pdf - Institut für Experimentelle Kernphysik

Auslese und
Funktionsstudien von
Mikrostreifengasdetektoren
Manuel Fahrer
Diplomarbeit
Institut für Experimentelle Kernphysik
Universität Karlsruhe
8. Februar 2000
IEKP-KA/2000-2

Diese Arbeit wurde nach den
alten Rechtschreibregeln
verfaßt.

Inhaltsverzeichnis
1 Einführung 11
1.1 Das Standardmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2 Der CMS-Detektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3 Ziel der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4 Aufbau der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2 Grundlagen 15
2.1 Wechselwirkungen von Teilchen in Materie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.1 Ionisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.2 Anregung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2 Aufbau und Funktion eines MF2-Mikrostreifendetektors . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3 Signalauswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3.1 Clusterdefinition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3.2 Signalverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3.3 Streifenrauschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3.4 Trefferbelegung des Detektors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3.5 Signal- über Rauschverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3.6 Clustergröße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4 Qualitätsmerkmale einer MSGC+GEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4.1 Effizienz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4.2 Reinheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4.3 Ortsauflösung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4.4 Defekte Streifen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3 Der Teststand für kosmische Myonen 25
3.1 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2 Elektronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2.1 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2.2 Ablaufsteuerung (Sequenzer) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2.3 Auslese-Auslöser (Trigger) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2.4 Auslese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2.5 Datennahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3 Programme zur Datennahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3.1 Ausleseprogramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3.2 Pulser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.4 Programme zur Online-Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3

4 INHALTSVERZEICHNIS
3.4.1 Ereignis-Anzeigeprogramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.4.2 Online-Monitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.5 Datenfluß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.6 Programme zur Offline-Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.6.1 Signal und seine Komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.6.2 Bestimmung des Pedestals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.6.3 Bestimmung des Chip-Rauschens (Common Mode) . . . . . . . . . . . . . . 38
3.6.4 Bestimmung des Rauschens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.6.5 Korrektur der Kathodengruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.6.6 Clustersuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.6.7 Zusammenfassung aller verwendeten Algorithmen . . . . . . . . . . . . . . 40
4 Testmessungen mit den MF2-Detektoren 43
4.1 Test der neuen MF2-Module im Teststand für kosmische Myonen . . . . . . . . . . 43
4.1.1 Ziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.1.2 Erster Qualitätstest der Detektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.1.3 Test der Elektronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.1.3.1 Pedestal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.1.3.2 Rauschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.1.4 Betriebstest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.1.4.1 Einstellung der Betriebsparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.1.4.2 Signalverteilungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.1.4.3 Clustergröße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.1.4.4 Clusterhäufigkeiten pro Ereignis . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.1.4.5 Trefferbelegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.1.4.6 Uniformität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.1.4.7 Kathodenunterschwung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.1.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.2 Tests von MF2-Prototypen mit Pionen und Protonen am PSI . . . . . . . . . . . . . 53
4.2.1 Ziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.2.2 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.2.3 Vorbereitende Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.2.4 Stabilität der Detektoreigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.2.4.1 Signal- über Rauschverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2.4.2 Clustergröße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2.5 Gefahrenquellen für die Detektorfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.2.5.1 elektrische Überschläge (Entladungen) . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.2.5.2 zu hohe Ströme durch den Detektor (Trips) . . . . . . . . . . . . . 56
4.2.5.3 Verlorene Streifen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.3 Test des ersten MF2-Prototypen mit Myonen im X5-Experiment . . . . . . . . . . . 60
4.3.1 Ziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.3.2 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.3.3 Einstellung der Betriebsparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.3.4 Spurrekonstruktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.3.5 Effizienz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.3.6 Reinheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.3.7 Ortsauflösung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

INHALTSVERZEICHNIS 5
5 Diskussion und Ausblick 67
5.1 Resumée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.2 Weiterer Ausbau des Teststandes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.2.1 Siliziumstreifen-Detektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.2.2 Der APV-Auslesechip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.2.3 Serienfertigung der Detektoren für den CMS-Vorwärts-Tracker . . . . . . . . 68
5.3 Tests mit kosmischer Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.4 Strahlzeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
A Beschreibung der Onlineprogramme 71
A.1 VME-Bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
A.2 Verwaltung der VXI-Bibliothek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
A.3 Pulser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
A.4 Konfigurationsprogramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
A.5 Ausleseprogramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
A.5.1 Auswahl der Art des Runs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
A.5.2 Datenverwaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
A.5.3 Zählwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
A.5.4 Sequenzer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
A.6 Anzeigeprogramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
A.6.1 Hinweise zur Bedienung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
A.6.2 Skalierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
A.7 Online-Monitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
A.7.1 LabView-Code-Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
A.7.2 Vorbereitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
A.7.3 Verfügbare Histogramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
A.7.4 Hinweise zur Bedienung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
A.7.5 Zählwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
B Beschreibung des Offlineanalyseprogramms 81
B.1 Fähigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
B.2 Detektorkonfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
B.3 Verfügbare Histogramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
B.4 Eingabeparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
B.5 Bedienung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
B.6 Programmodule und ihre Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
B.6.1 Hauptprogramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
B.6.2 Analyseroutinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
B.6.3 Hbook-Schnittstelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
B.6.4 Dateischnittstelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
C Quellcodes 87
C.1 Analyseroutine im Online-Monitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
C.2 Kathodenkorrektur im Offline-Analyseprogramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
C.3 Clusterfinder im Offline-Analyseprogramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
D Abkürzungen 91

