Tests von Auslesechips
f
ur Mikrostreifengaskammern
und Kammertest im Teilchenstrahl
Die Diplomarb eit wurde von Tobias Beckmann ausgef
uhrt am
Physikalischen Institut der Universit
at Heidelb erg
unter der Betreuung von Herrn Prof. Dr. F. Eisele
Fakult
at f
ur Physik und Astronomie
Ruprecht-Karls-Universit
at Heidelb erg
Diplomarb eit
im Studiengang Physik
vorgelegt von
Tobias Beckmann aus Celle
Septemb er 1996
Inhaltsverzeichnis
1 Das HERA-B-Exp eriment 3
1.1 CP-Verletzung im Mesonensystem
B
0
,
B
0
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
3
1.2 Der Detektor
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
4
1.3 Unterdr
uckungsfaktoren der gew
unschten Ereignisse
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
4
1.4 Die Rolle des Inneren Spurkammersystems
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
6
1.5 Triggerkonzept
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
8
2 Mikrostreifengaskammern (MSGCs) 9
2.1 MSGCs im HERA-B Experiment
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
9
2.2 Diamantb eschichtete MSGCs
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
9
2.3 Funktionsweise und Betriebsb edingungen der MSGCs
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
11
3 Ausleseelektronik des Inneren Spurkammersystems 14
3.1 SVD-MSGC: gemeinsame Ausleseelektronik
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
14
3.2 Der Front-End-Auslesechip "Helix128"
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
15
3.3 Der ladungsempndliche Verst
arker und Pulsformer "Helix"
: : : : : : : : : : : : : : : : : : :
16
4 Elektronische Untersuchungen am Helix1.1 Chip 23
4.1 Testpulse und MIPs
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
23
4.2 Versuchsaufbau im Lab or
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
23
4.3 Einu der Bias-Str
ome und Spannungen im Labor
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
26
4.4 Linearit
at und Homogenit
at
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
32
4.5 Rauschen
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
36
4.6 Strahlenh
arte des Vorverst
arkers
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
43
4.7 Temp eraturabh
angigkeit der Basislinie
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
47
4.8 Test des Komparators
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
50
5 Verhalten des Helix-Verst
arkers an MSGCs 52
5.1 Kapazitive und direkte Ankopplung des Helix an die MSGC
: : : : : : : : : : : : : : : : : : :
52
5.2 Erste Ergebnisse von Kammerpulsen
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
54
5.3 Einu des MSGC-Streifenwiderstandes auf das Rauschen
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
54
5.4 Zufalls-Triggerrate
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
57
5.5 Systematische Untersuchung von Pulsformen aus der MSGC
: : : : : : : : : : : : : : : : : : :
58
5.6 Untersuchung von Anomalien der Kammerpulse
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
60
5.7 Zusammenfassung: Ankopplung des Helix an die MSGC
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
64
6 Systemtest im Pionenstrahl am Paul Scherrer Institut 66
6.1 Meprogramm am PSI
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
66
6.2 Vorb ereitung und Aufbau des Strahltests
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
67
6.3 Allgemeines Betriebsverhalten
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
75
6.4 Ho chspannungssch
aden an den Eing
angen des Helix
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
78
6.5 Ergebnisse aus der
Online
-Analyse
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
83
6.6 Ergebnisse einer genaueren
Oine
-Analyse von Rohdaten
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
97
7 Zusammenfassung und Ausblick 106
1
Einleitung
Das HERA-B Exp eriment, das am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg durch-
gef
uhrt wird, soll erstmals im Mesonensystem
B
0
B
0
die
CP-Verletzung
nachweisen. Bis zum Jahres-
anfang 1998 soll der Aufbau des kompletten Detektors abgeschlossen sein, der in den b estehenden
HERA-Beschleuniger integriert wird. Das Physikalische Institut der Universit
at Heidelb erg ist
an diesem Exp eriment mageblich b eteiligt: Mikrostreifengaskammern (MSGCs) f
ur das Innere
Spurkammersystem werden entwickelt, und in Ko op eration mit dem Heidelb erger Max-Planck-
Institut f
ur Kernphysik auch die zugeh
orige Ausleseelektronik in ASIC-Technologie.
Die vorliegende Diplomarb eit b efat sich mit den Verst
arkern f
ur die Auslese der Mikrostreifen-
gaskammern (MSGCs) und dem vorderen analogen Signalpfad. Der Pfad b eginnt mit der Ladung,
die aus der MSGC auf das
Gate
des ladungsempndlichen Vorverst
arkers iet und von diesem in
eine Spannung integriert wird. Eine Pulsformerstufe schliet sich an, b evor die Pulsh
ohe in einem
Ringsp eicher (
Pipeline
) zwischengesp eichert wird. Von einem Teil der Kan
ale werden Triggersignale
abgeleitet. Hierzu dient ein Spannungsschwellen-Trigger, der als getakteter Komparator realisiert
wurde.
Das erste Kapitel geht auf das HERA-B-Exp eriment und dessen Anforderungen an das Innere
Spurkammersystem und dessen Auslesechips ein.
Das zweite Kapitel b efat sich mit den no ch in der Entwicklung b endlichen Mikrostreifengas-
kammern. Es werden die f
ur die Verst
arker wichtigen Eigenschaften diskutiert.
Der Auslesechip im allgemeinen und der eigentliche Verst
arker mit Komparator im sp eziellen werden
im dritten Kapitel erl
autert.
In Kap.4 werden Eigenschaften des Verst
arkers wie Ein
usse der Bias-Einstellungen, Rauschen,
Strahlenh
arte, Linearit
at, Homogenit
a ten sowie der Komparator untersucht. Die Meergebnisse
werden mit Simulationen verglichen.
Eigenschaften, die sich aus der Kopplung des Helix-Verst
arkers an die MSGCs ergeb en, werden
im f
unften und sechsten Kapitel untersucht. Hier wird getestet, wie gut sich die im Lab or mit
Testpulsen erzielten Ergebnisse auf den Betrieb mit einer MSGC
ub ertragen lassen. Hierzu wurden
die MSGCs sowohl mit
-Quanten als auch mit Pionen b estrahlt. Ein Systemtest von MSGCs
und Verst
arkern im Pionenstrahl brachte Erkenntnisse
ub er Ezienz, Orts- und Zeitau
osung der
Kammern, sowie
ub er den Ezienzverlust zerst
orter Ano denstreifen der MSGCs.
Mit der Zusammenfassung der Ergebnisse und einem Ausblickschliet die Arb eit im siebten Kapitel
ab.
2
Kapitel 1
Das HERA-B-Exp eriment
Das HERA-B-Exp eriment soll die CP-Verletzung im System der
B
0
,
B
0
-Mesonen nachweisen.
Unter anderem werden die Zerfallskan
ale
B
0
!
J= K
0
s
,
B
0
!
J= K
0
s
untersucht [21]. CP-
Verletzung ist nachgewiesen,wenn eine Asymmetrie in den Verzweigungsverh
a ltnissen
B
0
!
J= K
0
s
verglichen mit
B
0
!
J= K
0
s
gemessen wird.
Bei HERA-B handelt sich um ein Exp eriment am ep-Ring des DESY, das den Protonenstrahl
parasit
ar nutzt, welcher Protonen mit einer Energie von 820GeV pro duziert. Die Protonen treen
auf ein
Target
aus acht Dr
ahten, die am Rande des Teilchenstrahles montiert werden. Dadurch
werden nur Protonen auf instabilen, divergenten Bahnen zur Kollision gebracht, die f
ur die anderen
HERA-Exp erimente (H1, HERMES, ZEUS) verloren sind.
Der Anteil der pro duzierten B-Mesonen ist im Vergleich zu sonstigen inelastischen Wechselwirkun-
gen sehr klein (10
,
6
). Weitere Faktoren (siehe unten) verkleinern den Unterdr
uckungsfaktor auf
insgesamt10
,
12
. Dieses stellt die Hauptschwierigkeit des Exp erimentes dar.
Die b eiden folgenden Abschnitte stellen die CP-Verletzung im Exp eriment und den Detektor im
Ganzen vor (f
ur detaillierte Informationen siehe [5 ] und [6]). Der Schwerpunkt dieses Kapitels
b esch
aftigt sich mit dem Inneren Spurkammersystem und mit den Anforderungen von HERA-B an
die MSGCs und deren Ausleseelektronik.
1.1 CP-Verletzung im Mesonensystem
B
0
,
B
0
Die Ladungskonjugation
C
ist eine Transformation, die Teilchen in ihre Antiteilchen
ub erf
uhrt. Die
Parit
a tstransformation ist eine Spiegelung eines physikalischen Systems am r
aumlichen Ursprung.
Das Pro dukt aus Ladungskonjugation und Parit
ats
anderung nennt man "CP" (
c
harge conjugation
und
p
arity). Das einzige bis heute bekannt gewordene System, in dem CP-Verletzung gefunden
wurde, ist das der K-Mesonen
K
0
=K
0
. Mit dem HERA-B-Exp eriment will man die CP-Verletzung
auch im System der B-Mesonen nachweisen.
Mit einem Anteil von
B
0
,
P r oduk tion
sonst:inelast:W W
10
,
6
werden die b en
otigten
B
0
B
0
-Paare aus Proton-Kern-
Kollisionen erzeugt. Diese k
onnen dann wie folgt zerfallen:
0
B
B0J/ Ks
0
l
pbbXX
XX
3
A
Der eingezeichnete Zerfallskanal f
ur das
B
0
-Meson ist auch f
ur das
B
0
m
oglich. Nachgewiesen
werden das
J=
und das
K
0
s
ub er deren Zerf
alle in Leptonen und Pionen:
3
0
B
B0
+
l
+
J/ Ks
0l
In den Leptonenpaaren (
l
+
l
,
) sind Myonen und Elektronen eingeschlossen. Um entscheiden zu
k
onnen, ob ein
B
0
o der sein Antiteilchen zerfallen sind, nutzt man aus (siehe erstes Bild), da
b eim Zerfall von B-Mesonen in Leptonen das
B
0
in negative, das
B
0
dagegen in p ositiv geladene
Leptonen zerf
allt.
Ausgew
ahlt wurde der Zerfallskanal, weil
J= K
0
s
ein CP-Eigenzustand ist, so da der Vergleich der
B
0
mit den
B
0
Zerf
allen direkt eine CP-Verletzung nachweist. Sie
auert sich in einem zeitabh
a ngi-
gen Unterschied der b eiden Zerfallsraten. Der Zerfall hat sehr gute Signaturen, so da darauf leicht
getriggert werden kann [5].
1.2 Der Detektor
Der HERA-B-Detektor (Abb.1.1) b esteht aus den folgenden Komp onenten und Sub detektoren:
Siliziumvertexdetektor (SVD)
Inneres Spurkammersystem (IT)
Aueres Spurkammersystem (OT)
Magnetisches Sp ektrometer
C
erenkov-Licht-Z
ahler (RICH)
Elektromagnetisches Kalorimeter (ECAL)
Myonen-Detektor
Mit den Siliziumvertexdetektoren werden der genaue Wechselwirkungspunkt (Vertex) und die
Sekund
arvertices der B-Mesonen lokalisiert. Das Innere und
Auere Spurkammersystem dient
zur Spurrekonstruktion, und zusammen mit dem Dip olmagneten als magnetisches Sp ektrometer
zur Impulsmessung. Mit dem
C
erenkov-Licht-Z
ahler werden Pionen, Kaonen und Protonen unter-
schieden. Das elektromagnetische Kalorimeter dient zur Identizierung von Elektronenpaaren und
am Ende des Detektors identiziert der Myonen-Detektor Myonen.
Die Abb.1.1 zeigt einen L
angsschnitt des Detektors. Der Protonenstrahl kommtvon rechts und trit
dort auf das Metall-Target. Um das Targetherum sind die Silizum-Vertex-Detektoren angeordnet.
Wegen der hohen Energien und des damit verbundenen Lorentz-Bo osts sind die Spuren stark in
Vorw
artsrichtung gerichtet. Auf diesen Bereich b eschr
anken sich die Detektorkomp onenten. Dicht
an der Strahlachse b endet sich das Innere und um dieses herum das
Auere Spurkammersystem.
Deutlichzuerkennen sind der Dip olmagnet, der
C
erenkov-Licht-Z
ahler in der Mitte und links der
massiveMyonendetektor.
1.3 Unterdr
uckungsfaktoren der gew
unschten Ereignisse
In Tab.1.1 wird eine Absch
atzung
ub er den Anteil der erwarteten auswertbaren Ereignisse des
Zerfallkanals
B
0
!
J= K
0
s
im Vergleich zu den inelastischen Ereignissen gegeb en [27 ].
Es ergibt einen Unterdr
uckungsfaktor der gew
unschten Ereignisse gegen
ub er den inelastischen
Abbildung 1.1: Schnitt durch den HERA-B-Detektor. Der Protonenstrahl kommt von rechts.
Dort ist der Vertex mit den Siliziumstreifenz
a hlern. Es schliet sich der Magnet mit den b ei-
den Spurkammersystemen an. Darauf folgen der
C
erenkov-Licht-Z
ahler, das elektromagnetische
Kalorimeter und ganz links der Myonen-Detektor.
Wechselwirkungen von
10
,
12
. Um eine signikante Aussage
uber die CP-Verletzung machen
zu k
onnen, werden
1000 Ereignisse ben
otigt. Damit kommt man zu einer Gesamtzahl von
sch
atzungsweise 10
15
Wechselwirkungen.
Die Kollisionsrate der Teilchenpakete (
Bunch-Crossing
) b etr
agt am HERA-Ring 10.4MHz. Man
erwartet zwei bis vier Wechselwirkungen pro
Bunch-Crossing
. Dieses entspricht einer Wechsel-
wirkungsrate von
30MHz. Mit einem gesch
atzten Betriebsanteil des Strahls und Exp eriments
von 30% erreicht man eine j
a hrliche Exp erimentierzeit von
1
10
7
s. Eingehalten werden kann
diese Zeitdauer ab er nur bei totzeitfreier Auslese. Um sie nicht zu erh
ohen, ist eine Elektronik
mit mehreren Zwischensp eichern n
otig. Die hohe Datenrate verlangt eine Elektronik mit mehreren
Triggerstufen.
Zerfall/Auswerteschritt Unterdr
uckungsfaktor
pp
,!
bb
10
,
6
bb
,!
bd
(
db
) 0.8
B
0
,!
J= K
0
s
5
10
,
4
J=
,!
l
+
l
,
0.06
K
0
s
,!
+
,
0.69
Trigger (
e=
) 0.62 / 0.45
P
aus Spurrek, Fits, Schnitten (
e=
) 0.27 / 0.19
Unterdr
uckung insgesamt
10
,
12
Tab elle 1.1: Aufstellung der Unterdr
uckungsfaktoren der gew
unschten Ereignisse gegen
ub er der
inelastischen Wechselwirkungsrate.
Die Multiplizit
at der Spuren pro
Bunch-Crossing
b etr
agt
120. Daher mu die Granularit
at der
Kan
ale b esonders in der N
ahe des Strahlrohrs klein sein, verbunden mit einer groen Strahlenh
arte
der Elektronik und Detektoren. Es ist vorgesehen, sie w
ahrend der Exp erimentierzeit nicht auszu-
tauschen.
1.4 Die Rolle des Inneren Spurkammersystems
Das Innere Spurkammersystem (IT) b esteht im radialen Abstand 6cm
r
MSGC
25cm vom
Strahlrohr aus Mikrostreifengaskammern (MSGCs). F
ur Radien
r
SV D
<
6cm werden wie im Ver-
texdetektor im Bereich des Magneten Siliziumstreifenz
a hler eingesetzt.Das Innere Spurkammer-
system deckt eine Fl
ache von A
IT
10
m
2
ab, im Gegensatz zur Fl
ache des
Aueren Spurkam-
mersystems (OT) von A
OT
>
500
m
2
. Obwohl die Fl
ache viel kleiner ist als die des OT, werden
aufgrund der nach auen abnehmenden Spurdichte (
tr ack
1
r
2
)
50% aller Hits und etwa 40%
aller Zerfallsspuren [8 ] von B-Mesonen im IT gefunden. Auer zur Spurrekonstruktion dient das
Innere Spurkammersystem auch zur Erzeugung von Informationen f
ur den Trigger der ersten Stufe
(
First Level Trigger=FLT
).
1.4.1 Erzeugung von Informationen f
ur den FLT
Ungef
ahr 74.000 Kan
ale der MSGCs liefern die Informationen f
ur den FLT. Die Ausg
ange der
analogen
Front-End
-Verst
arker dieser Kan
ale liegen an Komparatoren an, die die Spannungen mit
einer vorgegeb enen Schwellenspannung vergleichen. Der Komparator ist getaktet und wird mit
dem Takt des HERA-Strahls synchronisiert. Jeweils vier b enachbarte Signale werden zu einem
Triggersignal verODERt. Ziel ist es, m
oglichst alle ionisierenden Teilchen zum Trigger b eitragen
zu lassen. Wegen des unvermeidbaren Rauschens ist ab er eine Triggerschwelle notwendig. Sie mu
die Signale vom Rauschen so gut wie m
oglich trennen. Dab ei stellt sich die Frage, wie ho ch die
Ezienz und wie klein die Fehltriggerrate sein mu. Dieses b ehandeln die folgenden Abschnitte.
1.4.2 Pulsformen und Pulsl
angen
Alle 96ns gibt es durchschnittlichzwei bis vier Wechselwirkungen. Die Wahrscheinlichkeit, da es in
einem Kanal 96ns nach dem ersten ein weiteres Signal gibt (
Occupancy
), b etr
agt w
Occ
6%. Dieses
folgende Signal soll detektiert werden k
onnen, ohne durch das vorhergehende Signal b eeinut zu
werden. Hierf
ur ist es notwendig, da das erste Signal 96ns nach der Auslese, die m
oglichst im
Pulsmaximum stattnden sollte, wieder (vollst
a ndig) abgefallen ist. Ab er auchwenn kein zweites
Signal folgt, mu es nach 96ns mindestens unter der Schwellenspannung liegen, damit auf den Puls
nichtzweimal getriggert wird. Diese Voraussetzungen sind notwendig, da b ei HERA-B ein einfacher
Schwellenwert-Komparator zur Erzeugung der Trigger eingesetzt wird.
Der Triggerzeitpunkt liegt mit verschob ener, ab er fester Phase zum Takt des HERA-Ringes, da
heit zum Wechselwirkungszeitpunkt. Daher soll die maximale Pulsh
ohe immer zu einem festen
Zeitpunkt relativ zum Strahltakt erreichtwerden. Gleichzeitig wird die Pulsh
ohe in einer Pip eline
gesp eichert. Damit wird eine zur Ionisationsladung prop ortionale Pulsh
ohe ausgelesen.
Eine weitere Anforderung an die Pulse kommt durch elektromagnetische Einstreuungen und
Pick-
up
. Die Amplituden der Kammersignale sollen m
oglichst gro sein, um ein hohes Signal/Rausch-
Verh
altnis erzielen zu k
onnen. Die Triggerschwelle selbst soll so liegen, da m
oglichst auch alle
kleinen Pulse getriggert werden, ohne Fehltrigger durch
uber der Schwelle liegende Rauschspan-
nungen zu erhalten.
Aus den prim
aren Anforderungen folgt weiterhin: Der Puls kann 96ns nach der Triggerauslese nur
vollst
a ndig abgefallen sein, wenn er schnell ansteigt. Das wird in Kap.4 ausf
uhrlich diskutiert.
1.4.3 Ezienz
Die sehr hohe Gesamtunterdr
uckung der gew
unschten Ereignisse in H
ohe von 10
,
12
verlangt eine
b esonders hohe Ezienz des FLT. Je inezienter der Trigger ist, desto l
anger mu das Exp eriment
laufen, um die gleiche Anzahl an gew
unschten Ereignissen zu erhalten. Die Dauer des Exp eriments
liegt b ereits bei einigen Jahren und darf nicht weiter ansteigen, damit die Strahlenb elastung der
Detektorkomp onenten und die Betriebskosten nicht ansteigen.
F
ur einen
-Trigger werden gleichzeitig Signale von acht Kammerlagen ben
otigt. Die Triggeref-
zienz ist daher
8
,wenn
die Ezienz einer Triggerlage ist. Die Inezienz einer Triggerlage wirkt
sich auf die gesamte Ezienz also mit der achten Potenz aus.
Auer der zur Prim
arionisation prop ortionalen Amplitude des Pulses und dem Rauschen, das
Fehltrigger verursachen kann, hat die Pulsform einen groen Einu auf die Ezienz.
Hierzu wurden Simulationen [22 ] durchgef
uhrt, deren Ergebnis die Abb.1.2 zeigt. Dargestellt ist
die prozentuale Ezienz eines Schwellenwert-Triggers als Funktion der in Elektronen geeichten
Schwelle, auf den die Filterfunktion des Helix-Verst
arkers gegeb en wurde.
0
20
40
60
80
100
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000
Effizienz/[%]
Triggerschwelle/[e-]
’eff’
Abbildung 1.2: Simulationen [22 ] zur Ezienz des Diskriminator-Triggers als Funktion der Schwelle
mit einer "Standard"-Pulsform des Helix-Verst
arker (siehe Kap.3).
Bei einer Schwelle von 4150 Elektronen erh
alt man eine Ezienz von 99.0%, b ei 6650 Elektronen
eine von 98.0% und bei 9750 Elektronen eine von 95.0%. Der Vergleich der Spannung des Helix-
Pulses mit der Komparatorspannung fand im Maximum der Helix-Amplitude statt.
F
ur die Filterfunktion des Helix-Verst
arkers wurde die gemessene Pulsantwort auf einen
-Puls mit
der Standardeinstellung aus Kap.4 verwendet. F
ur die Berechnung der Ezienz wurden simulierte
Pulsformen aus der MSGC (wie in Abb.2.4) mit der Filterfunktion der Helix-Verst
arkers gefaltet.
Da ein Puls im nachfolgenden Ereignis unter Umst
anden no ch nicht ganz abgefallen ist und sich
mit dem nachfolgenden Signal
ub erlagert, wurden in zeitlicher Aufeinanderfolge 210 simulierte
Pulsformen mit der Filterfunktion der Helix-Verst
arkers gefaltet. Dab ei wurde eine
Occupancy
von 5% angenommen. Der 211te Puls, der sicheventuell mit den Ausl
aufern der vorherigen Pulse
ub erlagert, wurde f
ur die Berechnung der Ezienz verwendet, indem die Pulsh
ohe im Maximum
mit der Triggerschwelle verglichen wurde. N
ahere Informationen erh
alt man b ei [22].
1.4.4 Teilchenraten, Granularit
at, Strahlenh
arte
Pro
Bunch-Crossing
erwartet man bei zwei bis vier Wechselwirkungen bis zu 120 Spuren im De-
tektor. Diese b enden sich fast ausschlielich in einem Winkelb ereich von weniger als 10
0
um die
Strahlachse herum. Dab ei ergeb en sichTeilchenraten bis zu 1
10
4
Hz
mm
2
im Inneren Spurkammersys-
tem. Um die Spuren und Ereignisse eindeutig rekonstruieren zu k
onnen, ist eine hohe Granularit
at
erforderlich. Die Granularit
at der MSGCs b etr
agt in horizontaler Richtung
x
300
m und in
vertikaler Richtung
y
1mm (siehe Kap.2).
Die Strahlenb elastung der dicht am Strahl eingesetzten MSGCs und Auslesechips wird auf eine
Dosis von 100-400Gy pro Jahr gesch
atzt [15 ]. Die Strahlenb elastung erh
oht das Rauschen und ver-
ringert die Verst
arkung der Elektronik durchVer
anderung der halbleitenden Materialien (Kap.4).
Auch in den MSGCs treten Materialver
a nderungen auf, die die Eigenschaften der MSGCs ver-
schlechtern, bis diese nicht mehr zu gebrauchen sind [29].
1.5 Triggerkonzept
HERA-B verwendet ein vierstuges Triggerkonzept, das die Datenrate von 10MHz auf 100Hz re-
duziert. Mit dieser Rate werden die voll rekonstruierten Ereignisse auf Magnetb
a ndern gesp eichert.
Die erste Triggerstufe (
First Level Trigger=FLT
)dr
uckt die Datenrate von 10MHz um den Faktor
200 auf 50kHz, die zweite Stufe (
Second Level Trigger=SLT
) mu die Datenrate um mindestens
einen Faktor 25 auf 2kHz reduzieren. Der Trigger der dritten Stufe (
ThirdLevel Trigger=TLT
) erre-
icht eine weitere Unterdr
uckung der Datenrate um den Faktor 20. Die
ubrig geblieb enen Ereignisse
werden von der dritten und vierten Triggerstufe vollst
a ndig rekonstruiert.
Weiterhin gibt es drei verschiedene Pretrigger: Einen f
ur Elektronen, einen f
ur Myonen und einen
f
ur Hadronen mit hohen transversalen Impulsen. Sie hab en die Aufgab e,
Regions of Interest (RoI),
zu denieren und den FLT-Spuralgorithmus zu starten.
1.5.1 Elektronen-Pretrigger
Der Elektronen Pretrigger basiert ausschlielich auf der Analyse der Pulsh
ohen aus dem elektro-
magnetischen Kalorimeter (ECAL). Es werden
Cluster
gesucht, deren Gr
oe 3
3 Zellen b etr
agt
und die
ub er der Schwellenspannung liegen. Es wird der geometrische Schwerpunkt der dep onierten
Energie ermittelt. Nach Simulationen [23 ] wird der Elektronen Pretrigger durchschnittlich
2
RoI
s
pro Ereignis liefern.
1.5.2 Myonen-Pretrigger
Eine Koinzidenz von Signalen der letzten b eiden der insgesamt vier Myonenkammern f
uhrt zu
einer
RoI
dieses Pretriggers. Um die Rate von der dritten zur vierten Myonenkammer nicht zu
verringern, b endet sich dazwischen kein absorbierendes Materiel. Simulationen hab en ergeb en,
da pro Ereignis durchschnittlich 0.65
RoI
s des myonischen Pre-Triggers geb en wird.
1.5.3 Pretrigger f
ur Hadronen mit hohen transversalen Impulsen
Auch der hadronische Pretrigger basiert auf einer Koinzidenz von
Pad
-Kammern, allerdings werden
drei Lagen verwendet. Nach Simulationen erwartet man pro Ereignis 2.2
RoI
s.
1.5.4 Der
First Level Trigger
Der FLT bekommt seine Startinformationen aus den verschiedenen Pretriggern. Ausgehend von
den
RoI
s suchterTeilchenspuren in vier Spurkammerlagen zwischen Magnet und Kalorimeter. Aus
den rekonstruierten Spurparametern werden Teilchenimpulse und Spurwinkel gewonnen und erste
Schnitte auf Spuren vorgenommen. Weiterhin werden Spurpaare gesucht, die 2-Teilchen-Massen
b erechnet und verschiedene Trigger-Bedingungen ermittelt.
Auf die Triggerstufen
Second Level Trigger, ThirdLevel Trigger, Fourth Level Trigger
wird in dieser
Arb eit nichtn
aher eingegangen.
Kapitel 2
Mikrostreifengaskammern (MSGCs)
Parallel zur der Entwicklung der
Front-End
-Elektronik werden am Physikalischen Institut der Uni-
versit
at Heidelb erg die Mikrostreifengaskammern (MSGCs) entwickelt.
Dieses Kapitel b efat sich mit Aufbau und Funktionsweise der MSGCs. Des weiteren wird auf die
sich ergeb enden physikalischen Eigenschaften und Anforderungen an die Verst
arker eingegangen.
2.1 MSGCs im HERA-B Exp eriment
HERA-B ist das erste Exp eriment, in dem b ei sehr hohen Raten in groem Umfang MSGCs einge-
setzt werden. Auch die Gr
oe der einzelnen Kammern und die abgedeckte Gesamt
ache ist deutlich
gr
oer als bei bisherigen Exp erimenten. Weitere Herausforderungen in der Entwicklung sind die
geforderte hohe Strahlenh
arte sowie die Festigkeit gegen Ho chspannungs
ub erschl
age, die durch
stark ionisierende Teilchen verursacht werden. Weitere Einzelheiten zu den in diesem Kapitel
angespro chenen Punkten ndet man in [29]. Viele der genannten Gr
oen (Schichtdicken, Betrieb-
sspannungen, etc.) sind no ch nicht als die endg
ultigen Werte anzusehen.
In Richtung des Protonenstrahls b eginnt direkt hinter dem Vertextank das Innere Spurkammersys-
tem. Dessen Detektoren b estehen aus 153.000 MSGC-Kan
alen (Ano denstreifen). Diese sind in 192
etwa 30
30
cm
2
groen Kammern unterbracht. Es gibt 24 Dopp ellagen mit jeweils zwei Mal vier
MSGCs. Jede Kammer hat bei einem Signalstreifenabstand von 300
m 768 Streifen (=Kan
ale).
Die Verst
arker b enden sich in einem Abstand von
30cm von der Strahlachse entfernt an den En-
den der Ano denstreifen. Neb en vertikalen Streifen werden auch Kammern mit einem Stereowinkel
von
5
0
genutzt, um die vertikale Ko ordinate mit
y
1mm zu messen. Abb.2.1 zeigt den Auf-
bau der MSGCs im Strahl. Gezeigt ist die Anordnung der vier Kammern in einer Lage mit den
zugeh
origen Auslesechips. Eine der b eiden um 5
o
gedrehten Stereolagen ist eingezeichnet.
2.2 Diamantb eschichtete MSGCs
2.2.1 Aufbau der diamantb eschichteten MSGCs
Den Querschnitt durch eine diamantb eschichtete MSGC zeigt Abb.2.2. Ein Glassubstrat ist mit
einer einige Nanometer dicken ho chohmigen Diamantschicht
ub erzogen. Der Widerstand in dieser
Schicht ist ab er kleiner ist als der in dem Glassubstrat. Entscheidend ist auerdem die elektron-
ische Leitf
a higeit in dieser Schicht im Gegensatz zur ionischen Leitf
a higkeit des Glases [29 ]. Die
Elektro denstruktur der MSGCs b esteht aus abwechselnd auf dem b eschichteten Glas aufgebrachten
Ano den- und Katho denstreifen. Die auf Masse liegenden Ano den werden ausgelesen, die Katho den
liegen
uber Schutzwiderst
a nde an negativer Ho chspannung.
Ub er den Elektro den b endet sich ein
9
( )
Strahlachse
5o
erste Lage
zweite (Stereo-) Lage
Helix-Chips (an jeder MSGC)
MSGCs
Richtung der
Anodenstreifen
y (vertikal)
z
(Strahlachse) x (horizonal)
Abbildung 2.1: Montage der MSGC am Strahl. Vier Kammern umschlieen die Strahlachse. Durch
Stereolagenwinkel von
5
0
wird ein Au
osungsverm
ogen orthogonal zu den Streifen von
y
1mm
erreicht. An den Enden der Ano denstreifen b enden sich die Auslesechips (grau skizziert).
Gasraum von 3.3mm H
ohe, der mit einem b eidseitig leitenden Deckel abgeschlossen ist. Dieser
liegt eb enfalls auf hoher negativer Spannung (
3.3kV), um ein Driftfeld zu erzeugen.
Die Ano den sind 10
m, die Katho den 50-70
m breit. Der Signalstreifenabstand b etr
agt 300
m.
Als Material f
ur die Elektro den wird Gold verwendet, dessen Schichtdicke 500nm b etr
agt. Der
Zwischenraum wird w
ahrend des Betriebs mit einem Gasgemisch aus Argon/DME
1
in der Zusam-
mensetzung 1:1
2
durchsp
ult. Ein aus einem Glasrohr b estehender Rahmen dient als Abstandhalter
f
ur Substrat und Deckel. Durch kleine L
ocher in den Seiten des Glasrohres wird das Gas in die
Kammern und wieder aus ihnen heraus gesp
ult. Der als Driftkatho de dienende Deckel b esteht aus
100
m dickem, b eidseitig mit Gold b edampftem Glas.
2.2.2 Beschaltung der Elektro den
Im sp
ateren Betrieb des HERA-B Exp erimentes werden alle 30cm langen Ano den einzeln auge-
lesen. Ihre Kapazit
at h
angt von Material und Geometrie ab und liegt bei 12pF pro Streifen.
Die Katho den sind zu 16er Grupp en zusammengeschlossen. Jede Grupp e liegt
ub er einen hohen
Widerstand (56M) an der Katho denspannung U
C
. Der Widerstand dient als Stromb egrenzung
bei Hochspannungs
ub erschl
agen zwischen Katho den und Ano den und m
oglichen Kurzschl
ussen.
In der Entwicklung wurden zun
achst MSGGs mit 3cm langen und sp
ater mit 10cm langen Ano den
und Katho den gebaut. Um die Kapazit
at von 12pF zu erreichen, wurden b ei den kleinen MSGCs
10 und b ei den gr
oeren 3 Ano den zu einer Grupp e zusammengefat.
2.2.3 Ortsau
osungsverm
ogen der MSGCs
Mit MSGCs kann eine gute Ortsau
osung orthogonal zu den Streifen erreicht werden. Mit einem
Signalstreifenabstand von 300
m ergibt sich eine Au
osung von
x
=
300
m
p
12
85
m. Der Faktor
1
p
12
entsteht aus der Umnormierung einer Rechteckverteilung in eine Gauverteilung. Ohne Stere-
olage ist die Ortsau
osung parallel der Streifen nur durch die Ano denl
ange b egrenzt. Mit dem
Stereolagenwinkel von
=5
0
wird eine Au
osung von
y
=
x
sin
1mm erzielt.
1
Di-Methyl-Ether
2
Auch andere Mischverh
altnisse und Gasgemische werden diskutiert.
Diamant-
KKA
3.5mm
RU =-3.3kV
D
100um
300um
U =-630V
C
Ausleseverstaerker
K=Kathode
A=Anode
ionisierendes
Teilchen
Argon/DME
Glassubstrat Beschichtung
Glasdeckel mit Gold
bedampft
A
300um
(10um breit)
(50-70um breit)
Abbildung 2.2: Querschnitt durch eine MSGC. Ob en im Bild der mit der Driftkatho de versehene
Deckel. Unten das Glassubstrat mit den Ano den- und Katho denstreifen. Die Katho den liegen auf
negativer Ho chspannung, die auf Masse liegenden Ano den werden ausgelesen.
2.3 Funktionsweise und Betriebsb edingungen der MSGCs
2.3.1 Prim
arionisation und Gasverst
arkung
W
ahrend des Betrieb es ist es eine Aufgab e des Verst
arkers, das Ano denp otential auf Masse zu
halten. Die Katho denspannung erzeugt durch den endlichen Widerstand der Diamantb eschichtung
einen nur geringf
ugig von der Teilchenrate abh
angigen Katho denstrom, der in den Verst
arker iet.
Die anliegende Driftspannung
U
D
ruft ohne Teilchenu keinen Strom hervor. Sie liegt bei
U
D
,
3
:
3kV. Im Driftraum bildet sich zwischen Driftkatho de und Ano den ein homogenes Feld von etwa
10
6
V
m
aus. Der Verlauf dieser Feldlinien wird durch das stark inhomogene Feld zwischen Katho den
und Ano den gest
ort. Es schn
urt den Verlauf der Feldlinien zwischen der Driftkatho de und den
Ano denstreifen ein. Abb.2.3 zeigt den Verlauf der Feldlinien in den Kammern. Es handelt sichum
eine Simulation mit dem Programm "ACE" [26 ].
Abbildung 2.3: Feldlinienverlauf in der MSGC nach einer Simulation [26] mit "ACE". Ob en b endet
sich die Driftkatho de. Wie in einem Flaschenhals werden die Feldlinien zur Ano de hin eingeschn
urt.
Diese b endet sich unten im Bild auf dem Glassubstrat. Links und rechts davon b enden sich
die Katho denstreifen, die f
ur die Einschn
urung der von der Driftkatho de kommenden Feldlinien
verantwortlich sind.
( )
Die Kammer wird so im Teilchenstrahl p ositioniert, da die Teilchen m
oglichst senkrecht durch die
Kammer iegen. Ob die Teilchen vom Glassubstrat zum Deckel o der entgegengesetzt iegen, ist
dab ei gleichg
u ltig. Im Exp erimentwerden aus technischen Gr
unden b eide Richtungen vorkommen.
Ein durch die Kammer iegendes geladenes Teilchen verliert durchSt
oe mit Gasatomen einen Teil
seiner Energie. Den dierentiellen Energieverlust
dE
dx
b eschreibt die Bethe-Blo ch-Formel. Photonen
und
-Quanten werden instantan gestoppt, da heit sie verlieren ihre gesamte Energie an einer
Stelle. Teilchen mit endlicher Ruhemasse verlieren bei jedem Sto abh
angig von ihrer Energie
E
einen Teil davon. Pro Sto werden lokal durchschnittlich 5 Elektronen erzeugt. Von diesen St
oen
gibt es b ei einem 3mm hohen Gasraum pro ionisierendem Teilchen eb enfalls durchschnittlich5. Die
Summe der erzeugten Elektronen (und entsprechend Ionen) wird als Prim
arionisaton b ezeichnet.
Sowohl die Anzahl der als
Cluster
b ezeichneten Elektronen pro Sto als auch die Anzahl der
Cluster
pro ionisierendem Teilchen werden durch die Landau-Verteilung b eschrieb en. Da diese zu hohen
Energien streng monoton, ab er langsam abf
allt, kommen auch sehr hohe Prim
arionisationen vor.
Durch das elektrische Feld zwischen Driftkatho de und Ano de driften die Elektronen
cluster
mit einer
Geschwindigkeit
v
Drif t
60
mm
s
[26] zur Ano de. Kurz vor der Ano de gelangen sie in das starke inho-
mogene Feld zwischen Ano den und Katho den. Hier setzt die Gasverst
arkung ein. Die
Cluster
wer-
den b eschleunigt und setzten eine Elektronenlawine frei. Die durch Gasverst
arkung hervorgerufene
Ionisation nennt man Sekund
arionisation. Die MSGCs werden b ei mit einem Gasverst
arkungsfak-
tor
A
Gas
2000 b etrieb en.
Die Bethe-Blo ch-Formel hat ein Minimum. Teilchen, deren Energie
E
0
so gro ist, da ihr anf
ang-
licher Energieverlust minimal ist, nennt man minimal ionisierend. Ihre Prim
arionisation liegt bei
25 Elektronen, so da sich f
ur diese MSGCs mit einer Gasverst
arkung von
A
Gas
= 2000 eine
Ladung von 50.000 Elektronen ergibt.
Mit der Driftgeschwindigkeit
v
Drif t
60
mm
s
und dem Abstand des Deckels zum Glassubstrat
d=3.3mm ergibt sich eine maximale Driftzeit von
t
Drif t
max
60ns. Sie gilt f
ur Elektronen, die
direkt an der Driftkatho de erzeugt wurden.
Abb.2.4 zeigt zwei Simulationesergebnisse [22 ] des zeitlichen Verlaufs des Stromes aus einer MSGC
f
ur ein minimal ionisierendes Teilchen.
0
200
400
600
800
1000
1200
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
I
time /[ns]
’s34.dat’
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
I
time /[ns]
’s98.dat’
Abbildung 2.4: Zwei Simulationsergebnisse [22 ] f
ur den zeitlichen Verlauf des Stromes aus
der MSGC. Anzahl und H
ohe der Stromspitzen sowie ihre Verteilung unterliegen der Lan-
dau-Verteilung.
Deutlich zu erkennen sind mehrere Stromspitzen. Jede Stromspitze entspricht der Ankunft eines
Elektronen
clusters
auf der Ano de. Die Anzahl der Spitzen (=
Cluster
) gehorcht der Landau-
verteilung, eb enso die Amplituden der Stromspitzen (=Elektronen pro
Cluster
). Letztere sind
gem
a der maximalen Driftzeit
ub er bis zu 60ns verteilt. Der Abfall des Stromes in einem
Cluster
verl
auft mit einer 1/t-Funktion [22 ], da sich die Ano de
ub er einen Widerstand entl
adt. Im hinteren
Teil b esteht die Stromverteilung aus einer Summe mehrerer dieser Funktionen.
