeit der Luminosität (2,77 μb-1/s bis 55,34 μb-1/s) bestimmt werden. Die Studie erlaubt eine bessere Abschätzung der benötigten Messzeit für FAIR Phase-0 in Mainz.

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