6 INHALTSVERZEICHNIS

Abbildungsverzeichnis
2.1 Energieverlust von Myonen in Eisen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 Skizze: MF2-MSGC+GEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3 Skizze: MSGC-Prinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4 Foto: MF2-Detektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.5 Skizze: Zeitverhalten des Vorverstärkers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1 Skizze: Teststand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2 Foto: Teststand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.3 Skizze: Ausleseelektronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.4 Skizze: Auslesezyklus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.5 Skizze: Der PreMux-Chip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.6 Skizze: Triggerkette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.7 Skizze: Datenfluß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.8 Skizze: typisches Signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.9 Skizze: Kathodenunterschwung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.1 Cosmic: Pedestal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.2 Cosmic: Rauschverteilungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.3 Cosmic: mittleres Streifenrauschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.4 Cosmic: S/R-Verteilungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.5 Cosmic: Clustergrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.6 Cosmic: Clusterhäufigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.7 Cosmic: Trefferbelegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.8 Cosmic: Detektoruniformität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.9 Cosmic: Kathodenunterschwung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.10 PSI: typische S/R-Verteilungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.11 PSI: S/R über viele Runs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.12 PSI: Clustergröße über viele Runs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.13 PSI: Entladungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.14 PSI: verlorene Streifen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.15 PSI: Streifenrauschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.16 X5: Skizze des Aufbaus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.17 X5: S/R über Verzögerung und S/R-Verteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.18 X5: Residuen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.19 X5: Effizienz und Reinheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.20 X5: Clustergröße und Ortsauflösung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
7

8 ABBILDUNGSVERZEICHNIS
A.1 LabView-Programme Detektor-Konfiguration, Pulser, Auslese . . . . . . . . . . . . 77
A.2 LabView-Programm Ereignisanzeige . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
A.3 LabView-Programm Online-Monitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

Tabellenverzeichnis
1.1 Elementarteilchen des Standardmodells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2 Wechselwirkungen und Austauschteilchen des Standardmodells . . . . . . . . . . . 11
2.1 Erklärungen zum Foto des MF2-Detektors auf Seite 18 . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2 Streifendefekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.1 Erklärungen zum Foto des Teststandes auf Seite 27 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2 Datenspeicherung im Sirocco-FADC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3 Datenorganisation bei der Auslese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.1 Detektor-Betriebsspannungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.2 Tote Streifen vor und nach dem PSI 11/99 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
A.1 Online: Konfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
A.2 Online: Histogramme im Monitorprogramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
A.3 Online: Clusterinformationen im Monitorprogramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
B.1 Offline: Konfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
B.2 Offline: Histogramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
B.3 Offline: Analyse-Unterprogramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
B.4 Offline: Dateibehandlungs-Unterprogramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
9

10 TABELLENVERZEICHNIS

Kapitel 1
Einführung
1.1 Das Standardmodell
Ziel der Hochenergiephysik ist es, den Aufbau der Materie aus elementaren Teilchen und deren Wechselwirkungen
[1] untereinander zu verstehen. Nach unseren heutigen Vorstellungen, die durch das
Standardmodell (SM) beschrieben werden, besteht die Materie aus 2 Arten von Teilchen: Leptonen
und Quarks, die über verschiedene Wechselwirkungen (WW) miteinander kommunizieren. Diese
Wechselwirkungen werden durch sogenannte Feldteilchen vermittelt. Die Tabellen 1.1 und 1.2 fassen
das SM zusammen.
Leptonen Quarks
Elektron (e − ) Elektron-Neutrino (ν e −) up (u) down(d)
Myon (µ − ) Myon-Neutrino (ν µ −) charm (c) strange (s)
Tau (τ − ) Tau-Neutrino (ν τ −) top (t) bottom (b)
Positron (e + ) Anti-Elektron-Neutrino (ν e +) Anti-up (u) Anti-down (d)
Anti-Myon (µ + ) Anti-Myon-Neutrino (ν µ +) Anti-charm (c) Anti-strange (s)
Anti-Tau (τ + ) Anti-Tau-Neutrino (ν τ +) Anti-top (t) Anti-bottom (b)
Tabelle 1.1: Elementarteilchen
Wechselwirkung Austauschteilchen An der WW nehmen teil
elektromagnetische WW Photon (γ) e ± ,µ ± ,τ ± , alle Quarks
schwache WW W- und Z-Bosonen (W ± ,Z0) alle Leptonen und Quarks
starke WW Gluon (g) alle Quarks
Tabelle 1.2: Wechselwirkungen und ihre Austauschteilchen
Eine der großen offenen Fragestellungen ist die Herkunft der Masse dieser Elementarteilchen. Bislang
gibt es nur Spekulationen dazu, wie z.B. den Higgs-Mechanismus, der im Rahmen des SM
ein zusätzliches Teilchen, das Higgsboson H0, fordert. Der im Bau befindliche große Proton-Proton-
Kollider LHC 1 am CERN 2 soll diese Frage beantworten. Darüberhinaus besteht die große Hoffnung,
1 Large Hadron Collider
2 Centre Européene pour la Recherche Nucléaire
11