Jedo ch wurde der exakte Stromverlauf bis jetzt weder gemessen no ch aus der Pulsantwort eines
Verst
arkers zur
uckgefaltet. Die hier gemachten Aussagen b eruhen auf Mo dellen.
2.3.2 Einu des Gases und der Ho chspannungen auf die Signalh
ohe
Gas:
Die Signalh
ohen f
ur minmal ionisierende Teilchen sind klein und nur ein Teil der Ladung kann in
der Integrationszeit in eine Spannung integriert werden. Daher wird ein Gas mit hoher Prim
ar-
ionisation (DME) verwendet.
Driftkatho denspannung:
Die Gasverst
arkung ist eine lineare Funktion der Driftkatho denspannung
U
D
.
Katho denspannung:
Die Gasverst
arkung h
angt sehr empndlichvon der Katho denspannung
U
C
ab. Es gilt n
aherungs-
weise:
A
Gas
(
U
C
)=
x
U
8
C
2.3.3 Folgerungen aus den Betriebsb edingungen f
ur den Helix
Die Katho denspannung soll f
ur einen sicheren Betrieb der MSGCs m
oglichst klein sein, da sonst
Ho chspannungs
ub erschl
age zwischen Katho den und Ano den auftreten k
onnen. Dieses b edeutet
kleine Gasverst
arkung und folglich kleine Ladungen. Damit wird es f
ur die Elektronik schwieriger,
die Signale vom Rauschen zu trennen.
Der Verst
arker soll m
oglichst die gesamte
ub er einen Zeitraum von 60ns ieende Ladung inte-
grieren. Weiterhin soll hinter dem Pulsformer sp
atestens 96ns nach der maximalen Amplitude
Normalp otential erreicht sein, um keine
Ub erlagerungen mehrerer Pulse zu erhalten. Hier wird
eine mit den Bias-Str
omen und Spannungen des Helix eingestellte Pulsform ben
otigt, die b eide
Bedingungen m
oglichst weitgehend ber
ucksichtigt.
Eine weitere Aufgab e des Verst
arkers ist, den aus der MSGC ieenden Katho denstrom
I
C
aufzu-
nehmen, ohne das auf Masse liegende Potential am Eingang zu ver
andern. Dab ei m
ussen die
(schnellen) Ladungen der Kammerpulse integriert werden. Von den Kammerpulsen soll so wenig
Ladung wie m
oglichverloren gehen und trotzdem der Kammerstrom
I
C
abieen.
Kapitel 3
Ausleseelektronik des Inneren
Spurkammersystems
Die mit der hohen Granularit
at des Inneren Spurkammersystems verbundene enorme Anzahl an
auszulesenen Kan
alen (
153
:
000 Kan
ale) schliet eine diskret aufgebaute Ausleseelektronik aus.
Masse mu im Detektor so weit wie m
oglich vermieden werden, da diese zu Bremsstrahlung von
e
+
=e
,
und zur Konversion von
's f
uhren kann. Auerdem wird durch Streuung eine Bahn
anderung
der Teilchen b ewirkt, was eine Spurrekonstruktion erschwert.
Diese Vorgab en machen integrierte Schaltkreise unumg
anglich. Ein weiterer Vorteil ist die gemein-
same Entwicklung sowohl f
ur die MSGCs als auch f
ur die Silizium-Vertex-Detektoren (SVD), die
b ei einer Anzahl von
170.000 Kan
alen
ahnliche Anforderungen an die Elektronik hab en.
In diesem Kapitel wird zun
achst auf Unterschiede und Gemeinsamkeiten der Pulse von MSGCs
und SVDs eingegangen, danach wird die
Front-End
-Elektronik erl
autert, die auf dem Helix128-
Chip zusammengefat ist. Der Hauptteil des Kapitels b efat sich mit dem vordersten Teil des
Chips, dem Vorverst
arker und Pulsformer. Dieser wurde als 8-Kanal-Chip Helix zun
achst separat
entwickelt. Die Messungen der Kapitel 4-6 b efassen sich im wesentlichen mit diesem Chip, zum
Teil auch in Kombination mit MSGCs.
3.1 SVD-MSGC: gemeinsame Ausleseelektronik
Die am Vertex eingesetzten Siliziumstreifenz
a hler (SVDs) zeigen schnelle, exp onentiell ansteigende
Str
ome [15] mit Anstiegszeiten von
5ns. Die Anstiegszeit ist nur abh
angig von der RC-Zeit-
konstante der Ano de, eb enso der Abfall des Stromes, so da nach
25ns das Signal auf
20% der
Maximalh
ohe abgefallen ist. SVDs m
ussen eine gute Ortsinformation liefern, Trigger brauchen von
ihnen bei HERA-B nicht abgeleitet zu werden. SVDs liefern Ladungen b eider Polarit
a ten. Ein
minimal ionisierendes Teilchen liefert in einem SVD mit einer geringen Streuung eine Ladung von
24.000 Elektronen.
Die MSGCs liefern einen zeitlich anders verteilten Strom. Die Signale hab en aufgrund der Landau-
Fluktuationen durch die Prim
arionisation eine zeitliche Dauer von
60ns mit mehreren Strom-
spitzen. Der Abfall des Stromes verl
auft mit 1/t (bzw. einer
Ub erlagerung meherer 1/t-Funktion).
MSGCs liefern nur negative Ladungen. Im Mittel wird etwa dieselb e Ladung wie bei SVDs
nachgewiesen. Die Ausleseelektronik mu bei MSGCs vor Ho chspannungs
ub erschl
agen gesch
utzt
werden.
Trotz der Unterschiede ist es sinnvoll, entweder einen Auslesechip f
ur b eide Detektorarten zu bauen,
und den f
ur die Ableitung von Triggern n
otigen Komparator bei SVDs nicht anzuschlieen, o der
zwei Chips zu entwickeln, die Vorverst
arker und Pulsformer mit etwas unterschiedlichen Sp ezi-
kationen hab en. Pip eline, Multiplexer, Treib er und Steuerleitungen f
ur Digitallogik und Bias-
Str
ome/Spannungen k
onnen bei b eiden Detektorarten eingesetzt werden. Die Integrationszeiten
14
des Verst
arkers sowie die Art des Pulsformens, Konversionsfaktor etc. m
usen dann mit Bias-
Spannungen und Str
omen eingestellt werden k
onnen. Diese Regulierbarkeit ist auch sinnvoll, um
Strahlensch
aden ausgleichen o der eine sp
atere Optimierung der Ezienz vornehmen zu k
onnen.
3.2 Der Front-End-Auslesechip "Helix128"
Die sich an die Detektoren anschlieende Frontendelektronik hat mehrere Aufgab en: Ladungen von
MSGCs und SVDs m
ussen detektiert und verst
arkt werden. Die aus den Ladungen integrierten
Spannungen sollen prop ortinal zu diesen sein. Sie werden zu Pulsen mit denierten Eigenschaften
wie L
ange und Anstiegszeit geformt. Damit die Pulse durch Kapazit
a ten nicht langsamer wer-
den, sind in der nachfolgenden Elektronik verschiedene Imp edanzwandlungs- und Treib erstufen
notwendig. In
74.000 Kan
alen der MSGCs werden von den geformten Pulsen mit Komparatoren
Triggersignale abgeleitet. Bei einer
Bunch-Crossing
-Frequenze von 10.4MHz (alle 96ns) braucht
die Level1-Triggerelektronik ab er ca. 10
s Zeit, um zu entscheiden, ob die Daten verworfen o der
an die zweite Triggerstufe weitergeleitet werden sollen. F
ur diese Zeit werden die Daten analog in
einem Ringsp eicher (
Pipeline
) zwischengesp eichert. Schlielich werden die 128 Kan
ale
ub er einen
Multiplexer seriell weitergereicht.
Diese Funktionen werden in einem Chip integriert, dem "Helix128" [11]. Abb.3.1 zeigt die zugeh
orige
Schaltung. Der eingesetzte Chip hat 128 Kan
ale und eine Pip elinetiefe von 128 Zellen. Die Abbil-
dung zeigt einen Kanal und von diesem exemplarisch eine Pip eline-Zelle.
-
resetreadwrite
-
+
Vdcl
Vd
+
128:1
Kontroll-Logik fuer
Pipeline und Multiplexer
Impedanzwandler
Komparator
1 von 128 Kanaelen des Chip
Ausgangstreiber
MUX
I_pre
Vorverstaerker Pulsformer
I_sha I_buf
V_ref
Pipeline-
Endverstaerker
I_shaP I_drv
1 von 128
Pipelinezellen
pro Kanal
Abbildung 3.1: Die
Front-End
Elektronik: Schaltplan eines Kanals vom MSGC-Ausgang bis zum
Multiplexer und Leitungstreib er. Auch die Kontroll-Logik f
ur Pip eline und Multiplexer sind
eingezeichnet.
Im linken Teil der Abbildung b endet sich der ladungsempndliche Helix-Vorverst
arker mit Puls-
former und Treib er. Dieser wird in den folgenden Abschnitten im Detail diskutiert. Daran schliet
sich (unten im Bild) der Komparator f
ur die Triggersignale an.
Pip eline und Multiplexer
Die analoge Pip eline funktioniert
ahnlich wie ein DRAM. Auf der Kapazit
at wird hier ab er die
analoge
Pulsh
ohe gesp eichert. Ein als Schalter eingesetzter FET wird geschlossen und
uber eine
Sp eicherleitung zu einem festen Zeitpunkt f
ur das
Bunch-Crossing
eine Kapazit
at mit der am
Ausgang des Helix liegenden Spannung geladen. Ausgelesen werden kann die gesp eicherte Ladung
ub er eine Leseleitung. Die zugeh
orige Kontrollogik verwaltet die Daten. Befehle zur Datenausgab e
erh
alt sie vom FLT. Alle gesp eicherten Pulsh
ohen eines Ereignisses (128 Kan
ale) werden ausgelesen.
Die Daten werden an den Multiplexer gereicht, der sie seriell
ub er einen Leitungstreib er verschickt.
Die Ausleserate wird b ei 20-30MHz liegen, so da die Auslesedauer
t
Readout
= 128
1
20
MHz
=6
:
4
s
b etr
agt.
3.3 Der ladungsempndliche Verst
arker und Pulsformer "Helix"
Die vorliegende Diplomarb eit b esch
aftigt sich im Wesentlichen mit einem kleinen Bereich dieser
Auslesekette, dem ladungsempndlichen Vorverst
arker und Pulsformer "Helix", sowie dessen Ein-
gangsschutzstrukturen und dem Komparator. Dieser Verst
arker wurde bis heute (Septemb er 1996)
in drei Iterationsschritten entwickelt, dazu kommen zwei weitere Schritte f
ur Schutzstrukturen und
Komparator. Tab.3.1 gibt einen
Ub erblick
ub er die eigentliche Verst
arkerentwicklung.
Version Submissions- Bemerkungen
datum
Helix1.0 05/95 Erste Version
Helix1.1 08/95 Tests dieser Version sind
Hauptb estandteil dieser Arb eit.
Beim PSI-Strahltest eingesetzt
Helix2.0 01/96 12 verschieden Designs f
ur
Pulsformen, Anstiegszeiten,etc.
Helix1.1 mit verb essertem 01/96 Nicht
ub erlapp ende Taktanken,
Komparator dierentielle Signalf
uhrung
Helix1.1 mit verb esserter 05/96 2
4verschiedene Eingangs-
Eingangsschutzstruktur schutzschaltungen
Helix32 11/95 32 Kan
ale mit 64-stuger
Pip eline und MUX
Helix128 06/96 Erster Chip in voller Gr
oe
und mit allen Funktionen
Tab elle 3.1:
Ub ersicht
uber die Schritte der eigentlichen Verst
arker-Entwicklung. Fast alle Mes-
sungen in der vorliegenden Arb eit wurden mit der Version 1.1 vorgenommen.
Die Chips in der Version 1.0 und 1.1 hab en 8 Kan
ale, die Version 2.0 hat 12 Kan
ale, Helix32
und Helix128 hab en 32 bzw. 128 Kan
ale. Sie wurden in AMS
1
1.2
m Technologie pro duziert.
Aus Platzgr
unden
2
wurde der Helix128-Chip allerdings in AMS 0.8
m-Technologie pro duziert, was
erneute Simulationen f
ur den Vorverst
arker erzwingt.
3.3.1 Aufbau des Helix1.1-Chips
Der Helix1.1 Chip hat 2
4 Kan
ale, deren analoge Ausg
ange auf Pads herausgef
uhrt sind. Die
Ausg
ange f
uhren gleichzeitig zu jeweils einem Komparator. Der zweite Eingang der Komparatoren
liegt an der Referenzspannung. Jeweils vier Komparatorausg
ange sind auf ein logisches ODER
gef
uhrt. Abb.3.2 zeigt die Schaltung.
1
Austria Microsystems International, Graz (
Osterreich)
2
wie sich im April 1996 herausstellte
NOT
in 1
in 2
in 3
in 4
1-4
Ausgaenge
analoge
V_ref
OR Trigger Out
CLK
Komparatoren
Eingangs-
Schutz Vorverstaerker
und Pulsformer
Abbildung 3.2: Diese Schaltung ist auf dem Helix1.1-Chip zweimal vorhanden. Links die
Schutzstrukturen der vier Kan
ale, gefolgt vom Verst
arker und jeweils einem getakteten Kompara-
tor. Die vier Ausg
ange des Komparators liegen an einem logischen ODER.
Die Schaltung ist zweimal auf einem Helix1.1 Chip vorhanden. Der Verst
arker b esteht aus Vorver-
st
arker (PreAmp), Pulsformer (Shap er), Treib er (Buer) und einem
Levelshifter
. Nicht dargestellt
sind die Stromspiegel f
ur die Bias-Str
ome. Abb.3.3 zeigt das Layout des Helix-Chip. Er hat die
Mae 1
:
6
4
mm
2
. Von ob en nach unten sind die zweimal vier Kan
ale angeordnet. Von links
nach rechts sind Vorverst
arker, Pulsformer, Komparator,
Levelshifter
und Treib er zu sehen, auen
herum die Bondpads.
Abbildung 3.3: Layout des Helix1.1-Chip mit Vorverst
arker, Pulsformer, Komparator,
Levelshifter
und Treib er (v.l.n.r). Auen b enden sich die
Bondpads
.
3.3.2 Funktionsweise des Helix-Verst
arkers
Abb.3.4 zeigt die Verst
arkerschaltung mit Vorverst
arker, Pulsformer und dem dahinter liegenden
Levelshifter
mit Treib er, Abb.3.5 zeigt den Vorverst
arker als Ausschnitt. Das Verst
arkersymbol in
Abb.3.4 entspricht dem gestrichelten Rechteck in Abb.3.5.
Der ladungsempndliche Vorverst
arker integriert die von einem Ano denstreifen der MSGC gelieferte
Ladung
ub er die R
uckkopp elkapazit
at
C
fp
=1pF zu einer Spannung auf. Die Spannung b etr
agt b eim
Helix1.1 ohne Lastkapazit
at
65mV pro 24.000 Elektronen (abh
angig von den Bias-Einstellungen).
Es ist ein invertierender Vorverst
arker, so da die am Ausgang liegende Spannung U
,
Q
C
fp
ist. Der
Bias
V
fp
,R
C
fp
V
fs
,R
Pulsformerverstaerker
Vor-
Signale von
der MSGC
C
fs
C1
II
Treiber
Level-
shifter
T7
T6
T5 T8
T9
T10
sha_b2
lev
BIAS
buf
BIAS
IPRE ISHA
Bias
pre_b2
Abbildung 3.4: Schaltplan des Helix-Vorverst
arkers (ohne Komparator, Stromspiegel, Schutzstruk-
turen).
Transistor
T
2
dient als Arb eitswiderstand f
ur den Kasko dentransistor
T
3
. Mit der
Gate
spannung
wird sein Widerstand von auen vorgegeb en. Eb enso werden die an den
Gates
von
T
4
und
T
7
anliegenden Spannungen extern gesteuert.
T
4
bildet eine Konstantstromquelle. Der aus der MSGC
ieende Strom mu
uber den R
uckkopp elwiderstand (T
5
) abieen. Die Str
ome sind identisch:
I
MSGC
=I
T
5
. Der Strom b ewirkt einen Spannungsabfall am Transistor T
5
:
U
pr e
=
I
MSGC
R
T
5
.
Da der Eingang des Verst
arkers virtuell auf Masse liegt, ist U
pr e
=
,
U
pr e
. Die Transistoren T
6
und T
7
b ewirken einen zus
atzlichen Spannungsoset am Ausgang, so da U
pr e
sich auchetwa um
U
pr e
andert.
Die Kopp elkapazit
at C
1
bildet zusammen mit dem Widerstand von T
8
(und T
10
) einen Ho chpa,
wob ei der Widerstand mit der Schleifenverst
a rkung des Verst
arkers auf den Eingang abgebildet
wird. Das durch den Ho chpa dierenzierte Signal liegt am Pulsformer an. Dieser funktioniert wie
der Vorverst
arker und integriert das Signal erneut invertierdend. Am Ausgang des Pulsformers liegt
eine zur Ladung des Eingangs-FETs des Vorverst
arkers prop ortionale Spannung. Die abschliessende
Stufe enth
alt einen
Levelshifter
, der das Potential der Basislinie verschiebt, und einen
Source
-Folger
als Imedanzwandler, der das Signal niederohmiger macht.
Um Pulse endlicher Dauer und denierter Form zu erhalten, liegen parallel zu den R
uckkopp elka-
pazit
aten von Vorverst
arker (
C
fp
) und Pulsformer (
C
fs
) als FETs realisierte regelbare Widerst
ande.
Mit V
fp
wird die Integrationskonstante des Vorverst
arkers geregelt, mit V
fs
die Zeitkonstanten von
Ho chpa und Pulsformer (Tiefpa). Ohne diesen Widerst
anden w
urde der Verst
arker nach weni-
gen gleichnamigen Ladungspulsen aus dem linearen Bereich in die S
attigung
ub ergehen. Durch das
Dierenzieren zwischen Vorverst
arker und Pulsformer und dem anschlieenden Integrieren wird der
Verst
arker zu einem Bandpalter.
Auf die in den Abbildungen eingezeichneten Anschl
usse "pre-b1", "pre-b2", "pre-bias", "sha-b2",
"
I
lev
,
B ias
" und "
I
buf
,
B ias
" wird im n
achsten Abschnitt n
aher eingegangen. Dort liegen extern ein-
stellbare Spannungen an, mit denen die Ruhestr
ome in den entsprechenden Transistoren eingestellt
werden.
In der folgenden Aufstellung werden die Ein
usse der Bias-Str
ome und Spannungen auf die
Ub er-
tragungsfunktion des Helix-Verst
arkers im Detail erkl
art.
*
Signale von
der MSGC
T1 T3
T2
Cfp
T5
Vfp ,R
C1
zum
Pulsformer
T6
T7
-2V
(10:1)
pre_b1
(100:1)
pre_b2
+2V
T4
PRE-Bias (1:1)
entspricht IPRE
Upre
Upre
Abbildung 3.5: Dargestellt ist der Vorverst
arker aus der Abb.3.4. Die Transistoren im gestrichelt
umrandeten Rechteck sind im Vorverst
arkersymbol integriert. Die Beschriftung der Bauteile b eider
Abbildungen stimmt
ub erein. Der Schaltplan des Pulsformers ist identisch mit dem des Vorverst
ark-
ers, lediglich die Dimensionierung der Bauteile vairiiert.
Vorverst
arker-R
uckkopp el-Widerstand ("
V
fp
"):
Die Spannung
V
fp
liegt am
Gate
des R
uckkopp el-FETs des Vorverst
arkers an. Sie stellt
dessen
Drain/Source
-Widerstand ein: Je h
oher die Spannung, desto niedriger der Wider-
stand. Dieser Widerstand ergibt zusammen mit der Kapazit
at
C
fp
die Integrationszeitkon-
stante.
V
fp
stellt also die Zeit ein, nach der sich die Potentiale am Ausgang und Eingang
des Verst
arkers wieder ausgeglichen hab en. Fliet in den Verst
arker p ermanent ein Strom, so
kann sich die damit verbundene Potentialverschiebung zwischen Ein- und Ausgang nur
ub er
den R
uckkopp elwiderstand ausgleichen. Auch aus der Kammer kommende Ladungen stellen
einen Strom dar. Wird der Widerstand zu gro eingestellt, verschiebt sich das Potential und
der Verst
arker l
auft in die S
attigung. Beim Anschlu des Verst
arkers an die MSGCs ist ein
hinreichend kleiner R
uckkopp elwiderstand von entscheidender Bedeutung.
Vorverst
arker-Bias-Strom (
I
PRE
):
Mit
I
PRE
wird unter anderem der Widerstand von
T
2
und damit dessen Steilheit ge
andert.
Diese wirkt sich direkt auf die Anstiegsgeschwindigkeit der Spannung am Ausgang des Vorver-
st
arkers aus, da
T
2
als Arb eitswiderstand f
ur den Kasko dentransistor T
3
wirkt. Wird der
Widerstand kleiner (I
pr e
nimmt zu), so f
a llt dort weniger Spannung ab und die Amplitude
des Pulses am Ausgang sinkt. Anstiegszeit und H
ohe der Spannung wirken sich auch auf
Anstiegszeit und Pulsh
ohe nach dem Pulsformer und damit auf die Pulsform aus. Der kleinere
Widerstand b ewirkt gleichzeitig einen gr
oeren Unterschwinger, da interne Schwingkreises
nicht mehr so stark ged
ampft werden (hierzu vgl. man die Kleinsignalanalyse, siehe unten).
Pulsformer-R
uckkopp el-Widerstand ("
V
fs
"):
Durch Variation von
V
fs
und
I
sha
hat man groen Einu auf die Pulsform.
V
fs
stellt die
Integrationszeit des Pulsformers (und die Zeitkonstante des Ho chpaes) ein. Kurze Integra-
tionszeiten (
V
fs
gro, R klein) b edeuten ein schnelles Abfallen des Pulses auf Normalp oten-
tial. Dieses geht auf Kosten der Pulsh
ohe, da ein Teil der Ladung
ub er den R
uckkopp el-
Widerstand abiet, bevor der durch seine Anstiegsgeschwindigkeit b egrenzte Transitor der
Ladungs
anderung am Eingang folgen kann.
Pulsformer-Bias-Strom (
I
SHA
):
Der Einu von
I
SHA
entspricht dem von
I
PRE
auf den Vorverst
arker. Ein h
oherer Strom
b ewirkt einen kleineren Spannungsabfall am Arb eitswiderstand und damit kleinere Pulse. Die
Anstiegszeit der Pulse wird nicht b einut, solange die Anstiegsgeschwindigkeit des Pulsform-
ers gr
oer ist als die Ladungs
anderung an dessen Eingang. Dieses ist b eim Helix1.1-Verst
arker
gegeb en. Wie auch b eim Vorverst
arker b ewirkt eine gr
oere Steilheit einen gr
oeren Unter-
schwinger des Pulses (weniger ged
ampfte Schwingung).
Bias-Strom des
Levelshifters
(
I
LE V
):
Der gemessene Einu dieses Bias-Stromes auf die Pulsform ist vernachl
a ssigbar. Der
Level-
shifter
hat nur einen Einu auf den Spannungsoset. Er
andert die Pulsform nicht, da im
Signalpfad nur eine (nicht regelbare) Kapazit
a t liegt.
Mit dem Bias-Strom wird der Widerstand eines Spannungsteilers und damit der Spannungs-
oset am Ausgang ge
andert. Da der Einu des
Levelshifters
von untergeordneter Bedeutung
ist, wird sein Bias-Strom auf Standard-Einstellungen eingestellt.
Bias-Strom des Treib ers (
I
BU F
):
Solange die Steilheit des Treib ers gro genug ist, ist er ein linearer Verst
arker. Dieses ist
b eim Helix der Fall. Er
andert die Pulsform nicht. F
ur die Messungen werden auch hier
Standard-Einstellungen b eib ehalten.
3.3.3 Stromspiegel zum Einstellen der Bias-Str
ome
Durch die Transitoren
T
2
,
T
3
,
T
4
und
T
7
der Abb.3.4 sollen konstante Ruhestr
ome ieen, die von
auen steuerbar sind. Dieses gilt analog f
ur die entsprechenden Transistoren des Pulsformers und
einige Transistoren von
Levelshifter
und Treib er.
Eingestellt werden die Str
ome der Transistoren jeweils
ub er Stromspiegel, deren Referenzstr
ome von
auen eingepr
agt werden. Die Referenzstr
o me der einzelnen Verst
arkerstufen werden entsprechend
ihrer Funktion mit
I
PRE
,
I
SHA
,
I
LE V
,
I
BU F
b ezeichnet. Wie in der in Abb.3.6 gezeigten Schaltung
f
ur einen Stromspiegel wird in den Transistor
T
Ref
ein konstanter Referenzstrom
I
Ref
eingepr
agt.
3
........
CH 1 CH 2 CH 3 ....
IREF I1I2I3
TREF TT
12T
Abbildung 3.6: Stromspiegelschaltung f
ur die Bias-Str
ome
I
PRE
,
I
SHA
,
I
LE V
,
I
BU F
. Der
eingepr
agte Referenzstrom wird im Verh
altnis 1:1 auf die Kan
ale gespiegelt.
Der Referenzstrom erzeugt zwischen
Drain
und
Source
des Transistors einen Spannungsabfall, der
sich gem
a der Strom-Spannungs-Kennlinie des FETs einstellt. Die Spannung liegt gleichzeitig an
den
Gates
der Transistoren
T
1
,
T
2
, etc. an und ruft dort wiederum einen Strom hervor. Diese
Transistoren sind mit
T
Ref
identisch, so da der Referenzstrom 1:1 auf die anderen Transistoren
gespiegelt wird. Dieser Stromspiegel b ezieht sich in der Abb.3.5 auf
T
4
(PRE-Bias). Die geo-
metrischen Verh
altnisse und Dimensionierungen der Transistoren
T
2
und
T
3
in Abb.3.5 (Anschlu
"pre-b1") sind so gestaltet, da die Spannung in diesen einen 10 Mal geringeren Strom hervorruft.
Der Strom in
T
7
(Anschlu pre-b2) ist sogar 100 Mal kleiner als der Bias-Strom in
T
4
.
3.3.4 Die Eingangsschutzschaltung
Im Betrieb mit den MSGCs k
onnen Ho chspannungs
ub erschl
age zwischen den Katho den und An-
o den auftreten. Auchwenn diese selten auftreten, so addieren sie sichbei
150.000 Kan
alen und
einer Laufzeit des Exp eriments von einigen Jahren zu einer groen Anzahl. Um einen Ausfall der
Kan
ale zu verhindern, m
ussen sowohl die MSGCs als auch die Ausleseelektronik die
Ub erschl
age
aushalten, bzw. davor gesch
utzt werden.
Eb enso wie die Signale liegen auch die
Ub erschlagspannungen am
Gate
des Eingangstransistors.
Am empndlichsten ist die nur 20nm dicke Isolationsschicht zwischen
Gate
und
Bulk
. Sie wird
b ei Spannungen
ub er 25V zerst
ort. Bei HV-
Ub erschl
agen liegen kurzzeitig viel h
ohere Spannungen
an. Um diese Spannungen abzufangen, ist die in Abb.3.7 links zu sehende Schutzstruktur vor den
Eing
angen angebracht. Rechts in der Abbildung ist ein Foto davon zu sehen.
MSGC Verstaerker
-2V
D1
+2V
D2
R
Abbildung 3.7: Schaltplan und Foto der Eingangsschutzstruktur des Helix. Die jeweils in Sp er-
richtung gegen die Betriebsspannung geschalteten Dio den
D
1
und
D
2
fangen Spannungen
ub er
2
V
0
:
7
V
=
2
:
7V ab. Der Widerstand R dient als Stromb egrenzung f
ur die Dio den. Im Foto
verlaufen in der Mitte von links nach rechts die Leitungen f
ur die Betriebsspannung. Der Wider-
stand R liegt
ub er der ob eren Leitung. Zwischen ihnen liegen links
ub ereinander die Dio den. Der
Anschlu zur MSGC ist ob en rechts, der Anschlu an den Verst
arker unten links.
Die in Sp errichtung gegen die Betriebsspannung von
2V geschalteten Dio den
D
1
und
D
2
fangen
Spannungen ab, die
ub er
2
V
0
:
7
V
=
2
:
7V liegen. Um den kurzzeitig durch die Dio den ieen-
den Strom zu b egrenzen, ist ein (Polysilizium-) Widerstand in H
ohe von
R=600 vorgeschaltet.
3.3.5 Kleinsignalanalyse, Simulation, Messung
Betrachtet man kleine Signale, so arb eitet der Verst
arker im linearen Bereich. Man kann ein
geeignetes Ersatzschaltbild nden. Dieses kann in [9] nachgelesen werden. Durch Vorgab e b es-
timmter Parameter kann daraus die Spannung im zeitlichen Verlauf am Ausgang des Verst
arkers
b erechnet werden. Mit einem
-f
o rmigen Ladungspuls am Eingang ndet man f
ur den zeitlichen
Verlauf der Spannung am Ausgang:
U
(
t
)=
U
0
e
,
t
sin
(
t
)
;
:
P ar ameter
Die Antwortfunktion des Verst
arkers ist eine
Ub erlagerung einer Exp onential- und einer Sinusfunk-
tion. Der Unterschwinger, der die Ezienz der Kammern im nachfolgenden Ereignis verringert o der
die Fehltriggerrate erh
oht, kann durch Bias-Einstellungen minimiert werden. Besser ist es jedo ch,
durch Optimieren im Design das
m
oglichst klein und das
gro zu machen.
Vergleiche zwischen (nichtparasit
a ren) Simulationen und der Rechnung der Kleinsignalanalyse stim-
men auf ca. 10% Genauigkeit
ub erein, eb enso wie der Vergleich von Messungen und parasit
are
Simulation (Kap.3).
3.3.6 Komparator
Urspr
unglich wurde der im Helix1.1 Verst
arker implementierte Komparator f
ur einen 6 Bit-Flash-
ADC [18] entwickelt, dieser wurde getestet und funktionierte b ei einer Frequenz von 10MHz.
Die Schaltung des Komparators zeigt Abb.3.8. Die Transistoren T1,T2 sowie T3,T4 stellen zwei
kapazitiv gekopp elte invertierende Verst
arker dar. Bei den Bauteilen "TG" handelt es sich um
Transmission-Gates
. Diese brauchen das
sample-
(Takt) und
sample
-
Signal. Liegt an dem ob eren
Eingang "logisch Eins" und am unteren "logisch Null", so sind sie ge
o net, die am Eingang liegende
Spannung wird an den Ausgang gelegt, im umgekehrten Fall sp erren sie, ihr Ausgang liegt auf
"logisch Null". Die
Transmission-Gates
TG1 und TG2 sind entgegengesetzt geschaltet. Die Flanken
von
sample
und
sample
d
urfen nicht
ub erlapp en, um sicher zu gehen, da das eine
TG
sp errt, b evor
das andere
onet.
V_Trigger
vcc vcc
TG2
TG1
TG3 TG4
T1
T2
T3
T4
C1 C2 V_out
clk clk
clk* clk*
clk
clk
clk*
clk*
sample
sample*
sample*
sample*
sample
V_Mess
Abbildung 3.8: Schaltplan des Komparators. Da das digitale Signal "Logisch Eins" o der "Logisch
Null" nur w
ahrend der zweiten Takth
a lfte am Ausgang liegt, schliet sich am Ausgang ein Register
(nicht dargestellt) an, da das Signal f
ur einen Takt h
alt.
Der Vergleichsvorgang des Komparators dauert einen Taktzyklus. In der ersten Takth
a lfte ist TG2
oen und TG1 sp errt, auch TG3 und TG4 sind oen. Die Mespannug (Puls) liegt an
C
1
. Die
b eiden Inverter sind kurzgeschlossen, so da sie automatisch zur
uckgesetzt werden. Das Signal am
Ausgang liegt auf dem durch die Spannungsteiler (T1/T2 und T3/T4) gegeb enen Potential. Dieses
liegt zwischen "Logisch Eins" und "Logisch Null".
In der zweiten Takth
alfte liegt die Referenzspannung (Triggerschwelle) an
C
1
. Die an der Ka-
pazit
at C
1
liegende Spannungsdierenz U=V
M ess
-V
T rgger
wird zweimal invertierend verst
arkt.
Die Verst
arkung ist maximal, so da am Ausgang der zweiten Inverterstufe nur die b eiden dig-
italen Werte "logisch Eins" (
V
Me
> V
T rigger
) o der "logisch Null" (
V
Me
< V
T rigger
) liegen. Im
n
achsten Taktzyklus wird der Komparator in der ersten Takth
alfte zur
uckgesetzt.
Nur in der zweiten Takth
a lfte liegt am Ausgang des Komparators die Information "logisch Null"
o der "logisch Eins". Damit am Ausgang immer eine digitale Information liegt, schliet sich an
den Komparator ein Taktregister an. Das Register h
alt die Information aus der zweiten Takthlfte
w
ahrend der ersten Takth
a lfte des folgenden Zyklusses fest.
Kapitel 4
Elektronische Untersuchungen am
Helix1.1 Chip
Dieses Kapitel b eschreibt die Untersuchung der f
ur HERA-B wichtigen Eigenschaften des Verst
ark-
ers. Hierb ei wurden Idealb edingungen gew
a hlt: Zur Einkopplung von Ladungen dienen
-f
ormige
Pulse. Da keine MSGCs angeschlossen sind, treten keine Wechselwirkungen zwischen den Sys-
temkomp onenten auf. So k
onnen Rauschmessungen mit aufwendiger Abschirmung durchgef
uhrt
werden.
Zu den f
ur HERA-B wichtigen elektronischen Eigenschaften geh
ort das Rauschen des Vorverst
ark-
ers, die Linearit
at der Verst
arkung (Konversionsfaktor), der Einu der Bias-Str
ome und Spannun-
gen sowie die Strahlenh
arte des Verst
arkers. Die Kenntnisse der Eigenschaften des Verst
arkers sind
sowohl f
ur die Interpretation des Verst
arkerverhaltens im Testb etrieb und im sp
ateren Exp eriment
als auchf
ur die Weiterentwicklung des Verst
arkers wichtig.
Ziel dieser Messungen ist zum einen der Vergleich mit Simulationsergebnissen, zum anderen das
Aunden optimaler Betriebsparameter. Optimiert werden sollen dab ei Pulsl
ange, Anstiegszeit und
Pulsh
ohe.
4.1 Testpulse und MIPs
Der zeitliche Verlauf des aus der MSGC ieenden Stromes wurde in Kapitel 2 diskutiert. Ide-
alisierend kann ein
-pulsf
ormiger Ladungsu angenommen werden. Reale MSGC-Pulse k
onnen,
wie sich auchsp
ater im Exp eriment zeigt, die Pulsantwort des Helix-Verst
arkers nur verschlechtern.
Bei realen MSGC-Pulsen mu man den Signalverlauf der MSGC mit der Antwort des Helix-
Verst
arkers falten. Man erh
alt eine langsamere Anstiegszeit und eine kleine Signalamplitude.
Wenn im folgenden die eingekopp elten Ladungen nicht n
aher sp eziziert werden, sind immer
-
pulsf
ormige Ladungen gemeint. Als Ladungseinheit wird das "MIP" deniert:
1
MIP
=24
:
000
e
,
Dieses ist die Ladung, die ein minimal ionisierendes Teilchen (
m
inimun
i
onizing
p
article) in einem
50
m-breiten Si-Streifenz
ahler des Vertex-Detektors dep oniert. Das Signal einer MSGC b eim
Durchgang eines minimal ionisierenden Teilchens liegt im Mittel bei etwa demselb en Wert.
4.2 Versuchsaufbau im Lab or
Die Messungen im Lab or wurden mit 8-Kanal Helix1.1-Chips durchgef
uhrt, die in einem LCC68
Geh
ause b efestigt waren. Als Spannungsversorgung f
ur die Meplatine dienten stabilisierte Netz-
ger
ate, die
12V Spannung liefern. Zum Einkopp eln von Testpulsen wurde ein HP-33120A Funk-
tionsgenerator in der Pulserfunktion verwendet, f
ur einige Messungen ein 300MHz Pulsgenerator
23
HP-8130A mit einstellbarer Flankensteilheit. Zur Analyse der Pulsformen wurden die digitalen
Oszilloskop e Tektronix TDS 784A (1GHz) und TDS 520A (500MHz) verwendet.
4.2.1 Einkopplung von Testladungen
Um die
-pulsf
ormigen Ladungen denierter Gr
oe einzukopp eln, wurde eine Rechteckspannung
ub er einen Spannungsteiler und eine Kopp elkapazit
at
C
1
an den Eingang des Helix-Vorverst
arkers
gelegt, wie Abb.4.1 zeigt.
U2
C1
R3
R2
R1
C2
Helix
Signal-In
U1
U2
Abbildung 4.1: Schaltplan der Ladungseinkopplung:
Uber einen Spannungsteiler (
R
2
=R
3
) und
die Kopp elkapazit
at
C
1
liegt eine Rechteckspannung am Eingang des Helix.
R
1
terminiert den
Funktionsgenerator,
C
2
ist die optionale Ladekapazit
at.
Der Widerstand R
1
terminiert den Pulser mit 50. Die Widerst
ande (
R
2
=R
3
) bilden einen Span-
nungsteiler 1:100. Er teilt die anliegende Rechteckspannung
U
1
in den mV Bereich (
U
2
) herunter.
Die Widerst
ande im Spannungsteiler (
R
2
= 50
;R
3
=5
k
) wurden m
oglichst klein gew
a hlt, damit
Z
C
1
=
1
!C
1
R
2
gilt. Mit Pulseranstiegszeiten von
t
r
20
ns
ergibt sich
Z
C
1
10
k
(
C
1
=1.6pF).
Der Fehler durch die Parallelschaltung mit R
2
= 50 ist tolerierbar.
S
amtliche Messungen wurden mit der Kopp elkapazit
at C
1
= 1
:
6
pF
vorgenommen. Die auf dem
Kondensator b endliche Ladung ergibt sich zu Q
in
=
C
1
U
2
. Die in einigen (Rausch-) Messungen
eingesetzte Ladekapazit
at C
2
simuliert die Kapazit
a t eines MSGC-Streifen. Der in den Verst
arker
ieende Strom ergibt sich zu I
IN
=
Q
t
=
C
U
2
t
. Ein Stromu in den Verst
arker o der aus ihm
heraus ndet nur w
ahrend der Spannungs
anderung, also w
ahrend der Flankenanstiegs- o der Ab-
fallzeit des Rechteckspannungsgenerators statt. Da keine endlos stufenf
o rmige Spannungsfunktion
vorgegeb en werden kann, iet b ei Versuchen mit dem Pulser abwechselnd Strom in den Verst
arker
hinein und heraus. Dieses entspricht p ositiven und negativen Ladungssp ektren.
4.2.2 Kab eltreib er/Imp edanzwandler
Die auf dem Helix-Chip implementierten Treib er k
onnen Kapazit
aten bis ca. 2pF treib en, sie hab en
einen ho chohmigen Ausgangswiderstand (10k). Um die Ausg
ange b eim Messen nicht un
otig zu
b elasten, wurden Videotreib er vom Typ OPA633 zwischengeschaltet. Die vom Hersteller ange-
geb enen Sp ezikationen [3] sind folgende:
hohe Bandbreite (260MHz)
hohe Anstiegsgeschwindigkeit (2500V/
s)
hoher Eingangwiderstand (
1
:
6
M
)
geringe Eingangskapazit
at (
1
:
5pF)
Sie wurden mit der in Abb.4.2 gezeigten Schaltung an die Helixausg
ange angeschlossen. Es wurde
eine kapazitive Kopp elung (
C
1
) gew
a hlt. Damit wurde der Oset der Basislinie des Helix (siehe
=22u
+
OPA 633
C2
-12V
+12V
Signal
Out
Helix
Signal
In
CBlock
CBlock
=200k
R1
C1=100n
=22u
Abbildung 4.2: Beschaltung der angeschlossenen Videotreib er.
unten) herausgeltert. Der groe Oset des OPA633 erzwang die Kapazit
at
C
2
. F
ur die Zeitkon-
stante aus dem Widerstand
R
1
und der Kapazit
at
C
1
mu gelten:
R
1
C
1
>> t
I nt:
H elix
(
t
I nt:
H elix
=Inte-
grationskonstante des Helix), um ein Schwingen des bip olaren Op erationsverst
arkers zu verhindern
(hierzu vergleiche [3 ]).
