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Authors: Noll, Ernst Johannes Oliver
Advisor: Maas, Frank
Title: Digital Signal Processing for the Measurement of Particle Properties with the PANDA Electromagnetic Calorimeter
Online publication date: 23-Oct-2020
Language: english
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.
In recent decades, the quantum field theory of strong interaction (QCD) has been impressively demonstrated in the area of high energies and momentum transfers. Nowadays, novel experiments allow for challenging the methods for the calculation of QCD also in the non-perturbative regime by the continuous improvement of measurement accuracy. PANDA at the upcoming FAIR accelerator facility is one of such experiments. At PANDA, antiprotons with momenta of up to 15 GeV/c will be annihilated at a fixed proton target under high luminosities. Among a variety of detector systems, PANDA stands out with its lead tungstate electromagnetic calorimeter (EMC), which is designed to have a wide dynamic range (10 MeV to 14.6 GeV) and a relative energy resolution of better than 2.5 % at 1 GeV. The development of the backward part of the PANDA EMC is the first scientific goal of this thesis. Since the development of the backward EMC has progressed so far, it is foreseen for an experiment within the FAIR Phase-0 research programme. It is proposed to measure the double-virtual electromagnetic transition form factor (TFF) of the pion in the Primakoff π0 electroproduction at the Mainz Microtron facility (MAMI). The pion TFF is related via the hadronic light-by-light scattering to the g_μ-2 puzzle. Consequently, the second scientific goal of this thesis are preparatory studies for FAIR Phase-0. The developments of this work resulted in a fully functional prototype calorimeter, which operated stably in numerous tests at MAMI. However, the focus of this work is digital signal processing (DSP) for the PANDA EMC. A specially developed software framework allowed for testing and optimising signal optimising algorithms and parameter extraction methods on realistically simulated signals. Thus, the algorithms are well-adapted to the time structure of the PANDA calorimeter preamplifier (APFEL) signals. Furthermore, the DSP methods were implemented on the Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) of the PANDA digitisation board. The developed FPGA firmware provides a self-triggering readout for all calorimeter channels, an efficient implementation of a high order filter with a finite impulse response (FIR), noise hit suppression and pileup handling. Together with the calorimeter prototype, the digital signal processing was tested at MAMI. Thanks to the use of the DSP methods, an energy detection threshold (single crystal) of less than 2.5 MeV was achieved. This allowed for a measured relative energy resolution of 2.190(2) % at 1 GeV. Moreover, the non-linearity of the calorimeter is in the order of a few per mill. Due to the self-triggering concept of the FPGA firmware, measurements under high detector rates were possible. Thus, a dead time of 464(13) ns and a pileup probability of 4.53(12) % at 100 kHz was determined. For the measurement of the pion TFF, a high flux of low energy electrons and photons is expected. Thus, test beams with the prototype were performed to determine the impact of the low energetic background on the measurement. By utilising both experimental data and simulations, an upper limit for the relative energy resolution (2.75(4) % to 6.57(2) % at 1 GeV) as a function of the luminosity (2.77 μb-1/s to 55.34 μb-1/s) was found. The study allows an estimation of the FAIR Phase-0 measuring time.
DDC: 500 Naturwissenschaften
500 Natural sciences and mathematics
530 Physik
530 Physics
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-5078
Version: Accepted version
Publication type: Dissertation
License: CC BY-NC-ND
Information on rights of use: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
Extent: 198 Seiten
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