12 KAPITEL 1. EINFÜHRUNG
am LHC mit dem bisher bestmöglichen Auflösungsvermögen für Strukturen von bis zu 3 · 10 −21 m
neue Teilchen oder Wechselwirkungsphänomene zu entdecken.
1.2 Der CMS-Detektor
Der CMS 3 -Detektor am zukünftigen LHC soll z.B. das Higgs-Boson H0 nachweisen, falls dessen
Masse im Bereich von 90GeV bis 1TeV liegt. Eine Untersuchung der folgenden Zerfallskanäle [2] ist
vielversprechend [3]:
⎧
⎪⎨ γγ
H0 → Z0Z0
⎪⎩ W + W −
Der CMS-Detektor wird darauf optimiert sein, die Photonen und die leptonischen Zerfallsprodukte
von W ± und Z0 nachzuweisen.
Jeder Großdetektor benötigt dazu unter anderem einen Spurdetektor, d.h. einen Bereich, in dem die
gekrümmte Spur von geladenen Teilchen im Magnetfeld für ihre Impulsbestimmung verfolgt werden
kann.
Ein Teil des äußeren Spurdetektors von CMS sollte bis vor kurzem noch mit Mikrostreifen-Gasdetektoren
(MSGC 4 ) +Gas-Elektron-Vervielfacher (GEM 5 ) ausgestattet werden.
Da die Detektoren am LHC hoher Strahlenbelastung ausgesetzt sein werden, wurden die Detektoren
der 2.Generation (MF2 6 ) einem großen Belastungs- und Überlebenstest in einem hochintensiven
Strahl hochionisierender Teilchen (HIP 7 ) unterzogen.
1.3 Ziel der Arbeit
Es sollen die Daten von MSGC+GEM-Detektoren ausgelesen, verstanden und analysiert werden, um
zu erfahren, ob die Detektoren die Anforderungen, die man an sie im Rahmen von MF2 stellt, auch
erfüllen.
Zu diesem Zweck sollen Messungen an den Karlsruher MF2-Detektoren am institutseigenen Teststand
für kosmische Myonen als ersten Funktionstest nach der Herstellung durchgeführt und sowohl
während der Datennahme vorläufig als auch unabhängig von ihr gründlich ausgewertet werden.
Des weiteren sollen die Daten ausgewertet werden, die wir in zwei Strahlzeiten über unseren ersten
MSGC+GEM-Detektor gewonnen haben: Am Hochraten-Protonen- und Pionenstrahl am PSI 8 als
Belastungs- und Stabilitätstest und am Niederraten-Myonenstrahl am CERN als Spurrekonstruktionsund
Effizienztest.
1.4 Aufbau der Arbeit
Im Kapitel 2 werden neben den in dieser Arbeit relevanten Wechselwirkungen von Teilchen mit Materie
der Aufbau und die Funktion einer MSGC+GEM erläutert, sowie einige grundlegende Begriffe
3 Compakt Myon Solenoid
4 Micro Strip Gas Chamber
5 Gas Elektron Multiplier
6 Milestone Forward 2
7 Heavy Ionising Particle
8 Paul Scherrer Institut
(1.1)

1.4. AUFBAU DER ARBEIT 13
zur Datenanalyse geklärt.
In Kapitel 3 wird beschrieben, wie der Teststand für kosmische Myonen im Detail aufgebaut ist, und
wie er funktioniert. Ferner wird erklärt, mit welcher Software er erweitert wurde. Zuletzt wird der
Weg der Analyse der Daten, die dieser Teststand lieferte, beschrieben.
Im nächsten Kapitel (4) werden sowohl die Messungen der im September 1999 in Karlsruhe gebauten
MF2-Detektoren mit diesem Teststand beschrieben (Kap. 4.1) als auch die Messungen des im März
gebauten Prototyps am PSI (Kap. 4.2) und am X5/CERN (4.3).
Zum Schluß des Hauptteils (Kap. 5) werden die Ergebnisse dieser Arbeit kurz zusammengefaßt. Es
wird ferner ein Ausblick auf die Ausbaumöglichkeiten des Teststandes gegeben. Zuletzt werden Vorund
Nachteile von Strahlzeiten gegenüber Messungen mit kosmischen Myonen erörtert.
Im Anhang wird die Funktion der Programme beschrieben, mit denen der Teststand erweitert wurde
(A), und die für die Offline-Analyse der Teststand-Daten verwendet wurden (B).
Im vorletzten Anhang (C) sind die zentralen Programmeinheiten der Offline-Analyse-Software abgedruckt.
Im letzten Anhang (D) findet man noch eine alphabethische Liste der in dieser Arbeit verwendeten
Abkürzungen.