4.2.3 Spannungsversorgung und Bias-Stromquellen
Die Spannungsversorgungen f
ur die Elektronik-Platine b etrugen U
=
12V. Sie dienten gle-
ichzeitig als Spannungsversorgungen f
ur die Videotreib er. Die Versorgungsspannungen f
ur den
Chip U=
2V wurden aus den
12
V
ub er eine einstellbare Spannungsteiler (R
1
=10
k
, R
2
=5
k
(Spindeltrimmer)) erzeugt, gefolgt von einem Op erationsverst
arker TL 071 als Imp edanzwandler.
Abb.4.3 zeigt links den Schaltkreis.
C1
+
-
ZD2
ZD1
+2V / -2V
+
C2 C3
OPV
Spannungsversorgung
+2V/-2V
R4
R3
Chip
BIAS-Strom-Quelle
U
R1
+12V / -12V
R2
Abbildung 4.3: Schaltung der Spannungsversorgung f
ur den Helix-Chip (links) und Stromquelle
f
ur Bias-Str
ome (rechts).
Die Kapazit
aten C
1
=100nF und C
2
=100nF blo ckten ho chfrequente Spannungen ab, die Kapazit
at
C
3
= 22
F (Tantal) glich niederfrequente Spannungsschwankungen aus. Die b eiden Zenerdio den
ZD
1
und ZD
2
sollten eventuell auftretende Spannungsspitzen abfangen. Rechts in der Abbildung
ist die Schaltung zum Einstellen der Bias-Str
ome zu sehen. F
ur die in den Chip hineinieenden
St
ome
I
PRe
;I
SHA
;I
BU F
lag U=+2V an, f
ur den entgegengesetzt ieenden Strom
I
LE V
lag U={
2V an. Der Pfeil zeigt den Anschlu der Schaltung an den Chip. Mit dem Spindeltrimmer
R
3
wurde der Strom eingestellt,
uber den Spannungsabfall an
R
4
konnte der Bias-Strom
I
B ias
=
U
R
4
w
ahrend der Messung sofort abgelesen werden, ohne den Schaltkreis auftrennen zu m
ussen. Die
Bias-Spannungen
V
fp
und
V
fs
wurden mit einem Spannungsteiler b estehend aus einem Widerstand
und einem Spindeltrimmer realisiert. Die abgegriene Bias-Spannung wurde mit einer Kapazit
at
C=50nF gegen Masse abgeblo ckt.
4.3 Einu der Bias-Str
ome und Spannungen im Lab or
4.3.1 Konversionsfaktor
Um eine Aussage
ub er die Verst
arkung des Helix machen zu k
onnen, wird der Konversionsfaktor
C
K onv
deniert:
C
K onv
[
mV =e
,
]=
U
OU T
[
mV
]
Q
IN
[
e
,
]
Er ist der Quotient aus Pulsh
ohe
U
OU T
am Helixausgang und der eingekopp elten Ladung
Q
IN
. Die
eingekopp elte Ladung wird entweder in Elektronen o der "MIP" gemessen.
Die eingekopp elte Ladung von 1MIP wird als Bezugspunkt genommen, da Ladungen aus der Kam-
mer in dieser Gr
oe am wahrscheinlichsten sind. Bei Messungen mit Pulserladungen wird diese
Ladung eingekopp elt, sofern keine weiteren Angab en gemacht sind.
4.3.2 Standardeinstellung
In Tab.4.1 ndet man "Standard"-Einstellungen f
ur die Biasstr
ome und Spannungen. Sie ent-
sprechen den optimalen Parametern, die aus einer Simulation f
ur Siliziumdetektoren mit parasit
aren
Kapazit
aten ermittelt wurden.
Bias-Strom I/[
A] Bias-Spannung U/[V]
I
PRE
280
V
fp
{0.9
I
SHA
200
V
fs
2.0
I
BU F
100
I
LE V
{1.5
Tab elle 4.1: Einstellungen f
ur Bias-Str
ome/Spannungen aus der parasit
aren Simulation: optimiert
f
ur Si-Z
ahler.
4.3.3 Vergleich von Simulation und Messung
Abb.4.4 zeigt den Vergleichvon Simulation [9] und Messung mit den optimierten Bias-Einstellungen.
Es ist jeweils die Spannung als Funktion der Zeit dargestellt. Der gemessene Puls sowie die Pulse
in den Abb.4.6 - 4.9 des folgenden Abschnittes wurden mit der Mittelungsfunktion des Oszilloskops
aufgenommen, wob ei
ub er jeweils 100 Pulse gemittelt wurde. Somit verschwindet in den Abbil-
dungen das Rauschen und die eigentliche Pulsform kann genauer vermessen werden. Die Zeitbasis
b etr
agt b ei allen gemessenen Pulsformen 50ns/div, f
ur die Amplituden gilt 10mV/div.
Die maximale Amplitude der Simulation liegt b ei 51mV, die der Messung b ei 57mV. Der Vergleich
von Simulationen mit verschiedenen Vorverst
arker-Bias-Str
omen [9], deren Ergebnisse hier nicht
abgebildet sind, ergab einen vernachl
assigbaren Einu von
I
pr e
auf die Amplitude. Die Messung
(siehe unten, Abb.4.5) zeigt dagegen deutliche Abh
angigkeiten, so da Messung und Simulation b ei
h
oherem Strom
I
pr e
wahrscheinlich no ch b esser
ub ereinstimmen w
urden. Die gemessene Pulsant-
wort ist f
ur MSGCs im HERA-B-Exp erimentwegen des groen Unterschwingers nichtverwendbar.
Seine Amplitude erreicht dem Betrag nach
ub er 20% der H
ohe der Pulsamplitude. Optimal liegt der
Auslesezeitpunkt im Maximum des Pulses, der des zweiten
Bunch-Crossing
s folgt bei
t
P eak
+96ns.
Zu diesem Zeitpunkt b etr
agt die Ampiltude no ch {10mV gegen
ub er der Basislinie. Dieses ver-
schlechtert die Ezienz im n
achsten Ereignis erheblich, da alle Pulse um diesen Betrag kleiner
werden. Die MSGC liefert im Gegensatz zu den hier dargestellten Pulsen (SVD-Detektor) nur neg-
ative Ladungen. F
ur Pulse aus der MSGC wechseln in der Argumentation lediglich die Vorzeichen.
Untersuchungen zu unterschiedlichen Vorzeichen ndet man in Kap.5.
Abbildung 4.4: Simulierte Pulsform [9](ob en) f
ur die Standardeinstellung mit I
PRE
= 280
A,
I
SHA
= 200
A, I
BU F
= 100
A, I
LE V
=
,
1
:
5
A, V
fp
=-0.9V, V
fs
=2.0V (die Pulsh
ohe ist in Volt
angegeb en, die Zeitskala in Nanosekunden) und die gemessene Pulsform (unten) f
ur dieselb e Ein-
stellung.
4.3.4 Einu der Bias-Einstellungen
Ausgehend von der Standardeinstellung in Tab.4.1 wurde der Einu der einzelnen Bias-Spannungen
und Str
ome untersucht. In den folgenden Mereihen wurden
-pulsf
ormige Ladungen (+1MIP)
eingekopp elt und jeweils ein Parameter variiert. Zum b esseren Vergleich des Einusses der Bias-
Str
ome und Spannungen wurden alle Pulse, b ei denen jeweils nur ein Parameter ver
andert wurde,
ub ereinandergelegt.
Abb.4.5 zeigt den im Lab or gemessenen Einu des Vorverst
arker-Bias-Stromes
I
PRE
auf die Puls-
form. Sechs Pulse mit den Str
omen
I
PRE
=60-1000
A sind zu sehen. Ein gr
oerer Strom be-
wirkt eine kleinere Integrationszeitkonstante des Vorverst
arker. Die Anstiegszeiten der Puls werden
k
urzer und die Amplitude kleiner. Der sinusf
ormige Anteil wird st
arker ged
ampft. In der Simula-
tion [9] hatte die
Anderung von I
SHA
einen geringeren Einu auf die Pulsh
ohe.
Abb.4.6 zeigt sechs Pulse, b ei denen
I
SHA
von 170
A (Puls mit der gr
oten Amplitude und starkem
Unterschwinger) bis
I
SHA
= 755
Avariiert wurde. Man erkennt deutlich die in Kap.3 diskutierte
zunehmende D
ampfung des sinusf
ormigen Anteils in der Pulsform f
ur groe Str
ome.
Den Einu der Spannung
V
fp
veranschaulicht Abb.4.7. Er ist f
ur
-Pulse ohne angeschlossene
Kammer vernachl
assigbar, im Gegensatz zu Pulsen aus einer MSGC (siehe Kap.5). Die Testpulse
zeigen mit Ausnahme der Einstellung
V
fp
=-1.4V fast alle den gleichen Amplitudenverlauf. Dort
ist die Basislinie nach dem Puls etwas nachunten verschob en. Diese Einstellung ist f
ur die Praxis
ungeeignet, da der durch einen FET realisierte R
uckkopp elwiderstand extrem ho chohmig wird und
der Ruhestrom aus der Kammer nicht abieen kann.
Wie im Abschnitt
ub er Testpulse erl
autert wurde, kopp elt der Pulser abwechselnd p ositive und
gleich groe negative Ladung in den Helix. Insgesamt iet
ub er lange Zeit gemittelt kein Strom in
den Verst
arker. Aus diesem Grund geht der Verst
arker im Gegensatz zu dem Ergebnis im n
achsten
Kapitel nicht in die S
attigung
ub er.
In Abb.4.8 wurde die Spannung
V
fs
von +2.0V bis +0.09V variiert. Den kleinsten Puls erh
alt man
f
ur
V
fs
=2.0V. Je kleiner
V
fs
wird, desto weiter und h
oher wird der Puls, da die Integrationszeitkon-
stante gr
oer wird.
Abb.4.9 zeigt die gemessenen Abh
angigkeiten der Bias-Str
ome f
ur den
Levelshifter
(links) und den
Treib er (rechts). Die Ein
usse sind vernachl
a ssigbar, was auch schon in der Simulation gezeigt
wurde. F
ur die weiteren Messungen ist der Einu dieser Str
ome nicht von Interesse, die Stan-
dardwerte werden b eib ehalten.
Abbildung 4.5: Gemessene Pulsformen f
ur den Einu des Vorverst
arker-Bias-Strom
I
PRE
:
I
PRE
=60
A, 130
A, 190
A, 400
A, 600
A, 1000
A. Der Puls mit der kleinsten Amplitude und
dem kleinsten Unterschwinger entspricht dem gr
oten Bias-Strom.
Abbildung 4.6: Gemessene Pulsformen f
ur den Einu des Pulsformer-Bias-Stromes
I
SHA
:
I
SHA
=170
A, 220
A, 300
A, 400
A, 600
A, 755
A. Der Puls mit der kleinsten Amplitude und
dem kleinsten Unterschwinger entspricht dem gr
oten Bias-Strom.
Abbildung 4.7: Gemessene Pulsform f
ur den Einu der Vorverst
arker-R
uckkopp elspannung
V
fp
:
V
fp
=+1.0V, {0.4V, {1.0V, {1.4V.
Abbildung 4.8: Gemessene Pulsform f
ur den Einu der Spannung
V
fs
:
V
fs
=2.0V, 1.6V, 1.0V,
0.7V, 0.4V, 0.09V. Je h
oher
V
fs
ist, desto k
urzer und kleiner wird der Puls.
Abbildung 4.9: Links die gemessene Pulsform f
ur den Einu des Levelshifter-Bias-Stromes:
I
LE V
=
,
2
:
9
A
,
,
5
:
6
A
. Rechts die gemessene Pulsform f
ur den Einu des Bias-Stromes im
Treib er
I
BU F
= 320
A
und
I
BU F
=80
A
.
4.3.5 Zusammenfassung der Ergebnisse der Pulsformvariationen
Variationen der Bias-Str
ome
I
PRE
und
I
SHA
, sowie der R
uckkopp elspannung des Pulsformers
V
fs
hab en einen groen Einu auf die Form der Pulse.
I
SHA
andert die Pulsh
ohe und den damit verbundenen Unterschwinger. Je gr
oer der Puls, desto
gr
oer der Unterschwinger.
I
PRE
hat b ei Einkopplung von
-f
ormigen Ladungen einen Einu auf die Anstiegszeit des Pulses.
Anders als die Simulation voraussagt,
andert sich die Pulsh
ohe mit der Variation von
I
PRE
. Je
schneller der Puls, desto gr
oer sind Amplitude und Unterschwinger.
V
fs
andert den Unterschwinger kaum, hat ab er groen Einu auf die Pulsl
ange: Je kleiner
V
fs
wird, desto gr
oer wird die Amplitude und damit die Zeit, bis sie erreicht wird.
V
fp
zeigt bei
-f
o rmigen Testpulsen keinen Einu auf die Pulsform. Ein groer Einu dieser
Spannung tritt b ei Kammerpulsen (Kap.5) auf.
Mit kleinen Integrationskonstanten von Vorverst
arker und Pulsformer lassen sich aus
-f
o rmigen
Ladungen Pulse erzeugen, die die Triggerezienz im nachfolgenden Ereignis nicht verschlechtert.
Wichtig f
ur das nachfolgende Ereignis ist, da der Puls entweder 96ns nach dem ersten Auslesezeit-
punkt auf Null gefallen ist o der die Nullinie (ach) schneidet. Jedo ch hab en diese Pulse kleine
Amplituden, so da die Triggerezienz durch ein kleines Signal/Rauschschwellen-Verh
a ltnis ver-
schlechtert wird. Auf das Rauschen wird im
ub ern
achsten Abschnitt eingegangen. Weiter sind
die unterschiedliche Linearit
at sowie die etwas unterschiedlichen Pulsformen (b ei gleichen Bias-
Einstellungen) f
ur negative und p ositive Ladungen problematisch. Hierauf wird an anderer Stelle
eingegangen.
4.4 Linearit
at und Homogenit
at
4.4.1 Linearit
at
Da MSGCs nur negative, Siliziumdetektoren ab er negative und p ositive Ladungen erzeugen, soll
der Verst
arker f
ur Ladungen b eider Polarit
at linear sein. Abb.4.10 zeigt eine Linearit
atsmessung
mit den Bias-Einstellungen
I
PRE
= 150
A
,
I
SHA
= 100
A
,
V
fp
={0.9V und
V
fs
=2.0V.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
0 50000 100000 150000 200000 250000
V_out [mV]
Q_in [Elektronen]
"negativ"
’positiv’
Abbildung 4.10: Linearit
atsmessung des Helix f
ur p ositive und negative Ladungen bis zu einer
Eingangsladung von
250.000 Elektronen. Die durchgezogene Kurve zeigt die Messung f
ur p ositive,
die gestrichelte Kurve die f
ur negative Ladungen.
Dargestellt ist die Amplitude der Pulsantwort als Funktion der eingekopp elten Ladung. Die Kurve
f
ur negative Ladungen acht schneller ab. Dieses Ph
anomen trat auch bei einer Messung mit
anderen Bias-Str
omen auf (
I
PRE
= 345
A
und
I
SHA
= 277
A
). Der lineare Bereich f
ur negative
Ladungen ist kleiner, er reicht bis zu einer Ladung von etwa 100.000 Elektronen.
Ein weiterer Unterschied zwischen p ositiven und negativen eingekopp elten Testladungen war eine
leicht unsymmetrische Pulsantwort des Helix. Mit
-Pulsen waren die Unterschiede geringf
ugig.
Auf dieses Verhalten wird in den Kapiteln 5. und 6. bei der Diskussion realer Kammerpulse
eingegangen, dort sind die Konsequenzen gr
oer.
4.4.2 Homogenit
at von Amplitude und Anstiegszeit
Um die im Detektor erzeugte Ladung in allen Kan
alen (
>
100 Chips mit jeweils 128 Kan
alen)
m
oglichst genau b estimmen zu k
onnen, darf der Konversionsfaktor
C
K onv
der einzelnen Kan
ale
nicht stark variieren. Schwankt er zu stark, bleib en einige Kan
ale b ei gleicher Ladungseinkopplung
unter der Triggerschwelle, o der Kan
ale mit groem
C
K onv
liefern Fehltrigger. Eine Verf
alschung
der Pulsh
ohe tritt auch b ei unterschiedlicher Anstiegszeit der Signale ein, da der Trigger aus einer
mit fester Phase zum Takt des Strahls abgetasteten Diskriminatorschwelle b esteht.
Exemplarisch wurden bei zwei Chips Konversionsfaktor
C
K onv
und Anstiegszeit
t
r
(10-90%) mit
den Bias-Str
omen
I
pr e
= 345
A und
I
sha
= 277
A b estimmt. Die Resultate zeigt Tab.4.2. Die
Amplituden liegen wegen der h
oheren Str
ome im Vergleich zu Abb.4.4 b ei nur
40mV. Die Werte
wurden mit der Mittelungsfunktion des digitalen Oszilloskops und den Zeit- und Amplitudenmark-
ern b estimmt. Es wurde eine Ladung von 1 MIP eingekopp elt.
Kanal
C
K onv
[mV/MIP]
t
r
[ns]
C
K onv
[mV/MIP]
t
r
[ns]
1 38.8 36.1 39.6 37.7
2 42.0 38.6 40.6 38.4
3 | | | |
4 39.6 36.7 42.2 41.4
5 42.0 37.4 44.0 42.3
6 | | | |
7 39.0 37.2 39.8 39.6
8 38.2 37.1 40.0 42.6
Mittel 39.9
1.5 37.2
0.8 41.0
1.6 40.3
1.9
Tab elle 4.2: Homogenit
atsmessungen an zwei 8-Kanal-Chips. Gemessen wurden die Pulsh
ohe und
die Anstiegszeit (10-90%) mit
I
pr e
= 345
A
und
I
sha
= 277
A
. Kanal 3 war aufgrund eines Fehlers
in der Chipfassung auf der Platine nicht funktionsf
a hig, b ei Kanal 6 lag ein Designfehler vor (siehe
unten).
4.4.3 Kanal zu Kanal Variationen der Basislinie
Ahnlich wie die Forderung nach Homogenit
at in der Verst
arkung und der Anstiegszeit einzelner
Kan
ale wird eine geringe Variation der Basislinien f
ur unterschiedliche Kan
ale gefordert. Eine
Verschiebung der Basislinie nach unten b edeutet eine Erh
ohung der Triggerschwelle. Eb enso ist
eine zeitliche Konstanz der Basislinie erforderlich. Sie h
angt im wesentlichen von der Temp eratur
ab und wird am Ende des Kapitels gemessen.
Die Basislinien von allen Kan
alen auf vier Chips wurden gemessen, wob ei die Testplatine f
ur den
Strahltest (Kap.5) verwendet wurde. Die Ergebnisse sind in Tab.4.3 abgebildet. Die Messung
wurde kurz nach Einschalten der Betriebsspannung und 90 Minuten sp
ater vorgenommen. Da
die Spannungen mit einem FET-Tastkopf direkt an den analogen Ausg
angen abgegrien wurden,
hab en die Videotreib er auf der Platine keinen Einu auf die Meergebnisse.
4.4.4 Ergebnisse
Die Linearit
at ist f
ur p ositive Ladungen bis 6MIPs sehr gut, eine Abweichung von 10% tritt erst
bei 8-9MIPs auf. Bei negativen Ladungen tritt der 10%-Fehler schon bei 4-5MIPs auf. Diese
Asymmetrie in der Linearit
at wiegt um so mehr, da MSGCs nur negative Ladungen liefern. An-
dererseits kommt es bei MSGCs nicht auf die absolute Pulsh
ohe der Signale an, solange sie mit
einem Schwellenwert-Komparator vom Rauschen gut getrenntwerden k
onnen.
Variationen in der Homogenit
at der Amplituden treten sowohl zwischen einzelnen Kan
alen auf
einem Chip als auch zwischen den Chips auf (Tab.4.2). F
ur eine signikante Aussage liegen zu
wenig Daten vor. Sie b etragen b ei den Messungen des Chips links in der Tab elle maximal +5.2%
und {4.3% vom Mittelwert, bei den Messungen des Chips rechts daneb en maximal +7.2% und {
3.5%. Der prozentuale Unterschied der Mittelwerte der b eiden Chips liegt b ei 2.7%. Zusammen liegt
(b ei dieser Pro duktion) eine Streuung der Werte von 10% vor. Sowohl Mefehler als auch der Fehler
in der Variation der Einkopplung von Ladungen sind eher systematischer Art, da b ei allen Kan
alen
Chip 1 1 2 2 3 3 4 4
Mezeit- U/[mV] U/[mV] U/[mV] U/[mV] U/[mV] U/[mV] U/[mV] U/[mV]
punkt
!
0 min 90 min 0 min 90 min 0 min 90 min 0 min 90 min
Kanal 1 -130 -93 -100 -99 -100 -71 -122 -97
Kanal 2 -140 -105 -104 -67 -120 -92 -144 -120
Kanal 3 -132 -98 -106 -74 -112 -83 -140 -115
Kanal 4 -138 -105 -114 -83 -102 -73 -128 -105
Kanal 5 -140 -108 -96 -68 -114 -88 -142 -118
Kanal 6 -130 -98 -108 -75 -112 -85 -130 -106
Kanal 7 -130 -97 -114 -81 -104 -78 -128 -105
Kanal 8 -128 -96 -104 -76 | | -132 -108
Mittel -133.5 -100 -105.8 -77.9 -109.1 -81.4 -133.3 -109.3
Tab elle 4.3: Schwankungen der Basislinie der analogen Helix-Ausg
ange. Dargestellt sind die Mes-
sungen an vier Chips mit gleichen Bias-Einstellungen. Die Spannungen links wurden nach dem Ein-
schalten der Versorgungsspannung, die Spannungen rechts daneb en 90 Minuten sp
ater gemessen.
dieselb e Einkopp elkapazit
a t und dieselb en Meger
ate verwendet wurden. Die Schwankungen in der
Anstiegzeit der Pulse liegen in der gleichen Gr
oe.
Die Schwankungen in der Homogenit
at liegen im Bereich der von AMS angegeb enen Variationen
im Pro duktionsproze [2 ]. Die von AMS angegeb enen Toleranzen h
angen unter anderem von den
geometrischen Gr
oen der auf dem Chip implementierten Bauteile ab. Durch
Anderung der Gr
oen
(indem zum Beispiel nicht die minimalen Bauteilgr
o en eingesetzt wird) kann die (relative) Toleranz
verringert werden.
Die Basislinien (Tab.4.3) zeigen groe Unterschiede zwischen der ersten und der zweiten Mes-
sung. In fast allen F
allen ist das Potential der Basislinie um 25-40mV angestiegen. In den Abso-
lutwerten gibt es eine starke Streuung sowohl zwischen den verschiedenen Chips als auch zwischen
den Kan
alen auf einem Chip. Die Ursache des Anstiegs liegt in der Erw
armung der Chips im
Betrieb (man vergleiche den Abschnitt
uber die "Temp eraturabh
angigkeit der Basislinie", siehe
unten). Danachentspricht die Temp eraturverschiebung einer Erw
armung des Schaltkreises um ca.
12
0
C. Die Schwankungen auf den Chips liegen zu jedem der b eiden Mezeitpunkte bei
10%,
die Variationen von Chip zu Chip liegen in der gleichen Gr
oe. Insgesamt sind die Schwankungen
der Basislinien f
ur hohe Triggerezienzen und -homogenit
aten zu gro. Die Erw
armungsphase
(Unterschiede zwischen den b eiden Mezeitpunkten in der Tab elle) spielt keine entscheidene Rolle,
da man diese im Exp erimentber
ucksichtigen k
onnte.
Eine m
ogliche L
osung liegt in der kapazitiven Ankopplung des Komparators an den Verst
arkeraus-
gang.
Ursache des nicht funktionierenden Kanal 6
Bei keinem der 10 zur Verf
ugung stehenden Chips war der Kanal 6 funktionsf
ahig. M
ogliche Fehler
der Platine und andere Ursachen wie falsches
Bonding
der Anschl
usse konnte ausgeschlossen werden.
Die Fehlerquelle war schlielich unter 200facher Vergr
oerung im Mikroskop als unterbro chene
Eingangsleitung des Kanal 6 erkennbar (siehe Abb.4.11).
Die Kontrolle des Layouts im Designprogramm
1
verlief negativ: es gab keine Unterbrechung dieser
Leitung. Im Unterschied zu den anderen Leiterbahnecken b er
uhrten sich die Leitungen hier nur, b ei
1
Cadence
Abbildung 4.11: Foto der Eingangsleitung vom
Bondpad
zum Gate des Eingangstransistors. In der
200fachen Vergr
oerung ist in der Bildmitte die Unterbrechung zu erkennbar.
den anderen ab er
ub erlappten sie. Die Konsequenz ist, da Designs sehr sorgf
a ltig auf solche fehlen-
den
Ub erlappungen zu
ub erpr
ufen sind, sowohl manuell als auch mit den Kontrollinstrumenten
2
des Designprogrammes.
2
z.B. DRC=design rule check
4.5 Rauschen
Die Ezienz der Detektoren h
angt ganz entscheidend vom Rauschabstand SNR (signal to noise
ratio) ab, da heit dem Verh
altnis der Amplituden von Signal- und Rauschspannung.
Die mittlere Signalladung b etr
agt je nach eingestellter Gasverst
arkung etwa 40.000 Elektronen, die
sichunter Umst
anden auf mehrere Kan
ale verteilen. Die Signale gehorchen der Landauverteilung,
da heit auch kleine Ladungen kommen vor. Daher m
ussen die Verst
arker sehr rauscharm sein.
Ziel der Rauschmessungen war es, das Eigenrauschen des Vorverst
arkers und die Zunahme des
Rauschens als Funktion der Ladekapazit
a t zu ermitteln, wob ei Einstreuungen von auen vermieden
werden sollten. Weiterhin sollten Ein
usse des Testaufbaus auf das Rauschen gefunden und elim-
iniert werden. Letzteres sollte Informationen f
ur sp
atere Test- und Exp erimentieraufbauten liefern.
4.5.1 Rauschquellen b eim Exp erimentieren am Helix
Das Konzept des Helix-Verst
arkers b esteht darin, kleine Ladungen gleich mit dem Vorverst
arker
in Spannungen im Millivolt-Bereich zu integrieren und das Signal in der zweiten Stufe lediglichzu
invertieren und zu formen. Der Einu von Pulsformer und Treib er auf das Rauschen dieser relativ
groen Spannungen ist dann nicht sehr gro. Wichtig wird bei der Konstruktion des Verst
arkers
ein b esonders rauscharmer Vorverst
arker. Vor allem der Eingangstransitor, auf dessen
Gate
sich
die Ladung akkumuliert, ist hier von Bedeutung.
Grunds
atzlich gibt es b ei jedem Verst
arker zwei Arten [9] von Rauschen:
Paralleles Rauschen (unabh
angig von der Kapazit
at am Eingang)
Serielles Rauschen (skaliert mit der Ladekapazit
at
C
Load
)
Bei dem an die MSGC angeschlossenen Helix-Verst
arker geh
ort zum parallelen Rauschen im wesent-
lichen das Rauschen des Ruhestromes aus dem Detektor, der
uber den R
uckkopp elwiderstand
des Vorverst
arkers abiet. Bei anderen Beschaltungen wie dem Einsatz des Helix an Silizium-
streifenz
a hlern gibt es weitere Beitr
a ge wie das Rauschen des Arb eitswiderstandes.
Zum seriellen Rauschen geh
oren das Kanalrauschen (weies Rauschen) und das Rauschen des Bulk-
Widerstandes des Eingangs-FETs, sowie das 1/f Rauschen. Im folgenden werden die Beitr
age
erl
autert, Gleichungen zur Berechnung und weitere Informationen k
onnen in [24 ] nachgelesen wer-
den.
Rauschen des Ruhestromes aus der MSGC:
Der Ruhestrom iet
ub er den R
uckkopp elwiderstand des Vorverst
arkers ab. Dessen Schrotrauschen
f
uhrt zu einem Spannungsabfall an diesem Widerstand und damit zu einem Rauschanteil, der mit
dem Widerstand w
achst.
Kanalrauschen (weies Rauschen des Eingangstransistors):
Unter anderem gilt f
ur diesen Rauschanteil:
EN C
K anal
p
1
=S teil heit
. Die Steilheit kann mit
dem Bias-Strom ge
a ndert werden. Ein hoher Vorverst
arkerruhestrom erh
oht die Steilheit des Tran-
sistors und verringert damit diesen Rauschanteil.
Rauschen des Bulk-Widerstandes des Eingangs-FETs:
Das Rauschen des Bulk-Widerstandes des Eingangs-FETs ist dem Kanalrauschen sehr
ahnlich. Es
wird durch den Stromu
ub er den Widerstand zwischen
Gate-
und
Bulk
anschlu des Transistors
verursacht. Es kann minimiert werden, indem man den
Bulk
-Anschlu auf das Potential der p osi-
tiven Versorgungsspannung von U
dd
=+2V legt.
1/f-Rauschen:
Das 1/f-Rauschen kann im Design durch
Anderung der geometrischen Verh
altnisse der Transis-
toren b eeinut werden. Durch
Anderung der Bias-Einstellungen hat man keinen Einu auf dieses
Rauschen. Der Anteil des 1/f-Rauschens ist klein, die Kopp elkapazit
a t zwischen Vorverst
arker und
Pulsformer stellt zusammen mit dem Pulsformer einen Bandpa dar. Dieser unterdr
uckt tiefe Fre-
quenzen bis zu
500kHz sehr stark (siehe unten). Der Gleichstrom aus der Kammer iet
ub er
den R
uckkopp elwiderstand des
Vor
-verst
arkers ab.
Das Gesamtrauschen aus seriellem und parallelem Rauschen des Helix unterliegt also einer Funk-
tion:
U
(
C
Load
)=
U
0
+
m
C
Load
;
wob ei das gesamte Rauschen U (Rauschspannung) eine Funktion der Ladekapazit
at
C
Load
ist.
U
0
fat das parallele Rauschen als unabh
angigen Rauschoset zusammen und die Steigung m das
serielle Rauschen in Abh
angigkeit von der Ladekapazit
at. Nachdem in den n
achsten b eiden Ab-
schnitten Eichung, Meverfahren und Rauschabschirmung vorgestellt werden, b efat sich der darauf
folgende Abschnitt mit der Messung des Rauschosets und der letzte Abschnitt mit der Messung
der Steigung.
4.5.2 Eichung des Rauschens in Elektronen und Meverfahren
Die Rauschspannung (am Ausgang des Helix) verschwindet b ei der Bildung des zeitlichen linearen
Mittelwertes [16]:
u
r
= lim
T
!1
1
2
T
Z
T
,
T
u
r
dt
=0
Erst der quadratische zeitliche Mittelwert ergibt einen von Null verschiedenen Wert:
u
2
r
= lim
T
!1
1
2
T
Z
T
,
T
u
2
r
dt
6
=0
Die Wurzel aus dem quadratischen Mittelwert wird h
aug als RMS-Wert (
r
oot
m
ean
s
quare)
b ezeichnet. Diese Spannung dient als quantitative Megr
oe f
ur das Rauschen. Da der Helix
ladungsempndlich ist, soll das Rauschen auf Ladungen (gemessen in Elektronen) geeicht sein.
Diese Gr
oe nennt man 'ENC' (
e
quivalent
n
oise
c
harge). Man erh
alt sie als Quotient aus der
Wurzel des zeitlichen quadratischen Mittelwertes
q
u
2
r
und dem Konversionsfaktor
C
K onv
:
EN C
[
e
,
]=
q
u
2
r
[
mV
]
C
K onv
[
mV =e
,
]
F
ur die Mereihen wurde die Berechnung von
q
u
2
r
von der entsprechenden Funktion des digitalen
Oszilloskops
3
ub ernommen. Hierb ei kann der lim
T
!1
nichtvorgenommen werden, es wird nur
ub er
den auf dem Bildschirm dargestellten Bereichvon typischerweise 500ns gerechnet. Auerdem wird
das Integral durch die Summe
ub er die Samplingpunkte ersetzt. Dies ist erlaubt, da der Pulsformer
als Bandpa die Bandbreite des Rauschens auf die Frequenzen b egrenzt, die das Oszilloskop in
ausreichender Au
osung darstellen kann. Um den Fehler des Ergebnisses zu verkleinern, wurden
die Messungen 200 Mal wiederholt und der Mittelwert gebildet. Das Verfahren wurde mit VEE-
Test
4
automatisiert. Der Konversionsfaktor wurde wie ob en b eschrieb en ermittelt.
3
vgl. Handbuch des Oszilloskops
4
VEE-Test ist ein grasch orientiertes Programm von Hewlett-Packard zur rechnergest
utzen Auslese, Steuerung,
Programmierung und Auswertung von Me- und anderen Ger
aten
uber den GP-Interface-Bus.
4.5.3 Die Rauschabschirmung: Fotos vom Meaufbau
Das Eigenrauschen wurde in einem dopp elten Faradayschen K
ag gemessen. Die eigentliche Platine
wurde in einem (Alu-) NIM-Einschub montiert, welcher zur Sicherheit in einer gr
oeren Weiblech-
dose untergebrachtwar. Einen Eindruckvom Versuchsaufbau gibt Abb.4.12.
Abbildung 4.12: Die dopp elte Abschirmung f
ur die Rauschmessung am Chip. Links erkennt man
die Weiblechdose und den NIM-Einschub mit der Meplatine, rechts ein vergr
oerter Ausschnitt.
Das schwarze Quadrat in der Mitte ist die Fassung mit dem Chip.
Das kleine schwarze Viereck in der Mitte der Platine ist das Geh
ause, in dem sich der Helix-
Chip b endet. In dem Bereich unter dem Chip b enden sich die Spindeltrimmer f
ur die Bias-
Einstellungen, rechts auf der Platine ist die Spannungsversorgung untergebracht und
ub er dem
Chip b enden sich die Videotreib er. Die Eing
ange des Chips mit Kopp el- und Ladekapazit
a ten
b enden sich links vom Chip.
4.5.4 Messung und Ergebnis des Rauschens am Helix ohne Ladekapazit
at
F
ur die Messungen standen 10 Chips in einem LCC68-Geh
ause zur Verf
ugung. Die Geh
ause mit den
Chips wurden in die Fassung gesteckt, die auf die Platine gel
o tet war. Zun
achst waren trotz dopp el-
ter Abschirmung die gemessenen Rauschwerte sehr ho ch. Rauschquellen auerhalb des Meaufbaus
schienen ausgeschlossen zu sein: Ausschalten von elektrischen Ger
aten sowie Versuche fr
uh mor-
gens und sp
at ab ends brachten keine b esseren Ergebnisse. Intensives Suchen nach Rauschquellen
innerhalb der Rauschabschirmung f
uhrte zur L
osung des Problems: Der auf die Platine gel
o tete
So ckel stellte sich als schwerwiegende Rauschquelle heraus, die das Rauschen der Kan
ale um ca.
800-900 Elektronen erh
ohte. Im Gegensatz dazu brachte das Entfernen der 2-3cm langen gedruck-
ten Leitung vom So ckel bis zur Einkopp elkapazit
at keine Rauschminderung. Die Isolierung des
So ckels von der Fassung an den Eingangsleitungen mit einem Streifen Kleb eband brachte dann die
in Tab 4.4 aufgef
u hrten Rauschwerte.
Das Rauschen der Kan
ale 3-5 b etr
agt etwa 290 Elektronen. Das Rauschen von Kanal 6 konnte
wegen der durchtrennten Eingangsleitung auf dem Chip nicht in Elektonen geeicht werden. Die
Rauschspannung
q
u
2
r
lag ab er in der gleichen Gr
oe wie die der Kan
ale 3-5. Das Rauschen der
Kan
ale 1,2,7,8 war mehr als dopp elt so ho ch wie das der mittleren Kan
ale. Die Ursache hierf
ur
liegt in L
ange und Geometrie der Bonddr
ahte in der Fassung. Abbildung 4.13 zeigt das Schema
der Chipfassung.
Die Skizze deutet an, da die Bonddr
ahte der Kan
ale 1,2,7 und 8 ungef
ahr dopp elt so lang waren
Kanal Rauschen [ENC]/
e
,
1 663
2 638
3 289
4 293
5 286
6 |
7 615
8 719
Tab elle 4.4: Rauschmessungen am HELIX ohne Ladekapazit
a ten.
Chip
Ch2 Ch1
Ch3
Ch6
Ch5
Ch4
Ch8Ch7 Gehaeuse
Abbildung 4.13: Layout des Eingangsb ereichs auf dem Chip (links) und eine Skizze zur Veran-
schaulichung der Lage der Bonddr
ahte (rechts).
wie die der Kan
ale 3-6, auerdem verliefen sie orthogonal dazu. Ein Entfernen dieser langen
Bonddr
ahte an den Eing
angen des Verst
arkers halbierte die Rauschspannung am Ausgang ungef
ahr
auf Werte wie bei den rauscharmen Kan
alen 3-5 und halbierte damit auch die in Elektronen ge-
eichten Rauschwerte.
Ein Entfernen der Bonddr
ahte der Kan
ale 3-5 brachte dagegen keine weitere Senkung des Rauschens.
Der Einu der Richtung und/o der der L
ange der Bonddr
ahte hat einen entscheidenen Einu auf
das Rauschen des Chips, eb enso wie in diesem Versuch die Fassung.
Um den Einu der Bonddr
ahte genauer fassen zu k
onnen, wurde das Rauschsp ektrum von einem
aueren (Kanal 1) und einem inneren Kanal (4) mit einem HP-4396A Sp ektrumsanalysator gemessen.
Um eine Antennenwirkung der Bonddr
ahte b esser erkennen zu k
onnen, wurde diese Messung ohne
Rauschabschirmung vorgenommen. Mit der Kleb ebandisolierung wurde an den Ausg
angen der
b eiden Kan
ale die Rauschleistung als Funktion der Frequenz im Bereich von 100kHz bis 1.5MHz
5
gemessen. Abb.4.14 zeigt das Ergebnis. Die Umrechnung in die Rauschspannung l
at sich aus der
5
Dieser Frequenzbereich zeigte deutliche Unterschiede zwischen den b eiden Messungen
Leistung
dB
P
=10
lg
(
P
1
P
2
) und
P
=
U
2
R
in die (logarithmische) Rauschspannung
dB
U
=20
lg
(
U
1
U
2
)
umformen. Quantitativ soll das Ergebnis nichtuntersuchtwerden, da eine qualitative Betrachtung
ausreicht. Vor den Messungen wurden die Bonddr
ahte in die gleiche Position gedreht.
-94
-92
-90
-88
-86
-84
-82
-80
-78
-76
-74
-72
0 200000 400000 600000 800000 1e+06 1.2e+06 1.4e+06 1.6e+06
Rauschleistung/[dB/Hz]
Freq./[Hz]
’ch1’
’ch4’
Abbildung 4.14: Rauschleistung des Helix-Chips in dB als Funktion der Frequenz: Die unteren
Mepunkte zeigen einen rauscharmen mittleren Kanal (4), die ob eren Mepunkte den st
arker
rauschenden
aueren Kanal 1. Dieser zeigt deutliche resonante Einstrahlungskomp onenten.
