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Die Coltrims-Methode hat sich seit den 1990er Jahren als gutes experimentelles Instrument in der Atomphysik und darüberhinaus etabliert. Sie beruht darauf, dass die bei einer Reaktion entstehenden Fragmente mit ortssensitiven Detektoren nachgewiesen werden. Die Signale der Detektoren wurden bisher mit einem analogen Vorverstärker verstärkt und dann mit Hilfe eines Constant Fraction Discriminators in digitale Signale umgewandelt. Die Zeitinformation der digitalen Signale wurden von Time to Digital Convertern aufgenommen und im Computer gespeichert. Mit dieser Form der Auslese und Analyse der von den Detektoren stammenden Signale können nur einige wenige Fragmente nachgewiesen werden. Die Lösung dieses Problems besteht also darin, eine neue Variante für die Auslese und Analyse der Signale zu finden. Diese wurde in der Verwendung eines Transientenrekorders gefunden. Anstatt nur die Zeitinformation zu speichern, nimmt dieser die gesamte Signalform der Detektoren auf. Die Aufgabe, die in dieser Arbeit bearbeitet werden sollte, bestand darin, eine Software zu entwickeln, mit deren Hilfe der Transientenrekorder gesteuert werden kann. Auch sollte ein Weg gefunden werden nur die für das Experiment notwendigen Informationen des aufgenommenen Zeitfensters zu speichern. Des Weiteren sollten Methoden aufgezeigt werden, wie die aufgenommen Signale untersucht und deren Parameter extrahiert werden können. Diese Methoden wurden dann an realen Signalen getestet. Nachdem im ersten Kapitel die Motivation zu dieser Arbeit und einige theoretische Hintergründe vorgestellt werden, wird im zweiten Kapitel auf verschiedene Methoden der Signalanalyse eingegangen. Der Augenmerk liegt dabei sowohl auf Einzel- sowie Doppelsignalanalyse. Die Güte der vorgestellten Algorithmen wird mit Hilfe von künstlichen Signalen ermittelt. Es zeigt sich, dass die beste Methode die zeitliche Position der Einzelsignale zu finden, der Pulsfit ist. Mit dieser Methode kann eine Auflösung von etwa 50 ps erzielt werden. Bei der Betrachtung der Doppelsignale stellt sich heraus, dass der minimale Abstand zwischen den Signalen 5 ns bis 7 ns betragen muss. Das dritte Kapitel zeigt eine Anwendung des neuen Aufnahmesystems. Dort werden die physikalischen Ergebnisse, die mit Hilfe des neuen Systems gewonnen werden konnten, mit einem herkömmlichen Aufnahmesystem verglichen. Aufgrund der geringeren Totzeit des neuen Aufnahmesystems konnte mehr Statistik gewonnen werden. Der dadurch gewonnene Vorteil zeigt sich deutlich in den Ergebnissen, bei denen eine vierfach Koinzidenz verlangt wird. Bei dem nächsten Kapitel beschriebenen Experiment mussten sehr viele Fragmente nachgewiesen werden. Hierzu wird ein weiteres Kriterium neben der Zeitsumme vorgestellt mit dem die Anodensignale einander zugewiesen werden können. Die in diesem Kapitel gezeigten physikalischen Ergebnisse zeigen die Impulsverteilungen für Neon und Helium für unterschiedliche Lichtintensitäten bzw. Ionisationsprozesse. Im darauf folgenden Kapitel wird beschrieben, wie die neue Aufnahmemethode dazu verwendet werden kann, die von den Detektoren kommenden Signale genauer zu analysieren. Die physikalische Reaktion führte dazu, dass von dem Detektor hauptsächlich Doppelsignale aufgenommen wurden. Dies erlaubt die Untersuchung der Doppelsignalalgorithmen an realen Signalen. Hierbei zeigte sich, dass die Totzeit bei realen Signalen vergleichbar mit der Totzeit bei künstlichen Signalen ist. Die Algorithmen können bei Abständen der Einzelsignale von weniger als 10 ns die Position der Signale nicht mehr genau bestimmen. Anhand der Pulshöhenverteilung kann gezeigt werden, dass der verwendete Detektor in der Mitte eine geringere Nachweiseffizienz hatte. Im letzten Kapitel wird die Güte der verschiedenen Methoden der Einzelsignalanalyse anhand von realen Signalen überprüft. Dabei wurden Signale desselben Detektors mit unterschiedlichen Vorverstärkern verstärkt. Die beiden Vorverstärker unterschieden sich in ihrer Bandbreitenbegrenzung. Die Daten wurden mit einem Transientenrekorder mit 2 GS aufgenommen. Es wird gezeigt wie diese Daten umgewandelt werden können, so dass sie einem System mit nur 1 GS entsprechen. Dies erlaubt es die Güte der Methoden für Signale eines Systems mit 2 GS mit denen eines Systems mit 1 GS zu vergleichen. Es zeigt sich in der Pulshöhenverteilung, dass die Signale des stärker bandbreitenbegrenzten Vorverstärkers vergleichbar mit den künstlichen Signalen sind. Die Signale des weniger stark bandbreitenbegrenzten Vorverstärkers weisen eine zu starke Abhängigkeit ihrer Breite von der Pulshöhe auf. Aus diesem Grund sind die Ergebnisse des letzt genannten Vorverstärkers abweichend von den Ergebnissen mit den künstlichen Signalen. Bei diesem Vorverstärker zeigte der einfache Constant Fraction Algorithmus die beste Auflösung.