14 KAPITEL 1. EINFÜHRUNG

Kapitel 2
Grundlagen
2.1 Wechselwirkungen von Teilchen in Materie
Für das Verständnis der Funktion von Detektoren sind Kenntnisse über die Wechselwirkung von
Teilchen mit Materie notwendig. In diesem Kapitel sollen diejenigen Wechselwirkungsprozesse eingeführt
werden, die für das Verständnis der in dieser Arbeit vorkommenden Detektortypen (MSGCs
und Szintillatoren) relevant sind.
2.1.1 Ionisation [4, 2]
Abbildung 2.1: Energieverlust von Myonen in Eisen [5]
Schwere, geladene und mäßig relativistische Teilchen verlieren beim Durchgang durch Materie die
meiste Energie durch Ionisation. Ihr Energieverlust pro Wegstrecke dE/dx gehorcht in diesem Fall
der Bethe-Bloch-Formel [2], die in Abb. 2.1 grafisch für Myonen durch Eisen dargestellt ist. Teilchen
mit einer Energie in der Nähe des dE/dx-Minimums heißen minimal ionisierend (MIP 1 ).
1 minimum ionising particle
15

16 KAPITEL 2. GRUNDLAGEN
2.1.2 Anregung [2]
Ein Teilchen, das Materie passiert, muß nicht sofort ein Elektron aus einem Atomverband herausschlagen.
Es kommt auch vor, daß ein Atom nur angeregt wird, d.h. daß ein Elektron auf eine höhere
energetische Stufe angehoben wird. Bei der Rückkehr des Elektrons in den Ausgangszustand wird die
Energiedifferenz als Photon abgestrahlt.
Diesen Sachverhalt macht man sich in Szintillationszählern zunutze. Meistens werden dort die Photonen
mit einem Photomultiplier nachgewiesen: Die Photonen schlagen aus der Photokathode Elektronen,
die dann in einer Dynodenstruktur, die ein ansteigendes elektrisches Potential besitzt, verstärkt
werden.
2.2 Aufbau und Funktion eines MF2-Mikrostreifendetektors
In demjenigen Bereich des äußeren Spurdetektors von CMS, der die kleinen Winkel bezüglich des
Strahls abdeckt (Vorwärtsbereich), sollten MSGC+GEM als die Detektoren der zweiten Generation
(MF2) eingesetzt werden [6]. Da die Detektoren im Vorwärtsbereich in einem geschlossenen Ring angeordnet
werden sollen, besitzen sie eine kreissektor-förmige Fläche, die 24 ◦ überdeckt. Die Anodenund
Kathodenstreifen verlaufen dabei radial. Der Abstand des Zentrums eines Anodenstreifens vom
(imaginären) Mittelpunkt des Detektors ist etwa 90cm (siehe Kap. 4.3.7). Daraus ergibt sich für den
ganzen Detektor eine mittlere Bogenlänge von ca. 38cm.
Driftkathode
GEM-Folie
Anoden-
Kathoden-
Streifen
Substrat
3000
2000
200
100 10
Spannung (V)
50
300
-3000
-1500
-1100
Abbildung 2.2: Querschnitt durch eine MF2-MSGC+GEM mit typischen Spannungseinstellungen.
Alle Längenangaben (kursiv) in µm
Abb. 2.2 zeigt, daß eine MSGC+GEM im wesentlichen aus 3 Bestandteilen aufgebaut ist [7, 8]:
nämlich der Driftkathode, der GEM-Folie und dem Substrat. Dazwischen befindet sich ein Gemisch
aus einem Edelgas (Argon oder Neon) und einem sogenannten Lösch(Quentch)gas (CO2 oder DME 2 ).
Bei der GEM-Folie handelt es sich um eine 50µm dicke Kaptonfolie, die auf beiden Seiten mit Kupfer
2 DiMethyl-Ether
- 400
0