Das Rauschniveau des
aueren Kanals ist bei hohen Frequenzen deutlich gr
oer, vor allem bei
700kHz und 1MHz zeigt das Sp ektrum Resonanzen. Sie deuten auf eine Antennenwirkung der
(l
angeren) Bonddr
ahte hin. Sicherlich sind diese b eiden Ph
anomene Ursachen f
ur das erh
ohte
Rauschen der
aueren Kan
ale, auchwenn die Eekte durch die Abschirmung kleiner werden.
Transferkurve
Die Transferkurve des Helix-Verst
arkers ist unter anderem f
ur das Verst
andnis des Rauschens in-
teressant. Sie erkl
art den Anstieg der Rauschleistung der in Abb.4.14 dargestellten Kurven.
Der Pulsformer ist in Kombination mit der vorgeschalteten Kopp elkapazit
a t ein Bandpa (Kap.3):
Der vorgeschaltete Kondensator wirkt als Ho chpa, gefolgt von einem invertierenden Verst
arker, der
einen Tiefpa darstellt. Daher mu der Frequenzgang ein Maximum aufweisen. Gemessen wurde
die Transferkurve, indem an einen Eingang
ub er den Kopp elkondensator eine Sinusspannung fester
Frequenz angelegt und die Maximalamplitude am Ausgang gemessen wurde. Der Quotient aus
Spannung am Ausgang und an die Kopp elkapazit
at angelegter Spannung wird hier als Verst
arkung
deniert. Den Verlauf der Transferkurve ndet man in Abb.4.15.
Die Bandpawirkung ist deutlich zu erkennen. Die Scheitelfrequenz liegt bei
6MHz. Bez
uglich
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
10 100 1000 10000 100000 1e+06 1e+07 1e+08
Verst./[10^-6]
Freq./[Hz]
’spect’
Abbildung 4.15: Transferfunktion des Helix-Verst
arkers. Dargestellt ist die Verst
arkung als Funk-
tion der logarithmischen Frequenz.
des
Pick-up
und Rauschens durchst
orende elektrische Ger
ate sind vor allem Frequenzen im Durch-
lab ereich von 100kHz-15MHz kritisch. Rauschquellen in h
oheren o der niedrigeren Frequenzb ere-
ichen werden vom Bandpa unterdr
uckt, auch wenn sie stark auf den Eingangstransistor des
Vorverst
arkers einwirken.
4.5.5 Messung der Steigung: Rauschzunahme pro Ladekapazit
at
Nachdem das Rauschen b estimmt und die Ursachen f
ur die Unterschiede der einzelnen Kan
ale
gefunden wurden, konnte die Zunahme des Rauschens als Funktion der Ladekapazit
at b estimmt
werden. Diese Abh
angigkeit ist f
ur das Rauschen des Gesamtsystems entscheidend, da die MSGCs
eine endliche Kapazit
a t b esitzen.
F
ur diese Mereihe wurden f
ur die in Abb.4.1 optional eingezeichnete Ladekapazit
at C
2
die Werte
C
2
=0pF, 10pF, 22pF, 33pF, 47pF eingesetzt und einer der rauscharmen mittleren Kan
ale 3-5
gemessen. Das Ergebnis zeigt Abb.4.16.
Die Steigung des Rauschens pro Ladekapazit
a t wurde zu
m
Rauschen
K ap:
=62
e
,
=pF
ermittelt.
4.5.6 Zusammenfassung
Der Grund f
ur eine kritische Betrachtung des Rauschens liegt in der groen Empndlichkeit des
Verst
arkers auf kleine Ladungen. Da diese kleinen Ladungen mit einem akzeptablen SNR detektiert
werden m
ussen, mu das Rauschen (geeicht in Ladungen) um diesen Faktor kleiner sein. Die Mes-
sung des Eigenrauschens des Verst
arkers ist wichtig, um eine theoretische ob ere Grenze des SNR's
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
0 10 20 30 40 50 60
ENC/[e-]
C_load/[pF]
’x’
Abbildung 4.16: Gemessene Zunahme des Rauschens aufgetragen in Elektronen als Funktion der
Ladekapazit
a t eines rauscharmen Kanals.
angeb en zu k
onnen. Wie der Einu der Bonddr
ahte gezeigt hat, gibt es sowohl Einstreuungen von
auen als auch Ein
usse von anderen Komp onenten des Systems. In den im f
unften und sechsten
Kapitel b eschrieb enen Exp erimenten wird sich dieser Einu sehr stark b emerkbar machen. Beim
Bau von Hybriden und Platinen mu gr
ote Sorgfalt auf das Vermeiden von Rauschquellen gelegt
werden.
Das Rauschen des Verst
arkers mit einer Ladekapazit
at von 15pF liegt b ei
1200 Elektronen. Diese
Gr
oe ist ausreichend. Umgerechnet auf 1MIP (24.000
e
,
) ergibt es ein SNR von 20:1.
4.6 Strahlenh
arte des Vorverst
arkers
Der 1.2
m und 0.8
m CMOS-Proze von AMS, mit dem die Helix-Familie hergestellt wird, ist nicht
strahlenhart. In diesem Fall b edeutet "nicht strahlenhart", da sich Rauschen und Verst
arkung
schon b ei Strahlendosen von 1-2kGy erheblichverschlechtern.
Da die Elektronik sehr dicht an der Strahlachse montiert wird, ist sie einer erheblichen Strahlen-
b elastung ausgesetzt (Kap.1). Mit den Messungen in diesem Kapitel wird untersucht, ob der
Helix-Verst
arker der erwarteten Strahlenb elastung von 100-400Gy/Jahr [15 ] standh
alt, bzw. nach
welcher Strahlendosis das Rauschen so stark zugenommen hat, da die Verst
arker ausgetauscht
werden m
ussen.
Die in diesem Abschnitt b espro chenen Messungen b eziehen sich auf den HELIX1.0-Chip, da zum
Zeitpunkt der Messungen die neuere Version (Helix1.1) no ch nicht zur Verf
ugung stand. Der He-
lix1.0 ist auch ein 8 Kanal Chip, wob ei die einzelnen Kan
ale in den Eigenschaften leicht mo diziert
sind. Weiterhin b esitzen nur 2 Kan
ale Eingangsschutzstrukturen, auch hab en Konversionsfaktoren
und Pulsanstiegszeiten andere Werte. Der absolute Wert f
ur das Rauschen kann daher von den
Messungen am Helix1.1 abweichen, die Zunahme des Rauschens als Funktion der Strahlungsdosis
sollte ab er mit Messungen am Helix1.1
ub ereinstimmen, da diese Zunahme vom Pro duktionsproze
abh
angt.
4.6.1 Strahlensensitive Bereiche am Helix
Die strahlungssensitiven Bereiche im CMOS-Proze sind die
Gate
oxide der Feldeekttransistoren
(Abb.4.17 zeigt einen Querschnitt durch einen FET). Ionisierende Teilchen erzeugen b eim Durch-
gang durch den Chip Elektron-Lo ch-Paare. Meistens rekombinieren diese wieder, so da es keine
bleib enden Ver
anderungen im Material gibt.
Bulk
n+ n+
nicht massstabsgetreu!
Gate
Drain Source
Gate-Oxid (20nm)
Akkumulation
von Ladungen
+
+
--
p-Substrat
Spur eines ionisierenden
Teilchens
Abbildung 4.17: Querschnitt durch einen FET (n-Kanal-MOS) zur Veranschaulichung der Sch
aden
durch Strahlung. Am sensitivsten reagiert das nur 20nm d
unne (grau gezeichnete)
Gate
oxid auf
Strahlung, wenn Spannungen anliegen.
Vor allem in den Gateoxiden herrschen durch die am FET anliegenden Spannungen starke elek-
trische Felder. Diese k
onnen die Ladungstr
ager trennen. Sie wandern durch das
Gate
oxid, bis sie
an der Ob er
ache o der an Fehlstellen im Gitter h
angen bleib en. Dort akkumulieren sie sich. Die
genaueren Ursachen und Mechanismen werden hier nicht erl
autert, man ndet sie unter anderem
in [10 ] o der in [17 ]. Die Strahlenh
arte h
angt von der Dicke der Oxidschicht ab. Je dicker die
Oxide sind, desto gr
oer das Volumen und damit die Wahrscheinlichkeit f
ur ionisierende Teilchen,
Elektron-Lo ch-Paare zu erzeugen
6
.
Die durch ionisierende Teilchen auftretenden Eekte in den Chips sind folgende:
Oxidladungen b eeinussen die Schwellenspannung V
th
Die an der Grenze des Gateoxids akkumulierten Ladungstr
ager sind f
ur die Elektronen zu-
s
atzliche Streuzentren. Sie vermindern ihre freie Wegl
a nge und damit die Beweglichkeit
der Elekronen, was zu einer geringeren Steilheit des Transistors und das wiederum zu einem
erh
ohten Kanalrauschen f
uhrt.
Durch Erzeugen von Gitterdefekten im
Bulk
hab en ionisierende Teilchen die Wirkung einer
zus
atzlichen Dotierung. Dieses erh
oht die intrinsische Leitf
a higkeit und damit den Leckstrom
eines gesp errten Transistors (Schrotrauschen nimmt zu).
4.6.2 Vorb ereitung und Bestrahlungen
Testplatine und Meapparatur
Der f
ur die Bestrahlung zur Verf
ugung stehende Helix1.0 Chip b efand sich nicht in einer Fassung,
sondern war direkt auf eine kleine (4
5
cm
2
) Platine geklebt, auf der die Bonddr
ahte b efestigt
waren. An der Unterseite der Platine b efanden sich Steckerleisten im Standard-Rasterma. Damit
konnte die Platine mit dem Chip auf verschiedene Boards (
ahnlich wie eine Chipfassung in ver-
schiedene So ckel) gesteckt werden. Diese Flexibilit
at war n
otig, da zwei Boards verwendet wurden:
Eines mit Spannungs- und Stromquellen f
ur die Bestrahlung und ein weiteres f
ur die Rauschmes-
sungen. Die Bauteile auf dieser Platine sollten durch Strahlensch
aden die Rauschmessungen nicht
verf
alschen.
Die Spannungsversorgung f
ur die Bestrahlungsplatine b estand aus Batterien (4 Mono-Zellen). Die
Versorgungsspannung von
2V sowie die Bias-Spannungen wurden mit ohmschen Spannungsteilern
realisiert. Die Platine f
ur die Rauschmessungen war
aquivalent zu der f
ur die Messungen am
Helix1.1 Chip.
Bias-Einstellungen
Da durch Strahlung verursachte Sch
aden im
Gate
oxid b ei angelegtem elektrischen Feld st
arker sind
als ohne, muten w
a hrend der Bestrahlung die Transistoren unter Spannung stehen und die Bias-
St
ome ieen. F
ur die Bestrahlung wurden die Einstellungen in Tab.4.1 gew
a hlt. Eine kritische
Betrachtung dieser Einstellungen folgt in der Diskussion am Ende des Abschnittes.
Funktionsweise der Bestrahlungsapparatur und Montage der Chips
F
ur die Bestrahlungen stand eine
137
Cs
,
-Quelle [1 ] in der Kopfklinik der Universit
at Heidelb erg
zur Verf
ugung. Sie wird gew
o hnlich zur Blutb estrahlung verwendet. Dab ei handelt es sich um eine
sehr einfach und sicher zu b edienende Kompaktanlage.
6
Im AMS-1
:
2
m
Proze sind die Oxide
20nm dick. Die Helix-Versionen 1.0 und 1.1 sind in dieser Technologie
hergestellt. F
ur den in 0
:
8
m
-Technologie pro duzierten Helix128 wird eine gr
oere Strahlenh
arte erwartet, da die
Gate
oxide d
unner sind.
I
PRE
+100
A V
fp
{0.50V I
LE V
{3.0
A
I
SHA
+100
A V
fs
+1.0V I
BU F
+100
A
Tab elle 4.5: Bias-Einstellungen HELIX1.0 w
ahrend der drei Bestrahlungen.
F
ur das zu b estrahlende Pr
aparat (o der den Chip) steht ein 5l Inhalt fassender Edelstahltopf zur
Verf
ugung, der automatisch in das Innere der Anlage gefahren wird. W
ahrend der Bestrahlung
rotiert der Topf mit einer Frequenz von 27 U/min. Die Quelle oszilliert neb en dem Topf in ver-
tikaler Richtung. Dadurch wird ein homogeneres Dosisprol ereicht. An den Seitenr
andern treten
Abweichungen [14] von bis zu +15% auf, ob en und unten von bis zu -6% auf.
In der Mitte des Topfes wird eine Dosis von 30Gy in 483 Sekunden erreicht (vgl. dazu den Ab-
schnitt "Messung der Strahlungsquelle").
Die Bestrahlungsplatine mit den zur Stromversorgung dienenden Monozellen wurde in dem Topf
montiert. Unten b efanden sich die Batterien, die Bestrahlungsplatine wurde so eingesetzt, da der
Chip sich in der Mitte des Topfes b efand, um den Chip der richtigen Strahlendosis auszusetzen.
Bestrahlung der Chips
In w
ochentlichem Abstand wurde der Chip mit jeweils 500Gy b estrahlt, insgesamt mit einer Do-
sis von 1.5kGy. S
amtliche Bias-Str
ome und Spannungen wurden nach Tab.4.5 eingestellt. Eine
Strahlzeit dauerte 2:17 h, w
ahrend dieser wurden die Bias-Einstellungen halbst
undlich kontrol-
liert und gegeb enenfalls nachgeregelt, da die Batteriespannung geringf
ugig abnahm. Das Rauschen
wurde vor der ersten Bestrahlung sowie nach allen Strahlzeiten gemessen.
4.6.3 Ergebnisse der Rauschmessungen
Das Rauschen des Chips wurde mit der ob en vorgestellten Testplatine gemessen. F
ur die Messungen
wurden die b eiden Kan
ale mit Schutzdio den (Kanal1 und 2) sowie der Kanal 3 ausgew
a hlt, der mit
den Kan
alen 1 und 2 bis auf das Fehlen der Eingangsschutzstruktur identisch ist.
Die Rauschmessungen wurden wie im Abschnitt "Rauschen" vorgestellt vorgenommen. Allerdings
stand das automatische Auslesesystem VEE-Test no ch nicht zur Verf
ugung, so da die mit der
Oszilloskopfunktion ermittelte Rauschspannung
q
u
2
r
nur jeweils
ub er 10 Werte gemittelt wurde.
Quantitativ sahen die Ergebnisse folgendermaen aus:
Zunahme des Rauschens
Vor der Bestrahlung wurde, gemittelt
ub er die drei Kan
ale, folgendes Rauschen gemessen:
ENC=(619
124)e
,
+(33.0
6.6)e
,
/pF b ei einer
Shaper
-Zeit von 110ns. Abb.4.18 zeigt das Rauschen
in ENC als Funktion der Strahlendosis.
Abb.4.19 zeigt die Zunahme der Steigung des Rauschens als Funktion der Strahlendosis. Auch hier
ist eine deutliche Zunahme zu b eobachten, auchwenn der Fehler aufgrund der wenigen Medaten
gro wird.
Abnahme des Konversionsfaktors
Der Konversionsfaktor, also die Verst
arkung des Chips, nimmt mit zunehmender Bestrahlung ab.
Die Abb.4.20 zeigt die Resultate. Er sinkt von 105mV/MIP vor der Bestrahlung auf 86.1mV/MIP
nach einer Dosis von 1.5kGy.
.2251 / 2
A0 634.8 114.8
A1 .4440 .1653
Strahlungsdosis/(Gy)
’ENC (C_load=0pF) / (e-RMS)
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
-200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
Abbildung 4.18: Zunahme des Rauschens als Funktion der Strahlendosis.
4.6.4 Diskussion der Strahlenh
arte des Helix
Nach einer Strahlungsdosis von 1.5kGy hat sich der Rauschoset (ohne Ladekapazit
at) etwas mehr
als verdopp elt. Die Zunahme b etr
agt
700
e
,
. Dieser Wert ist tolerab el. Entscheidender ist die
Zunahme der Steigung des Rauschens pro Ladekapazit
at. Der Helix1.0 hatte vor der Bestrahlung
eine kleine Steigung von m
35
e
,
/pF gehabt. Diese ist (b ei einem relativ groen Fehler) auf
m
110
e
,
/pF nach der Bestrahlung mit 1.5kGy angewachsen. Die Zunahme b etr
agt m
75
e
,
/pF.
Bei einer Streifenkapazit
a t der MSGC von 12pF ergibt das eine weitere Zunahme im Rauschen von
900
e
,
. Oen bleib en die b eiden folgenden Fragen:
a) Der Schaltkreis wurde nur
-Strahlung ausgesetzt. Aussagen
ub er das Verhalten bei der Be-
strahlung mit Neutronen o der schweren Kernen k
onnen daher nicht gemacht werden. Am HERA-
Ring treten diese Strahlungsarten ab er auf. Es ist nicht genau bekannt, wie ho ch der Anteil
des Neutronenusses und anderer Strahlung ist. Verschiedene Absch
atzungen und Vermutungen
dar
ub er hab en bis jetzt keine eindeutige Aussage ergeb en.
b) Die Bestrahlung wurde mit den Bias-Einstellungen aus Tab.4.5 durchgef
uhrt. Da die optimale
Einstellung, bzw. der Chip mit den b esten Parametern f
ur MSGCs, no ch nicht gefunden ist, steht
die endg
ultige Einstellung der Bias-Werte no ch nicht fest.
Wie stark die Zunahme des Rauschens der Kan
ale von den Bias-Spannungen und Str
omen abh
angt,
konnte hier nicht untersucht werden. Selbst wenn diese Bias-Einstellungen nicht die endg
ultigen
sind, so ist die gemessene Gr
oenordnung der Zunahme f
ur diesen Pro duktionsproze ab er sicherlich
richtig.
4.6.5 Anhang: Messung der Strahlenquelle
Die verwendete
137
Cs-Quelle liefert
-Quanten mit einer Energie von 662keV bei einer Aktivit
at
von 16.6TBq [28 ]. Ihre zentrale Dosisleistung b etr
agt laut Hersteller 3Gy/min. Es lagen auch
Strahlungsdosis/(Gy)
’ENC Steigung /(e-/pF RMS)
0
20
40
60
80
100
120
140
-200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
Abbildung 4.19: Zunahme der Steigung des Rauschens (e
,
/pF) als Funktion der Strahlendosis.
Messungen des f
ur das Blutb estrahlungsger
at zust
andigen Physikers
7
vor, nach denen eine Dosis
von 30Gy in 483s erreicht wird. Diese Angab en wurden mit Alanin-Ho chdosis-Detektoren (AL-D)
8
ub erpr
uft, deren Genauigkeit mit
5% angegeb en ist. Die Genauigkeit dieser Dosimeter wird auch
in [10] b est
atigt.
W
ahrend der drei Bestrahlungen wurde jeweils in der Mitte des Bestrahlungstopfes in unmittelbarer
N
ahe der Chips ein Alanin-Dosismeter b efestigt. Die b estrahlten Dosimeter wurden anschlieend
zum Anbieter zur
uckgeschickt, der die Auswertung
ub ernahm. Die Auswertung ergab:
1. Bestrahlung: 552 Gy (H
2
O),
,!
491Gy (Si)
2. Bestrahlung: 547 Gy (H
2
O),
,!
487Gy (Si)
3. Bestrahlung: 553 Gy (H
2
O),
,!
492Gy (Si)
Die Ergebnismitteilung b ezog sich auf die in H
2
O absorbierte Strahlendosis, die absorbierte Dosis
in Silizium ergibt sich
9
zu:
D
Si
[
Gy
]=0
:
89
D
H
2
O
[
Gy
]
bei E
=662keV. Demnach ist die Dosis von 500Gy pro Bestrahlung veriziert, die gemessenen
Dosen weichen nur geringf
ugig nach unten ab. Die Ergebnisse stimmen mit den Unterlagen der
Kopfklinik
ub erein.
4.7 Temp eraturabh
a ngigkeit der Basislinie
Anderungen der Basislinie des Helix1.1 Chips verschieb en b ei direkter Ankopplung des Pulses an
den Komparator dessen Amplitude und damit die Triggerschwelle. Eine sich absenkende Basislinie
7
Dr. F. Hensley, Kopfklinik, Universit
at Heidelb erg
8
Bezug
uber: Dr. D. Regulla, Behamstrae 17, 80687 M
unchen
9
Ergebnismitteilung des Anbieters (nach Hubb ell, 1982)
.2536 / 2
A0 102.8 4.842
A1 -12.16 5.010
Strahlungsdosis/(Gy)
’Verstaerkung/(mV/MIP)
0
20
40
60
80
100
120
-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
Abbildung 4.20: Abnahme des Konversionsfaktors als Funktion der Strahlendosis.
schiebt die Pulse nach unten. F
ur die Pulse scheint sich die konstant gehaltene Triggerschwelle
nachobenzuverschieb en.
Die Temp eratur in der Exp erimentierhalle und damit auch auf dem Chip kann nichtv
ollig konstant
gehalten werden kann, daher mu der Einu der Temp eratur auf die Basislinie untersuchtwerden.
Man erwartet Temp eraturschwankungen von etwa
T
=
5
0
C [15 ] in der N
ahe der Verst
arker.
4.7.1 Theoretische
Ub erlegung
Zwei Ursachen sprechen f
ur eine Temp eraturabh
angigkeit der Basislinie:
Anderung der Beweglichkeit der Elektronen
F
ur die Beweglichkeit der Elektronen als Funktion der Temp eratur gilt [2]:
(
T
)
(
T
0
)
=(
T
T
0
)
,
: Beweglichkeit,
: Mobilit
a tsko ezient
Die
Anderung der Beweglichkeit f
uhrt zu einer
Anderung in der Steilheit der Transistoren
und damit zu einer anderen Steigung der Kennlinien.
Anderung der Schwellenspannung
Die Schwellenspannung eines FETs hat folgende Abh
angigkeit von der Temp eratur [2]:
V
T
0
(
T
)=
V
T
0
(
T
0
)+
T
CV
(
T
,
T
0
)
T
CV
=Temp eraturko ezient,
V
T
0
=Schwellenspannung
Eine
Anderung der Schwellenspannung verschiebt die Kennlinie der Transistoren.
Die Schwellenspannung sowohl von p-MOSFETs als auch die von n-MOSFETs nimmt mit der
Temp eratur ab, eb enso die Beweglichkeit der Elektronen. Wie gro die
Anderungen quantitativ
sind, wurde in einer Simulation [15 ] untersucht. Die
Anderung ergab 2.5mV/K.
Weiterhin wurden an FETs, die b ei diesen AMS-Designs eingesetzt werden und als Teststrukturen
vorlagen, Temp eratur- (und Strahlungs-) Messungen durchgef
uhrt [20].
4.7.2 Messung
Am Ausgang des Helix1.1 wurde die Spannung der Basislinie gegen Masse als Funktion der Temp er-
atur gemessen. Dab ei wurde die Spannung mit einem Tastkopf direkt am Ausgang des Helix no ch
vor der Kopp elkapazit
at zum Op erationsverst
arker abgegrien. Die Messung wurde f
ur zwei ver-
schiedene Bias-Einstellungen durchgef
uhrt. Die Ergebnisse der b eiden Messungen sind in Abb.4.21
zu sehen.
-230
-220
-210
-200
-190
-180
-170
-160
-150
-140
-130
-120
0 5 10 15 20 25 30 35
Basislinie/mV
Temp./C
’temp1.dat’
’temp2.dat’
Abbildung 4.21: Spannung der Basislinie (gegen Masse) als Funktion der Temp eratur. Es wurden
zwei Messungen mit unterschiedlichen Bias-Einstellungen durchgef
uhrt.
Dargestellt ist die Spannung am Ausgang des Helix gegen Masse (Basislinie) als Funktion der
Temp eratur bei zwei verschiedenen Bias-Einstellungen. Die gestrichelte Kurve wurde mit I
PRE
=
640
A, I
SHA
= 400
A aufgenommen, die durchgezogene Kurve mit I
PRE
= 200
A, I
SHA
= 200
A.
Der Oset ist unterschiedlich, die Steigung ist ab er b ei b eiden Kurven gleich, sie b etr
agt m
T
=2.5mV/K.
Die Simulation stimmt mit der Messung also
ub erein.
4.7.3 Ergebnis
Die Temp eraturabh
angigkeit von 2.5mV/K bei zu erwartenden Temp eraturschwankungen von 5-
10K ist nicht akzeptab el. Dies entspricht bei einem Konversionsfaktor von C
K onv
=40mV/MIP
schon einer
Anderung von 1500 Elektronen pro Kelvin in Bezug auf Triggerschwelle und Signalh
ohe.
4.8 Test des Komparators
Auer dem analogen Helix-Verst
arker b endet sich auf dem Helix1.1 Chip no ch ein Komparator-
Trigger, der die Triggersignale f
ur den FLT generiert. Es handelt sich um einen getakteter Kompara-
tor, der zu fester Phase relativ zum Strahltakt die Pulsh
ohe mit einer Referenzsspannung vergleicht.
Ist die Pulsh
ohe gr
oer als die Referenzspannung, so wird der Ausgang des Komparators f
ur eine
Taktphase auf logisch Eins gelegt.
Ziel der Untersuchung des Komparators ist, dessen Genauigkeit in der N
ahe der Schwellenspannung
sowie die Auswirkung dieses digitalen Elements auf den Verst
arker zu messen. Weiter mu gepr
uft
werden, ob der Komparator bei der
Bunch-Crossing
-Frequenz von 10.4MHz no ch einwandfrei ar-
b eitet.
Schon vor dem ersten Test des Komparators, der urspr
unglichf
ur einen FADC gebaut wurde [18 ],
konnte festgestellt werden, da dieser aufgrund eines Designfehlers
10
nicht einwandfrei funktionieren
kann. Der Komparator lag auch separat als Teststruktur auf einem weiteren Chip vor. Bei dessen
Test wurden die Designm
angel b est
atigt. Trotz des Fehlers konnte der Komparator in Betrieb
genommen werden. Es zeigten sichweitere M
angel, die eine pr
azise Untersuchung er
ubrigten. Das
Ub ersprechen des digitalen Teils auf den Verst
arker war gr
oer als die Signale von 1MIP. Abb.4.22
zeigt ein mit einem digitalen Oszilloskop aufgenommenes Ergebnis des Komparatortests
11
. Es
wurde eine Ladung von +2.5MIPs (60.000 Elektronen) eingekopp elt.
Abbildung 4.22: Ein erstes Ergebnis des Komparatortests. Die Abbildung zeigt die Spannung an der
Einkopp elkapazit
at (Kanal 1), die Clo ck des Komparators (Kanal 3), den Ausgang des Komparators
(Kanal 4) und den Helix-Puls des zugeh
origen Kanals (Kanal 2). Eingekopp elt wurde eine Ladung
von +60.000 Elektronen (2.5MIP), die Taktfrequenz des Komparators b etrug 10MHz.
Kanal 1 zeigt die
uber die Kopp elkapazit
at am Eingang des Verst
arkers liegende Spannung
12
.
Kanal 3 zeigt das mit einer Frequenz von 10MHz am Komparator anliegende Taktsignal, Kanal 4
10
Die
Takt
- und
Takt
-Flanken d
urfen nicht
uberlapp en [19]; auf dem FADC war dieses realisiert, auf dem (sp
ater
submittierten) Helix nicht.
11
F
ur diesen Test wurde das PSI-Test-Board (siehe Kap. 6) verwendet
12
Die Pulsh
ohe des Kanal 2 ist durch 1.4 zu teilen, da andere Videotreib er(Verst
arkung 1.4) verwendet wurden.
den (invertierten) Triggerausgang des Komparators. Den analogen Ausgang mit der Pulsantwort
des Helix zeigt Kanal 2.
Der Komparator ist zwar in der Lage, die Referenzspannung mit der Pulsh
ohe des Helix-Pulses zu
vergleichen und den Pegel an seinem Ausgang f
ur eine Takt-Phase umzulegen, ab er das
Ub ersprechen
des Taktsignals auf den Chip ist sehr gro. Am st
arksten ist das
Ub ersprechen des umfallenden
Ausgangsp egels. Auch das
Ub ersprechen des Taktsignals auf die Basislinie des Ausgangs ist deutlich
zu erkennen. Die Amplitude des
Ub ersprechens auf die Basislinie b etr
agt etwa 30mV und erreicht
damit die halb e H
ohe eines MIP-Pulses. Eine Pr
azisionsmessung des Komparators im Bereich der
Schwellenspannung mit eingekopp elten Ladungen in den Verst
arker wird dadurch unm
oglich.
Um das
Ub ersprechen durch die gedruckten Leitungen auf der Platine herauszultern, wurde in
einer zweiten Messung der Komparator auf Chip 3
13
angeschlossen. Zwei gleich groe Signale
wurden auf den Kanal, dessen Komparator untersucht wurde und auf einen Kanal von Chip 2
gegeb en. Letzterer wird in der Abb.4.23 gezeigt. Die
ubrigen Einstellungen wurden wie in der
ersten Messung gew
a hlt.
Abbildung 4.23: Kan
ale wie in Abb.4.22. Messung des
Ub ersprechens auf der Platine. Takt und
Komparatorausgang liegen an Chip 3. Kanal 2 zeigt das
Ub ersprechen eines parallel an Chip 2
anliegenden Pulses.
Das
Ub ersprechen des Taktes auf die Basislinie ist viel kleiner als in Abb.4.22. Im Gegensatz
dazu ist die
Anderung des Ausgangsp egels des Komparators im analogen Signal eb enso deutlichzu
sehen wie in der vorherigen Messung. Der Einu dieser Flanke ist entscheidend, da zum Zeitpunkt
des
Ub ersprechens das Signal des folgenden
Bunch-Crossings
ausgewertet wird. Die Taktleitung
wurde auf der Unterseite der Platine (vergleiche Abb.6.2 in Kap.6) auf der H
ohe der Chips von der
linken zur rechten Seite verlegt. Dieses geringe
Ub ersprechen sieht man in der zweiten Messung
(Abb.4.23). Das
Ub ersprechen des Taktes auf das analoge Signal ndet vermutlich auf dem Chip
o der den Bonddr
ahten statt.
Ein verb esserter Komparator mit dierentieller Signalf
uhrung, langsameren Signalen und geringerer
Spannungsdierenz am Ausgang des Komparators wurde b ereits pro duziert (vgl. Tab.3.1, Kap.3).
13
Auf dem PSI-Board b enden sich 4 direkt auf die Platine ge
bond
ete Chip. Hierdurch wird
Ub ersprechen durch
Fassung und So ckel umgangen.
Kapitel 5
Verhalten des Helix-Verst
arkers an
MSGCs
In den Messungen des Kap.4 wurde der Verst
arker im Lab or mit Testpulsen untersucht. Dieses
Kapitel b eschreibt Messungen, bei denen der Helix-Verst
arker an eine MSGC angeschlossen war.
Es wurde untersucht, wie sich der Verst
arker b ei realen Kammerpulsen verh
alt, wie diese aussehen
und welchen Einu der Kammerstrom hat. Das Rauschen des an die MSGC angeschlossenen
Verst
arkers wurde ohne der Abschirmung aus Kap.4 gemessen.
Der Chip wurde sowohl mit einer 3
2
cm
2
MSGC, als auch mit 10
10
cm
2
Kammern am Physikalis-
chen Institut der Universit
at Heidelb erg gestestet. Die Kammern wurden sowohl mit einer Eisen-
(
,
S tr ahl er
) als auch mit einer Strontium-Quelle (
und
-Strahler) b estrahlt.
5.1 Kapazitive und direkte Ankopplung des Helix an die MSGC
Der Helix-Chip soll sowohl an die MSGCs als auch an die Siliziumstreifenz
a hler (SVDs) ange-
schlossen werden. SVDs b estehen aus Dio den, die in Sp errichtung
uber einen Widerstand an
p ositiver Ho chspannung liegen. Zwischen Dio de und Widerstand wird das Signal
uber eine Kop-
p elkapazit
at abgegrien und an den Eingang des Verst
arkers gelegt. Hier wird der Helix also
kapazitiv angeschlossen, es iet kein Gleichstrom in den Verst
arker.
Diese Ankopplungsart ist bei MSGCs nicht m
oglich, da aus aus den Kammern sowohl der raten-
abh
angige Driftkatho denstrom (
I
D
) als auch der weitgehend ratenunabh
angige Katho denstrom (
I
C
)
iet, der auch ohne Z
ahlrate hohe Werte hat. Bei den 10
10
cm
2
MSGCs lag er (siehe PSI-Test,
Kap.6) bei
I
C
5nA pro Kanal. Da die Streifen bei den sp
ater eingesetzten Kammern dreimal
so lang sind, nimmt auch
I
C
um diesen Faktor zu. Bei kapazitiver Kopplung m
ute dieser Strom
durch einen vorgeschalteten Widerstand nach Masse geleitet werden. Technisch sind diese Bauteile
auf den MSGCs nichtzuintegrieren.
Bei direkter Ankopplung mu der Verst
arker einerseits trotz des Stromues das Potential am
Eingang halten k
onnen, andererseits mu er Ladungen von nur wenigen Tausend Elektronen de-
tektieren.
Die Ladung gelangt auf das extrem ho chohmige
Gate
des Eingangstransistors und liegt gleichzeitig
an der R
uckkopp elkapazit
at des Vorverst
arkers. Sie kann lediglich
uber den R
uckkopp el-FET
abieen. Geregelt wird dieser (nichtlineare) Widerstand
ub er dessen
Gate
spannung
V
fp
. F
ur
V
fp
! ,
2
V
sp errt er, bei h
oheren Spannungen sinkt sein Widerstand. Pulse k
onnen detektiert
werden, da deren Anstiegszeit viel kleiner ist als die Zeitkonstante aus R
uckkopp elwiderstand und
R
uckkopp elkapazit
a t, die den Stromabu regelt.
Bei den Untersuchungen in Kap.4 hatte die
Anderung von
V
fp
keinen Einu auf die Pulse, da kein
52
Ruhestrom in den Verst
arker o. Es gab auchkeinen ratenabh
angigen Strom durch die eingekop-
p elten Ladungspulse, da der Pulser abwechselnd p ositive und negative
-Pulse eingekopp elte.
Untersucht wurde der Einu von
V
fp
auf die Pulsform, indem Pulsh
ohensp ektren der Eisenquelle
mit verschiedenen Werten von
V
fp
aufgenommen wurden. Zur Ermittlung der Pulsh
ohensp ektren
wurde ein auchf
ur die MSGC-Entwicklung verwendetes Auslesesystem mit einem entsprechenden
FADC-Mo dul verwendet. Die Abb.5.1 zeigt ein Pulsh
ohensp ektrum der Eisenquelle.
0
20
40
60
80
100
120
140
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Eintraege
E/[FADC-Kanaelen]
’spekt’
Abbildung 5.1: Sp ektrum einer Eisenquelle, detektiert mit einer 2
3
cm
2
MSGC. Die MSGC ist
direkt an den Verst
arker angeschlossen. Die Kurve wurde mit einer Spannung
V
fp
=-0.1V aufgenom-
men. Die von Rauscheintr
agen dominierten Kan
ale 0-20 liegen unter der Triggerschwelle.
Es ist die Anzahl der gefundenen Eintr
age als Funktion von FADC-Kan
alen gezeichnet. Dab ei
ist die Kanalnummer prop ortional zur Amplitude des Pulses und damit zu der in der Kammer
dep onierten Energie. Die unteren 20 Kan
ale sind von Rauschen dominiert, so da dort geschnitten
wurde. Das Sp ektrum wurde mit einer Spannung des Vorverst
arker-R
uckkopp elwiderstandes von
V
fp
=
,
0
:
1
V
aufgenommen.
Weitere Sp ektren, die mit Spannungen
V
fp
=0
:
0
V;
+0
:
3
V;
+1
:
0
V
gemessen wurden, sahen
ahnlich
aus. Sie sind hier nicht dargestellt. Bei zwei Messungen mit den Einstellungen
V
fp
={0.2V,
V
fp
={
0.6V war das Sp ektrum zu kleineren Pulsh
ohen (=Energien) verschob en, bzw. fanden sich keine
Pulse mehr, sondern nur no ch Rauschen. Beim PSI-Strahltest gab es auswertbare Pulse nur bei
Spannungen
V
fp
>
+0.2V. Dort war der Katho denstrom h
oher.
Ergebnis
Das Pulsh
ohensp ektrum in Abb.5.1 mit der Einstellung V
fp
={0.1V zeigt den erwarteten Verlauf
eines mit einer MSGC detektierten
55
Fe-Sp ektrums. Deutlich sind zwei Linien zu erkennen. Die
kleine stammtvon Auger-Elektronen, die groe setzt sich aus R
ontgenquant und Augerelektronen
zusammen. Da die (nicht dargestellten) Sp ektren mit den Spannungen
V
fp
= 0
:
0
V
, +0.3V und
+1.0V diesem Sp ektrum entsprechen und der R
uckkopp elwiderstand hier kleiner wird, b edeutet
dies, da b ei dem hier auftretenden Kammerstrom eine Spannung V
fp
=-0.1V o der h
oher gew
a hlt
werden mu, damit der Verst
arker nicht in die S
attigung
ub ergeht. Letzteres tat er bei den Ein-
stellungen
V
fp
=
,
0
:
2
V;
,
0
:
6
V
.
Eine Best
a tigung dieser Sp ektrenverschiebung wurde festgestellt, als bei Variation von
V
fp
ein
500M-Widerstand vom Eingang des Helix gegen Masse geschaltet wurde. Da in diesem Fall ein
Teil des Stromes aus der MSGC durch diesen Widerstand abo, gab es auswertbare Sp ektren no ch
bei
V
fp
=
,
0
:
8
V
. Hier fand der
Ub ergang von Normalb etrieb zu vollst
a ndiger S
attigung nicht so
abrupt statt, so da die Verschiebung des Sp ektrums
ub er einen Spannungsb ereichvon
U
=0
:
4
V
schrittweise b eobachtet werden konnte.
Die Ursache f
ur die Verschiebung der Sp ektren zu geringeren Pulsh
ohen liegt an der in Kap.4
gemessenen Nichtlinearit
at f
ur groe Pulse. Der Verst
arker soll das Potential am Eingang auf Masse
halten. Der in den Verst
arker ieende Strom kann nur
ub er den R
uckkopp elwiderstand abieen.
Ist dieser f
ur den Strom zu gro, verschiebt sich das Potential am Eingang, die Verst
arkung (Kon-
versionsfaktor) wird kleiner, da das
Gate-Source
-Potential am R
uckkopp elwiderstand gr
oer wird.
Je nach H
ohe des Stromes geht der Verst
arker in die S
attigung
ub er, so da er nicht mehr funk-
tionsf
ahig ist.
Der Verst
arker kann direkt ohne Kopp elkapazit
at an die MSGCs angeschlossen werden. Bei diesem
Aufbau und diesen Betriebsb edingungen mu die Bias-Spannung
V
fp
-0.1V sein. Die Spannung
h
angt vom (Ruhe-) Kammerstrom
I
C
ab. Die Abh
angigkeit vom ratenabh
angigen Strom
I
D
wird
in Kapitel 6 untersucht.
5.2 Erste Ergebnisse von Kammerpulsen
Um einen Eindruckvon realen Kammerpulsen zu b ekommen, sind in der Abb.5.2 vier repr
asentative
Aufnahmen mit dem digitalen Oszilloskop gezeigt. Diese Pulse stammen aus einer 2
3
cm
2
MSGC,
die mit einer Eisenquelle b estrahlt wurden.
Bei den b eiden Pulsen rechts erkennt man auf der abfallenden Flanke eine Anomalie ("Schul-
ter"/"H
ocker"), auch die Pulse auf der linken Seite lassen an dieser Stelle eine Anomalie erkennen.
Als Problem wurde dieses Verhalten erst erkannt, als das Ph
anomen auch b ei der 10
10
cm
2
groen
Kammer auftauchte und es unabh
angig von der Strahlungsquelle war: Es gab keinen Unterschied
zwischen Eisen- und Strontiumquelle, auch mit dem Pionenstrahl am PSI (Kapitel 6) traten die
Anomalien auf. Das Thema wird sp
ater in diesem Kapitel b ehandelt.
