Ausleseelektronik für gasgefüllte Detektoren
Für die Steuerung und die Auslese unserer Detektoren werden an die Anwendung und an die Detektorchips angepasste Elektronik und Programme benötigt. Dafür entwickeln wir eigene Hardware, Software und Firmware und stellen diese anderen Forschungsgruppen und Kollaborationspartnern zur Verfügung. Aktuell entwickeln und unterstützen wir Systeme für Detektoren mit Timepix3, VMM3a und Timepix Chips. Weiterhin arbeiten wir an Möglichkeiten für Echtzeit-Datenanalyse und -Datenreduktion im Auslesesystem. Darüber hinaus entwickeln wir weitere Steuerungs- und Kontrollsysteme die zum Betrieb unserer Detektoren benötigt werden. Dazu gehören ein Gassystem, das für konstanten Gasfluss und -druck in den Detektoren sorgt und ein universales Überwachungssystem für Spannungen, Temperaturen und weitere Gasparameter.
Timepix3
Der Timepix3 ist ein Pixelchip mit 256x256 Pixeln, wobei die Pixel untereinander einen Abstand von 55 µm haben. Der Chip ermöglicht simultane Zeit- und Ladungsmessungen. Die Auslese der Pixeldaten erfolgt datengetrieben. Das heißt, dass sobald ein Pixel aktiv wurde, und seine Daten verarbeitet hat, werden die Daten and die Ausleseelektronik gesendet. Es müssen also keine Daten angefragt werden und weiterhin liegen die Daten nullunterdrückt vor, es befinden sich also keine Informationen von inaktiven Pixeln in den Daten. Der Timepix3 dient als Grundlage für zukünftige GridPix Detektoren.
Wir entwickeln für den Timepix3 ein offenes Auslese- und Steuersystem besehend aus eigener Hardware, Firmware und Software. Ziel ist es ein System aufzubauen, mit dem die Bandbreite unserer Detektoren sinnvoll betrieben werden kann und das auch für andere Forschungsgruppen einfach einsetzbar ist. Weiterhin sollen durch verschiedene Nutzerschnittstellen in Form von graphischer Nutzeroberfläche, Kommandozeilenoberfläche und Skripten ein einfacher Einstieg und eine modulare Integration in verschiedene Anwendungen ermöglicht werden.
SRS & VMM
Das Scalable Readout System (SRS) wurde von der RD51 Kollaboration als universell einsetzbares Auslesesystem für Teilchendetektoren entwickelt. Das SRS kann für kleinere Testaufbauten (auch in unserer Gruppe) mit nur einigen dutzend Kanälen ebenso genutzt werden wie für größere Detektoren (wie zum Beispiel bei der European Spallation Source) mit tausenden Kanälen. Durch das modulare Prinzip können verschiedene Frontend Chips genutzt werden, somit ist das SRS für verschiedene Detektortypen einsetzbar.
Wir befassen uns insbesondere mit der Implementierung des VMM Frontend Chips im SRS. Der VMM wurde für das New Small Whell Upgrade des ATLAS Detektors als neuer Auslesechip für die Micromegas und sTGC Detektoren entwickelt, ist aber universell für andere Detektoren nutzbar und setzt mit einer Ausleserate im Megahertzbereich und geringem elektronischen Rauschen neue Maßstäbe.
Die weltweite Verwertung des SRS mit dem VMM für verschiedenste Experimente und Detektorentwicklungsprojekte wurde in einem EU-Projekt vorangetrieben. Unsere Forschung erstreckt sich von der Entwicklung der field-programmable gate array (FPGA) Firmware für das SRS hin zu SRS- und VMM-basierten Detektoren.
Timepix
Der Timepix ist der Vorgänger des Timepix3 und bietet ebenfalls 256x256 Pixel in einem Abstand von 55 µm. Im Gegensatz zum Timepix3 können entweder Zeit oder Ladung gemessen werden, aber nicht beides gleichzeitig. Die Daten des Timepix werden von allen Pixeln gleichzeitig ausgelesen, unabhängig davon, ob ein Pixel aktiv war oder nicht. Der Timepix dient als Grundlage für GridPix Detektoren.