2.2. AUFBAU UND FUNKTION EINES MF2-MIKROSTREIFENDETEKTORS 17
beschichtet ist [9]. An beide Seiten werden unterschiedliche Spannungen angelegt. Das entscheidende
ist nun, daß sie zahlreiche Löcher enthält, wo wegen dieser Spannungsdifferenz und des kleinen
Abstandes der beiden Seiten hohe elektrische Felder herrschen.
Der Aufbau des Substrats ist in Abb. 2.3 skizziert. Kathodenstreifen, die in 16er-Gruppen mit der
Zur Hochspannungs-Versorgung
R
-400V 0V
Abbildung 2.3: Prinzip einer MSGC
Verstärker
Hochspannungsversorgung verbunden sind, greifen in die auf Masse liegenden Anodenstreifen, die
über Vorverstärker mit der Auslese verbunden sind. Auf einem Substrat befinden sich 512 Anodenstreifen.
Ihre Länge beträgt ca. 10 cm und ihr Abstand 200 µm. Die Verstärkerelektronik von jeweils
128 Streifen ist in einem Chip integriert. 4 Chips sind zu einem Auslesehybriden zusammengefaßt. Ein
Auslesehybrid bedient ein Substrat. Ein MF2-Detektor ist aus vier getrennten Substraten zusammengesetzt.
Für die Tests wurden aber nur die beiden mittleren Substrate mit Auslesehybriden bestückt.
1 Hochspannungsanschlüße 5 Hochspannungshybrid
2 Gasanschlüße 6 Auslesesignalkabel
3 ein Substrat 7 Auslesezusatzkarte (Wing)
4 Auslesehybrid (unter der Kupferabdeckung)
Tabelle 2.1: Erklärungen zum Foto des MF2-Detektors auf Seite 18
In Abb. 2.4 ist ein MF2-Detektor in natura zu sehen (mit Hochspanungs- und Gasanschlüßen und
den Auslesehybriden unter der Kupferabdeckung) [6].
Durchquert nun ein Teilchen den oberen Gasraum (Driftbereich), so ionisiert es typischerweise 50
bis 100 Atome [10, 11] und erzeugt somit ebenso viele Elektron-Ionen-Paare. Die positiven Ionen
wandern aufgrund des Driftfeldes zur negativen Driftkathode, die Elektronen (Primärladungen) wer-
Zur Auslese

18 KAPITEL 2. GRUNDLAGEN
2
4
3
5
6
Abbildung 2.4: MF2-Detektor
den in Richtung der positiveren GEM-Oberseite beschleunigt. Dort gelangen einige Elektronen in
die Löcher, wo sie vom dort herrschenden, sehr starken Feld beschleunigt werden. Dabei erhalten
sie genügend Energie, um weitere Atome zu ionisieren, welche wiederum beschleunigt werden
und Ionisationen verursachen (Gasverstärkung). Die Elektron-Vervielfachung am GEM ereicht
10 3 [12] bis 10 5 [13]. Die an der Unterseite der GEM-Folie angelangten vervielfachten Elektronen
(Sekundärladungen) werden nun entlang des Transferfeldes zum positiveren Substrat hin beschleunigt.
Dort geraten sie nochmals in den Einfluß eines großen elektrischen Feldes, nämlich in das
Feld zwischen den Kathoden- und Anodenstreifen. Dort findet weitere Gasverstärkung statt. Typische
Verstärkungen liegen in der Größenordnung von 10 3 bis 10 4 [14]. Das beobachtete Signal wächst exponentiell
mit der Verstärkungsspannung an. Mit den üblicherweise benutzten Gasmischungen führen
eine Erhöhung der Kathodenspannung um etwa 40V [15] und der GEM-Spannugsdifferenz um etwa
30V [16] jeweils zu einer Verdoppelung der Gasverstärkung.
Die Gesamtverstärkung ist das Produkt aus GEM- und MSGC-Verstärkung. Diese Zahl wird jedoch
reduziert um einen Verlustfaktor der GEM-verstärkten Elektronen (Transparenz der GEM-Folie),
der von der GEM-Geometrie und den Feldern zwischen den beiden Gasräumen abhängt. Ferner
ist die Idee des 2-fach Vervielfacher-Konzepts (MSGC+GEM), aufgrund der GEM-Verstärkung die
Kathoden-Anoden-Spannung nicht auf maximale Werte und damit maximalen Elektronen-Gewinn
einstellen zu müssen. Es soll damit die Zahl der elektrischen Überschläge zwischen Anoden- und Ka-
7
1

2.3. SIGNALAUSWERTUNG 19
thodenstreifen minimiert werden [17].
Der totale Elektronengewinn beträgt also bei einer MSGC+GEM ca. 15.000 [18]. Somit werden in
der Größenordnung von 10 5 bis 10 6 Sekundärelektronen erzeugt, was einer Ladung von 10 bis 100
fCb entspricht.
Diese Elektronen driften nun zu den positiveren Anoden, und zwar viel schneller als die Ionen zu
den Kathoden, so daß die Elektronen nur minimal zur Signalentstehung beitragen, wie man in Abb.
2.5 erkennen kann: Während sich der Hauptteil des Signals aufbaut, haben bereits alle Elektronen den
Vorverstärker passiert und werden deshalb kaum von ihm wahrgenommen [19]. Das ausgelesene Si-
N
Elektronen
Ionen
Zeit
Abbildung 2.5: Zeitverhalten des Vorverstärkers
gnal wird hauptsächlich von den wegdriftenden Ionen erzeugt. Dabei bilden sich auf den Anoden die
zu den positiven Ionen gehörenden negativen Spiegelladungen, die später das Treffersignal als Elektronenstrom
von den Anoden in die Verstärker formen. Die Ionen werden an den Kathodenstreifen
neutralisiert.
Dabei tritt ein Effekt auf, der typisch für MSGCs ist: Bei der Neutralisierung der Ionen müssen die
Kathoden Elektronen abgeben, wodurch sie positiver werden. Da jeweils 16 Kathodenstreifen über
ihren gemeinsamen Anschluß an die Hochspannungsversorgung miteinander verbunden sind, werden
alle Streifen dieser Gruppe etwas positiver. Damit müssen sich weitere negative Spiegelladungen auf
den Anoden bilden, während aber das Signal bereits im Vorverstärker am Entstehen ist. Dazu muß ein
Strom von Elektronen vom Verstärker auf die Anoden der ganzen Gruppe fließen, was der umgekehrten
Stromrichtung entspricht. Daher sieht man auf allen Anoden der Gruppe ein Signal, welches in
die andere Richtung als das Treffersignal zeigt (Kathodenunterschwung). Das Signal muß auf diesen
Unterschwung korrigiert werden, weil ja die Signal-Elektronen von der Anodenseite in den Verstärker
flossen, aber gleichzeitig auch die Kathoden-Spiegel-Elektronen von der anderen Seite her. Darum
wurden vom Verstärker in der Summe nicht alle Signal-Elektronen gesehen, sondern nur die um die
Spiegel-Elektronen reduzierten.
2.3 Signalauswertung
Um die vom Detektor kommenden Daten richtig zu verstehen und um auch Vergleichsmöglichkeiten
mit anderen Analysen zu haben, müssen einige Definitionen geklärt werden.