Beim genauen Betrachten der Pulse liegt die Vermutung nahe, da das Gesamtrauschen eher von
Pick-up
als von intrinsischem Verst
arkerrauschen dominiert ist. Oft zeigte das Hintergrundrauschen
ein p erio disches Verhalten mit einer festen Amplitude. Dieses ist in Abb.5.2 schwach erkennbar.
Ein Rauschsp ektrum, mit dem dieses quantiziert werden k
onnte, wurde nicht aufgenommen.
5.3 Einu des MSGC-Streifenwiderstandes auf das Rauschen
Das Rauschen der Signale eines MSGC-Streifens h
angt von dessen Widerstand ab, der durch Ge-
ometrie und Streifenmaterial gegeb en ist. Die Messungen konnten nicht an Originalkammern mit
einer Streifenl
a nge von 30cm durchgef
uhrt werden, statt dessen wurden 2
3
cm
2
-Kammern b enutzt,
b ei denen 10 Streifen zusammengefat waren, was die richtige Kapazit
at von 12pF ergab.
Die Testkammern hatten Ano denstreifen aus Gold mit einer Breite von 10
m, einer L
ange von 3cm
und einer Dickevon etwa 150nm. Daraus ergibt sich ein Widerstand [8] von 330 f
ur die gesamte
L
ange eines Streifen der kleinen Kammer und ein Widerstand von 3.3k f
ur die gesamte L
ange
eines Streifens von 30cm.
Abbildung 5.2: Vier typische MSGC Pulse des Helix. Es handelt sich um Signale aus einer 2
3
cm
2
Kammer, die mit einer Eisenquelle b estrahlt wurde.
Der Widerstand der Streifen wurde durch einen externen Widerstand angen
ahert. Da die An-
o denstreifen sowohl eine Kapazit
at als auch eine Induktivit
at hab en, die sich vom Widerstand
unterscheiden k
onnen, mu dieses Verfahren diskutiert werden (siehe unten). Das Ersatzschaltbild
f
ur einen MSGC-Streifen ist im linken Teil der Abb.5.3 zu sehen. Weiterhin zeigt diese Grak
den Meaufbau, mit dem der Einu des MSGC-Streifenwiderstandes auf das Rauschen ermittelt
wurde.
Koppel
RHelix
Ersatzschaltbild eines MSGC-Streifens
R
L
C
C
LR....
URausch
Pulser (Test-MIP)
zur Eichung in ENC
C
Abbildung 5.3: Ersatzschaltblid eines MSGC-Streifens (links) und der Versuchsaufbau zum Bes-
timmen des Widerstandsrauschens des Streifens. Der Widerstand R simuliert den Widerstand der
MSGCs f
ur das Exp eriment.
Die Rauschspannung wurde wieder mit der entsprechenden Oszilloskopfunktion ermittelt, wob ei
f
ur die endg
ultige Rauschspannung der Mittelwert
uber 20 Werte gebildet wurde. F
ur die Eichung
in Elektronen wurde eine denierte Pulserladung eingekopp elt. W
ahrend der gesamten Messung
blieb die Kammer angeschlossen. Untersucht wurden die Widerstandswerte R=0, 1k, 3.3k,
5.9k, 10k, 15k. Das Ergebnis in Abb.5.4 zeigt eine ungef
ahr lineare Zunahme des Rauschens
in Elektronen.
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
2600
2800
3000
3200
0 2 4 6 8 10 12 14 16
ENC /[electrons
R /[k-Ohm]
’xxx’
Abbildung 5.4: Rauschmessung in Elektronen des an die Kammer angeschlossenen Helix als Funk-
tion des Streifenwiderstandes. Dieser wurde durch einen externen Widerstand angen
ahert.
Das Rauschen hat mit angeschlossener Kammer ab er ohne zus
atzlichen Widerstand einen Wert
von etwas
ub er 1300 Elektronen. Dieser hohe Wert liegt zum einen an der angeschlossenen Kam-
mer, zum anderen ab er an der b edeutend schlechteren Abschirmung von Rauschquellen. Es gab
einen Faradayschen K
ag, den man
ub er die gesamte Apparatur aus Kammer, Verst
arker, Quelle
und einem vorhandenen Photomultiplier montieren konnte. Dieses brachte ab er keine eindeutige
Verringerung des Rauschens. Verwunderlich ist dieses nach den Rauschmessungen in Kap.4 nicht,
da selbst Bonddr
ahte und Fassung des Chips erhebliche Rauschquellen darstellen k
onnen. Im
vorherigen Abschnitt wurde b ereits darauf hingewiesen, da es sich aufgrund der Betrachtung der
Pulse mit dem Oszilloskop eher um
Pick-up
handelte. Dieser
Pick-up
stellt einen vom eingesetzten
Widerstand unabh
angigen Untergrund dar.
Die Steigung der Kurve liegt bei ca. 120
e
,
/k. Bei einem Gesamt-Streifenwiderstand von 3.3k
pro Ano denstreifen ergibt das eine Zunahme von weniger als 400 Elektronen.
Diskussion des eingesetzten Widerstandes
Das Rauschen eines Widerstandes ist thermisch b edingt, der Mewert h
angt entscheidend von
der Bandbreite
f
der Meeinrichtung ab [16 ]. Durch die Kapazit
at der Ano denstreifen wird
die Rauschspannung durch Tiefpawirkung zu hohen Frequenzen hin b eschr
ankt. Frequenzen
>
100MHz werden vom Helix sehr stark ged
ampft (Kap.4). Da die Kammersignale Anstiegszeiten
von
50ns (20MHz) hab en, kann die frequenzb egrenzende Wirkung durch die Ano denstreifen, wenn
ub erhaupt, nur gering sein. Gleichstr
ome ieen auch durch die Streifen, eine Ho chpawirkung der
Ano denstreifen tritt nicht ein.
Fazit: Der Helix wirkt nach dieser Absch
atzung viel fr
uher frequenzlimitierend als die Ano den-
streifen. Daher ist die N
aherung der Ano den durch einen externen Widerstand angemessen.
Um den Helix vor Ho chspannungs
ub erschl
agen (Kap. 6) zu sch
utzen, mu ein (externer) Wider-
stand an dieser Stelle eingebaut werden. F
ur das Rauschen dieses Widerstandes gilt die Messung
exakt.
5.4 Zufalls-Triggerrate
Der auf dem Chip implementierte Komparator liefert die Triggersignale f
ur den FLT. Signale, die
hier nicht gefunden werden, sind f
ur das Exp erimentverloren. Um m
oglichst keine (kleinen) Signale
zu verlieren, mu die Triggerschwelle so tief wie m
oglich gesetzt werden, ohne Fehltrigger durch
Rauschen zu erhalten.
Obwohl die Ergebnisse der b eiden vorherigen Abschnitte ergeb en, da der Aufbau von Helix-
Verst
arkern und MSGC hinsichtlich Rauschen und
Pick-up
verb esserungsb ed
urftig ist, wurde die
Zufallstriggerrate als Funktion einer angelegten Schwellenspannung gemessen. Abb.5.5 zeigt die
in Elektronen geeichte Schwellenspannung als Funktion der Rausch-Triggerrate in logarithmischer
Darstellung. Gezeigt ist die Messung f
ur einen rauscharmen Kanal (Kanal 4, vgl. Kap.4) mit
I
SHA
= 300
A,
I
PRE
= 200
A.
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
5500
6000
6500
7000
7500
0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 10000
Schwelle [e-]
Rate [kHz]
’accidentalrate’
Abbildung 5.5: Messung der Zufallstriggerrate eines an eine MSGC angeschlossenen Helix-Verst
ark-
ers: Dargestellt ist die in Elektronen geeichte Triggerschwellen- Spannung als Funktion der Zufall-
triggerrate.
Toleriert man b ei der
Bunch-Crossing
-Frequenz von 10.4MHz eine durch das Rauschen verursachte
Zufallstriggerrate von 1kHz, so kann die Schwelle auf weniger als 6000 (
5800) Elektronen gesetzt
werden. Bezogen auf ein Ereignis (Ereignisrate
30
MHz
) ergibt das einen Anteil an Zufallstrig-
gern von
1
kH z
30
MHz
O cc:
5
:
6
10
,
4
(
O cc:
=
O ccupancy
: 6%).
Das Ergebnis deutet darauf hin, da der Einu des Systems auf das Rauschen nicht zu gro
ist, wenn man von einer integrierbaren Ladung der minimal ionisierenden Teilchen in MSGCs
von Q=24.000 Elektronen ausgeht. Man erh
alt ein SNR von 4:1 f
ur MIPs. Das Rauschen des
Verst
arkers liegt bei ENC
300
e
,
+20pF
60
e
,
pF
1500
e
,
. Die Steigung des Chips der n
achsten
Generation soll b ei 30-40
e
,
pF
liegen. Daraus folgt, da b ei sorgf
a ltigem Aufbau unter Verhinderung
von
Pick-up
die Schwelle auf etwa 1200 Elektronen gesetzt werden kann. Damit kann theoretisch
ein SNR von bis zu 20:1 erzielt werden. Bei sorgf
a ltigem Aufbau einer Platine f
ur den Helix1.1
mit guter elektromagnetischer Abschirmung gegen
Pick-up
sollte eine Schwelle von 2500 Elektronen
und damit ein SNR von 10:1 erreichbar sein.
5.5 Systematische Untersuchung von Pulsformen aus der MSGC
In diesem Abschnitt werden Pulsformen an der MSGC studiert. Zum einen werden reale Kammer-
pulse untersucht, b ei der die MSGC mit einer Fe-Quelle b estrahlt wurde, zum anderen Pulse, die
bei ieendem Katho denstrom
I
C
aus der MSGC mit dem Pulser erzeugt wurden. Damit lassen
sichVer
anderungen und Unterschiede von
-Pulsen zu Kammerpulsen feststellen.
5.5.1 Unterschiede zwischen p ositiven und negativen Pulsen
Da die Kammer nur negative Ladungen liefert, mute f
ur einen systematischen Vergleichvon p os-
itiven und negativen Ladungen der Pulser eingesetzt werden. Mit der langen Anstiegszeit des
Pulsers von t
r
=250ns wurde ein
ub er diese Zeit kontinuierlicher Strom in den Verst
arker gesp eist.
In Kap.4 wurde b ereits auf den unterschiedlichen dynamischen Bereichvon p ositiven und negativen
Pulsen hingewiesen. Es gibt nichtnur Unterschiede in der Linearit
at, sondern auch in der Pulsform.
Ein Beispiel f
ur den Unterschied zeigt Abb.5.6.
Abbildung 5.6: Unterschied von p ositiven zu negativen Pulsantworten des Helix b ei gleichen Pulser-
anstiegszeiten (hier 250ns).
Aus sp
ater ersichtlichen Gr
unden wurde eine l
angere Anstiegszeit des Pulsers gew
a hlt, sowie eine
sehr groe Ladung. Auch bei sehr kurzen Anstiegszeiten des Pulsers (t
r
<
20ns) und kleineren
Testladungen, bei denen der Verst
arker bei b eiden Vorzeichen no ch im linearen Bereich arb eitet,
bleibt der Unterschied b estehen.
Bei den Bildern handelt es sich um eine Mittelung
uber 100 Pulse. Eingekopp elt wurden die
Testpulse durch
Ub ersprechen eines nicht abgeschirmten Kab els, das an den Pulser angeschlossen
und
ub er die Verbindungsleitung von der Kammer zum Verst
arker gelegt war. Der Unterschwinger
fehlt b eim negativen Testpuls. Dieses Verhalten ist eb enso unabh
angig von der Ladungsmenge
wie die Existenz des Unterschwingers bei p ositiven Testpulsen. Versuche der Variation dieser
Anstiegszeit sind am Ende des Kapitels b eschrieb en.
5.5.2 Weitere Pulseigenschaften
In den in Kap.4 b eschrieb enen Versuchen wurden p erio disch Pulserladungen auf den Helix gegeb en
und die Pulsform durch Mittelung
ub er 100 Pulse ermittelt. Ladungen, die durch eine Quelle
entstehen, sind ab er nicht gleich, sondern variieren sowohl in Gr
oe als auch in ihrem zeitlichen
Verlauf.
Um denno ch durchschnittliche Pulsformen zu erhalten, wurde auch hier gemittelt. Mit dem dig-
italen Oszilloskop wurde eine feste Triggerschwelle eingestellt und b ei jeder Bias-Einstellung
ub er
100 Pulse gemittelt. Auerdem wurden Ladungen mit dem Pulser eingekopp elt. Auch diese Pulse
wurden vermessen. Um einen ob jetiveren Vergleich zu erhalten, wurden die Amplituden aller ver-
messenen Pulse in einer Mereihe etwa gleich gro eingestellt. In Tab.5.1 ndet man die gemessenen
Anstiegszeiten der Pulse und die relative Pulsh
ohe ca. 100ns nach dem Maximum. Sie sollte Null
sein, um eine optimale Ezienz im nachfolgenden Ereignis zu erhalten. Einige dieser Pulse ndet
man in Abb.5.7 und 5.8. Sie geb en einen Eindruck von der Pulsform. Interessant sind die Ver-
gleiche zwischen realen Kammer- und Pulserladungen. Die Spannungen sind auf 5mV, die Zeiten
auf 5ns Genauigkeit b estimmt. Die in der Tab elle angegeb ene Bias-Einstellung wurde jeweils aus
folgender Grundeinstellung variiert:
V
fp
=0.25V,
V
fs
=1.9V,
I
PRE
= 200
A,
I
SHA
= 200
A.
Fe-Puls
-Puls Fe-Puls
-Puls
Bias-Strom/ Anstieg Anstieg Ampl.@
t
+ 100
ns
Ampl.@
t
+ 100
ns
Spannung
#
t
r ise
/[ns]
t
r ise
/[ns]
U
Amp
/[%]
U
Amp
/[%]
I
SHA
=80
A
75 65
45
mV
595
mV
=8
140
mV
565
mV
=25
I
SHA
= 150
A
60 55
45
mV
575
mV
=8
95
mV
575
mV
=16
I
SHA
= 200
A
55 55
35
mV
320
mV
=11
10
mV
305
mV
=4
I
SHA
= 400
A
55 50
115
mV
635
mV
=18
60
mV
645
mV
=9
I
PRE
=60
A
65 55
150
mV
340
mV
=44
65
mV
360
mV
=18
I
PRE
= 130
A
65 55
100
mV
450
mV
=22
0
mV
470
mV
=0
I
PRE
= 280
A
65 55
20
mV
290
mV
=7
,
35
mV
305
mV
=
,
11
I
PRE
= 400
A
65 55
0
mV
295
mV
=0
,
50
mV
330
mV
=
,
15
I
PRE
= 600
A
65 55
,
5
mV
340
mV
=
,
1
:
5
,
65
mV
335
mV
=
,
19
V
fp
=0
:
0V 65 55
95
mV
530
mV
=18
,
25
mV
495
mV
=
,
5
V
fp
=0
:
2V 65 55
80
mV
470
mV
=17
,
25
mV
495
mV
=
,
5
V
fp
=0
:
7V 65 55
25
mV
445
mV
=6
,
60
mV
480
mV
=
,
13
V
fp
=1
:
5V 65 55
35
mV
530
mV
=7
,
80
mV
470
mV
=
,
17
V
fp
=1
:
95V 65 55
10
mV
425
mV
=2
,
95
mV
470
mV
=
,
20
V
fs
=1
:
9V 65 55
70
mV
540
mV
=13
,
35
mV
540
mV
=
,
6
V
fs
=1
:
25V 75 65
25
mV
620
mV
=20
,
60
mV
645
mV
=
,
9
V
fs
=0
:
6V 90 85
10
mV
800
mV
=
,
12
,
35
mV
775
mV
=5
Tab elle 5.1: Anstiegszeiten (0-100%) und Pulsh
ohen in Prozent 100ns nach der maximalen Am-
plitude von Kammerpulsen. Die Signale stammen aus der Eisenquelle. Im Vergleich dazu wurden
Pulserladungen (b ei ieendem Kammerstrom) vermessen.
Die Anstiegzeiten der Pulse lassen sich vor allem durch
Anderungen am Pulsformer variieren.
Kammersignale sind erwartungsgem
a niemals k
urzer als Pulsersignale. Art und Gr
oe der Un-
terschwinger lassen sich deutlich variieren. Je gr
oer der Unterschwinger, desto mehr bildet sich
insgesamt eine ged
ampfte Schwingung mit weiteren Maxima und Minima aus. Betrachtet man in
der Tab elle die Amplitude
100ns nach dem Pulsmaximum, so erkennt man deutliche Unterschiede
zwischen Pulser- und Kammersignalen. Der Nulldurchgang ndet bei Pulsersignalen fr
uher statt
(vgl. Abb.5.7 und 5.8). Bei Kammersignalen tritt ein "H
ocker" auf, hierauf wird im n
achsten Ab-
schnitt eingegangen. Wichtig ist nicht nur, da die Amplitude nach 100ns die Nullinie schneidet,
sondern auch, da die Steigung dem Betrag nachm
oglichst klein ist, da sonst schon ein Zeitjitter
der Kammersignale den Mefehler stark erh
oht.
5.6 Untersuchung von Anomalien der Kammerpulse
Bei genauem Betrachten der Kammerpulse in Abb.5.2 erkennt man auf der abfallenden Flanke
der Pulse eine Anomalie. Diese trat sowohl bei Bestrahlung mit der Strontium- als auch mit der
Eisenquelle und sogar im Pionenstrahl am PSI (Kap.6) auf. Auch die Kammergr
oe (2
3
cm
2
,
10
10
cm
2
) hatte keinen Einu auf die Anomalie. Sie
auerte sich in einem "H
ocker" o der einem
"Plateau" auf der abfallenden Pulsanke.
Da diese Anomalie einen groen Einu auf die (Fehl-) Trigger im nachfolgenden Ereignis hat, ist
dem bis jetzt (Septemb er 1996) unverstandenem Ph
anomen dieser Abschnitt gewidmet.
F
ur die Versuche wurde ein Helix-Verst
arker an die 10
10
cm
2
-Kammern angeschlossen. Die Span-
nung an der MSGC b etrug
U
K athode
={600V und
U
Drif t
={3.3kV. Sie wurde b ei der Untersuchung
mit dem Pulser nicht abgeschaltet, damit der Ruhestrom aus der Kammer ieen konnte.
5.6.1 Verst
arker, Ladungen, Strahlenquellen
Bevor die Helix-Verst
arker f
ur den Einsatz an MSGCs b ereitstanden, wurden die Kammern mit den
diskret aufgebauten Vorverst
arkern VV-50 des Physikalischen Instituts ausgelesen. Die Anomalie
wurde dab ei bis jetzt nicht eindeutig nachgewiesen.
Andererseits zeigte der Helix-Verst
arker im Betrieb mit Pulser-Ladungen ohne angeschlosene Kam-
mer dieses Ph
anomen eb enfalls nicht. Im Betrieb mit Pulser-Ladungen und angeschlosener MSGC
trat eine andere Anomalie auf (siehe unten).
Es gab keinen Unterschied der Anomalie zwischen kleinen Kammern (3cm lange Streifen) und
gr
oeren (10cm lange Streifen). Eb ensowenig hatte die Strahlenquelle einen Einu auf die Anoma-
lie. Sie trat sowohl b ei der Strontium- als auch b ei der Eisenquelle auf, eb enso wie b eim PSI-Test
im Pionenstrahl. Ein Einu w
are denkbar gewesen, da der dierentielle Energieverlust (
dE
dx
) in
Gas von
's anders ist als der von Teilchen (z.B.
's, Pionen). Die Signalform ist eine Funktion
dieses Energieverlustes.
5.6.2 Anomalie und Vorzeichen des Pulses
Die Pulsantwort des Helix ist auf p ositive und negative Ladungen nicht symmetrisch. Daher wurde
untersucht, wie der H
ocker vom Vorzeichen der Signale abh
angt.
Die Ergebnisse einer fr
uheren Messung (Abb.5.6) zeigen jedo ch trotz ieendem Kammerstrom
I
C
und der Kopplung von Helix und MSGC nicht die Anomalie. Der Unterschied zwischen den
negativen Lsdungen aus dem Pulser und realen Kammersignalen liegt im zeitlichen Verlauf des
Signalstroms: In der Messung iet er w
ahrend der Anstiegsdauer des Pulsers in H
ohe von ca.
250ns mit konstantem Wert, bei echten Kammerpulsen zeigt er die in Kap.2 diskutierte Form.
Versuche mit Variation der Anstiegszeit ndet man am Ende des Kapitels.
5.6.3 Abh
angigkeit der Anomalie von
I
PRE
In dieser Versuchsreihe wurde die Abh
angigkeit der Anomalie als Funktion des Vorverst
arker-Bias-
Stromes
I
PRE
mit zwei verschiedenen Pulsformer-Str
omen
I
SHA
als Parametern untersucht. In
b eiden F
allen waren die Bias-Spannungen:
V
fp
=+0.25V,
V
fs
=1.9V.
Die Pulsformen f
ur den (sehr hohen) SHA-Strom
I
SHA
= 530
A sind nicht abgebildet, die Puls-
formen f
ur den kleineren Strom
I
SHA
= 200
A zeigt Abb.5.7. Bei allen Pulsen handelt es sichum
eine Mittelung
ub er jeweils 100 Pulse. Bei dem in den Oszilloskopbildern jeweils ob en dargestellten
Puls handelt es sich um das Signal aus der Fe-Quelle, unten um das des Pulsers.
Abbildung 5.7: Abh
angigkeit des H
ockers von I
PRE
mit I
SHA
= 200
A: I
PRE
=60
A, 130
A,
280
A, 400
A (spaltenweise von ob en nachunten). Ob en sind jeweils die Eisen-Signale, unten die
Pulsersignale dargestellt.
Die Triggerschwelle wurde so niedrig gesetzt, da
ub er b eide Fe-Linien gemittelt wurde. Die Pulse
in der jeweils unteren Bildh
alfte kommen aus dem Pulser, wob ei die eingekopp elte Ladung so gro
gew
a hlt wurde, da die Amplitude der Helix-Antwort mit der Amplitude der Pulsantwort aus der
Fe-Quelle
ub ereinstimmte.
Die Versuchsreihe mit dem hohen Pulsformer-Strom spiegelte die Situation am PSI wider, wo
bei allen Versuchen ein eb enso hoher Strom eingestellt wurde (Kap.6). Die zeitliche Dierenz
zwischen maximaler Amplitude des Eisenpulses und der Amplitude des darauolgenden H
ockers
b etrug unabh
angig von
I
PRE
immer t=130ns.
Anders sahen die Resultate mit
I
SHA
= 200
A (Abb.5.7) aus. Durch den ge
a nderten Bias-Strom
anderte sich die Pulsform. Hier trat eine Abh
angigkeit in der zeitlichen Dierenz von Amplitude
des Fe-Pulses und der des H
ockers auf, welcher sich gut sichtbar ausbildete. Die zeitliche Dierenz
in Abh
angigkeit von
I
PRE
ist in Tab. 5.2 zu nden.
Vor allem im Oszilloskopbild links sieht man jetzt auch eine Anomalie in der Antwort des Helix
I
PRE
=
[
A
]
t
PRE
=
[
ns
]
60 120
130 125
280 135
400 140
600 140
Tab elle 5.2: Zeitliche Dierenz von max. Amplitude des Eisenpulses und der max. Amplitude des
darauolgenden H
ockers in Abh
angigkeit von
I
PRE
bei
I
SHA
= 200
A
.
auf Pulserladungen. An der Stelle, an der b eim Puls aus der Eisenquelle der H
ocker auftritt,
ist die Steigung der abfallenden Flanke des Pulsersignals ver
andert. Sie knickt kurz vorher und
hinterher ab. Der H
ocker b endet sich in der Mitte dieses Zeitb ereichs. In den Bildern rechts (aus
dem digitalen Oszilloskop) ist das Ph
anomen nicht gut zu erkennen, es trat ab er bei allen f
unf
1
Einstellungen von
I
PRE
auf. In allen F
allen lag das Maximum des H
ockers von Fe-Pulsen in der
Mitte des anomalen Bereichs der Pulser-Signale, da heit er verschob sich mit.
5.6.4 Abh
angigkeit der Anomalie von
I
SHA
Die Abh
angigkeit der Anomalie von
I
SHA
wurde in diesem Abschnitt getestet. Die Bias-Ein-
stellungen der nicht variierten Parameter waren:
V
fp
=+0.25V,
V
fs
=1.9V,
I
PRE
= 200
A. Die
Ergebnisse ndet man in Abb.5.8.
Es zeigt sich eine eindeutige Abh
angigkeit zwischen
I
SHA
und der zeitlichen Dierenz der Ampli-
tuden von Fe-Puls und H
ocker. Die Abh
angigkeit zeigt Tab.5.3.
I
SHA
=
[
A
]
t
SHA
=
[
ns
]
40 265
80 180
150 140
400 125
530 115
Tab elle 5.3: Zeitliche Dierenz von der maximalen Amplitude des Eisenpulses und der maximalen
Amplitude des darauolgenden H
ockers in Abh
angigkeit von
I
SHA
bei
I
PRE
= 200
A.
5.6.5 Abh
angigkeit der Anomalie von
V
fs
und
V
fp
Bei Variation von
V
fs
im Bereichvon 0.6 bis 1.9 Volt trat keine signikante
Anderung auf. Als Pa-
rameter wurden gew
a hlt:
V
fp
=+0.25V,
I
PRE
= 200
A,
I
SHA
= 200
A. Die Zeitdierenz zwischen
Puls und H
ocker b etrug
t
= 130
ns
.
Eb ensowenig
anderte sich t b ei Variation von
V
fp
im Bereich von 0.0 bis 1.95 Volt. Die Zeitdif-
ferenz blieb b ei t=130ns. F
ur
V
fp
<
0.0V konnte keine Messung durchgef
uhrt werden (Verst
arker
geht in die S
attigung, siehe ob en). Die Parameter in diesem Versuch waren
V
fs
=1.9V,
I
PRE
=
200
A,
I
SHA
= 200
A.
1
das f
unfte Bild ist nicht dargestellt
Abbildung 5.8: Abh
angigkeit der Anomalie von
I
SHA
bei
I
PRE
= 200
A: I
SHA
= 80
A, 150
A,
200
A, 400
A (spaltenweise von ob en nachunten). Ob en sind jeweils die Eisen-Signale, unten die
Pulsersignale dargestellt.
5.6.6 Abh
angigkeit von Dauer und St
arke des Stromes (Pulser-Flankensteilheit)
Bei kurzen Testpulsen ist kein H
ocker aufgetreten. Jedo ch hab en die MSGC-Pulse einen
40ns
dauernden Stromu. Daher b esteht die M
oglichkeit, da die Anomalie durchl
anger andauernde
Signale verursacht wird.
Um dieses zu
ub erpr
ufen, wurde der Pulser mit unterschiedlich steilen Flanken verwendet. Wie in
Kap.4 erl
autert, iet w
ahrend der
Anderung der an der Kopp elkapazit
at anliegenden Spannung
ein Strom in den Verst
arker. Die Zeitdauer des Stromes h
angt b ei vorgegeb ener Spannungsdierenz
von der Flankensteilheit des Pulsers ab.
Als Bias-Einstellungen wurde gew
a hlt:
V
fp
=+0.25V,
V
fs
=+1.9V,
I
SHA
200
A,
I
PRE
= 200
A. Das
Ergebnis f
ur vier verschieden steile Pulser-Antworten zeigt Abb.5.9.
Bei allen vier Pulsen ist die maximale Amplitude des H
ockers
255ns von der des Pulses entfernt.
Das b edeutet, da dieser (konstante) Verlauf des Stromes keinen H
ocker erzeugt: Beim Pulser-
Signal existiert der Unterschwinger, dieser verschiebt sich bei Kammerpulsen in die Richtung des
Pulses. In Abb.5.8 (Bild ob en rechts) ist dies gut zu sehen. Dort stimmen Bias-Einstellungen und
Zeitdierenz t mit den hier verwendeten Testb edingungen aus diesem Abschnitt
ub erein. W
urde
ein l
angerer (konstanter) Stromu die Anomalie verursachen, so h
atte sich der H
ocker wie b eim
Fe-Puls zu diesem hinbewegen m
ussen.
Abbildung 5.9: Abh
angigkeit des H
ockers von der Stromdauer (Steilheit der Flanke) R1=5ns,
R2=40ns,
Kanal
2=60ns, R3=100ns. Die Dierenz vom Pulser-Peak zum H
ocker b etr
agt
ub erall
255ns.
5.6.7 Folgerungen
Trotz intensiver Suche nach der Ursache der Anomalie konnte diese bis jetzt nicht identiziert
werden. In derselb en Form wie b ei Kammerpulsen konnte sie nicht nachgstellt werden. Eine her-
b eigef
uhrte Anomalie war das in Abb.5.7 (vor allem in den Bildern links) gezeigte "Abknicken" der
Pulseranke, deren zeitlicher Abstand zur maximalen Amplitude des Pulses mit Kammersignalen
korrelierte.
Der Einu von Dauer und St
arkevon Signalstr
omen auf die Anomalie wurden untersucht. Aller-
dings wurden reale Pulsformen no ch nicht mit einem Funktionsgenerator nachgestellt. Gegeb enen-
falls mu dies no ch durchgef
uhrt werden. Der zeitliche Verlauf des Stromes aus der MSGC wurde
in Kap.2 diskutiert.
Erste Messungen am neueren Helix2.0 hab en gezeigt, da die Anomalie dort auch ohne MSGC mit
-
Pulsen auftrat, der zeitliche Abstand von maximaler Pulsamplitude und Anomalie war gr
oer. Ein
Unterschied zum Helix1.1 ist ein zus
atzlich eingebauter Imp edanzwandler zwischen Vorverst
arker
und Pulsformer.
Die Problematik der Anomalie ist no ch nicht gekl
a rt, weitere Untersuchungen sind notwendig.
Sicher ist, da der H
ocker die Fehltriggerrate im darauolgenden Ereignis erh
oht. Besonders schw-
erwiegend ist, da er b ei vielen Bias-Einstellungen b ei Kammerpulsen um die Dauer von ungef
ahr
einem
Bunch-Crossing
verschob en ist und damit genau in den Zeitpunkt des n
achsten Triggers f
allt.
5.7 Zusammenfassung: Ankopplung des Helix an die MSGC
In diesem Abschitt wurden die Ergebnisse der ersten Messungen des Helix-Verst
arkers an MSGCs
dargestellt. Der Helix-Verst
arker kann ohne Kopp elkapazit
at direkt an die MSGC angeschlossen
werden. Er kann das Potential am Eingang trotz des Katho denstromes aus der MSGC auf Masse
halten. Dab ei detektiert er die aus der Kammer kommenden Ladungen mit einem SNR von 4:1,
das bei sorgf
altiger elektromagnetischer Abschirmung und dem neuen Verst
arker
theoretisch
bis
zum Verh
altnis 20:1 verb essert werden kann. In der Praxis d
urfte mit dem Helix1.1 bei b esserer
elektromagnetischer Abschirmung ein SNR von 10:1 erreicht werden k
onnen. Der Signalstreifen-
widerstand und ein externer Schutzwiderstand gegen Ho chspannungs
ub erschl
age vergr
oern das
Gesamtrauschen des Verst
arkers um etwa 400 Elektronen. Diese Zunahme ist akzeptab el.
Ein no ch unverstandenes Problem ist die Anomalie der Kammerpulse, die die Fehltriggerrate im
nachfolgenden Ereignis erh
oht.
Kapitel 6
Systemtest im Pionenstrahl am Paul
Scherrer Institut
Am Paul Scherrer Institut (PSI) in Villigen, Schweiz, wurde erstmals ein vollst
a ndiges System
aus MSGCs, Helix1.1-Verst
arkern und einer Ausleseelektronik aus DL-305 FADCs und Macintosh-
Rechnern in Betrieb genommen.
Im Pionenstrahl am PSI sollten Ladungspulse von MIPs detektiert und weitere Erfahrungen mit
den MSGCs gewonnen werden. Vor allem ab er sollte die Untersuchung eines vollst
a ndigen Sys-
tems wichtige Hinweise f
ur die Weiterentwicklung des endg
ultigen Aufbaus des HERA-B Detektors
liefern.
6.1 Meprogramm am PSI
Die Ergebnisse des Strahltests am PSI wurden weitestgehend
online
ausgewertet. Das Ziel hier-
bei war, auftretende Fehler und Probleme vor Ort m
oglichst schnell erkennen und korrigieren zu
k
onnen. F
ur eine genauere Datenanalyse wurden Rohdaten gesammelt, die sp
ater mit aufwendi-
geren Analysemetho den ausgewertet wurden. Die folgende Auistung fat die am PSI untersuchten
Fragestellungen und Probleme zusammen. Im Laufe des Kapitels werden diese Punkte im Detail
diskutiert, sie gliedern sich in drei Abschnitte:
allgemeines Betriebsverhalten
Untersuchung des Rauschens/
Pick-up
des Systems
Sch
aden an den MSGCs durch stark ionisierende Teilchen im Strahl
Funktionsf
ahigkeit der Ho chspannungs-Schutzstrukturen am Helix
Ergebnisse aus der
Online
-Analyse
Ermittlung von Multiplizit
at,
Clustergr
oe
, Anzahl der
Cluster
in der Kammer
Zeitau
osung der MSGC
Messung des Pulsh
ohensp ektrums, Bestimmung des Landaumaximums
Ezienz der MSGC
Abh
angigkeit der Ezienz von der Ho chspannung (Gasverst
arkung)
Au
osungsverm
ogen der Kammer mit drei hintereinander aufgestellten MSGCs
Ratenabh
angigkeit von Ezienz,
Wiremap
,
Clustergr
oe
, Anzahl der
Cluster
Ergebnisse aus der
Oine
-Analyse
Bestimmung des Zeitjitters der MSGCs
Ezienzverlust durch zerst
orte Ano denstreifen
Au
osungsverm
ogen
66
6.2 Vorb ereitung und Aufbau des Strahltests
Ein System aus drei hintereinander montierten 10
10
cm
2
MSGCs wurde im Pionenstrahl in-
stalliert. Verschiedene Ano dengrupp en in einer Kammer wurden an die Helix1.1-Verst
arker ange-
schlossen. Die Auswertung der Signale erfolgte
online
ub er DL305-FADCs mit einem auf Macintosh-
Rechnern laufendem Analysesystem.
6.2.1
Ub erblick
uber den Aufbau des Exp eriments
Die Abb.6.1
1
zeigt den schematischen Gesamtaufbau am PSI im
Ub erblick.
Pressure
Temp.
Apple Mac
Scint.
10x10cm2
Scint.
5x5mm2
3 MSGCs
Scint.
5x5mm2
Scint.
10x10cm2
Helix
«
Transputer DL314
24 FADCs DL305
MacVEE
I/O Card
Slow Control
Trigger
HV
-3300V
-640V
I
VME
Abbildung 6.1: Schema des Aufbaus am PSI. Ob en erkennt man die MSGCs im Strahl mit Szintil-
latoren und Helix-Verst
arkern. Die Helix-Platinen sind
ub er 30m lange Kab el mit DL305 FADCs
verbunden. Die Daten wurden mit Rechnern verarb eitet. Die Szintillatoren erzeugten die Trig-
gersignale
ub er eine Koinzidenzschaltung. Kammerstr
ome, Temp eratur und Luftdruck wurden
protokolliert.
Ob en im Bild erkennt man den Pionenstrahl. Die maximal drei eingesetzten MSGCs standen zwis-
chen den Szintillatoren, mit deren Hilfe die Trigger abgeleitet wurden. Direkt an die Kammern
angeschlossen b efanden sich die Platinen mit den Helix-Verst
arkern und den Kab eltreib ern. Von
dort aus wurden die Signale dierentiell
uber eine 30m lange Flachbandleitung in den Meraum
gef
uhrt. Digitalisiert wurden sie mit DL-305FADCs, deren Steuerung vom Transputer DL314
ub ernommen wurde. Dieser b ezog seine Start/Stop-Anweisungen von den Szintillatoren
ub er
eine Koinzidenz-Triggerelektronik. Die Daten wurden
online
mit einfachen Routinen analysiert,
1
Die Grak wurde freundlicherweisevon S. Hausmann, Physikalisches Institut,
ub erlassen.
f
ur die sp
atere genauere Analyse wurden Rohdaten gesp eichert. Luftdruck und Temp eratur im
Strahlbunker sowie Katho den- und Driftkatho denstrom einer MSGC wurden mit einem zweiten
Rechner gemessen und auf einer Festplatte protokolliert.
6.2.2 Die Platine f
ur Auslesechips,
Support
und Leitungstreib er
F
ur den Strahltest wurden im Rahmen dieser Diplomarb eit sp ezielle Elektronikplatinen entwickelt.
An jede im Exp eriment eingesetzte MSGC wurde eine Platine angeschlossen. Auf diesen b efanden
sich jeweils vier Helix-Chips, so da maximal 4
7{1=27 Kan
ale
2
zum Auslesen der Ano denstreifen
zur Verf
ugung standen. Untergebracht wurden auf den Platinen Leitungstreib er f
ur alle Kan
ale,
Spannungsversorgung f
ur diese und die Chips, einstellbare Bias-Strom/Spannungsquellen und ein
Fan-In
f
ur den Anschlu der MSGC an die Helix-Verst
arker.
Um
Ub ersprechen zu minimieren, wurden die Platinen vierlagig ausgef
uhrt. Die b eiden mittleren
Lagen dienten als Masseschicht und zur Spannungsversorgung. Die Mae der Platinen war
15
15
cm
2
. Die Abb.6.2 zeigt die ob erste Lage der Platine.
Abbildung 6.2: Layout der ob ersten Seite der Platine f
ur die Chips. Es hat die Mae 15
15
cm
2
.
Unten b endet sich das
Fan-In
, dar
uber neb eneinander angeordnet die Metall
achen f
ur die vier
Helix-Chips. In der Mitte
ub er den Chips werden die Videotreib er plaziert. Ob en rechts b enden
sich die Bias-Einstellungen, die Spannungsversorgung ist ob en links.
Am unteren Rand erkennt man das
Fan-In
f
ur Kammersignale mit den Rastermaen 2.54mm
(unten) und dem 300
m-Raster (Verengung). Dar
ub er sind neb eneinander angeordnet die Pl
atze
f
ur vier Chips. Im mittleren Bereich der Platine ist Platz f
ur die Videotreib er und Anschl
usse
an die Flachbandkab el. Im ob eren Bereich sind links die Spannungsversorgungen und rechts die
Spannungs- und Stromquellen f
ur die Bias-Einstellungen untergebracht.
Bias-Strom/Spannungserzeugung
Die Bias-Spannungen und Str
ome wurden wie f
ur die in Kap.4 b eschrieb ene Testplatine generiert,
eingestellt und gemessen. Die Str
ome und Spannungen wurden direkt auf die vier Chips verteilt,
die dazu parallel geschaltet waren.
2
Kanal 6 der Chips funktionierte nicht und ein Kanal war auf der Platine defekt.
Helix-Chips und
Fan-In
Um Rauschquellen durch Chipfassung und So ckel (vergleiche Kap.4) zu vermeiden, wurden die
Helix-Chips mit Leitsilb er direkt auf die Platine geklebt. Durch das direkte
Bonding
auf der Platine
konnten die einzelnen Chips dichter neb eneinander plaziert werden als in einer Fassung. Die Leitun-
gen an den Eing
angen wurden dadurch deutlichk
urzer. Dieses sollte sich p ositiv auf die Rauschw-
erte auswirken. Trotzdem waren die Eingangsleitungen der
auersten Kan
ale ca. 8cm lang. Eine
ub er alle Chips reichende Plexiglasab deckung sch
utzte insb esondere die empndlichen
Bond
dr
ahte,
deren L
ange mit 4-5mm gr
oer war als die der
Bond
dr
ahte von Chips in einem Geh
ause.