Fachspezifischer Anhang zur SPoL (Teil III): Studienfach Physik in den Studiengängen L2 und L5
(2008)
Im Rahmen dieser Arbeit wurde der am Frankfurter Institut für Kernphysik verwendete Aufbau zum Test der Front End Elektronik des ALICE Übergangsstrahlungsdetektors fertig gestellt und in Betrieb genommen. Die dazu benötigte Hard- und Software wurde auf entsprechenden Computersystemen installiert und für einen möglichst benutzerfreundlichen Ablauf der FEE-Tests angepasst, modifiziert und ergänzt.
In dieser Arbeit wurde der Aufbau und die Funktionsweise der ALICE TRD Ausleseelektronik beschrieben. Es wurden die einzelnen Testprozeduren, und darüber hinaus wie diese Prozeduren ein Höchstmaß an Funktionalität der FEE gewährleisten, diskutiert. Es wurde weiterhin diskutiert welche qualitativen und quantitativen Kriterien angewendet wurden um eine maximale Zuverlässigkeit der FEE zu garantieren. Die Grundlagen und die Funktionalität des Pulser-Testes wurden dabei besonders beleuchtet.
Die Hauptaufgabe, die mit dieser Diplomarbeit erfüllt werden sollte, stellt die Entwicklung einer graphischen Benutzeroberfläche dar, die alle test-relevanten Informationen zusammenfasst und aufbereitet. Die ALICE TRD Supermodule II bis V wurden über Skripte von der Kommandozeile aus getestet. Mit dem Supermodul VI wurde der Übergang zu diesem PVSS II - basierten graphischen Benutzerinterface vollzogen, so das es nun möglich ist die FEE der Auslesekammern für die Supermodule VII bis XVIII, also mindestens 720 Testdurchläufe, über diese Schnittstelle zu testen.
Die Weiterentwicklung, Verbesserung und Anpassung des graphischen Benutzerinterfaces an die Bedürfnisse des Testers ergibt sich dementsprechend als eine der sich an diese Arbeit anschließenden Aufgaben. Des Weiteren zählen zu diesen Aufgaben die Erweiterung der Tests um neue Komponenten und die Verbesserung der Datenarchivierung. Neben diesen Änderungen am Testsystem stellt sich die Aufgabe, ein möglichst stabiles und zuverlässiges Testsystem aufrecht zu erhalten, um immer einen gleichbleibenden, hohen Qualitätsstandart in vordefinierten Zeitrahmen liefern zu können.
Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung, der Aufbau und die Charakterisierung sowie Messung einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (engl.: Application Specific Integrated Circuit, ASIC). Sie dient der Auslese der im elektromagnetischen Kalorimeter des PANDA-Experiments eingesetzten Lawinenfotodioden. Jeder Auslesekanal beinhaltet in der Eingangsstufe einen ladungsempfindlichen Vorverstärker, gefolgt von einem Pulsformer sowie zwei Ausgangstreibern. Am Beginn der Entwicklung steht die Machbarkeitsstudie einer integrierten Ausleseelektronik, welche die anspruchsvollen Anforderungen des PANDA-Experiments erfüllt. Aus rauschtheoretischen Untersuchungen resultieren erste Entwurfsparameter für die Schaltung, die mit Hilfe umfangreicher Simulationen verbessert und ergänzt werden. Die technische Umsetzung der Schaltung erfolgt in einem 0,35 Micrometer-CMOS-Prozess der Firma Austria Mikrosysteme. Die Charakterisierung der integrierten Ausleseelektronik ergibt bei einer Umgebungstemperatur von T = - 20° C eine Shapingzeit des Signalpulses von tr = (124 ± 2) ns. Mit dem äquivalenten Rauschwert von ENC = (4456 ± 35) e- und einer maximal möglichen Eingangsladung von 7,84 pC folgt ein dynamischer Bereich von über 10 000. Der ratenunabhängige Leistungsbedarf eines einzelnen Auslesekanals beträgt P = (52, 4 ± 0, 2)mW. Damit erfüllt der in dieser Arbeit beschriebene ASIC Prototyp alle Anforderungen, die vom Experiment an die Ausleseelektronik gestellt werden.