20 KAPITEL 2. GRUNDLAGEN
2.3.1 Clusterdefinition
Nachdem das Signal aller Streifen eines Detektors verschiedene Korrekturschritte (siehe Kap. 3.6.1)
durchlaufen hat, kann man nach getroffenen Streifen suchen. Da sich eine Ladungswolke in den allermeisten
Fällen auf mindestens 2 Streifen verteilt, sucht man nach allen Streifen, deren Signal eine
bestimmte Schwelle über dem elektronischen Rauschen überschreitet und erklärt diese Streifen für
getroffen. Nun faßt man benachbarte getroffene Streifen zu Clustern, also ursprünglich zur selben
Ladungswolke gehörend, zusammen [20].
2.3.2 Signalverteilung
Die Summe aller Streifensignale eines Clusters bestimmt die Clusterladung. Sie wird in den folgenden
Analysen in den Einheiten des auslesenden ADC’s (ADC-Counts) angegeben. In einem dünnen
Detektor, wie er im Falle von MF2 vorliegt, ist die Primärladung infolge von Fluktuationen beim
Energieverlust nahezu ’landauverteilt’. Da bei denselben Betriebsbedingungen gilt
Primärladung ∝ Sekundärladung ∝ Clusterladung, (2.1)
ist auch die Clusterladung landauverteilt. Typische Werte für die Sekundärladung sind in Kap. 2.2
angegeben. Die folgende Funktion N(x) kann für unsere Untersuchungen als gute Näherung für die
Landauverteilung verwendet werden [21].
N(x) = N0 e −1
2 (λ+e−λ )
mit λ =
x − x0
Dabei ist N0 die Normierungskonstante. (Die Normierung kann nicht analytisch, d.h. exakt, durchgeführt
werden.) x0 gibt die Lage des Maximums und σL die Breite der Verteilung an.
Abb. 4.4 zeigt eine typische Landauverteilung. Die Asymetrie zu höheren Werten ist die Folge von
zufälligen Stößen mit relativ hohem Energieverlust (δ-Elektronen).
2.3.3 Streifenrauschen
σL
Nachdem ein Signal aus einem Ereignis ohne Treffer alle Korrekturen durchlaufen hat (Siehe Kap.3.6.1),
bleibt nicht etwa das Null-Signal übrig, sondern es bleibt ein (kleiner) Rest, das Rauschen, welches
verschiedene Komponenten enthält [22]:
• Die Elektronen in einer Kapazität C sind in thermischer Bewegung, wodurch Fluktuationen der
gespeicherten Ladung verursacht werden. Ihre Breite liegt in der Größenordnung von C
pF ·102 Elektronen.
• Bei Ladungsmengen von nur einigen 10 5 Elektronen spielt die Quantisierung der Ladung eine
Rolle. Die Breite der dadurch verursachten Fluktuationen liegt in der Größenordnung von 10 3
Elektronen.
• Das Gesamtrauschen liegt also in der Größenordnung von 10 4 Elektronen ≈ 1 fCb.
Das Rauschen eines Streifens stellt kaum ein Problem dar, wenn man seine Form und Größe kennt:
Es ist in der Regel um Null herum gaußverteilt, d.h. sein Mittelwert über viele Ereignisse ist Null.
Auch der Mittelwert des Rauschens über viele Streifen in einem Ereignis ist Null, falls die Rauschverteilung
der betreffenden Streifen dieselbe Breite hat. Diese Breite ist das Maß für das Rauschen eines
Streifens.
(2.2)