Die gedruckten Leitungen der Verst
arker-Eing
ange auf der Platine f
uhrten von den Chips zu einem
Fan-In
, das im Rasterma der MSGC-Ano den von 300
mm
undete, um die Kammern dort direkt,
bzw.
ub er Kaptonfolie mit Z-Kleb er
3
zu b efestigen. Im weiteren Verlauf wurde das
Fan-In
in das
g
angige Rasterma von 2.54mm aufgef
achert, um Lab ormessungen zu erleichtern und alternativ
eine Schnittstelle f
ur einen Flachbandsteckeranschlu zu hab en.
Leitungstreib er
Zum Treib en der 30m langen Kab el vom Strahlbunker in den Meraum wurden Videotreib er vom
Typ CLC-415 AJE verwendet, die sich durch folgende Eigenschaften [4] auszeichneten:
hohe Integrationsdichte (4 Kan
ale pro Bauteil)
extrem geringes
Ub ersprechen (70dB Kanalisolation b ei 5MHz)
hohe Bandbreite (170MHz nach 3dB D
ampfung)
externe Einstellm
oglichkeit des Verst
arkungsfaktors (
1 bis
10)
hoher Eingangswiderstand (1.3M)
geringe Eingangskapazit
a t (1.0pF)
Die hohe Integrationsdichte von 4 Kan
alen war n
otig, um die Gr
oe der Platine zu b egrenzen: Zum
Bonding
der Chips durfte aus technischen Gr
unden eine b estimmte Platinengr
oe nicht
ub erschrit-
ten werden. Auch muten die Kapazit
a ten der Leitung vom Chip zum Leitungstreib er m
oglichst
niedrig gehalten werden, damit die Signale nicht an Geschwindigkeit verlieren. Der Verst
arkungs-
faktor sollte durch Uml
oten der SMD-Widerst
ande exib el gehalten werden. Um den dynamischen
Bereich des FADC-Auslesesystems b esser auszunutzen, wurde ein Verst
arkungsfaktor A=1+
R
3
R
2
=1.4
gew
a hlt. Die Videotreib er wurden nicht invertiert b etrieb en, die in Abb.6.3 gezeigte Beschaltung
kam zum Einsatz.
Die von der p ositiven und negativen Versorgungsspannung der Videotreib er gegen Masse geschal-
teten Kapazit
aten (6.8
F, 100nF) blo ckten ho chfrequente St
orungen und niederfrequente Span-
nungsschwankungen ab. Die Widerst
ande
R
2
und
R
3
stellten die Verst
arkung ein.
R
1
verhinderte
das Schwingen des Videotreib ers (Einzelheiten ndet man in [4]).
Die b eiden in der 30m langen Ausgangsleitung eingebauten Kondensatoren C=220nF b ewirkten
eine Entkopp elung in Bezug auf Gleichstr
ome zwischen Videotreib ern und FADC-System, die b ei-
den Widerst
ande R=47 terminierten die Leitung.
Spannungsversorgung
Die Versorgungsspannungen f
ur die Videotreib er b etrugen U
=
5V und wurden mit Festspan-
nungsreglern der Typ en 7805 (+5V) und 7905 ({5V) erzeugt. Vor und hinter den Festspannungsre-
glern wurden jeweils eine Kapazit
at C=10
F (Tantal) und C=100nF zum Blo cken von St
orun-
3
Ein mit winzigen Metallk
ugelchen vermischter Sp ezialkleb er. Die Metallk
ugelchen stellen die elektrische
Leitf
ahigkeit zwischen den zu kleb enden Fl
achen ("Z-Richtung") sicher.
5
HELIX 1.1
-
+
R=10k
R=1.78k
R=47
CLC 415
30m Twisted Pair Kabel
FADC
+5V
-5V
C=100nF
+
+
R=750
C=100nFC=6.8uF
C=6.8uF C=100nF C=100nF
1
2
34
R=47
Abbildung 6.3: Beschaltung der Videotreib er f
ur den Betrieb w
ahrend des Strahltests am PSI.
gen gegen Masse geschaltet. Die Stromaufnahme der 8 Videotreib er lag f
ur b eide Polarit
a ten
bei I
CLC
140mA, so da die Leistungsaufnahme der Festspannungsregler (b ei einer anliegenden
Vorspannung von U
V
=
7V) P=(7V{5V)
0.14A=0.28 Watt b etrug. Es wurden keine externen
K
uhlbleche eingesetzt.
Die Versorgungsspannungen f
ur die Helix-Verst
arker U
H elix
=
2Volt wurden mit Parallelreglern
(einstellbare Zenerdio den) erzeugt. Abb.6.4 zeigt die Schaltpl
ane. Links ist die Schaltung f
ur die
negative, rechts die f
ur die p ositiveVersorgungsspannung zu sehen.
+
R=100
-12V
R=2k
-2V
R=20k C=33uF
D2
R=100
+12V
+2V
R=20k
R=2k +
C=33u
F
D1
Abbildung 6.4: Spannungserzeugung f
ur die Helix-Verst
arker: Links die Schaltung f
ur die negative,
rechts die f
ur die p ositiveVersorgungsspannung.
Die mit Parallelreglern erzeugten Spannungen waren mit den Spindeltrimmern in b egrenzten Bere-
ich einstellbar und lagen bei
2.7V. An den Dio den
D
1
und
D
2
el eine Spannung von jeweils
0.7 Volt ab, so da anschlieend die ben
otigten Spannungen von U
H elix
=
2V vorlagen. Die
nachgeschalteten Kapazit
a ten blo ckten Spannungsschwankungen ab.
6.2.3 Die Mikrostreifengaskammern
Eingesetzt wurden drei diamantb eschichtete etwa10
10
cm
2
MSGCs. Sie wurden nicht mit Kap-
tonfolie und Z-Kleb er an das
Fan-In
der Helix-Platinen geklebt, sondern mit einem ca. 8cm langen
Flachbandkab el verbunden. Ano den und Katho den wurden in 16er Grupp en eingeteilt. Bei jeder
der drei eingesetzten Kammern konnte wahlweise eine von drei Dopp elgrupp en mit jeweils 2
16=32
Ano denstreifen an die Verst
arker angeschlossen werden. Alle Ano den wurde einzeln ausgelesen.
Jeweils 16 Katho denstreifen lagen zu einer Grupp e zusammengeschaltet
uber einen Widerstand
R=56M an der Katho denspannung U
C
. Es wurden nur die zu den jeweils ausgelesenen Ano den
geh
orenden Katho dengrupp en an die Ho chspannung angeschlossen. Dadurch wurden nicht aus-
gelesene Streifen geschont. Die MSGCs wurden mit einer Gasmischung aus Argon/DME (50/50)
b etrieb en. Im Drei-Kammer-Betrieb wurde das Gas seriell durch alle Kammern geleitet. Dies
garantierte einen Gasu durch alle Kammern und erleichterte das Aunden von Lecks im Gassys-
tem. Die Kammern wurden mit einer Katho denspannung U
C
={640V b etrieb en. Die Driftkatho de
lag
ub er einen Widerstand R=10M an der Driftspannung U
D
={3.3kV.
6.2.4 Das Auslesesystem
Mit 27 auslesbaren Kan
alen pro Platine und maximal drei eingesetzten Platinen und Kammern
standen 81 Signalkan
ale, erg
anzt durch vier Szintillator-Triggerkan
a le, zur Verf
ugung. Pro Platine
wurden diese
uber vier 30m lange abgeschirmte
twisted-pair
-Leitungen in den Meraum gef
uhrt.
Digitalisiert wurden die Signale mit DL305 FADCs [7], die im Stop-Mo dus b etrieb en wurden. Die
Steuerung erfolgte mit dem Transputer DL314, der sein Stopsignal aus der Koinzidenzschaltung der
Szintillatoren b ezog. Die FADCs wurden mit einem Macintosh-Rechner ausgelesen. Die Daten kon-
nten auf Festplatte geschrieb en werden und/o der
online
ausgewertet und die Ergebnisse graphisch
dargestellt werden.
Luftdruck und Temp eratur im Strahlbunker sowie der Katho den- I
C
und Driftkatho denstrom I
D
einer Kammer wurden mit einem zweiten Rechner erfat und eb enfalls auf Festplatte protokolliert.
6.2.5 Der Pionenstrahl
Am PSI wurde der Pionenstrahl im Areal
E1 verwendet. Diese Strahllinie liefert Pionen und
Myonen mit hohem Flu und Impulsen von 10-500MeV/c [30 ]. Es gibt zwei Betriebsmo di. Mo dus
A liefert einen hohen Flu mit geringer Impulsau
osung. Der Impuls wird durch den ersten
fokussierenden Quadrup olmagneten auf 280MeV/c b egrenzt. Mo dus B stellt eine ho chau
osende
Version mit Impulsen bis zu 500MeV/c dar. Dieser Mo dus wurde nicht verwendet, hierf
ur sind
erh
ohte Auagen der Strahlenschutzkommission zu erf
ullen.
Nach [30] sind die erzielbaren Pionen- und Myonenraten in Abh
angigkeit des in Milliamp ere
gemessenen Protonenstromes im Beschleuniger angegeb en. Im normalen Betrieb lag der Proto-
nenstrom b ei I
Prot
1.080mA.
Im Betriebmo dus A hab en die Pionen Impulse von 80-280MeV/c. Die Raten sind
R
+
=1
:
8
10
9
+
mA
s
1
:
67
10
9
+
s
und
R
,
=1
:
9
10
8
,
mA
s
1
:
76
10
8
,
s
bei einem Impuls von
200MeV/c.
Die f
ur das Exp erimentweniger interessanten Myonen im Strahl hab en Impulse von 10-280 MeV/c.
Bei einem Impuls von 28MeV/c sind die Raten
R
+
=1
10
6
+
mA
s
0
:
93
10
6
+
s
und
R
,
=2
10
7
,
mA
s
1
:
85
10
7
,
s
:
Auf das Strahlprol wird im n
achsten Abschnitt eingegangen, da dort die Triggerlogik b eschrieb en
wird.
Gemessene Teilchenraten
Die Teilchenraten wurden mit vier Szintillatoren gemessen. Die Szintillatoren Sz1 und Sz4 hat-
ten eine Fl
ache von 10
10
cm
2
und deckten die Fl
ache der MSGCs ab. Die Szintillatoren Sz2
und Sz3 hatten eine Fl
ache von 5
5
mm
2
. F
ur die geometrischen Verh
altnisse des Aufbaus aus
Kammern und Szintillatoren im Pionenstrahl vergleiche man Abb.6.5 im n
achsten Abschnitt. Die
Quadrup olmagnete zur Ablenkung und Fokussierung des Strahls wurden so eingestellt, da der
Pionenstrahl m
oglichst stark auf die Kammern konzentriert wurde. Die Raten wurden als Funk-
tion der Magnete und der Szintillatorp ositionen gemessen. Sie variierten je nach Stromst
arke des
Protonenstrahls und anderer vorgegeb ener Parameter (zum Beispiel Magnetfelder) bis ca. 10%.
Die maximal erzielten Raten ndet man in Tab.6.1.
Die maximal erzielbare Rate lag lokal b ei R
Sz
2
=2-3
kH z
mm
2
f
ur Szintillator Sz2,
ub er die gesamte Fl
ache
der MSGC lag die maximale Rate bei R
Sz
1
=1-2
kH z
mm
2
. Damit wurde ca. ein Drittel der b ei HERA
Szintillator Szint.-Fl
ache/[mm
2
] Rate/[Hz]
Sz1 10.000 15M
Sz2 25 60k
Sz3 25 40k
Sz4 10.000 1.4M
Sz1*Sz4 10.000 600k
Sz2*Sz3 25 1k
Tab elle 6.1: Gemessene Teilchenraten mit den Szintillatoren Sz1-4. Die Raten unterlagen je nach
Stromst
arke des Protonenstrahls im Beschleuniger und der Fokussierung der Magnete Schwankun-
gen von bis ca. 10%.
erwarteten Rate f
ur die Kammern in H
ohe von R
HERA
= 10
kH z
mm
2
erreicht. Die Raten der b eiden
hinteren Szintillatoren Sz3 und Sz4 waren kleiner als die der vorderen, da sich zwischen ihnen drei
MSGCs b efanden. Der Pionenstrahl lie sich nicht so scharf wie w
unschenswert auf die MSGCs
fokussieren. Dadurchkonnten die in [30 ] angegeb enen Raten auf der Fl
ache der 10
10
cm
2
MSGC
nicht erreichtwerden.
6.2.6 Die Triggerlogik
Der Trigger zum Aunden von Kammerpulsen wurde aus einer Koinzidenzschaltung der vier Szin-
tillatoren abgeleitet. Abb.6.5 zeigt die Schaltung der Triggerlogik und die geometrischen Verh
alt-
nisse von Szintillatoren und MSGCs.
Triggereingang
4cm
10.5cm
25.5cm
138.5cm 75.5cm Strahlaustritts-
fenster
Szint.3
Szint.4
Szint.2
Szint.1
Strahlachse
zum FADC-
Koinzidenz
3 MSGCs
Abbildung 6.5: Veranschaulichung der geometrischen Verh
altnisse von Szintillatoren, Strahl und
MSGCs sowie im ob eren Bildteil die Schaltung der Triggerkoinzidenz.
Das Triggersignal wurde im Auslesesystem verz
ogert, um es gleichzeitig mit den sp
ater eintreenden
Kammersignalen verarb eiten zu k
onnen. Mit einer Schrittmotorsteuerung konnten die kleinen Sz-
intillatoren Sz2 und Sz3, die an einer gemeinsamen Halterung b efestigt waren, synchron horizontal
und vertikal b ewegt werden. Damit wurde das Strahlprol vermessen. Die Ausmessung des Strahl-
prols ergab die in Abb.6.6 gezeigten Verteilungen.
0
10
20
30
40
50
60
70
0 20 40 60 80 100
Rate (Sz2) /[kHz]
x /[mm] (y fest=65mm)
’beam_x2’
0
10
20
30
40
50
60
70
0 20 40 60 80 100 120
Rate (Sz2) /[kHz]
y /[mm] (x fest=65mm)
’beam_y2’
Abbildung 6.6: Prol des Pionenstrahls im Areal
E1: Links das Prol in horizontaler Richtung,
rechts in vertikaler Richtung. Angegeb en sind die Raten des Szintillators Sz2.
Aufgetragen ist in b eiden Plots die mit dem kleinen Szintillator Sz2 gemessene Rate als Funktion
seiner Position in horizontaler (Bild links) bzw. vertikaler Richtung (Bild rechts). Bei Messung
des horizontalen Prols wurde die Position in vertikaler Richtung bei y=65mm, bei Messung des
vertikalen Prols in horizontaler Richtung b ei x=65mm festgehalten. In horizontaler Richtung war
das Prol
ub er den gesamten Kammerb ereichvon 100mm homogen. In vertikaler Richtung war die
Rate dagegen stark inhomogen. Sie zeigt ein ausgepr
agtes Maximum bei Position 60-70mm und
nahm nach b eiden Seiten stark ab.
6.2.7 Eichung der Pulsh
ohe
Die Eichung des Konversionsfaktors wurde wie in Kap.4 vorgenommen. Eine denierte Ladung
wurde mit dem Pulser eingekopp elt und die Amplitude des Pulses am Ausgang des Helix gemessen.
Da die Amplitude nach dem Videotreib er gemessen wurde, dessen Verst
arkungsfaktor auf A=1.4
eingestellt war, war der Konversionsfaktor des gesamten Aufbaus am PSI gr
oer als der in Kap.4
gemessene. Der mittlere Konversionsfaktor wurde zu C
K onv
Auf bau
130mV/60.000e
,
=52mV/24.000e
,
ermittelt.
Die Spannungen wurden mit dem 6Bit-FADC DL305 digitalisiert. Dieser ist nichtlinear. F
ur die
Umwandlung von Spannungen in Bits bzw. umgekehrt gilt [7 ]:
C
=
Int
(
U
i
U
0
+0
:
75
U
i
64)
U
i
=
C
64
,
0
:
75
C
U
0
mit C=
f
0...63
g
,
U
0
=0.5V,
U
i
=am FADC anliegende Spannung.
F
ur die LSBs 0, 1, 2, ..., 62, 63 gilt:
U
i
=7
:
9mV ...
U
i
= 119
:
5mV. Das
Online
-Analyseprogramm
rechnete die logarithmische Amplitude in lineare Werte zur
uck. Der Vorteil der logarithmischen
Digitalisierung ist der gr
oere Arb eitsb ereich des FADC. Der damit verbundene Nachteil b estehtin
den gr
oer werdenen Spannungsdierenzen f
ur h
ohere Spannungen. Die Pulsh
ohensp ektren (siehe
Abb.6.18) zeigten deutlich dieses Verhalten.
Die mit dem Analyseprogramm linearisierten Spannungen wurden so geeicht, da 1 Millivolt = 1
Einheit
FADC
entsprach. Dies vereinfachte die Rechnungen in den Programmen der
Oine
-Analyse.
6.2.8 Fotos vom Exp eriment am PSI
Abschlieend zeigt Abb.6.7 zwei Fotos vom exp erimentellen Aufbau. Im linken Bild erkennt man
unterhalb der Mitte eine auf eine Aluminiumplatte geschraubte MSGC. Hinter der Kammer b endet
sich ein 10
10
cm
2
Lo ch f
ur den Teilchenstrahl.
Uber der Kammer b endet sich die Platine in
einem Aluminiumrahmen, auf den ein Metalldeckel geschraubt wird. An den Seiten der Platine
sind jeweils 2 Stecker f
ur die
twisted-pair
-Leitungen angebracht. Ganz unten im Bild erkennt man
die zum Testen eingesetzte Halterung mit der Fe-Quelle. Links von der Kammer b enden sich die
HV-Anschl
usse, rechts die Anschl
usse f
ur das Gassystem. Zwischen Kammer und Ausleseplatine
erkennt man das Steckersystem von der MSGC zu den Verst
arkereing
angen.
Abbildung 6.7: Fotos vom Aufbau: Das linke Bild zeigt eine MSGC (unten) mit der dar
uber
angeschlossenen Helixplatine, das rechte Foto den Bunker: In der Bildmitte die MSGCs mit
Verst
arkern, ob en die Strahl
onung.
Das rechte Foto zeigt eine Gesamtansicht des Aufbaus im Strahlbunker. Die drei MSGCs b enden
sich in der Bildmitte auf dem hellen Tisch. Zu b eiden Seiten f
uhren von den Kammern die Sig-
nalleitungen in den Meraum. Ob en im Bild erkennt man das von einem Magneten umschlossene
Strahlaustrittsfenster. Zwischen diesem und den MSGCs b endet sich der vordere groe Szintillator
Sz1.
Ergebnisse
Der Ergebnisteil gliedert sich in die drei Abschnitte:
allgemeines Betriebsverhalten
Ergebnisse der
Online
-Analyse
Ergebnisse der
Oine
-Analyse
6.3 Allgemeines Betriebsverhalten
Zun
achst dominierte der Aufbau von
Pick-up
. Verschiedene st
orende Frequenzen traten im Sp ek-
trum auf, vor allem eine Frequenz im Bereichvon 500kHz. Im Gegensatz dazu trat die Teilchenpaket-
Frequenz des Pionenstrahls von 50MHz im Meraum nicht auf, obwohl das Frequenzsp ektrum im
Strahlbunker b ei 50MHz eine deutliche Resonanz zeigte.
Um Rauschen und
Pick-up
zu verringern, wurde eine sternf
ormige Erdung ausgelegt, deren zentraler
Punkt die Aluminiumhalterung der MSGCs war. Hieran wurden alle metallischen Gegenst
ande
in der Umgebung der Kammern mit Ausnahme des Quadrup olmagneten am Austrittsfenster des
Strahls angeschlossen (dessen Anschlu erh
ohte den
Pick-up
). Angeschlossen wurden auch die
Massen der HV-Ger
ate und der FADC-Elektronik, sowie einseitig die Abschirmung der
twisted-
pair
-Leitungen.
Die im Lab or gemessenen Rauschwerte waren deutlich kleiner als der
Pick-up
am PSI. Die mit-
tlere Rausch/
Pick-up
Amplitude der Spannung b etrug nach Helix-Verst
arker und Videotreib er (mit
einer Verst
arkung A=1.4)
U
N oise
20mV
PP
=14mV
RM S
. Dieses entspricht einem Rauschen von ca.
6000 Elektronen. Um das Signal/Rausch-Verh
altnis zu verb essern, wurde b ei fast allen Mereihen
mit der hohen Katho denspannung U
C
={640V gearb eitet, um die Sekund
arionisaton zu erh
ohen.
Dieses Spannung entsprach einer Gasverst
arkung von
A
Gas
3500.
Die Teilchenrate des Pionenstrahls war bei weitem h
oher als die im Lab or an der MSGC mit der
Eisen- bzw. Strontiumquelle erreichten Teilchenraten. Die Vorverst
arker-R
uckkopp elspannung
V
fp
mute erwartungsgem
a h
oher gestellt werden, damit der Verst
arker den ratenabh
angigen Strom
und den Ruhestrom aus der Kammer aufnehmen konnte. Bei allen eingestellten Teilchenraten lief
der Verst
arker mit einer Spannung
V
fp
=+0.25V stabil.
Probleme gab es b eim Einstellen des Pulsformer-Bias-Stromes
I
SHA
. Wie in den Kap.3 und 4 disku-
tiert, wird durchVariation dieses Stromes der sinusf
ormige Anteil mehr o der weniger ged
ampft und
damit der Unterschwinger reguliert: Je h
oher der Strom, desto kleiner der Unterschwinger. Bei
kleinen Str
omen
I
SHA
b egann der Helix-Chip mit der Amplitude der Betriebsspannungen (
2V)
zu schwingen. Besonders stark trat dieses Ph
anomen im Drei-Kammer-Betrieb in Erscheinung.
Zun
achst konnte das Schwingen hier durch keine Bias-Einstellung verhindert werden. Erst der
Einsatz weiterer Kopp elkondensatoren (100nF) im Bereich der Spannungsversorgung sowie weitere
Masseverbindungen zwischen den Platinen und der Aluminiumhalterung verhinderte ein Schwingen
bei hohen Str
omen I
SHA
. Der Chip mute in allen F
allen mit einem Bias-Strom von mindestens
I
SHA
400
A b etrieb en werden. Dieser hohe Strom entspricht einer starken D
ampfung des si-
nusf
ormigen Anteils und einer kleinen Amplitude in der Pulsantwort des Helix (Kap.4).
Bei Messungen im Lab or mit dieser Platine und angesschlossener Kammer, ab er ohne den 30m lan-
gen Kab eln und FADC-Ausleseelektronik, konnten kleinere Str
ome (I
SHA
=100-200
A) eingestellt
werden.
Der Katho denstrom I
C
der MSGC war konsistent mit dem im Lab or mit einem Tera-Ohmmeter
gemessenen Wert des Ano den-Katho denwiderstandes
R
A
,
K
=8
10
9
f
ur 26 Ano denstreifen. Bei
einer Driftspannung U
D
={3.3kV und einer Katho denspannung U
C
={640V zeigte die Kammer einen
Ruhestrom I
C
=100nA und I
D
=0-1nA f
ur zwei angeschlossene Grupp en. Bei einer Teilchenrate von
R=20-100
Hz
mm
2
erh
ohte sich der Driftstrom auf I
D
=25nA, w
a hrend der Katho denstrom unver
andert
blieb. Bei hohen Raten (R=3
10
3
Hz
mm
2
) erh
ohten sich die Str
ome auf I
C
=120nA und I
D
=95nA. Der
durch die Teilchen verursachte Strom b etrug I
T
115nA.
Die Ho chspannungsprobleme der Kammern und Verst
arker sowie die Probleme mit den Pulsein-
stellungen werden gesondert b ehandelt.
6.3.1 Pulsformen im Strahltest
Wie b ereits diskutiert, mute der Helix-Chip mit hohen Pulsformer-Bias-Str
omen b etrieb en werden,
um ein Schwingen zu verhindern. Dies b egrenzte die Auswahl an einstellbaren Pulsformen stark.
So konnten keine Pulsformen eingestellt werden, die 100ns nach dem Pulsmaximum wieder nahezu
vollst
a ndig abgefallen waren.
Abb.6.8 gibt einen Eindruck von Pulsen, die der Verst
arker lieferte. Es handelt sich um eine
Auswahl h
aug aufgetretener Pulse. Die ob eren sechs Oszilloskopbilder zeigen Momentaufnah-
men von Kammerpulsen. Die Aufnahme unten links zeigt den Signalverlauf einer eingekopp elten
Pulserladung bei eingeschalteter Kammer, das Bild unten rechts zeigt eine Mittelung
uber 152
Kammerpulse bei fester Triggerschwelle (U
T r ig g
={254mV). Die Zeitbasis b etr
agt bei allen acht
Bildern t
B asis
=100ns/div. Die Spannungswerte liegen bei U
B asis
=50-500mV/div. Teilweise sieht
man ho chfrequente St
orungen (ob en rechts), teilweise p erio dische St
orungen bei niedrigeren Fre-
quenzen (rechte Spalte, zweites und drittes Bild). Die in Kapitel 5 untersuchten Anomalien traten
auch hier auf (gut sichtbar im Bild links ob en). Die Aufnahmen wurden mit den Bias-Einstellungen
V
fp
=+0.25V,
V
fs
=1.9V,
I
PRE
= 285
A und
I
SHA
= 395
A gemacht. Die MSGC wurde mit den
Spannungen U
C
={640V und U
D
={3.3kV b etrieb en.
Abbildung 6.8: Beispiele f
ur Pulsformen von Pionen im Strahltest mit den Bias-Einstellungen
V
fp
=+0.25V,
V
fs
=1.9V,
I
PRE
= 285
A,
I
SHA
= 395
A. Die MSGC wurde mit den Spannungen
U
C
={640V und U
D
={3.3kV b etrieb en. Die ob eren sechs Bilder sind Momentaufnahmen, unten
links ist die Antwort auf eine Pulserladung (b ei eingeschalteter MSGC) zu sehen, unten rechts
eine Mittelung
ub er 152 Kammerpulse. Die Zeitskala b etr
agt bei allen Bildern 100ns/div, die
Amplitudenskala b etr
agt b ei den ob eren vier Bildern 100mV/div.
Ho chspannungssch
aden an der Kammer
Durch stark ionisierende Teilchen (zum Beispiel langsame
-Teilchen) kann es zu
Ub erschl
agen
in den MSGCs zwischen den Katho den und den Ano den kommen. Dadurch werden die Streifen
b esch
adigt. In b esonders schlimmen F
allen werden die nur 10
m breiten Ano den durchtrennt.
Ausf
uhrlich werden die Ho chspannungssch
aden in den Kammern in [29] diskutiert. Dort werden
auch Lab orversuche mit
-Teilchen b eschrieb en, die die Ergebnisse des Strahltests b est
atigen.
6.4 Ho chspannungssch
aden an den Eing
angen des Helix
Die in Kapitel 3 b eschrieb ene implementierte Schutzstruktur auf dem Helix erwies sich b ei Ho chspan-
nungs
ub erschl
agen als nicht ausreichend. Im folgenden Abschnitt wird auf Probleme und L
osungen
eingegangen. Der darauf folgende Abschnitt b esch
aftigt sich mit weiteren eingehenden Unter-
suchungen im Lab or und an der Kammer.
6.4.1 HV-Sch
aden und Manahmen am PSI
Zun
achst wurde eine MSGC mit einer Helix-Platine im Pionenstrahl montiert. W
ahrend der ersten
24 Stunden Betriebszeit elen nach und nach alle 27 funktionsf
ahigen Kan
ale aus. Mit dem Pulser
eingekopp elte Ladungen in den Verst
arker ergab en keine Signale in diesen Kan
alen, auchverhielten
sich die Basislinien dieser Kan
ale v
ollig ruhig. Die Ursache mute b eim Helix liegen. Sp
atere
mikroskopische Untersuchungen b est
atigten dies. Die Eingangsschutzstrukturen waren b esch
adigt,
wie Abb.6.9 zeigt. Es handelt sich um Aufnahmen mit 200facher bzw. 100facher Vergr
oerung und
dierentiellem Interferenzlter.
Im Bild links ob en erkennt man
ub er dem Polysiliziumwiderstand an der Kontaktierung zum An-
schlupad eine Blase, im Foto darunter ist ansatzweise eine Blase an der Kontaktierung zu den
b eiden Dio den sichtbar. Das Foto unten rechts zeigt eine kleine, ab er deutliche W
olbung an der
Kontaktierung zum Pad im Bereich des Widerstandes. Die st
arkste Zerst
orung zeigt das Bild ob en
rechts. Obwohl nur 100fache Vergr
oerung gew
a hlt wurde, ist der zerst
o rte Widerstand deutlich
sichtbar. Eine solch groe Zerst
orung war jedo ch nicht die Regel.
Bei allen (auch den hier nicht gezeigten Sch
aden) hat sich die ob ere Polysiliziumschicht abgel
ost. Ob
zus
atzlich die Dio den und das
Gate
oxid des Eingangstransistors zerst
ort sind, ist nicht erkennbar.
Nachdem auf der ersten Platine alle Kan
ale des Verst
arkers zerst
ort worden waren, wurde als Sofort-
manahme zwischen die MSGCs und die Verst
arker eine diskret gel
o tete Schutzstruktur eingebaut.
Sie entsprach der in Kap.3, Abb.3.7 links skizzierten Schaltung auf dem Chip. Es wurden Dio den
des Typs 1N 44148 (Kapazit
at C
D
1.5pF) und 1k-Widerst
a nde (
1
8
-Watt) eingesetzt. Daraufhin
war die Ho chspannungsfestigkeit des Verst
arkers gesichert, nicht ein weiterer Kanal wurde in der
restlichen Exp erimentierzeit von zwei Wochen zerst
ort.
6.4.2 Ho chspannungstests im Lab or
Um zu pr
ufen, bis zu welchen Spannungen und
Ub erschlagskapazit
a ten die Schutzstruktur das
Gate
des Eingangstransistors sch
utzen kann, wurden Ho chspannungspulse bekannter Spannung
und Anstiegszeit
uber Kondensatoren unterschiedlicher Kapazit
at eingekopp elt. Den Schaltplan
des Versuchsaufbau zeigt Abb.6.10.
W
ahrend der HV-Tests wurden Testladungen mit dem Pulser p ermanent
ub er ein unabgeschirmtes
Kab el, das
ub er den Eingangsleitungen lag, eingekopp elt. Damit konnte die Funktionst
uchtigkeit
Abbildung 6.9: Am PSI aufgetretene Sch
aden an den Eingangsschutzstrukturen des Helix. Die
Fotos sind mit 200facher Vergr
oerung (ob en rechts 100fach) aufgenommen. Man erkennt deutliche
W
olbungen am Schutzwiderstand.
des Kanals kontrolliert werden. Der optional eingezeichnete Widerstand wurde im zweiten Teil der
Versuchsreihe eingesetzt.
Die Anstiegszeit des HV-Pulsers b etrug b ei leichter Abh
angigkeit von der Spannung ca. 30ns. Zwei
Oszilloskopbilder in der Abb.6.11 zeigen Anstiegszeit und Schwingen des HV-Pulsers. Die Zeitbasis
im Bild links b etr
agt 400ns/div, im rechten 50ns/div.
Zun
achst wurde das Langzeitverhalten der Wirkung von Ho chspannungspulsen untersucht. Mit
R
Helix
Pulser
Scope
HV-Pulser
C
Abbildung 6.10: Schaltplan f
ur die HV-Tests. W
ahrend der Versuche kopp elte der Pulser Ladungen
durch
Ub ersprechen in den Helix-Verst
arker. Damit wurde die Funktionst
uchtigkeit w
ahrend der
Exp erimente kontrolliert.
Abbildung 6.11: Anstiegszeiten und
Ub erschwinger des HV-Pulsers bei einer Ho chspannung von
260 Volt (links) und 480 Volt (rechts). Die Anstiegszeit b etr
agt ca. 30ns.
verschiedenen Raten wurden sehr viele Ho chspannungspulse auf die Eing
ange gegeb en. Die Span-
nungen wurden etwas kleiner eingestellt als die in Tab.6.2 gezeigten Spannungen, bei denen die
Kan
ale (in Kombination mit der Kapazit
a t) nachwenigen Pulsen auselen (siehe unten).
Mit einer Frequenz von 5Hz und einer Spannung von {495V wurden 51.000 Pulse
uber eine Ka-
pazit
at C=12pF eingekopp elt, ohne da der Helix zerst
ort wurde. Eb enso hielt die Schutzstruktur
bei 30.000 Pulsen mit einer Spannung von {470V und einer Frequenz von 100Hz. Die Spannung
wurde f
ur weitere 48.000 Pulse auf {480V gestellt. Erst nach weiteren 12.000 HV-Pulsen mit der
gleichen Frequenz und {470V el der Kanal aus.
Die mikroskopische Auswertung der Kan
ale zeigte im Gegensatz zu den Ergebnissen des Strahltests
keine sichtbaren Ver
anderungen im Eingangsb ereich der Kan
ale. Lediglich ein Kanal, an dessen
Eingang jeweils 40 Pulse b ei Spannungen von {430V und {525V ohne
Online
-Kontrolle gelegt wur-
den, zeigte deutliche Zerst
orungen am Polysiliziumwiderstand.
Daraufhin wurde untersucht, wie gro die Ho chspannung sein mu, um bei gegeb ener Kopp elka-
pazit
at den Widerstand zu zerst
oren. Mit kleiner Rate (1Hz) wurden jeweils ca. 100 Pulse auf
die Eing
ange gegeb en. Solange der Kanal funktionierte, wurde die Ho chspannung in Schritten von
5-10V ge
andert. Tab.6.2 zeigt die Kombination von Kapazit
at und Spannung, bei der der Kanal
innerhalb der 100
Ub erschl
age zerst
ort wurde. Nach Erh
ohen der Spannung elen die Kan
ale
meistens erst nach einigen
Ub erschl
agen aus.
Kapazit
at/[pF] Spannung/[V]
2.2 {850
12 {505
24 {460
47 {350
Tab elle 6.2: Ergebnisse der HV-Tests mit dem Ho chspannungspulser. Zu sehen sind die Werte
der Kapazit
aten in Verbindung mit den zugeh
origen Spannungen, b ei denen die Schutzstrukturen
zerst
ort wurden.
Im Anschlu wurden auf zwei Kan
ale, die b ereits zerst
ort waren, ohne sichtbare Ver
anderungen zu
zeigen, weitere Pulse mit einer Spannung von {640V
ub er eine Kapazit
at C=12pF gegeb en. Die
Spannung entsprach der Katho denspannung U
C
am PSI. Auf den einen Kanal wurden drei Pulse,
auf den anderen 40 Pulse gegeb en. Beide Kan
ale zeigten keine sichtbaren Sch
aden. Erst nach
weiteren 80 HV-
Ub erschl
agen mit C=18pF zeigte der Kanal am Polysiliziumwiderstand zwei kaum
sichtbare W
olbungen, diese sind im rechten Foto der Abb.6.12 gezeigt. Sehr starkeSch
aden traten
bei 60 Pulsen mit einer Spannung von {640V, eingekopp elt
uber C=25pF auf. Das linke Foto in
Abb.6.12 zeigt dies. In dieser letzten Testreihe traten b ei einigen HV-Pulsen Spannungsspitzen bis
zu {670V auf.
Abbildung 6.12: Mikroskopische Aufnahme zweier Eingangsschutzstrukturen nach HV-Tests im
Lab or. Das rechte Bild zeigt zwei leichte W
olbungen im Polysiliziumwiderstand nach 80 Pulsen
mit einer Spannung von U
HV
={640V und C=18pF. Nach 60 Pulsen mit der gleichen Spannung
und einer Kapazit
a t C=25pF war der Widerstand im linken Bild v
ollig zerst
ort.
6.4.3 Ho chspannungstests mit externem Vorwiderstand
Weitere Exp erimente wurden durchgef
uhrt, um festzustellen, ob nur die Widerst
ande zu schwach
dimensioniert o der ob auch die Schutzdio den ungen
ugend waren. Da der Chip keine Testpads hat,
mit denen die Kennlinien der Dio den gemessen werden k
onnten, war die optische Kontrolle mit
dem Mikroskop die einzige M
oglichkeit der
Ub erpr
ufung.
Uber sichtbare Sch
aden an den Dio den
k
onnte m
oglicherweise eine ob ere Schrankef
ur Str
ome o der Spannungen angegeb en werden, b evor
die Dio de ausf
a llt.
Vor die Schutzstruktur wurde ein externer Widerstand geschaltet (vergleiche Abb.6.10), der den auf
dem Chip implementierten Polysiliziumwiderstand durch Spannungsteilung und Stromb egrenzung
sch
utzen sollte.
Ein Kanal wurde
ub er C=12pF und ein zweiter
ub er C=18pF mit jeweils 80 HV-
Ub erschl
agen
b elegt. Die Ergebnisse sind in Tab.6.3 zusammengestellt. In b eiden F
allen wurde eine Spannung
U
HV
={680V gew
a hlt. Mit der Kopp elkapazit
at C=12pF el der Kanal b ei R
ext
=1.02k aus, mit
C=18pF b ei R
ext
=1.3k.
Die mikroskopische Auswertung ergab weder sichtbare Ver
anderungen an den Dio den no ch an den
Widerst
anden. Im Vergleich mit den Ergebnissen aus Tab.6.2 k
onnen h
ohere (negative) Spannungen
eingestellt werden, b evor die Kan
ale ausfallen. Da b ei den vorherigen Messungen auch Kan
ale ohne
sichtbare Sch
aden ausgefallen sind, liegt es nahe, da auch hier der Widerstand zerst
ort wurde.
Sichere Aussagen k
onnen jedo ch nicht gemacht werden, da sich die Funktion der Dio den nicht
ub erpr
ufen l
at.
Kanal U/[V]
C
K oppel
/[pF]
R
K anal
,
noch
,
o:k:
=
[
k
]
R
K anal
,
tot
=
[
k
]
1 {680 12 1.2 1.02
2 {680 18 1.6 1.3
Tab elle 6.3: Ergebnisse der HV-Tests mit externem Vorwiderstand. Die vorletzte Spalte gibt den
Widerstand an, mit dem der Kanal nach allen
Ub erschl
agen no ch funktionierte, die letzte Spalte
gibt den Widerstand an, b ei dem der Kanal zerst
ort wurde.
6.4.4 Zusammenfassung
Die Ergebnisse zeigen, da die Schutzstrukturen nicht ausreichend sind. Schw
achstes Glied sind die
f
ur die Dio den als Stromb egrenzung dienenden Polysiliziumwiderst
a nde. Elektromigration scheidet
als Ursache aus, da auch bei Langzeit-Tests knapp unter der kritischen Spannung der Kanal erst
nach
ub er 160.000
Ub erschl
agen ausel, die teilweise mit der hohen Frequenz von 100Hz erfolgten.
Es kann eine relativ scharf denierte Spannungsob ergrenze abh
angig von der Einkopp elkapazit
at
angeb en werden, b ei der die Schutzstrukturen versagen. Bei Ho chspannungspulsen, die ca. 10 Volt
unter den in Tab.6.2 angegeb enen Spannungen liegen, ist die HV-Festigkeit f
ur sehr viele (10
5
)
Pulse gegeb en.
Sehr groe Dierenzen zu der erforderlichen Haltbarkeit zeigen die Schutzstrukturen jedo ch nicht.
Dies erkennt man bei Vergleich der am PSI aufgetretenen Sch
aden mit denen aus den Lab orver-
suchen. Die sichtbaren Sch
aden im Lab or wurden schnell sehr gro, wenn die Kapazit
a ten o der die
Spannung etwas erh
oht wurden, wie Abb.6.12 zeigt. Die am PSI aufgetretenen Sch
aden entsprechen
eher dem in Abb.6.12 rechts gezeigten Schaden als dem im Bild links. Ob die Dio den den schnellen
Stromanstieg verkraften k
onnen, kann ohne Testpads nicht gesagt werden.
