Giessener Elektronische Bibliothek

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Aufbau einer Datenaufnahme zur Integration von Schottky-Signalen in Atomphysikexperimenten an Speicherringen

Data acquisition with integration of Schottky signals in atomic physics experiments at storage rings

Trageser, Christian


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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:hebis:26-opus-137556
URL: http://geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2018/13755/

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Freie Schlagwörter (Deutsch): Datenaufnahme , Schottky-Signale , Speicherringe , Atomphysik
Freie Schlagwörter (Englisch): data acquisition , schottky signals , storage rings , atomic physics
Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: I. Physikalisches Institut
Fachgebiet: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 26.09.2018
Erstellungsjahr: 2018
Publikationsdatum: 11.10.2018
Kurzfassung auf Deutsch: Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung, dem Aufbau, der Inbetriebnahme und dem Einsatz einer neuen Datenaufnahme zur Aufzeichnung von Schottky-Signalen in atom- und kernphysikalischen Experimenten an den Speicherringen des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung (GSI) bzw. der Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) in Darmstadt. Die neu entwickelte Datenaufnahme ermöglicht es u.a., die Strahleigenschaften eines gespeicherten Ionenstrahls kontinuierlich und zerstörungsfrei aufzuzeichnen.
Schottky-Signale dienen der Strahldiagnose an Speicherringen sowie der Bestimmung von Massen und Lebensdauern von Teilchen mit hoher Genauigkeit. Die Schottky-Signale werden zerstörungsfrei durch einen sogenannten Schottky-Aufnehmer aufgezeichnet. Neben einem Parallelplattenaufnehmer steht am ESR seit 2011 zusätzlich ein Schottky-Resonator mit hohem Gütefaktor zur Verfügung. Dieser besitzt eine viel höhere Sensitivität als der alte Parallelplattenaufnehmer. Durch diese gestiegene Sensitivität können Signale mit besserem Signal-zu-Rauschverhältnissen aufgenommen werden. Diese gestiegene Sensitivität ermöglicht zahlreiche neue Anwendungen und Experimente (siehe weiter unten). Die in dieser Arbeit entwickelte Datenaufnahme wurde an diesem neuen Schottky-Aufnehmer aufgebaut und getestet. Sie eignet sich durch ihren großen Frequenzbereich für nahezu alle GSI/FAIR Speicherringe.
Die Einsatzmöglichkeiten dieses neuen Datenaufnahmesystems sind vielfältig. So kann es beispielsweise als eine Art von "Strahllogbuch" verwendet werden (siehe Kapitel 6), das kontinuierlich und hochpräzise die Schottky-Signale eines gespeicherten Ionenstrahls aufzeichnet.
Weiterhin erlaubt es die Schottky-Technik, die Eigenschaften eines Speicherrings als hochauflösendes Massenspektrometer zu nutzen und ermöglicht die Bestimmung der Massen von stabilen Ionen und Radioisotopen zerstörungsfrei.
Die in dieser Arbeit entwickelte Datenaufnahme bietet eine kontinuierliche und breitbandige Datenerfassung von Schottky-Signalen. Strahleigenschaften lassen sich mit hoher Zeitauflösung oder alternativ mit hoher Frequenzauflösung für mehr als zehn Harmonische des gespeicherten Ionenstrahls für die gesamte Dauer eines Experiments aufzeichnen.
Die neue Datenaufnahme, als New Time CAPture (NTCAP) bezeichnet, besteht aus einer Reihe von Hardwarekomponenten der Firma National Instruments (NI). Das Herzstück dieser Komponenten ist ein hochauflösender Vektor-Signal-Analyzer (VSA). Der VSA kann im Frequenzbereich von 10 MHz bis 6,6 GHz betrieben werden. Am ESR wird er typisch in einem Bereich um 245 MHz eingesetzt, entsprechend der Resonanzfrequenz des neuen Schottky-Aufnehmers. Zusätzlich sind 16 Zählerkanäle integriert, um weitere Signale wie Beschleuniger- und Teilchendetektorsignale zeitsynchron aufzuzeichnen. Die gewonnenen Daten wurden über ein dediziertes 10 GBit/s schnelles lokales Netzwerk abgespeichert, dessen zentraler Speicher ein 132 TByte großes Network-Attached-Storage (NAS) System ist. In dem am ESR verwendeten Frequenzbereich liefert der VSA eine maximale Datenrate von 160 MBytes/s. Für die Aufzeichnung mit höchsten Datenraten steht zusätzlich eine 4 TByte große SSD zur Verfügung.
Für diese Schottky-Datenaufnahme wurde ein Kontroll- und Steuerprogramm in der Programmiersprache LabVIEW (engl. "Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench") entwickelt, das die einzelnen Module ansteuert und die Schottky-Zeitsignale sowie weitere Signale wie Detektor- oder Beschleunigersignale zeitsynchron erfasst. Die Inbetriebnahme erfolgte mit Signalen eines Signalgenerators sowie mit den Signalen des neuen Schottky-Aufnehmers am ESR mit 12C6+ Ionen bei einer Energie von 400 AMeV.
Nach der erfolgreichen Inbetriebnahme wurde das neu entwickelte Datenaufnahmesystem in sieben verschiedenen Experimenten am ESR eingesetzt. Von den gesammelten Daten wurden die Datensätze zweier Experimente für die Präsentation in dieser Arbeit ausgewählt. Bei dem ersten dieser Experimente handelt es sich um ein Laserspektroskopie-Experiment am wasserstoff- und lithiumartigen Wismut, bei welchem die Konstanz der Ionenenergie mit hoher Genauigkeit protokolliert wurde. Beim zweiten Experiment wurde die Einzelteilchensensitivität der NTCAP-Datenaufnahme im Rahmen eines Beta-Zerfall Experiments von 142Pm60+ verifiziert.
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