2.3. SIGNALAUSWERTUNG 21
2.3.4 Trefferbelegung des Detektors
Die Breite der Rauschverteilung gibt die Schwelle für die Clustersuche vor: Falls das Signal eines
Streifens ein bestimmtes Vielfaches seines Rauschens beträgt, gilt er als getroffen. Falls der höchste
Streifen in einem Cluster eine weitere, strengere Schwelle überschreitet, wird der ganze Cluster als
solcher akzeptiert und weiterverwendet.
Trägt man nun auf, wie oft ein Streifen des Detektors während vieler Ereignisse der größte Streifen
in einem Cluster war, so erhält man die Trefferbelegung. Ihre Homogenität gibt einen Anhaltspunkt
für die (gute) Funktion des Detektors. Alternativ kann man anstatt der Lage des höchsten Streifens
auch den Schwerpunkt des Clusters auftragen, was in der Regel für diesen Zweck keinen Unterschied
macht.
2.3.5 Signal- über Rauschverteilung
Das Maximum der Signalverteilung, wie sie oben eingeführt wurde, ist ein Maß für die Gasverstärkung
des Detektors. Sie hängt allerdings auch von der elektronischen Verstärkung ab. Falls man stets dieselbe
Elektronik verwenden würde, könnte man direkt die Signalverteilungen miteinander vergleichen.
Nun möchte man aber die Daten aus baugleichen Detektoren bei gleichen Spannungen, aber
bei verschiedenen elektronischen Umgebungsbedingungen miteinander vergleichen. Dazu führt man
die Größe Signal- über Rauschverhältnis S/R ein. Denn sie ist von der elektronischen Verstärkung
unabhängig. Die folgende Abschätzung soll die in allen Analysen benutzte Definition des S/R nach
TDR 3 [23] motivieren:
Signal
(TDR) =
Rauschen
= primäre Signalladung · Gasverstärkung · elektronische Verstärkung
= primäre Signalladung · Gasverstärkung
Clusterladung
Streifenrauschen
primäre Rauschladung · elektronische Verstärkung
primäre Rauschladung
Die primäre Rauschladung sollte für alle Detektoren gleich sein, falls ihre Streifen gleich lang sind,
und falls sie mit derselben Art von Auslesechips bestückt sind. Die Primärladung ist für alle baugleichen
und mit demselben Gas gefüllten Detektoren auf dieselbe Weise landauverteilt. Somit bleibt
als Vergleichsgröße die Gasverstärkung übrig, welche sich nun je nach Qualität der Detektoren und
sonstigen Problemen bei ihrem Betrieb unterscheiden können.
Mathematisch erhält man aus den Clusterinformationen die TDR-Definition folgendermaßen:
S
(TDR) =
R
Nk=1 SK
1 Nk=1 N σ2 k
N ist die Anzahl der Streifen im Cluster. Sk und σk sind das Signal bzw. Rauschen des k-ten Streifens
im Cluster. Es handelt sich also um das Verhältnis von Clusterladung zu mittlerem Streifenrauschen
im Cluster. Für einen guten Detektor erwartet man ohnehin ein etwa konstantes Rauschen für alle
Streifen des Detektors. Aus diesem Grund sind diese S/R-Werte ebenfalls landauverteilt.
3 Technical Design Report
(2.3)
(2.4)

22 KAPITEL 2. GRUNDLAGEN
Es sind noch weitere S/R-Definitionen im Umlauf. Eine der gebräuchlichsten soll hier genannt werden:
Nk=1 S
SK
(LYON) =
R Nk=1
σ2 k
(2.5)
Es wird diesmal also durch das gesamte Rauschen des Clusters dividiert. Da die Cluster eine verschiedene
Anzahl von Streifen besitzen, ist die Summe im Nenner im allgemeinen verschieden, deshalb
erwartet man mit dieser Definition auch keine Landauverteilung.
Diese Definition wird in einem Online-Monitor-Programm für PSI-Strahlzeiten und einem Offline-
Analyse-Programm [24] verwendet. Die Clusterdaten des letzteren Programms können mit der geeigneten
Korrektur in die TDR-Definition umgerechnet werden:
S S
(TDR) =
R R (LYON) · √ N (2.6)
Für alle Analysen wurde immer der größte im Ereignis gefundene Cluster verwendet, da es das
zugehörige Teilchen ist, das höchstwahrscheinlich die Auslese ausgelöst hat (Trigger). Mischt man
die Signale von Trigger- und Nicht-Trigger-Teilchen, so erhält man keine Landauverteilung mehr,
da die Nicht-Trigger-Teilchen in der Regel zur falschen Zeit auf der Signalentstehungskurve 2.5 den
Detektor passiert haben.
2.3.6 Clustergröße
Im Prinzip wurde sie schon erwähnt: Sie bezeichnet die Anzahl der Streifen im Cluster (N) und ist
vom verwendeten Gasgemisch abhängig: Bei der Diffusion in Ar:CO2 70:30 sind die Streuung der
Ladungsträger und damit die Cluster größer als in Ne:DME 40:60.
2.4 Qualitätsmerkmale einer MSGC+GEM
Die bisher beschriebenen Auswerteschritte waren nur das Mittel, um die eigentlich wichtigen Detektoreigenschaften
zu erhalten. Im Rahmen der Testmessungen am hochenergetischen Myonenstrahl des
CERN (Kap. 4.3) werden die Definitionen der folgenden drei Merkmale exakt genannt und ausführlich
motiviert.
2.4.1 Effizienz
Sie gibt an, wie groß die Wahrscheinlichkeit für den Nachweis eines Teilchendurchgangs im Detektor
ist. Dabei kommt es nicht darauf an, daß der Detektor an irgendeiner Stelle einen Treffer registriert
hat, sondern in einem engen Bereich um den Punkt, wo man den Treffer aus Referenzmessungen
erwartet.
Von einem MF2-Detektor wird eine Effizienz von ≥ 98% gefordert.
2.4.2 Reinheit
Es kann passieren, daß ein Detektor auch dort Cluster nachweist, wo kein Teilchendurchgang stattgefunden
hat. Die Reinheit gibt Auskunft darüber, wie hoch der Anteil an wahren Clustern in der Menge
aller gefundenen Cluster ist.
Die Reinheit hängt nicht nur von der Qualität des Detektors ab, sondern auch von den Fähigkeiten der