In der weiteren Entwicklung wurde ein Chip mit verb esserten Schutzstrukturen und Testpads f
ur
die Dio den pro duziert (vergleiche Tab.3.1 in Kap.3). Testergebnisse stehen no ch aus.
Diskussion der
Ub erschlagskapazit
at
Oen bleibt die Frage, ob die angegeb enen Kapazit
a ten und Spannungen der Realit
at entsprechen.
Neuere Messungen [29] hab en gezeigt, da das Ano denp otential b eim
Ub erschlag kurzzeitig in Rich-
tung der Katho denspannung U
C
abf
allt, so da man nur von einer Spannungsdiferenz zwischen
Ano de und Katho dengrupp e von
50V ausgehen darf.
Auch sollte nicht von der Streifenkapazit
at (12pF) gegen Masse ausgegangen werden, sondern
bei den 10
10
cm
2
MSGCs von der Kapazit
at des Ano denstreifens gegen die Grupp e von 16
zusammengeschlossenen Katho denstreifen, die
ub er einen 56M-Widerstand an der Ho chspannung
liegen. Eine Simulation mit dem Programm "ACE" [26 ] ergab eine Kapazit
a t zwischen Ano den und
Katho den von C
A=K
=192pF. Die 30
30
cm
2
MSGCs werden demnach eine
Ub erschlagskapazit
at
von C
A=K
600pF hab en.
6.5 Ergebnisse aus der
Online
-Analyse
In diesem Abschnitt werden die Ergebnisse aus der
Online
-Analyse der Strahltestdaten zusam-
mengestellt. Im einzelnen sind das die Ergebnisse aus den Analyseschritten
Wiremap
, Zeitverhal-
ten,
Clustergr
oe
, Anzahl der
Cluster
und Ezienz der Kammer. Die
Online
-Analyse wurde mit
einer in LAB-View mit eingebundenen C-Routinen programmierten Analysekette
4
vorgenommen.
Zun
achst werden die mit einer Kammer erzielten Ergebnisse bei niedrigen Raten pr
asentiert, an-
schlieend die Resultate mit drei Kammern (Au
osungsverm
ogen der MSGC) und zuletzt die
Ergebnisse der ratenabh
angigen Messungen.
Die niedrige Rate b etrug R
klein
=2
10
2
Hz
mm
2
. Die Messungen in den folgenden sechs Abschnitten
wurden mit dieser Rate durchgef
uhrt.
6.5.1
Wiremap
Der Auswerteschritt
Wiremap
der
Online
-Analyse gibt ein erstes Ergebnis hinsichtlich der qualita-
tiven Funktionsf
ahigkeit des Systems. Kanalweise wurden alle Eintr
age histogrammiert, die
ub er
einer Triggerschwelle in einem Zeitfenster gefunden wurden. Die Triggerschwelle wurde f
ur alle
Kan
ale auf den gleichen Wert U
th
=30mV gesetzt. Das Zeitfenster wurde in Einheiten von FADC-
Bins gesetzt, wob ei die Zeitdierenz zweier Bins 10ns b etr
agt. Die Breite des Fensters b etrug
60Bins=600ns. Das Ergebnis der
Wiremap
-Auswertung aus
Run22
ist in Abb.6.13 dargestellt.
0
500
1000
1500
0 2 4 6 8 1012141618202224
Wiremap einer Kammer
Counts
Anodennummer
Abbildung 6.13:
Wiremap
der
online
-analysierten Daten aus
Run22
.
Alle Ano den waren angeschlossen und die Kan
ale detektierten Signale. Es wurden 10.000 Ereignisse
gewertet. Die Summe der Eintr
age im Histogramm war viel gr
oer. Daf
ur gibt es drei M
oglichkeiten:
Die Multiplizit
at war gr
oer 1, es wurden Rauscheintr
age gez
a hlt, die
ub er der Schwelle lagen, o der
mehrere Teilchen ogen gleichzeitig durch die Kammer.
Der Signalstreifenabstand b etr
agt 300
m, so da mit den 26 angeschlossenen Ano den ein Bereich
von 7.5mm in horizontaler Richtung abgedeckt wurde. Die Verteilung zeigt nicht das Strahlprol,
4
programmiert von M. Feuerstack und S. Hausmann, b eide Physikalisches Institut, Universit
at Heidelb erg.
dieses ist breiter als 100mm (siehe Abb.6.6 links). vielmehr wurde hier das Prol der Koinzidenz
aus den b eiden kleinen Szintillatoren (Sz2*Sz3) im divergenten Pionenstrahl abgebildet.
6.5.2 Multiplizit
at
Die Multiplizit
at zeigt an, wieviele Ano denstreifen in einem Ereignis ein Signal detektiert hab en.
Dab ei spielt es keine Rolle, ob die Streifen b enachbart sind o der nicht(vergleiche Abb.6.17:
Clus-
tergr
oe
). Da bei hohen Raten die Wahrscheinlichkeit steigt, da zwei o der mehrere Teilchen
gleichzeitig durch die Kammer iegen und mehrere Kan
ale ansprechen, wurde hier mit der kleinen
Rate gearb eitet (vergleiche
Wiremap
, es handelt sich um denselb en
Run
). Die Kan
ale m
ussen im
Gegensatz zur
Clustergr
oe
nicht b enachbart sein.
Abb.6.14 zeigt das Ergebnis der Multiplizit
a tsauswertung. Das Maximum liegt bei
x
M ult
=1.8
getroenen Streifen. Das b edeutet nicht, da ein Teilchen im Durchschnitt diese Streifen getroen
hat (siehe ob en). Von den 10001 auf die Koinzidenz der vier Szintillatoren getriggerten Ereignisse
wurde in 191 F
allen kein Signal gefunden. Damit kann eine erste untere Grenze f
ur die Ezienz
der MSGC gesetzt werden. Es ergibt sich eine Ezienz von mindestens 98.1%, sofern es keine
Rauscheintr
age gab. Da die Kammersignale mit einem einfachen Schwellenwert-Diskriminator
nachgewiesen und die unterschiedliche H
ohe der Basislinien der einzelnen Kan
ale nicht korrigiert
wurden, kann die Ezienz no ch h
oher sein. Kleine Signale werden nicht gefunden, wenn sie in
einem Kanal mit tief liegender Basislinie auftreten o der mit der unteren Halbwelle niederfrequenten
Pick-up
s
ub erlagert werden.
0
1000
2000
3000
4000
5000
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
Multiplicity022Multiplicity-Run22
Einträge
Multiplizität (Anz. der getroffenen Anoden)
Abbildung 6.14: Multiplizit
at der
online
-analysierten Daten aus
Run22
. Im Durchschnitt zeigten
x
=1.8 Streifen ein Signal. In 191 der insgesamt getriggerten 10.001 Ereignisse zeigte kein Streifen
ein Signal.
6.5.3 "Zeitau
osung" mit Schwellenwert-Trigger
Die Zeitau
osung der Kammer, da heit die Driftzeitverteilung der Elektronen zur Ano de, mu
weit kleiner sein als die Zeitdauer zum n
achsten Ereignis 96ns nach dem ersten, um die Ereignisse
dem richtigen
Bunch-Crossing
zuordnen zu k
onnen und hohe Triggerezienzen zu erzielen.
Die
Online
-Analyse konnte nur eine ob ere Absch
atzung der Zeitau
osung liefern. Mit Hilfe des
einfachen Schwellenwertkomparators aus der Auslesesoftware wurde die Summe aus Zeitjitter der
Elektronik und der Driftzeit der Elektronen in der Kammer b estimmt. Dazu wurden die ersten
Eintr
age der FADC-Bins histogrammiert, die in einem Ereignis ob erhalb der Diskriminatorschwelle
lagen. Um den Anteil der Elektronik am Zeitjitter von dem der Driftzeit separieren zu k
onnen,
wurden die Verteilungen getrenntf
ur Kammerpulse und Testladungen aus dem Pulser untersucht.
Auch wurde der Zeitjitter der Szintillatoren gemessen. Da der durch den Szintillator verursachte
Zeitjitter gering ist und der Szintillator nicht an den Helix angeschlossen ist, wurde in dieser Mes-
sung haupts
achlich der Jitter der FADC-Ausleseelektronik gemessen.
Abb.6.15 zeigt die zeitliche Verteilung von Kammerpulsen f
ur den in der Mitte des Szintillators
b endlichen Kanal 12 (ob ere Kurve) und den weiter auen liegenden Kanal 5. Letzterer hat zwar
weniger Eintr
age, die Breite
andert sich ab er nicht.
500
1000
1500
2000
30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
Eintr"age
Zeit /Kanaleinheiten. 1Kanal=10ns
’TimehistoCh12.txt’
’TimehistoCh05.txt’
Abbildung 6.15: Zeitjitter aus den Daten der
Online
-Analyse (
Run36
), untersucht mit einem
Schwellenwert-Komparator: Die ob ere Kurve zeigt die zeitliche Verteilung von Kammerpulsen f
ur
Kanal 12, die untere Kurve die f
ur Kanal 5.
Die Einheiten auf der Zeitachse sind in FADC-Bins (jeweils 10ns) angegeb en. Es ergibt sich eine
zeitliche Verteilung von
ub er 100ns. Dieses Ergebnis ist f
ur den Betrieb b ei HERA-B unzureichend,
da die Signale nicht dem richtigen Ereignis zugeordnet werden k
onnen. In der
Oine
-Analyse
wird ein verb esserter Triggeralgorithmus eingesetzt, der im Gegensatz zu diesem Schwellenwert-
Komparator nicht die Anstiegszeit von unterschiedlich groen Pulse mit (siehe unten).
Abb.6.16 zeigt den Zeitjitter eines Pulsersp ektrums (links) und den des kleinen Szintillators (rechts).
In b eiden Plots der Abb.6.16 ist der Zeitjitter der FADC-Ausleseelektronik enthalten. Im linken
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
90 92 94 96 98 100 102 104
Eintraege
Zeit/[FADC-Bins] 1Bin=10ns
’TimeHistoCh14’
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
46 48 50 52 54 56 58 60 62 64
Eintraege
Zeit/[FADC-Bins] 1Bin=10ns
’TimeHistSzint2’
Abbildung 6.16: Zeitjitter eines Pulsersp ektrums (links) und Zeitjitter des (kleinen) Szintillators
Sz2 aus der
Online
-Analyse, gemessen mit einem Schwellenwert-Trigger.
Plot (Pulser) addiert sich zum Gesamt-Jitter der Jitter von Helix-Verst
arkern und Videotreib ern.
Die Zeitverteilung des Szintillator-Zeitsp ektrums b etr
agt ca. 4 Bins (40ns), die des Pulsersp ektrums
ca. 5 Bins (50ns). Die Pulsh
ohenverteilung von Pulsersignalen ist deutlich schmaler als die von
Kammersignalen. Hier sollte die Anstiegszeit des Helix nicht mitgemessen werden, da Pulsersignale
alle gleiche Amplituden b esitzen. Da die Breite des Pulsersp ektrums nur geringf
ugig gr
oer ist als
die des Szintillatorsp ektrums, ist der Beitrag der Verst
arker nicht gro. Beide Verteilungen sind
ab er breiter als erwartet. Dieses liegt an zeitlichen Schwankungen der einzelnen Basislinien, die zum
Beispiel durch niederfrequente St
orungen verursacht werden. Damit wird wieder die Anstiegszeit
der Signale mitgemessen.
6.5.4 Gr
oe und Anzahl der
Cluster
Die Gr
oe der
Cluster
(
Clustergr
oe
) gibt an, wieviele b enachbarte Ano denstreifen in einem Ereignis
getroen wurden. Bei hohen Raten steigt die Wahrscheinlichkeit, da zwei o der mehrere Teilchen
in b enachbarten Streifen f
alschlich als ein Ereignis mit gr
oerem
Cluster
gez
a hlt werden. Daher
wurde auch hier mit niedriger Rate (siehe ob en) gearb eitet. Die Auswerteroutine "Anzahl der
Cluster
"z
ahlt die
Cluster
pro Ereignis. Der hier diskutierte
Run
f
ur Gr
oe und Anzahl der
Cluster
schlo sich direkt an den
Run
mit der
Wiremap
-Auswertung ohne
Anderung der Betriebsparameter
an.
Abb.6.17 zeigt die Ergebnisse der Analyseschritte
Clustergr
oe
(links) und Anzahl der
Cluster
(rechts).
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
Clustergrößenverteilung
-niedrige Rate-
Counts
Clustergröße
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
Anzahl der Cluster
-niedrige Rate-
Counts
Anzahl der Cluster
Abbildung 6.17:
Clustergr
oe
(links) und Anzahl der
Cluster
(rechts) bei niedriger Rate. Die
mittlere
Clustergr
oe
b etr
agt 1.4 Streifen, die mittlere Anzahl der
Cluster
b etr
agt 1.2.
Die durchschnittliche
Clustergr
oe
ist
x
C l:siz e
=1.44, da heit die Ladung eines Teilchens verteilte
sich im Durchschnitt auf 1.44 b enachbarte Streifen. Die durchschnittliche Anzahl der
Cluster
ist
x
Anz :C l
=1.22. In wenigen F
allen durchquerten zwei Teilchen gleichzeitig die Kammer. Nach diesem
Run
waren no ch alle Kan
ale funktionsf
a hig. Das Ergebnis wird durch abgetrennte Streifen nicht
verf
a lscht, die die Anzahl der
Cluster
erh
ohen k
onnen (siehe unten).
Aus dem Signalstreifenabstand von 300
m ergab sich ein Au
osungsverm
ogen der Kammer
x
85
m (Kap.2). DurchSchwerpunktbildung aus der
Clustergr
oe
x
C l:siz e
=1.44 k
onnte das Au
osungs-
verm
ogen no chverb essert werden. Durch
x
C l:siz e
>
1 wird zwar das Au
osungsverm
ogen verb essert,
die
Occupancy
und das SNR durch Ladungsteilung ab er verschlechtert.
6.5.5 Pulsh
ohenverteilungen, Landaumaximum
Ein groes Signal/Rauschverh
a ltnis (SNR) ist im Exp eriment n
otig, um mit einer eingestellten
Triggerschwelle m
oglichst viele Signale zu detektieren, ohne Fehltrigger durch Rauschen zu erhalten.
Eine Absch
atzung, ob das SNR im Exp eriment gro genug ist, l
at sich aus der Pulsh
ohenverteilung
der ionisierenden Teilchen vornehmen. Wenn das SNR gro ist, kann das Landaumaximum gut vom
Untergrundrauschen getrenntwerden. Ziel ist es, einen Schnitt in der Pulsh
ohe durchzuf
uhren, der
Rauschen von Pulsen m
oglichst gut trennt.
In Abb.6.18 sind vier Pulsh
ohenplots gezeigt. In allen Graken ndet man b ei kleinen Pulsh
ohen
(links in den Bildern) die dominierenden Beitr
a ge durch Rauschtrigger.
0
50
100
150
200
0 50 100 150 200 250
PulsheightCh16
Events
Pulseheight
0
50
100
150
200
0 50 100 150 200 250
PulsheightCh17
Events
Pulseheight
0
50
100
150
200
0 50 100 150 200 250
PulsheightCh15
Events
Pulseheight
0
20
40
60
80
100
0 50 100 150 200 250
PulsheightCh01
Events
Pulshöhe
Abbildung 6.18: Pulsh
ohenverteilungen bei kleinen Raten ausgew
a hlter Kan
ale. In den ob eren
Histogrammen l
at sich das Landaumaximum gut separieren, in den unteren geht es in das Rauschen
ub er.
In den ob eren Graken l
at sich das Maximum der Landauverteilung gut separieren. Dieses war
nicht bei allen Kan
alen der Fall, wie die unteren Graken b eispielhaft zeigen. Die zu groen
Pulsh
ohen hin wachsenden Abst
ande zwischen den Eintr
agen werden durch die Linearisierung der
FADC-Daten (siehe ob en) verursacht. Das ist auch der Grund f
ur die langsame Abnahme der
Verteilung: Zu groen Pulsh
ohen hin werden immer gr
oere Amplitudenb ereiche in einer His-
togrammspalte zusammengefat. Alle Pulsh
ohen, die
ub er den dynamischen Bereich des FADC
von 250mV hinausgehen, werden in der letzten Histogrammspalte zusammengefat.
6.5.6 Abh
angigkeit der Kammerezienz von der HV (Gasverst
arkung)
Das Signal/Rauschverh
a ltnis (SNR) wird b esser, je gr
oer die zu detektierende Ladung ist. Mit
dem SNR steigt die Ezienz der MSGCs, da mehr kleine Pulse
ub er die Triggerschwelle gelangen,
ohne da Rauschtrigger auftreten. Die Gr
oe der Ladung wiederum h
angt b ei gegeb ener Prim
ari-
onisation der Teilchen von der Gasverst
arkung ab. F
ur die Elektronik ist eine hohe Gasverst
arkung
erw
unscht, um das SNR zu verb essern. F
ur die MSGCs wird eine niedrige Gasverst
arkung angestrebt,
da die Ho chspannungen dann niedriger sind und somit Ho chspannungs
ub erschl
agen seltener und
mit geringerer Energie auftreten.
Die Ezienz der Kammer als Funktion der Katho denspannung U
C
wurde ermittelt, indem b ei ver-
schiedenen Katho denspannungen f
ur jeweils 1000 Ereignisse eine Multiplizit
a ts-Analyse durchgef
uhrt
wurde. Der Anteil der Eintr
age mit der Multiplizit
a t Null entspricht der Inezienz der MSGC. Die
mit diesen Triggern verbundenen ionisierenden Teilchen gelangten nicht
uber die Schwellenspan-
nung.
In Abb.6.19 ist die prozentuale Kammerezienz als Funktion der Katho denspannung U
C
dargestellt.
In 10V-Schritten wurde die Spannung von U
C
={600V auf U
C
={650V variiert, die Triggerschwelle
wurde auf eine umgerechnete Ladung von ca. 8000 Elektronen gesetzt.
84
86
88
90
92
94
96
98
100
102
-590 -600 -610 -620 -630 -640 -650 -660
Effizienz/[%]
U_K/[V]
’eff’
Abbildung 6.19: Abh
angigkeit der Kammerezienz als Funktion der Katho denspannung U
C
.
Die Ezienz steigt mit {U
C
zun
achst schnell an. Der Anstieg acht ab und geht b ei einer Spannung
von ca. {635V in ein Plateau
ub er, b ei dem sich die Ezienz von
98% nichtweiter
andert.
6.5.7
Online
-Ergebnisse mit drei Kammern: Au
osungsverm
ogen der MSGC
Im Inneren Spurkammersystem ist die Spurdichte sehr gro. Um Teilchenspuren eindeutig identi-
zieren zu k
onnen, mu die Ortsau
osung sehr gro sein. In diesem Abschnitt wird das Au
osungs-
verm
ogen der MSGCs mit einem einfachen Spurndungsalgorithmus gemessen, der die Daten von
drei MSGCs verwendet.
Drei MSGCs wurden im Abstand von 20mm hintereinander aufgebaut. Wenn in einem Ereig-
nis in allen drei Kammern genau ein
Cluster
gefunden wurde, so ermittelte das Programm den
Schwerpunkt
5
der
Cluster
in der ersten und dritten Kammer. Aus diesen Ko ordinaten wurde der
Streifen der mittleren Kammer ermittelt, auf dem der Schwerpunkt des
Clusters
h
atte gefunden
werden m
ussen. Die Dierenzen zwischen gefundenen und b erechneten
Cluster
schwerpunkten wur-
den histogrammiert. Abb.6.20 zeigt die Ergebnisse von
Run51
(links) und
Run62
(rechts). Bei
Run51
lag die Rate bei R=1.5
10
3
Hz
mm
2
,bei
Run62
war sie mit R=3
10
3
Hz
mm
2
dopp elt so ho ch. In
b eiden F
allen wurden etwa 5000 Ereignisse gewertet.
Run51 (Aufloesungsvermoegen)
284.9 / 9
Constant 3322. 58.44
Mean .2566 .8619E-02
Sigma .6132 .6396E-02
Abweichung [Kanaele]
Eintraege
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
-4 -2 0 2 4 6
Run62 (aufloesungsvermoegen)
.9909 / 1
Constant 62.05 7.923
Mean -.1898E-01 .6218E-01
Sigma .4540 .3091E-01
Abweichung [Kanaele]
Eintraege
0
10
20
30
40
50
60
-2024681012
Abbildung 6.20: Messung des Au
osungsverm
ogens mit drei hintereinander aufgestellten Kammern:
Das linke Bild zeigt das Ergebins von
Run51
b ei niedriger Rate (
R
=1
:
5
10
3
Hz
mm
2
), das rechte Bild
Run62
b ei der dopp elt so hohen Rate
R
=3
10
3
Hz
mm
2
.
Trotz der groen Anzahl an Ereignissen ist die Anzahl der Eintr
age im Histogramm von
Run62
klein, da bei hoher Rate die Wahrscheinlichkeit abnimmt, da in jeder Kammer genau ein
Clus-
ter
vorkommt. In
Run62
treten Zufallstrigger (Abweichung
>
+6) auf. Diese entstehen durch
die Kombination aus hoher Teilchenrate und der ungenauen r
aumlichen Positionierung der mit-
tleren Kammer. Eine Skizzierung der relativen Lage der angeschlossenen Ano dengrupp en zeigt
die Abb.6.21. Die Informationen hierzu wurden aus der
Oine
-Analyse (siehe unten, Abb.6.27)
gewonnen.
In
Run62
wird das Teilchen
T
1
in der vorderen und hinteren Kammer nachgewiesen, ab er nichtin
der mittleren Kammer, da nur etwa die H
alfte der angeschlossenen Ano denstreifen dieser Kammer
5
Es wurde nicht der gewichteteSchwerpunkt b erechnet, da heit die unterschiedlichen Pulsh
ohen der angespro ch-
enen Kan
ale wurden nichtber
ucksichtigt.
Anodengruppe
T1T2
*
*
*
Run67
Run51
x
vordere
mittlere
hintere
Abbildung 6.21: relativePositionierung der verwendeten Ano dengrupp en der drei MSGCs in
Run51
(links) und
Run67
(rechts). Die Informationen
uber den Oset kommen aus der
Oine
-Analyse
(Abb.6.27).
in der Pro jektion in Strahlrichtung von Ano den der
aueren Kammern
ub erdeckt werden. Bei ho-
hen Raten ist die Wahrscheinlichkeit nichtverschwindend gering, da ein zweites Teilchen
T
2
durch
die mittlere Kammer iegt, ohne von der ersten und zweiten Kammer detektiert zu werden. Das
erkl
art auch, warum die Zufallseintr
age nur auf einer Seite gefunden wurden. Die L
ucke zwischen
der Verteilung und den Zufallseintr
a gen ist durch den minimalen Abstand x der b eiden Teilchen
gegeb en, zusammen in jeder Kammer genau einen
Cluster
zu erzeugen. Die geringe
Ub erlappung
der angeschlossenen Ano den der mittleren Kammer mit denen der
aueren Kammern ist der zweite
Grund f
ur die geringe Anzahl der Eintr
age im Histogramm.
Der Mittelwert der Verteilung liegt in
Run51
bei
x
Run
51
=+0.26 Kan
ale mit
x
Run
51
=0.61 Kan
ale,
in
Run62
bei
x
Run
67
={0.02 Kan
ale mit
x
Run
67
=0.45 Kan
ale.
Die Verschiebung wurde in Einheiten von Ano denstreifen b estimmt, wob ei die Histogrammspalte
mit den meisten Eintr
agen als Verschiebung mit dem Wert Null deniert wurde. Die absolute
Verschiebung wurde erst in der
Oine
-Analyse ermittelt. Die dort ermittlete Verschiebung (siehe
unten) deckt sich ungef
ahr mit der dieser Verschiebung (
Run62
und
Run67
wurden mit identischen
Einstellungen vorgenommen).
Das Au
osungsverm
ogen der Kammer ergibt sich nach dieser Auswertung mit dem Signalstreifen-
abstand von 300
mf
ur
Run51
zu
x
= 300
m
0
:
61
180
m und f
ur
Run62
zu
x
= 300
m
0
:
45
135
m.
Der Wert aus
Run62
weichtvon den Ergebnissen aus
Run51
und denen der
Oine
-Analyse ab. Die
Abweichung ist erkl
arbar: Die Binbreite der
Online
-Routine war viermal so gro wie die der
Oine
-
Analyse. Die Binbreiten b etrugen B
O nline
=1 Kanal und B
O f f line
=
1
4
Kanal. Der Rundungsfehler
in der
Online
-Routine war gro. Zusammen mit der vernachl
assigbaren relativen Verschiebung
von
x
Run
67
={0.02 Kan
ale ergab die Abweichung nach dem Runden den Wert Null. Dazu kommt
die geringe Anzahl der Eintr
age im Histogramm. In
Run51
gibt es etwa 100mal mehr Eintr
age,
auerdem ist die relative Verschiebung gr
oer (
x
Run
51
=+0.26 Kan
ale), so da b eim Runden der
kleinen Abweichungen eher der Wert "Eins" auftritt.
Das hier gemessene Au
osungsverm
ogen ist mit
x
180
m ungef
ahr dopp elt so gro wie das in
Kap.2 b erechnete. In der
Oine
-Analyse wird hierauf no ch einmal eingegangen.
Ratenabh
angige Meergebnisse
Bis hierhin wurden alle Untersuchungen mit kleinen Raten im Vergleich zum HERA-Strahl durchge-
f
uhrt. Interessant ist die Abh
angigkeit der in den vorherigen Abschnitten erzielten Ergebnisse als
Funktion der Teilchenraten, b esonders unter m
oglichst
ahnlichen Bedingungen wie am HERA-Ring.
Die folgenden Messungen wurden mit niedrigen, mittleren und hohen Raten durchgef
uhrt:
R
klein
=2
10
2
Hz
mm
2
R
mittel
=5
10
2
Hz
mm
2
R
gro
=3
10
3
Hz
mm
2
Die hohe Rate R
gro
entspricht ca. 30% der erwarteten Rate R
HERA
1
10
4
Hz
mm
2
f
ur die der
MSGCs.
F
ur die Messungen wurden jeweils 2000 Ereignisse ausgewertet. Es wurde der Aufbau mit drei
MSGCs verwendet, alle Kan
ale wurden ausgelesen. Bei fast allen Ano dengrupp en waren b ereits
einige Ano den zerst
ort (siehe ob en, allgemeines Betriebsverhalten). In der
Wiremap
-Analyse wirkte
sich dieses unmittelbar und gut sichtbar aus. Einen Einu hab en zerst
orte Ano den ab er auch auf
die
Clustergr
oe
und die Anzahl der
Cluster
,wenn die Ladung eines ionisierenden Teilchens durch
einen abgetrennten Streifen auf die b enachbarten Streifen verteilt wird.
6.5.8 Ratenabh
angigkeit der
Wiremap
Die Ergebnisse der
Wiremap
-Auswertung zeigt Abb.6.22. Von ob en nach unten zeigen die Bilder
die Messungen b ei kleinen, mittleren und hohen Raten.
Die Kan
ale 0-25 sind an die erste Kammer angeschlossen, die Kan
ale 31-56 an die zweite und die
Kan
ale 61-88 an die dritte Kammer. Die dazwischen liegenden Kan
ale blieb en unbenutzt. Deutlich
zu erkennen sind die b ereits zerst
orten Kan
ale 5, 15, 40, 46, 69 und 70. Da diese fast keine Signale
detektiert hab en, sind sie vermutlich in der N
ahe ihrer Anschl
usse zum Verst
arker durchtrennt
worden. Einige andere Kan
ale (zum Beispiel 67, 74) k
onnten weiter am Ende durchtrennt sein
o der ihre Basislinie liegt tiefer als die der
ubrigen Kan
ale. Ratenabh
angig sind vor allem die
Randb ereiche der Prole der Koinzidenz der kleinen Szintillatoren, Der Anteil der Eintr
age steigt
dort relativ zu denen der anderen Kan
ale an. Durch die st
arkere Fokussierung des Strahls auf
die Kammern hat sich das Strahlprol und damit auch das Prol der Abbildung der Szintillatoren
etwas ge
andert.
6.5.9 Ratenabh
angigkeit der Multiplizit
at
Da in der Multiplizit
a tsanalyse die Summen der in einem Ereignis getroenen Ano den histogram-
miert werden, nimmt die Multiplizi
at mit der Rate zu. Die Wahrscheinlichkeit, da in einem
Ereignis zwei Teilchen gleichzeitig die MSGCs passieren, steigt. Die Abb.6.23 zeigt von ob en nach
unten die Multiplizit
a ten b ei kleiner, mittlerer und hoher Rate.
Die Multiplizit
at w
achst wie erwartet zu h
oheren Raten hin, auerdem nimmt die Breite der
Verteilung zu. Der gewichtete Mittelwert w
achst von
x
M ultip
=3.69 mit
x
M
=1.67 (kleine Rate)
uber
x
M ultip
=4.10 mit
x
M
=2.06 (mittlere Rate) bis
x
M ultip
=6.10 mit
x
M
=3.32 bei der hohen
Rate.
Die Teilchenrate der in Abb.6.14 gezeigten Messung entspricht der Rate im ob eren Bild dieser
Mereihe. Die Multiplizit
at ist hier gr
oer, weil sie
ub er alle drei Kammern b erechnet wurde.
Teilchen l
osen normalerweise in allen Kammern Trigger aus. Daher mu die Multiplizit
at in
Abb.6.23 gr
oer als drei sein. Die Eintr
age in den Spalten 0-2 b edeuten Inezienzen einer bzw.
mehrerer Kammern. Die groe Anzahl der Eintr
age in diesen Spalten liegt wieder an abgetrennten
Ano denstreifen.
6.5.10 Ratenabh
angigkeit von
Clustergr
oe
und Anzahl der
Cluster
Abb.6.24 zeigt Messungen der Ratenabh
angigkeit der
Clustergr
oe
(linke Spalte) und der Anzahl
der
Cluster
(rechte Spalte). Von ob en nach unten sind die Ergebnisse f
ur niedrige, mittlere und
hohe Raten dargestellt.
Die Anzahl der
Cluster
steigt mit groer Rate stark an, da die Wahrscheinlichkeit zunimmt, da in
einem Ereignis mehrere Teilchen das Gas ionisieren. Die mittlere Anzahl der
Cluster
w
achst von
n
klein
=2.88
uber
n
mittel
=3.18 auf
n
gro
=4.55
Cluster
an.
Die
Clustergr
oe
zeigt keine groe Abh
angigkeit von der Rate. Die durchschnittliche Gr
oe steigt
von
x
=1.26 b ei kleiner und mittlerer Rate auf
x
=1.33 b ei hoher Rate.
Trotz hoher Rate iegen selten mehrere Teilchen so dicht neb eneinander durch die Kammern, da
sie einen gemeinsamen gr
oeren
Cluster
erzeugen. Obwohl die durchschnittliche Anzahl
n
=4.55
Cluster
b etr
agt, k
onnen diese b ei hoher Rate auf den Ano denstreifen no ch gut getrenntwerden.
Zusammenfassung der Ergebnisse aus Betriebsverhalten und
Online
-
Analyse
Ergebnisse aus dem Betriebsverhalten
Die Ho chspannungssicherheit der MSGCs wie auch der Helix-Verst
arker ist no ch unzureichend. F
ur
die Helix-Verst
arker wurde eine m
ogliche L
osung aufgezeigt. Durch einen externen Vorwiderstand
kann der Verst
arker gesch
utzt werden. Oen bleibt die Frage, ob die Dio den die durch den Stromu
entstehende W
arme schnell genug abf
uhren k
onnen, ohne zerst
ortzuwerden.
Die Ursache f
ur die Zerst
orung der Ano denstreifen in den MSGCs sind stark ionisierende Teilchen.
Dies wurde zu einem sp
ateren Zeitpunkt exp erimentell b est
atigt [29 ]. Nicht sinnvoll ist ein Schutz
der MSGCs durch Herabsetzung der Katho denspannung, da diese Manahme keinen vollst
a ndigen
Schutz garantieren kann und das Signal/Rausch-Verh
altnis verkleinert. F
ur eine endg
ultige L
osung
sind weitere Untersuchungen notwendig.
Die Ursache des Schwingens der Helix-Chips liegt vermutlich an R
uckkopplungen, die durch die
Elektronikplatine und den
ubrigen exp erimentellen Aufbau verursachtwerden. Durch einen hohen
Pulsformer-Bias-Strom wird der sinusf
ormige Anteil in der Filterfunktion des Helix weitgehend
unterdr
uckt. Der Chip kann durch externe R
uckkopplungen nicht so leicht zum Schwingen angeregt
werden.
Ergebnisse der
Online
-Analyse mit niedrigen Raten
Die
Wiremap
b est
atigte die qualitativeFunktionsf
a higkeit des Systems. Die Multiplizit
a t ist klein.
Werte
>
1 kommen zustande, wenn die Ladung auf mehrere Streifen verteilt wird, o der wenn
mehrere Teilchen gleichzeitig durch die Kammer iegen. Letzteres ist bei kleiner Teilchenrate
unwahrscheinlich. F
ur die Au
osung der MSGC parallel zu den Streifen konnte nur eine ob ere
Absch
atzung gegeb en werden, da das Analyseprogramm sehr einfach gehalten war. Die mit dem
hier verwendeten Verfahren gemessene Au
osung ist
x
= 180
m. Dieser Wert ist um einen Faktor
2.1 zu gro im Vergleich zum b erechneten Wert.
Die Auswertung der
Clustergr
oe
ergab, da die Ladung eines ionisierenden Teilchens durchschnit-
tlich auf 1.44 Ano den verteilt wird. Dieses Ergebnis entspricht den Erwartungen f
ur die MSGCs.
Ratenabh
angige Ergebnisse der
Online
-Analyse
Die b ei HERA erwartete Teilchenrate wurden b ei den Tests am PSI nicht erreicht. Die erreichbaren
Raten lagen b ei etwa 30% der HERA-Rate f
ur MSGCs. Daher k
onnen die Ergebnisse in Hinblick auf
das HERA-B Exp erimentnur grob abgesch
a tzt werden. Bei der maximal erreichten Rate nehmen
Multiplizit
a t und Anzahl der
Cluster
erwartungsgem
a zu, die
Clustergr
oe
andert sichkaum. Bei
HERA darf die Teilchendichte nicht so stark zunehmen, da die einzelnen
Cluster
sich zu einem
groen
Cluster
verbinden, da die Teilchen sonst nicht mehr lokalisiert werden k
onnen.
0
50
100
150
200
250
1 7 13 19 25 31 37 43 49 55 61 67 73 79 85
counts
# of wire
rate=2*10^2Hz/mm^2
0
50
100
150
200
250
1 7 13 19 25 31 37 43 49 55 61 67 73 79 85
counts
# of wire
rate=5*10^2Hz/mm^2
0
50
100
150
200
250
300
1 7 13 19 25 31 37 43 49 55 61 67 73 79 85
# of wire
rate=3*10^3Hz/mm^2
Abbildung 6.22: Ratenabh
angigkeit der
Wiremap
, von ob en nach unten: kleine, mittlere, hohe
Rate. Die drei Verteilungen in jeder Grak entsprechen (von links nach rechts) den Eintr
agen in der
vorderen, mittleren und hinteren Kammer. Deutlich zu erkennen sind in allen Kammern zerst
orte
Ano denstreifen. Der Anteil der Eintr
age steigt in Abh
angigkeit der Rate in den Randb ereichen
leicht an.
0
100
200
300
400
500
600
700
01234567891011121314
counts
wires hit
rate=2*10^2Hz/mm^2
0
100
200
300
400
500
600
01234567891011121314
counts
wires hit
rate= 5*10^2Hz/mm^2
0
50
100
150
200
250
300
350
01234567891011121314
counts
wires hit
rate=3*10^3Hz/mm^2
Abbildung 6.23: Ratenabh
angigkeit der Multiplizit
at. Von ob en nachunten ndet man die Ergeb-
nisse bei niedriger, mittlerer, hoher Rate. Die Multiplizit
at nimmt mit der Rate zu. Gleichzeitig
steigt auch die Breite der Verteilung.
0
1000
2000
3000
4000
5000
0123456789101112131415
Clustersize043
counts
clustersize
rate=2*10^2Hz/mm^2
0
1000
2000
3000
4000
5000
0123456789101112131415
Clustersize047
counts
clustersize
rate=5*10^2Hz/mm^2
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
0123456789101112131415
Clustersize050
counts
clustersize
rate=3*10^3Hz/mm^2
0
200
400
600
800
1000
1200
0123456789101112131415
Clusternumber043
counts
# of clusters
rate=2*10^2Hz/mm^2
0
200
400
600
800
1000
0123456789101112131415
Clusternumber047
counts
# of clusters
rate=5*10^2Hz/mm^2
0
100
200
300
400
500
0123456789101112131415
Clusternumber050
counts
# of clusters
rate=3*10^3Hz/mm^2
Abbildung 6.24: Ratenabh
angigkeit von
Clustergr
oe
(linke Spalte) und Anzahl der
Cluster
(rechte
Spalte). In b eiden Spalten sind von ob en nach unten die Messungen bei niedriger, mittlerer und
hoher Rate dargestellt.
6.6 Ergebnisse einer genaueren
Oine
-Analyse von Rohdaten
W
ahrend des Strahltests ergab en sich drei wichtige Fragestellungen, die anschlieend in einer
genaueren Analyse untersucht wurden. Als Datenmaterial diente eine Auswahl aus auf Festplatte
und B
andern protokollierten Rohdaten. Die Fragestellungen waren:
Zeitau
osung der MSGCs. Der sich ergeb ene Zeitjitter aus der
Online
-Analyse war sehr
gro, da sowohl Schwankungen der Basislinie zwischen den Kan
alen als auchunterschiedliche
Pulsh
ohen mit dem einfachen Diskriminatortrigger zu einer schlechten Zeitau
osung f
uhrten.
Ezienzverlust der MSGC bei durchtrennten Ano den. Gehen Ladungen verloren o der wer-
den sie auf b enachbarte Streifen verteilt, so da sich lediglich eine schlechtere Ortsau
osung
ergibt?
Das in der
Online
-Analyse ermittlete Au
osungsverm
ogen sollte genauer gemessen werden.
Kompliziertere Trigger- und Auswertemetho den, die f
ur die ob en angegeb enen Fragestellungen
n
otig waren, konnten nicht w
ahrend des laufenden Exp eriments durchgef
uhrt werden, ohne die
Auslesefrequenz der Daten drastischzu verringern.
6.6.1 Korrektur der Basislinie
In der
Online
-Analyse wurden die Kanal zu Kanal Variationen der Basislinien nichtber
ucksichtigt.
Eine Triggerschwelle wurde
software
m
a ig global f
ur alle Kan
ale eingestellt. In der
Oine
-Analyse
wurde diese Korrektur vorgenommen. Mit dem folgenden Algorithmus wurde zu Beginn eines jeden
Run
skanalweise die Basislinie korrigiert:
Getriggerte Pulse steigen in den Ereignissen ungef
ahr ab (Zeit-) Bin 20 an. Der zeitliche Abstand
zwischen zwei Bins b etr
agt 10ns. Abgesehen von zuf
alligen Pulsen geb en die ersten zwanzig Bins
die H
ohe der Basislinie in FADC-Einheiten an. Eine FADC-Einheit entspricht 1mV (siehe ob en).
Die Variationen der Basislinien zwischen den einzelnen Kan
ale lagen meistens im Bereichvon 0-30
Millivolt.
Zur Ermittlung der durchschnittlichen H
ohe der Basislinie wurden kanalweise in den ersten 15
Ereignissen eines
Run
s die Bins 1-10 untersucht. Um durch Zufallstrigger keine falsche Basislinie
zu b erechnen, wurden die Ereignisse nicht ber
ucksichtigt, in denen ein o der mehrere Bins Werte
gr
oer 50mV angenommen hatten. Von diesen nicht ber
ucksichtigten Ereignissen gab es keine bis
max. acht, so da in die folgende Rechnung mindestens 7 Ereignisse mit jeweils 10 Bins =70
Werte einb ezogen wurden. Von diesen 70 Zahlen wurde das arithmetische Mittel f
ur jeden Kanal
gebildet. Dieser Mittelwert entspricht der mittleren H
ohe der Basislinie und wurde kanalweise von
allen Eintr
agen der Bins der in die Rechnungen eingezogene Ereignisse abgezogen.