Unsere Gruppe hat zwei Auslesesysteme für Timepix entwickelt, die für verschiedene Anwendungen optimiert sind. Das eine wurde primär am CAST Experiment eingesetzt und bietet weitere Schnittstellen für Vetos für kosmische Strahlung und eine Hochspannungssteuerung. Das andere ist auf Skalierbarkeit ausgelegt und unterstützt bis zu 160 Timepix Chips. Auf der Grundlage wurde ein Prototyp für eine ILC TPC mit GridPixen ausgelesen. Die Auslesesysteme verwenden wir weiterhin für Detektoren, die noch einen Timepix ASIC verwenden. Weiterhin unterstützen wir auch andere Forschungsgruppen, die Timepix oder GridPix mit unseren Auslesesystemen betreiben.
Hardware-basierte online Analyse
Die in modernen Teilchendetektoren anfallenden Datenmengen übersteigen die Kapazitäten der Ausleseelektronik, Bandbreite und Datenspeicher. Die Lösung besteht schon seit längerem in der Nutzung so genannter Trigger. Dabei entscheiden spezielle Chips innerhalb der Auslesekette darüber, ob die Daten einer bestimmten Teilchenkollision gespeichert werden sollen oder verworfen werden.
Klassischerweise werden dafür so genannte Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) eingsetzt, auf denen hochgradig parallelisierte Logikdesigns implementiert werden können. Möglichkeiten für Trigger sind das Verwerfen von Daten anhand von fixen Parametern oder, als Ergebnis der Entwicklungen der letzten Jahre, zukünftig auch Machine Learning Algorithmen. Wir befassen uns, als eine der ersten Arbeitsgruppen weltweit, zudem mit der Nutzung von Adaptive Compute Acceleration Platform (ACAP) Chips. Diese enthalten neben einem FPGA zudem hunderte, hochspezialisierter KI Kerne. Wir forschen an der Möglichkeit ACAPs einzusetzen, um komplexere neuronale Netze als Trigger zu implementieren.
Monitoring System
Neben den Ereignis-Daten von Detektoren sind noch weitere Daten wie Temperatur, Druck und Spannungen relevant für die Interpretation der Ergebnisse und damit für einen stabilen Betrieb der Detektoren. Daher entwickeln wir ein gemeinsames Monitoringsystem für unsere Anwendungen. Ziel ist ein modulares System, in das einfach verschiedene Messgrößen von verschiedenen Anwendungen integriert werden können. Das System sorgt dann für die Datenspeicherung und die Visualisierung.
Eine mögliche Implementation des System ist das Hinzufügen eines Mikrocontrollers zur Ausleseelektronik, um Daten unabhängig von der Ereignis-Daten aufnehmen zu können. Diesen Ansatz verfolgen wir aktuell beim Steuerungs- und Auslesesystem für Timepix3. Weiterhin werden Schnittstellen für weitere Datenquellen z.B. von Laborgeräten zur Spannungserzeugung geboten.
Gassystem
Um konstante Gasbedingungen in unseren Detektoren zu gewähren entwickeln wir ein Gassystem mit Druck- und Flussreglern, an welches die Detektoren angeschlossen werden können. Das System ist kompakt und funktioniert autark, um es leicht bei verschiedenen Anwendungen an unterschiedlichsten Orten nutzen zu können.
In einer ersten Version entwickeln wir ein System das vorgemischte Gase unterstützt. Das System ist aber von Anfang an so ausgelegt, dass in der Zukunft auch mehrere Gase gemischt werden können. Das System besitzt weiterhin eine Schnittstelle zum Monitoringsystem, so dass dort die Einstellungen und Messwerte aufgezeichnet werden können.
Beispiele für Bachelor- und Masterarbeiten
Hier sind zwei Beispiele für Arbeiten, die sich auch für Bachelor- oder Masterarbeiten eignen.
Erweiterung der Timepix3-Auslese auf mehrere Front-End-Controller (FECs)
Aufgrund der limitierten Bandbreite, mit der eine FEC Daten zum Computer übertragen kann, ist es nicht sinnvoll, mehr als 8 Timepix3 ASICs mit einer FEC zu verbinden. Bei größeren Aufbauten ist diese Limitierung allerdings nicht hinnehmbar und mehr ASICs müssen verwendet werden. Deshalb ist das Scalable Readout System darauf ausgelegt, mehrere FEC parallel zu betreiben. Die Auslesesoftware muss hier für noch angepasst und das System getestet werden.
Online Zusammensetzung der Datenpakete
Die Timepix3 ASICs senden die Daten einzelner Ereignisse in zwei verschiedenen Datenpaketen. Diese sollen mit Hilfe des Zeitstempels online zusammengesetzt und dann in der richtigen Reihenfolge abgespeichert werde.