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Entwicklung eines kombinierten Auslese- und Echtzeit-Triggersystems zum Nachweis von Elektronen/Positronen-Signaturen in einem elektromagnetischen Schauerdetektor

Petri, Markus


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Freie Schlagwörter (Deutsch): Echtzeit-Triggersystem , Auslese-Triggersystem , Elektronen/Positronen-Signatur , Schauerdetektor
Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: II. Physikalisches Institut
Fachgebiet: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 15.09.2000
Erstellungsjahr: 2000
Publikationsdatum: 12.06.2001
Kurzfassung auf Deutsch: Das Dileptonenspektrometer HADES (High Acceptance DiElectron Spectrometer) wird derzeit am Schwerionensynchrotron der
Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt aufgebaut und in Betrieb genommen. Das aus mehreren Teildetektoren
aufgebaute Spektrometer besteht aus einem ringabbildenden Cherenkov-Detektor (RICH), einem elektromagnetischen Schauerdetektor
(SHOWER) und einer Flugzeitwand (TOF) zur Teilchenidentifizierung sowie einem Magnetspektrometer zur Impulsbestimmung der
geladenen Teilchen, bestehend aus Minidriftkammern (MDCs) und einem supraleitenden Magneten. Konzipiert für die Spektroskopie von
Elektron-Positron-Paaren (Dielektronen-Paare) im invarianten Massebereich bis 1.1 GeV/c2 erlaubt das Spektrometer die Untersuchung
von Schwerionenreaktionen sowie pion- und protoninduzierten Reaktionen. Zentrale experimentelle Fragestellungen sind dabei die
Untersuchung der elektromagnetischen Struktur von Hadronen sowie mediumbedingte Modifikationen von Hadroneneigenschaften.


Der Nachweis von Dielektronen aus einem elektromagnetischen Zerfall innerhalb eines von Hadronen dominierten Untergrundes erfordert
neben einem hochselektiven Spektrometer ein Auslese- und Echtzeit-Triggersystem, das hohe Ereignis- und Datenraten verarbeiten kann.
Zentrales Element des mehrstufigen HADES-Echtzeit-Triggersystems ist dabei der Second-Level-Trigger (LVL2-Trigger). Diese
Triggerstufe lokalisiert Signaturen von Elektronen bzw. Positronen in den verschiedenen Teildetektoren des Spektrometers und selektiert
Ereignisse mit Dielektronen in einem vorgegebenen invarianten Massebereich. Ziel dieser Ereignisselektion ist eine Reduktion der
Ereignis- und Datenraten um einen Faktor 100.


In der vorliegenden Arbeit wird die Struktur sowie die technische Realisierung der entsprechenden Elemente des Auslese- und
LVL2-Triggersystems für den HADES- Schauerdetektor beschrieben. Das kombinierte System besteht aus zwei 6U-VME-Einschubkarten
pro Detektorsegment, die die Auslese sowie die gleichzeitige Analyse der digitalisierten Ladungswerte der segmentierten Kathodenfelder
des Schauerdetektors ermöglichen. Die Echtzeit-Analyse im Triggersystem umfaßt dabei die Kalibration der Ladungswerte und das
Erkennen von Signaturen elektromagnetischer Schauer in den drei Ebenen des Detektors, die aus jeweils 32 x 32 Kathodenfeldern
bestehen. Die Analyseergebnisse der Triggerstufe werden mittels einer weiteren VME-Einschubkarte an die nachfolgenden Einheiten des
LVL2-Triggers zur Bildung der LVL2-Triggerentscheidung weitergeleitet. Die Verarbeitung der zwischengespeicherten Daten im
Auslesesystem erfolgt dann entsprechend der vom LVL2-Triggersystem bereitgestellten Triggerentscheidung. Die pro Einschubkarte
sowohl im Auslese- als auch im Triggerzweig zu verarbeitende Datenrate beträgt 180 MByte/s und erfordert insgesamt ca. 1010
prozessoräquivalente Operationen pro Sekunde. Die eigentliche Analyse der 1536 Kathodenfelder benötigt 6,4 [mikro]s bei einer
maximalen Latenzzeit von 10 [mikro]s.


Darüber hinaus wurde ein in Hardware implementierbarer Schauererkennungs- algorithmus entwickelt und mit Daten aus einer
vollständigen Detektorsimulation getestet und optimiert. Bei der technischen Realisierung der Aufgabenstellung wurden im großen Umfang
programmierbare Logikbausteine (PLDs) eingesetzt, so daß eine Anpassung der Funktionalität der entwickelten Hardware an andere
experimentelle Fragestellungen jederzeit möglich ist. Das hohe Maß an Flexibilität sowie die modulare Gestaltung lassen darüber hinaus
den Einsatz der Einschubkarten in anderen Trigger- und Auslesesystemen denkbar erscheinen.


Die Beschreibung der Funktionalität der programmierbaren Logikbausteine erfolgt in der standardisierten Hochsprache VHDL (VHSIC1
Hardware Description Language), so daß eine vollständige funktionale Simulation sowie eine Timing-Simulation der vorliegenden
Hardware gewährleistet ist.