6.6.2 Zeitjitter der Kammer mit qt-Analyse
Die aus den
Online
-Daten gemessene Zeitau
osung war sehr schlecht. Ein Fehler lag in der
Memetho de. Durch den mit der
Software
eingestellten Diskriminatortrigger hing der gemessene
Zeitpunkt vom Niveau der Basislinie und der Pulsh
ohe ab. Da die Anstiegszeit des Helix bis zum
Amplitudenmaximum unabh
angig von der Pulsh
ohe ist, erreichen groe Pulse die Triggerschwelle
fr
uher, eb enso Pulse aus Kan
alen mit h
oher liegender Basislinie. Der jetzt verwendete Algorithmus
ist pulsh
ohenunabh
angig, er b erechnet den Schnittpunkt der verl
angerten Anstiegsgeraden mit der
Zeitachse, auerdem b er
ucksichtigt er den Zeitjitter der Szintillatoren. Er darf nur Daten mit kor-
rigierten Basislinien verarb eiten.
ca. 80 ns
HELIX-Puls
Triggerschwelle
Szintillator-Trigger
Null-Linie
Geraden-Fit
Zeit-Jitter
Bins
(3 ueber d. Schwelle)
(1 unter d. Schwelle)
Abbildung 6.25: Prinzip der Zeitjitter-Berechnung. Durch den linearen Anstiegsb ereich des Pulses
wird eine Gerade gelegt und der Schnittpunkt mit der Achse ermittelt.
Die Ermittlung des Schnittpunktes von Zeitachse und Ausgleichsgerade b ezeichnet man als
qt
-
Analyse, Abb.6.25 zeigt eine Skizze. Der Algorithmus setzt wie der Diskriminatortrigger eine
Schwellenspannung (in FADC-Einheiten). Es m
ussen ab er drei aufeinander folgende Werte
uber
dieser Schwelle liegen. Weiterhin m
ussen das vierte und f
unfte Bin um mindestens 15 FADC-
Einheiten ob erhalb dieser Schwelle liegen. Der Oset der Basislinie wurde vorher korrigiert.Ist die
Triggerb edingung erf
ullt, so wird eine Gerade durch vier im linearen Anstiegsb ereich des Pulses
liegende Bins gelegt und der Schnittpunkt mit der Zeitachse gebildet. Bei den hierf
ur verwendeten
vier Punkten handelt es sich um die ersten drei Bins mit Werten
ub er der Schwelle, sowie dem Bin
davor unter der Schwelle. Da die Anstiegzeit des Helix b eim Strahltest bei
ub er 50ns lag und der
zeitliche Abstand zweier Bins 10ns b etrug, wurden zur Ermittlung der Ausgleichsgeraden vier Bins
gew
a hlt. Am Fupunkt des Pulses w
achst die Steigung no ch, kurz vor der maximalen Amplitude
acht sie ab. Um keine Geraden durch diesen acher verlaufenden Anstiegsb ereich kurz vor der
maximalen Amplitude o der durch die fallende Flanke zu erhalten, wurde eine minimale Steigung
vorgegeb en. Diese wurde durch die um 15 Einheiten
ub er der Schwelle liegenden Bins vier und f
unf
festgelegt. Als ktiver Startzeitpunkt
t
0
des Pulses wurde der Durchgang der Geraden durch die
Zeitachse festgesetzt.
Um den Zeitjitter durch die Szintillatoren zu eliminieren, wurde von
t
0
der Startzeitpunkt des Sz-
intillators Sz2 abgezogen. Da die Szintillatorpulse sehr schnell anstiegen, konnte hier ein einfacher
Diskriminator-Trigger verwendet werden. Die absolute zeitliche Verschiebung von Szintillator-
Trigger und Kammersignalen war durch eine interne Verz
ogerung im FADC gegeb en. Die Ver-
schiebung war so eingestellt, da Trigger- und Kammersignale in dem 255 Bins
10
ns
Bin
= 2
:
55
s
langen Zeitfenster festgehalten wurden. Durch die Verschiebung ndet man in der Ergebnisdarstel-
lung negative Zeitangab en (Pulse kommen vor dem Trigger an). Die Breite der Verteilung ergibt
den Zeitjitter aus Elektronik und Driftzeit der Elektronen in der Kammer. Das Ergebnis der
Analyse zeigt Abb.6.26.
Dargestellt sind die Zeitjitterverteilungen f
ur die Triggerschwellen U
th
=20mV und U
th
=40mV.
Ausgewertet wurde
Run40
, der mit 19.900 Ereignissen und einer angeschlossenen Kammer die
meisten Daten lieferte. Das Ergebnis f
ur den Zeitjitter erscheint b edeutend p ositiver als das der
Online
-Analyse (Abb.6.15). Die Breite ist unabh
angig von der Diskriminatorschwelle. Abgesehen
von einem vernachl
a ssigbaren Untergrund liegen fast alle Ereignisse in einem Zeitfenster von 40ns.
Dieses Ergebnis ist glaubw
urdig, da die Driftzeit der Elektronen in der Kammer
60ns b etr
agt,
die Integrationszeit des Pulsformers ab er so eingestellt ist, da der Puls schneller wieder abf
allt.
Zeitjitter
Zeit [ns]
Eintraege
0
250
500
750
1000
1250
1500
1750
2000
2250
-50 -40 -30 -20 -10 0 10
Abbildung 6.26: Zeitjitter aus MSGC und Elektronik, b erechnet aus der
Oine
-Analyse f
ur die
b eiden Schwellenspannungen
U
th
=20mV und
U
th
=40mV.
Ezienzverlust der MSGCs durch unterbro chene Ano denstreifen
Da die Gesamt-Ezienz mit
8
skaliert (vergleiche Kap.1.
=Ezienz einer Kammer) mu die
Ezienz einer Kammer m
oglichst gro sein.
Die gemessene Ezienz der MSGCs lag in der
Online
-Analyse b ei knapp
ub er 98%, als alle Kan
ale
funktionsf
a hig waren. Qualitativ wurde festgestellt, da die Ezienz kleiner wurde, nachdem
einige Kan
ale ausgefallen waren. Wie gro der Ezienzverlust durch ausgefallene Ano denstreifen
wirklich ist, wird in diesem Abschnitt nachgegangen. Untersucht wird, ob die Ladungen teilweise
auf b enachbarte Ano den verteilt werden und so nur die Ortsau
osung, nicht ab er die Ezienz
verringern.
Es wurden Daten der
Run
s mit drei hintereinander aufgestellten MSGCs verwendet. Zur Verf
ugung
standen die b eiden Mereihen
Run51
und
Run67
, die mit ca. 5000 Ereignissen und 84 Kan
alen am
meisten Daten lieferten. Die Rechnungen und Analysen b eziehen sich auf die mittlere Kammer.
Die erste und dritte Kammer lieferten Informationen
ub er die Spur der ionisiernden Teilchen.
6.6.3 Korrektur der r
aumliche Positionierung der MSGCs und Au
osungs-
verm
ogen
Trotz sorgf
a ltiger Montage der Kammern und Ausrichtung im Teilchenstrahl mute zun
achst die
r
aumliche Positionierung der Kammern korrigiert werden. Hierzu wurden die Ereignissen aus-
gewertet, in denen in jeder Kammer genau ein zusammenh
angender
Cluster
gefunden wurde.
Aus den
Cluster
schwerpunkten der b eiden
aueren Kammern wurde die Spur des durchiegenden
Teilchens rekonstruiert. Da die Abst
ande der drei Kammern gleich gro waren, entsprach dieses
der Mittelwertbildung aus den Positionen der b eiden
Cluster
schwerpunkten. Der gemessene
Clus-
ter
schwerpunkt der mittleren Kammer wurde vom b erechneten Wert abgezogen. Die Dierenzen
wurden histogrammiert. Abb.6.27 zeigt die Histogramme f
ur
Run51
(links) und
Run67
(rechts).
In
Run51
liegt das Maximum der Verteilung und damit die Verschiebung der mittleren Kammer
b ei +1.19Kan
alen=+0.36mm, in
Run67
b etr
agt sie +8.92Kan
a le=+2.68mm. Die Binbreite b etr
agt
Run51
417.6 / 22
Constant 202.2 6.870
Mean 1.191 .1848E-01
Sigma .6865 .1364E-01
raeuml. Offset/[Kanaelen]
Eintraege
0
50
100
150
200
250
300
350
-2-101234
Run67
57.61 / 22
Constant 71.87 4.470
Mean 8.918 .3020E-01
Sigma .6099 .2383E-01
raeuml. Offset/[Kanaelen]
Eintraege
0
20
40
60
80
100
567891011
Abbildung 6.27: r
aumlicher Oset der mittleren Kammer relativ zu der ersten und dritten. Links
die Verteilung von
Run51
(Maximum b ei +1.19 Kan
ale), rechts die Verteilung f
ur
Run67
(Maximum
b ei +8.92 Kan
alen).
1
4
-Streifen, weil ein
Cluster
aus einer geraden o der ungeraden Anzahl von Streifen b estehen kann
(ungerade Anzahl ergibt
1
2
Streifen) und der Mittelwert aus zwei
Cluster
schwerpunkten gebildet
wird. Die Spr
unge in der Verteilung kommen zustande, weil es mehr
Cluster
mit der Gr
oe 1 als
andere gibt (vergleiche
Clustergr
oe
) und damit nicht alle Ko ordinaten gleichh
aug auftreten. Die
Summe der Eintr
age in
Run67
ist klein, obwohl in b eiden Mereihen eine
ahnliche Anzahl von
Ereignissen ausgewertet wurde. Die Ursache liegt daran, da die Teilchenrate in
Run67
mit R=3
10
3
Hz
mm
2
etwa dopp elt so gro wie in
Run51
war. Die Wahrscheinlichkeit, in jeder Kammer genau
einen
Cluster
zu nden, nimmt stark ab. In
Run51
wurden die Kammern exakt hintereinander
p ositioniert, in
Run67
wurde die mittlere Kammer versetzt, um andere Ano den verwenden zu
k
onnen. In diesem Fall war die Justierung nicht mehr so genau (siehe Abb.6.21), daher ist die
Position um etwa 9 Kan
ale verschob en.
F
ur die folgenden Analysen wurden die Kan
ale so numeriert, da Kan
ale mit entsprechenden Num-
mern b ez
uglich der Strahllinie hintereinander angeordnet waren.
Die Breiten dieser Verteilungen sind etwa gleich:
Run
51
=0.69 und
Run
67
=0.61. Die b eiden Werte
stimmen mit dem Ergebnis der
Online
-Analyse f
ur
Run51
(vergleiche Abb.6.20)
ub erein:
Run
51
,
ON LI N E
=0.61. Die Verteilung ist trotz der kleineren Binbreite (
1
4
-Streifen) und des dadurch
kleineren Rundungsfehlers nichtschmaler geworden, so da sichkein b esseres Au
osungsverm
ogen
ergibt.
Run62
und
Run67
wurde mit identischen Kammeraufbau im Strahl und denselb en Einstellungen
(insb esondere gleicher Rate) vorgenommen. Die Zufallstrigger in
Run67
wurden nicht dargestellt.
Im Histogramm gibt es mehr Eintr
age, da die Schwelle etwas niedriger eingestellt wurde, die Anzahl
mit 5200 gez
a hlten Ereignisse etwas h
oher liegt als in
Run61
und die Basislinien korrigiert wurden.
Ezienzermittlung in der N
ahe von Unterbrechungen der Ano denstreifen
Di
Wiremap
in Abb.6.22 unten wurde kurz vor
Run51
gemessen. In allen drei MSGCs sind Ano den,
die kaum Eintr
age gez
a hlt hab en. Daher eignen sich die Daten zur Untersuchung der Ezienz.
Wenn die f
ur eine zerst
orte Ano de b estimmte Ladung nach Masse abiet, wird sie nicht detektiert.
Fliet sie auf b enachbarte Ano den, so wird sie mit einer verf
alschten Ortsko ordinate detektiert. Let-
zteres wirkt sich geringer auf die Ezienz der MSGC aus, da durch Ladungsteilung die Pulsh
ohe
verringert wird und nur kleine Pulse unter der Triggerschwelle bleib en. In den folgenden Abschnit-
ten wurde f
ur die mittlere Kammer gepr
uft, ob innerhalb einer vorgegeb enen Umgebung um die
b erechneten Kan
ale Pulse registriert wurden. Damit wurde f
ur alle Streifen einzeln die Ezienz
ermittelt. Es wurden die Breite um den Kanal und die Schwellenspannung variiert.
Da der ermittelte relative Oset der mittleren Kammer in
Run67
(Abb.6.27) etwa neun Kan
ale
b etrug, pro Kammer ab er nur max. 27 Kan
ale gleichzeitig ausgelesen werden konnten, gab es einen
Ub erlapp von nur 18 Kan
alen. Nur ca. die H
alfte dieser Kan
ale waren in der Mitte des Prols
der kleinen Szintillatoren. Die restlichen z
ahlten kaum Eintr
age. Die
Wiremap
-Analyse zeigte im
Bereich der in
Run67
verwendeten Ano dengrupp e keine Ano denunterbrechungen b ei den Kan
alen
mit vielen Eintr
agen. Daher konnte der Run f
ur eine Analyse nichtverwendet werden. Es werden
nur die Ergebnisse f
ur den
Run51
pr
asentiert.
6.6.4 Ezienz als Funktion der Diskriminatorschwelle
Die Breite des Fensters um den untersuchten Kanal wurde auf B=
1.25 Streifen gesetzt. Diese
Breite ist sinnvoll, um fast alle Pulse in der mittleren Kammer zu nden, ohne Eintr
age durch
Rauschtrigger zu erhalten (vergleiche Abb.6.27). Die Analyse wurde mit der Binbreite
1
4
-Kanal
vorgenommen, f
ur die graphische Darstellung der Ergebnisse wurde sie auf
1
2
-Bin reduziert. Abb.6.28
zeigt die in Prozent angegeb ene Ezienz der einzelnen Ano den der mittleren Kammer f
ur die Trig-
gerschwellen 10-60mV.
Die Ezienz nimmt mit steigender Triggerschwelle ab, da Teilchen, die in der mittleren Kammer
kleine Ladungen dep oniert hab en, b ei hohen Schwellen nicht gefunden werden. Die Kan
ale in den
Randb ereichen des Szintillatorprols (jeweils die 5 Kan
ale rechts und links in den Graken) hab en
sehr wenige Eintr
age (0-10), so da der Fehler sehr gro wird. Die Eintr
age schwanken in diesen
Histogrammspalten stark. Man erkennt sind die deutlich geringeren Ezienzen im Bereich der
zerst
orten Ano den. Bei der Schwelle U
th
15mV nimmt die Ezienz der funktionsf
ahigen Kan
ale
no ch nicht ab. Der Ezienzverlust b etr
agt b ei b eiden abgetrennten Ano den knapp 40%.
Da die Ezienz im Bereich der funktionsf
a higen Ano den trotz der korrigierten Basislinien nicht
100% b etr
agt, scheint diese Korrektur nicht ausreichend zu sein. Kleine Pulse bleib en unter
der Triggerschwelle. Eine m
ogliche Verb esserung ist das Gl
atten von niederfrequentem
Pick-up
(koh
arente Einstreuungen auf alle Kan
ale), durch den kleine Pulse bei
Ub erlagerung mit dessen
unterer Halbwelle unter der Schwelle bleib en. Dies wurde nicht durchgef
uhrt.
6.6.5 Ezienz als Funktion der Fensterbreite
Aus dem vorangegangenen Abschnitt geht hervor, da eine Diskriminatorschwelle von
U
th
=15mV
(=FADC-Einheiten) sinnvolle Ergebnisse liefert. Hier wurde die gleiche Analyse vorgenommen,
dieses Mal ab er mit der festen Triggerschwelle
U
th
=15mV und variabler Fensterbreite. Die Ergeb-
nisse ndet man in Abb.6.29.
Die Fensterbreite wurde von B=
0.25 Bins in Schritten von
1
4
-Bin bis zu einer Breite von B=
2
Bins variiert. Spaltenweise nimmt die Breite von ob en nachunten zu. Bei einer Breite von B=
1.75
Kan
alen b etr
agt die Ezienz fast 100%. Die Fensterbreite B=
1.25 Kan
ale ist eventuell do chzu
schmal, um eine Ezienz von 100% zu erreichen.
Schwelle=25mV
Kanal
’Effizienz[%]
0
20
40
60
80
100
2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5
Schwelle=20mV
Kanal
’Effizienz[%]
0
20
40
60
80
100
2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5
Schwelle=15mV
Kanal
’Effizienz[%]
0
20
40
60
80
100
2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5
Schwelle=10mV
Kanal
’Effizienz[%]
0
20
40
60
80
100
2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5
Schwelle=60mV
Kanal
’Effizienz[%]
0
20
40
60
80
100
2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5
Schwelle=40mV
Kanal
’Effizienz[%]
0
20
40
60
80
100
2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5
Schwelle=30mV
Kanal
’Effizienz[%]
0
20
40
60
80
100
2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5
Abbildung 6.28: Ezienz der mittleren Kammer als Funktion der Diskriminatorschwelle, Binbreite:
1
2
-Kanal. Spaltenweise b etr
agt die Schwelle von ob en nach 10, 15, 20, 25, 30, 40, 60 FADC Einheiten.
Breite +/- 1.00 Kanaele
Kanal
’Effizienz/[%]
0
20
40
60
80
100
2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5
Breite +/- 0.75 Kanaele
Kanal
’Effizienz/[%]
0
20
40
60
80
100
2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5
Breite +/- 0.50 Kanaele
Kanal
’Effizienz/[%]
0
20
40
60
80
100
2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5
Breite +/- 0.25 Kanaele
96/08/26 14.07
Kanal
’Effizienz[%]
0
20
40
60
80
100
2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5
Breite +/- 2.00 Kanaele
Kanal
’Effizienz/[%]
0
20
40
60
80
100
2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5
Breite +/- 1.75 Kanaele
Kanal
’Effizienz/[%]
0
20
40
60
80
100
2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5
Breite +/- 1.50 Kanaele
Kanal
’Effizienz/[%]
0
20
40
60
80
100
2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5
Breite +/- 1.25 Kanaele
Kanal
’Effizienz/[%]
0
20
40
60
80
100
2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5
Abbildung 6.29: Ezienz der mittleren Kammer als Funktion der Fensterbreite. Die Binbreite
b etr
agt
1
2
Kanal. Spaltenweise b etr
agt die Breite von ob en nachunten B=
0.25,
0.5,
0.75,
1,
1.25,
1.5,
1.75,
2.0 Kan
ale.
6.6.6 Lokalisierung der Unterbrechung auf dem Ano denstreifen
Die Ezienz im Bereich abgetrennter Ano den liegt bei etwa 60%. Falls der Ano denstreifen in der
Mitte der Kammer durchtrenntwar, w
urde dieses f
ur den abgetrennten Teil der Ano de einen deut-
lichh
oheren Ezienzverlust b edeuten, als wenn die Ano de weiter ob en in der N
ahe des Anschlusses
an den Helix abgetrennt wurde, da der nicht abgetrennte Teil no ch Signale detektieren kann. Bei
vollst
a ndiger Abtrennung m
ute der Ezienzverlust ca. 100% b etragen, wenn die Ladungen nicht
durch das elektrische Feld auf andere Streifen umgelenkt w
urden.
Die Unterbrechung der Ano den in dieser MSGC h
atte zu diesem Zweck unter dem Mikroskop
lokalisiert werden m
ussen. Die Kammer stand f
ur diese Untersuchung nicht mehr zur Verf
ugung
6
.
Die
Wiremap
-Analyse l
at ab er den Schlu zu, da die b eiden Ano den der mittleren Kammer
kurz vor dem Anschlu an den Helix-Verst
arker o der am Rande des Szintillatorprols in vertikaler
Richtung (siehe Abb.6.6 rechts) durchtrennt wurden, wie die Ano den in den anderen Kammern
auch. Eventuell gibt es in Abb.6.22 einige Ano den, die am anderen Kammerende durchtrennt
wurden. Die Ano den 74 und 76 zeigen leichtweniger Eintr
age als erwartet auf. Die Aussage bleibt
ab er sp ekulativ, es kann sich auch um statistische Schwankungen handeln.
6.6.7 Lokalisierung der
Cluster
auf den Ano denstreifen
Um eine eindeutigere Aussage
ub er den Ezienzverlust machen zu k
onnen, wurde untersucht, ob die
Ladungen tats
achlich auf den b enachbarten Ano denstreifen der abgetrennten Ano den nachgewiesen
werden k
onnen.
Hierzu wurden zwei Histogramme angelegt. Im ersten wurden die Stellen eingetragen, an denen
der
Cluster
schwerpunkt aus der Berechung h
atte gefunden werden m
ussen, im zweiten wurden
die Ko ordinaten aller gefundenen
Cluster
schwerpunkte eingetragen. Die Analyse wurde mit einer
Binbreite B=
1
4
durchgef
uhrt. Anschlieend wurde sie auf
1
2
bzw. 1 Bin reduziert. Dargestellt ist in
der Abb.6.30 das prozentuale Verh
altnis von gefundenen Eintr
agen zu den b erechneten. Das ob ere
Histogramm zeigt das Ergebnis f
ur die Breite
1
2
-Bin, das untere das f
ur die Breite 1Bin.
Die
auersten Kan
ale wurden in die Analyse nicht mit einb ezogen, da es dort weniger als zehn
Eintr
age f
ur die b erechneten Werte gab. Im ob eren Bild erkennt man deutlich die b eiden ausge-
fallenen Kan
ale (auf der Skala zwischen 8 und 9 sowie zwischen 14 und 15).
Ub ereinstimmend mit
dem Histogramm (
Wiremap
) aus Abb.6.22 liegen zwischen den ausgefallenen Ano den f
unf funk-
tionsf
ahige Kan
ale. Die b enachbarten Ano den des ausgefallenen Kanals links zeigen deutlich mehr
Eintr
age als die erwarteten 100%. Die
Ub erh
ohung ist signikant, da die sechs Kan
ale links davon
nur
80% der erwarteten Eintr
age zeigen. Die Ursache hierf
ur liegt an der etwas h
oher eingestellten
Triggerschwelle (
U
th
=20mV). Im unteren Bild mit der Binbreite B=
1
2
ist die
Ub erh
ohung b esser
sichtbar.
Schwieriger zu interpretieren sind die Eintr
age der Kan
ale 12-19. Nur der rechte b enachbarte
Streifen der unterbro chenen Ano de zeigt eine
Ub erh
ohung der Eintr
age, die mit den
Ub erh
ohun-
gen des zerst
orten Kanal 9
ub ereinstimmt. M
oglicherweise ist der linke Nachbarstreifen von Kanal
15 w
ahrend des
Run
s ausgefallen, so da sich die Ladungen auf dessen linken Nachbarn akku-
muliert hab en. Gegen diese Vermutung sprechen die Eintr
ageinder
Wiremap
. Insgesamt sind die
Schwankungen in den b eiden Histogrammen der Kan
ale 12-19 sehr gro, so da keine eindeutigen
Aussagen gemacht werden k
onnen.
6.6.8 Interpretation und Zusammenfassung der Ezienzuntersuchung
F
ur die Untersuchung des Ezienzverlustes in der N
ahe der zerst
orten Ano denstreifen standen
Run51
mit 4870 Ereignissen und
Run67
mit 5000 Ereignissen zur Verf
ugung. Aufgrund der un-
6
Diese MSGC wurde b ereits im Universit
atsmuseum ausgestellt.
Kanal (Aufloesung 1)
gefundene Eintraege in Prozent
0
25
50
75
100
125
150
175
200
225
2 4 6 8 10 12 14 16 18
Kanal (Aufloesung 1/2)
gefundene Eintraege in Prozent
0
50
100
150
200
250
300
2 4 6 8 10 12 14 16 18
Abbildung 6.30: Lokalisierung der Ladungen von zerst
orten Streifen (Schwelle=20).
genaueren Justierung der Kammern in
Run67
war der
Ub erlappungsb ereich der drei MSGCs zu
klein, um aussagekr
aftige Ergebnisse erzielen zu k
onnen. Die Auswertungen b eziehen sich daher
lediglich auf die b eiden Ano denunterbrechungen von
Run51
. Die Anzahl der Eintr
age pro Streifen
lag b ei durchschnittlich
100, in den Randb ereichen deutlich darunter (0-10).
Beide Ano den wurden vor Beginn der Datennahme des
Runs
vermutlich in der N
ahe der Verst
ark-
eranschl
usse zerst
ort. Mit ihnen konnten so gut wie keine Pulse detektiert werden. Trotzdem
b etr
agt der Ezienzverlust in ihrer N
ahe nicht 100%, sondern in b eiden F
allen knapp 40%. Die
in der Kammer entstehenden Elektronen hab en den vom Verst
arker abgetrennten Ano denstreifen
vermutlich auf das Katho denp otential aufgeladen. Dadurch wurde das elektrische Feld so verformt,
da die Ladungen, die eigentlich auf die zerst
orten Streifen geossen w
aren, auf die b enachbarten
Streifen verteilt wurden. In Abb.6.30 wurden in der Umgebung des zerst
orten Kanal 9 im Mittel
fast 100% der Ladungen gefunden. In den drei Kan
alen wurden jeweils ca. 120 Eintr
age erwartet,
gefunden wurden in Kanal 8
115%, in Kanal 9
20% und in Kanal 10
150%. Da die gefundene
Ezienz in Abb.6.28 nur 60% b etr
agt, wurden die Ladungen eines Ereignisses nicht entweder auf
dem einen o der dem anderen Streifen detektiert, sondern geteilt, da in der letzten Analyse alle
Eintr
age gez
a hlt wurden. Bei der Ezienzermittlung als Funktion der Fensterbreite und Trigger-
schwelle wurde nicht quantiziert, wie viele Eintr
age in dem Fenster gefunden wurden.
Der Ezienzverlust durch unterbro chene Ano denstreifen wird zu
60% durch eine schlechtere
Ortsau
osung komp ensiert, was f
ur das Exp eriment nicht so gravierende Folgen hat wie ein v
olliger
Ezienzverlust eines ausgefallenen Streifens.
Kapitel 7
Zusammenfassung und Ausblick
Aufgab e dieser Diplomarb eit war die Untersuchung des wichtigen vorderen analogen Signalpfades
der Mikrostreifengaskammern (MSGCs) des HERA-B-Exp erimentes. Dieser Pfad ist auf dem in
der Entwicklung stehenden Helix128-Auslesechip implementiert. F
ur die Messungen standen die
Helix1.1-Chips mit Ho chspannungs-Schutzstruktur, Vorverst
arker, Pulsformer, Treib er und Kom-
parator zur Verf
ugung.
Die Untersuchungen umfaten die Eigenschaften des analogen Verst
arkers, des Komparators und
der Schutzstrukturen, sowie das Zusammenspiel aus MSGCs und Helix-Verst
arkern. Die Messun-
gen wurden mit Testpulsen,
-Quellen und in einem Pionenstrahl vorgenommen.
Der Verst
arker integriert kleine Ladungen in H
ohe von 24.000 Elektronen b ei einer Ladekapazit
at
von C
Load
=20pF zu einer Spannung von U
A
45mV auf. Mit dem Pulsformer wird das Signal
so geformt, da es nach 50-60ns die maximale Amplitude erreicht und ca. 100ns nach dem Max-
imum verschwindet. Die Pulsform, insb esondere der Unterschwinger des Signals, kann mit den
Biasstr
omen und Spannungen von Vorverst
arker und Pulsformer in weiten Bereichen variiert wer-
den.
Die Simulationen aus dem Chip-Designprogramm stimmten im allgemeinen sehr gut mit den Mes-
sungen
ub erein. In Einzelf
a llen, wie b ei der Messung der Amplitude als Funktion des Vorverst
arker-
Biasstromes, gab es gr
oere Abweichungen zur Simulation.
Die Rauschmessungen ergab en eine durchschnittliche
aquivalente Rauschladung
EN C
= 290
e
,
+
62
e
,
pF
. Bonddr
ahte, Chipfassungen, etc. k
onnen das Rauschen stark b eeinussen, so da b eim Bau
von Hybriden und Testplatinen groe Sorgfalt notwendig ist. Das Rauschen nimmt b ei Bestrahlung
mit einer Dosis von 1.5kGy um 700 Elektronen zu, die Steigung des Rauschens um 75
e
,
pF
.
Die Linearit
at des Chips bei der gew
a hlten Bias-Einstellung ist f
ur negative Signale kleiner als
f
ur p ositive. Die Abweichung von der idealen Geraden b etr
agt b ei einer Ladung von Q={100.000
Elektronen 10%. Die Abweichung ist f
ur MSGCs tolerierbar.
Die Kanal zu Kanal Variationen der Basislinien sowie die Abh
angigkeiten von Bias-Einstellungen
und Temp eratur sind gro, so da der Komparator im endg
ultigen Chip kapazitiv angeschlossen
wird.
Mit den (Bias-) Einstellungen werden Kompromisse eingegangen. Ein hoher Pulsformer-Biasstrom
verhindert einen Unterschwinger des Pulses, verringert ab er die Pulsh
ohe. Eine hoher Pulsformer-
R
uckkopp elwiderstand (V
fs
gro) vergr
oert die Amplitude, verl
a ngert ab er Anstiegzeit und L
ange
des Pulses. Ein groer Widerstand zur Stromb egrenzung am Eingang des Helix sch
utzt die Dio den
bei Hochspannungs
ub erschl
agen, erh
oht ab er das Rauschen.
Die Chips k
onnen ohne kapazitive Kopplung direkt an die MSGCs angeschlossen werden. Trotz
groer Gleichstr
ome aus der MSGC (I
C
200nA) geht der Verst
arker nicht in die S
attigung
ub er.
Im Kammerb etrieb ist das Rauschen kein limitierender Faktor. Der Einu von
Pick-up
, also
koh
arenten Einstreuungen, war bei den Messungen gr
oer als das Rauschen. Trotzdem wurde
106
ohne elektromagnetischer Abschirmung b ei einer Triggerschwelle von 5800 Elektronen eine Rausch-
Triggerrate von nur 1kHz erreicht.
Bei gleichen Bias-Einstellungen unterscheiden sich die am Ausgang des Helix liegenden Signalfor-
men der Kammerpulse qualitativ von
-Pulsen. Werden schwingungsanregende R
uckkopplungen
durch Hybride und Testplatinen verhindert, so lassen sich auch Kammerpulse durchVariation der
Biasparameter in ihrer Form stark
andern. An der abfallenden Flanke der aus den MSGCs kom-
menden Signale treten Anomalien ("H
ocker") auf, die zu Fehltriggern im nachfolgenden Ereignis
f
uhren k
onnen.
Der Komparator zeigte M
angel: Die schnellen digitalen Signale des Taktes und des Ausgangsignals
kopp eln stark auf den analogen Signalpfad des Verst
arkers ein. Die Flanken des Taktsignals d
urfen
mit denen des invertierten Signals nicht
ub erlapp en.
Die Eingangsschutzstrukturen sind f
ur Ho chspannungs
ub erschl
age aus der MSGC nicht ausreichend
dimensioniert. Schw
achstes Glied war der Polysiliziumwiderstand, der der W
armeentwicklung nicht
standhielt. Aussagen
ub er die Dio den konnten nicht gemachtwerden.
Im Strahltest wurden in den MSGCs durch Ho chspannungs
ub erschl
age Ano denstreifen zerst
o rt.
Die Ezienz in der Umgebung ganz abgetrennter Ano den lag bei ca. 60%. Die Elektronen wur-
den auf den b enachbarten Elektro den nachgewiesen und verringerten das Ortsau
osungsverm
ogen.
Dieses wurde f
ur die untersuchte MSGC zu
x
=0
:
6
0
:
3
m
= 180
m
ermittelt. Bei niedriger Rate
(R=2
10
2
Hz
mm
2
) und 26 ausgelesenen 10cm langen Ano den ergab die durchschnittliche Multiplizit
at
einen Wert von 1.8. Im Mittel wurden 1.22
Cluster
mit 1.4 angespro chenen Ano den gefunden.
In der Pulsh
ohenverteilung wurde das Maximum der Laundauverteilung bei hohem
Pick-up
des
Systems und einer Gasverst
arkung A=3500 nachgewiesen. Etwa 30% der erwarteten Rate f
ur die
MSGCs am HERA-Ring wurden b eim Strahltest erreicht. Bei dieser Rate (R=3
10
3
Hz
mm
2
) erh
ohten
sich Multiplizit
a t und Anzahl der
Cluster
um etwa 60%, w
ahrend die
Clustergr
oe
nahezu konstant
blieb en.
Viele der im Rahmen dieser Diplomarb eit erzielten Meergebnisse entsprechen den Erwartungen
und Anforderungen des HERA-B-Exp erimentes an den analogen Signalpfad der MSGCs. Einige
der aufgezeigten M
angel der Auslesechips wurden b ereits b ehob en o der werden zur Zeit b earb eitet.
Dazu geh
oren neue Schutzstrukturen und ein verb esserter Komparator.
In der weiteren Entwicklung soll unter Ber
ucksichtigung aller diskutierten Ein
usse eine m
oglichst
optimale Pulsform mit der entsprechenden Bias-Einstellung gefunden werden.
Literaturverzeichnis
[1] Amersham Buchler GmbH&CoKG
Pro duktb eschreibung der
137
Cs
,
,
Quel l e
[2] Austria Microsystems International
AMS 1.2
CMOS Pro cess Parameters
Graz,
Osterreich
[3] Burr-Brown
IC Data Bo ok
[4] Comlinear Corp oration
Datenblatt zum Videotreib er CLC 415
[5] DESY-PRC 94/02, May 1994
HERA-B; An Exp eriment to study CP Violation in the B System Using an Internal Target at the
HERA Proton Ring
Prop osoal
[6] DESY-PRC 95/01, January 1995
HERA-B: An Exp eriment to study CP Violation in the B System Using an Internal Target at the
HERA Proton Ring
Design Rep ort
[7] DL305-FADC (100 MHz)
User's Guide
Physikalisches Institut der Universit
at Heidelb erg
[8] Eisele, Franz
p ers
onliche Mitteilungen
Physikalisches Institut der Universit
at Heidelb erg
[9] Fallot-Burghardt, Wolfgang
Pers
onliche Mitteilungen, Dissertation in Vorb ereitung
Max-Planck-Institut f
ur Kernphysik, Heidelb erg
[10] Fallot-Burghardt, Wolfgang
Diplomarb eit:"Strahlensch
aden in dem CMOS Verst
arker- und Auslesechip VIKING 2"
Max-Planck-Institut f
ur Kernphysik, Heidelb erg
[11] W. Fallot-Burghardt, M. Feuerstack, A. H
olscher, U. Trunk
Helix128. An Amplier and Readout Chip for MSGCs and Silicon Microstrip Detectors.
Universit
at/ Max-Planck-Institut Heidelb erg, June 1996
[12] Fallot-Burghardt, Wolfgang; H
olscher, Andreas:
HELIX - A Silicon Strip/MSGC Readout Amplier
[13] Feuerstack, Martin
p ers
onliche Mitteilungen
Physikalisches Institut der Universit
at Heidelb erg
[14] Hensley,F.
p ers
onliche Mitteilungen
Messung der Homogenit
at des Dosisprols im Bestrahlungstopf
Kopfklinik, Universit
at Heidelb erg
108
[15] H
olscher, Andreas
p ers
onliche Mitteilungen
Physikalisches Institut der Universit
at Heidelb erg
[16] Hinsch, Hermann
"Vorlesung
ub er Elektronik"
Vorlesungsscript; WS 93/94; Universit
at Heidelb erg
[17] Hunklinger, Siegfried
Festk
orp erpkysik
Notizen zur Vorlesung; WS 93/94; Universit
at Heidelb erg
[18] Keller, Michael; H
olscher, Andreas
HD-ASIC06: A 6-Bit Flash ADC
Institut f
ur Ho chenergiephysik / Physikalisches Institut { Universit
at Heidelb erg
[19] Keller, Michael
p ers
onliche Mitteilungen
Institut f
ur Ho chenergiephysik, Universit
at Heidelb erg
[20] Kolata, Nina
Staatsexamensarb eit in Vorb ereitung
Physikalisches Institut der Universit
at Heidelb erg
[21] Krizan, Peter; et.al.
HERA-B, an experiment to study CP violation at the HERA proton ring using an internal target
[22] Lange, Arnd
p ers
onliche Mitteilungen
Institut f
ur Physik, Universit
at Siegen
[23] Medinnes, Mike
HERA-B triggering
Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A 368 (1995) 161-168 UCLA, California, USA
[24] Nygard, E.; et.al.
CMOS low noise amplier for microstrip readout
Design and results
CERN 8.Oct 1990
[25] Nygaard, E.
Layout (des Felix-Chip), 04/92
Sintef SI, Oslo
[26] Schmidt, Bernhard
p ers
onliche Mitteilungen
Physikalisches Institut der Universit
at Heidelb erg
[27] Schmidt-Parzefall, W.
HERA-B; An Exp eriment to study CP Violation at the HERA Proton Ring Using an Internal Target
Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A 368 (1995) 124-132
Universit
at Hamburg
[28] Technische Daten des Blutb estrahlungsger
ates OB29/4
Kopfklinik, Universit
at Heidelb erg
[29] Visb eck, Sven
Diplomarb eit in Vorb ereitung:
"Untersuchungen von Prototypen der Mikrostreifen-Gaskammern (MSGC) des inneren Spurkammer-
systems des HERA-B Exp eriments"
Physikalisches Institut der Universit
at Heidelb erg
[30] User's Guide
Paul-Scherrer-Institut, Villigen, Schweiz
Herzlichen Dank ...
... Herrn Prof. F. Eisele f
ur die Bereitstellung des Themas und die intensive Betreuung in einem
spannenden Forschungs- und Entwicklungsgebiet. W
ahrend meiner Diplomarb eit hab e ich b ei ihm
und seiner Arb eitsgrupp e viel gelernt.
... Herrn Prof. W. Hofmann f
ur die
Ub ernahme der Zweitkorrektur.
... den Mitarb eitern des ASIC-Lab ors. Mein b esonderer Dank gilt Herrn Dr. A. H
olscher und
Dipl.-Ing. J. Bo elsems, sowie den Doktoranden U. Trunk und W. Fallot-Burghardt f
ur die vielf
a lti-
gen Anleitungen und Hilfen sowie die wertvollen Diskussionen und das Durchsehen der Arb eit mit
n
utzlichen Anmerkungen.
... den Herren Prof. U. Straumann, Dipl. Phys. S. Hausmann und S. Visb eck, mit denen ich
in angenehmer Atmosph
are den zweiw
ochigen Strahltest am Paul Scherrer Institut in der Schweiz
durchf
uhren durfte.
... den Mitarb eitern der HERA-B-Arb eitsgrupp e im Physikalischen Institut f
ur die gute Zusamme-
narb eit, insb esondere Herrn Dr. M. Feuerstack f
ur das Korrekturlesen der Arb eit.
... den Angestellten der Elektronikwerkst
a ttten des Instituts f
ur Ho chenergiephysik und des Physik-
alischen Instituts.
... Herrn Teske vom DESY f
ur seinen geduldigen Einsatz b eim
Bonding
der vielen Chips f
ur den
Strahltest und Frau M
uller vom Physikalischen Institut f
ur das Best
ucken der Platinen.
... meinen Eltern, die mir das Studium erm
oglicht hab en, sowie meiner Frau Christina f
ur das hier
nicht Ausgespro chene.
... so wie allen, die mir b ei meiner Diplomarb eit durch ihre Unterst
utzung eine Hilfe waren.
110
