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.