In dem in dieser Arbeit vorgestellten Experiment wurde die Reaktion zwischen molekularem Wasserstoff und hochgeladenen langsamen Ar8+-Ionen untersucht. Ein Augenmerk wurde hierbei auf den Zweifachelektroneneinfang gelegt.
Anhand zwei durchgeführten Messungen mit unterschiedlichen Projektilgeschwindigkeiten 0,2 und 0,36 a.u. und unter zur Hilfenahme des so genannten „over-barrier-Modells“ sollte die Dynamik des H2-Moleküls während des Elektroneneinfangprozesses untersucht werden. Aus den daraus resultierten Ergebnissen sollte die Frage, ob der Einfangsprozess simultan oder sequentiell stattgefunden hat beantwortet werden.
Durch einfache Berechnungen kann mit dem „over-barrier-Modell“ die Distanz, welche das Projektil zwischen dem ersten und dem zweiten Elektroneneinfang zurücklegt, in Abhängigkeit von dem Stoßparameter ermittelt werden. Dieser Wert ist der Hauptbestand aller weiteren Berechnungen.
Die Spektren der Impulsüberträge in Abhängigkeit von der Ausrichtung des Moleküls zu dem Projektilstrahl haben gezeigt, dass das Projektil meist über und unter der Molekülachse streut anstatt links oder rechts am Molekül vorbei zu fliegen.
Die Auftragung der kinetischen Energie der Fragmente gegen den Transversalimpuls des Projektils (Abbildung 5.6) hat ergeben, dass größere Impulsüberträge für den Fall der senkrechten Stellung des Moleküls zu der Strahlachse, zu leicht erhöhten Aufbruchsenegien führt, was durch die Berechnung der Energie zu erklären ist.
Aus der Verteilung der kinetischen Energie (KER), welche die durch Dissoziation entstandenen Wasserstoffionen nach dem Stoß besitzen, kann auf den Verlauf der Reaktion zurück geschlossen werden.
Ein Vergleich der KER-Spektren für unterschiedliche Stoßparameter (Abbildung 5.8 und 5.9) bei festen Geschwindigkeiten hat für die zwei Messungen widersprüchliche Ergebnisse gezeigt. Zu erwarten war eine Verkleinerung der Energiewerte bei ansteigendem Stoßparameter. Dies konnte jedoch nur für den Fall in welchem die Projektilgeschwindigkeit 0,36 a.u. betrug bestätigt werden. Die Abweichung bei der ersten Messung kann durch statistische Fehler kommen, da die Anzahl der Messwerte, die für diese Messungen als „richtige“ angenommen worden, durch das Setzen von verschiedenen Bedingungen stark reduziert wurde.
Letztendlich wurde anhand der Variation der Stoßparameter bei festen Projektilgeschwindigkeiten die Zeitskala während des Stoßes eingeschätzt. Es wurde die Annahme getroffen, dass der Zweifachelektroneneinfang als zweistufiger Prozess abgelaufen ist und die maximal mögliche Zeitspanne zwischen dem ersten und dem zweiten Elektroneneinfang berechnet. Der Vergleich der daraus resultierten Werte mit der Oszillationsdauer des Wasserstoffmoleküls hat die getroffene Annahme widerlegt. Beide Messungen sind laut „over-barrier-Modell“ als einstufiger, schneller Übergang einzuordnen.
Das Ziel dieser Diplomarbeit war die Untersuchung der Reaktion des Zweifachelektroneneinfangs mit einem Augenmerk auf den Unterschied zwischen dem simultanen und dem sequentiellen Verlauf. Die Ergebnisse haben einen zweistufigen Prozess mit hoher Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen. Obwohl alle theoretischen Anforderungen für den Einsatz des „over-barrier-Modells“ erfüllt worden sind, hat sich herausgestellt, dass die gemessenen Werte nicht immer eindeutig interpretiert werden konnten. Das lässt darauf schließen, dass das Experiment noch verbessert werden kann, um mögliche Fehlerquellen zu reduzieren. Eine Möglichkeit zur Verbesserung wäre der Einbau eines Elektronendetektors, oder aber die Änderung des Projektilions. Auch längere Messzeiten wären statistisch gesehen von Vorteil. Für die Zukunft sind weitere Experimente mit veränderten Targetgasen und geänderten Projektilgeschwindigkeiten geplant.