2.4. QUALITÄTSMERKMALE EINER MSGC+GEM 23
Art des Defektes Auswirkungen auf die Daten
Der Streifen ist gebrochen Sein Rauschen ist niedriger als das der anderen
Die Umgebung des Streifens ist verunreinigt Sein Rauschen ist höher, deshalb sieht er weniger
Treffer
Sein Kontakt zum Auslesechip ist abgerissen Er hat ein deutlich verringertes Rauschen
und sieht niemals Treffer
Der Kontakt einer Kathodengruppe mit der Die ganze Gruppe der umschlossenen Anoden sieht
Hochspannungsversorgung ist abgebrochen niemals Treffer. Ihr Rauschen ist jedoch normal
Tabelle 2.2: Streifendefekte und ihre Folgen
verwendeten Analyse-Algorithmen, ’falsche’ Cluster zu eliminieren, und vor allem von den Signal-
Schwellen bei der Clustersuche. Daher kann sie stark schwanken. In unserem Fall liegt sie zwischen
50% und 95%!
Ferner sind Effizienz und Reinheit miteinander korreliert: eine Verbesserung der Reinheit zieht oft
Effizienzverluste nach sich und umgekehrt.
2.4.3 Ortsauflösung
Wenn man Spuren durch einen Tracker verfolgen will, so ist man auch daran interessiert, wie genau
der Verlauf der Spuren bekannt ist. Die Ortsauflösung gibt an, mit welchem statistischen Fehler der
gemessene Ort eines Teilchendurchgangs behaftet ist. Sie liegt in der Größenordnung von 50µm.
2.4.4 Defekte Streifen
Am LHC wird die Belastung der Detektoren durch hochionisierende Teilchen sehr groß sein. Deshalb
muß man Detektoren bauen, die bei dieser Strahlenbelastung während 10 Jahren LHC-Betrieb
möglichst wenig Streifen verlieren. Ein Streifenverlust kann nie ganz ausgeschlossen werden, deshalb
ist es für den Betrieb einer Kammer innerhalb eines Spurdetektors sehr wichtig zu wissen, welche
Bereiche (Streifen) des Detektors zuverlässige Spurinformationen liefern. In diesem Sinne gilt ein
Streifen als nicht defekt, wenn er überhaupt Treffersignale liefert, und wenn diese Signale stets von
Teilchendurchgängen stammen.
Diese Definition ist recht allgemein formuliert und kann auch nicht spezieller angegeben werden, da
es mehrere Ursachen dafür gibt, daß ein Streifen nicht korrekt arbeitet (Tabelle 2.2).
Daraus ergeben sich verschiedene Methoden, defekte Streifen zu finden:
Trefferbelegung (T): Falls trotz ausreichender Statistik ein Streifen keinen Treffer zeigt, ist er mit
großer Wahrscheinlichkeit nicht funktionsfähig. Damit dieser Streifen nicht fälschlich durch statistische
Unterbelegung für ’tot’ erklärt wird, wurde in dieser Analyse folgendes Kriterium eingeführt:
Der Streifen k wird als defekt aufgrund seiner Trefferzahl Nk eingestuft, wenn
N = Nk−1 + Nk+1
2
N − Nk ≥ 5 · ∆Nstat = 5 · N (2.7)
also, wenn er den Mittelwert seiner Nachbarn um mehr als das 5-fache des statistischen Fehlers unterschreitet.

24 KAPITEL 2. GRUNDLAGEN
Streifenrauschen (R): Ein Streifen gilt in dieser Analyse als geschädigt, wenn sein Rauschen deutlich
unter dem der anderen liegt:
σk ≤ σ · 90% (2.8)
Dieser scharfe Schnitt ist legitim und sogar notwendig, falls das Streifenrauschen (zumindest lokal)
sehr gleichmäßig ist.
Man kann nun vergleichen, wieviele Streifen aufgrund des einen oder des anderen und wieviele aufgrund
des einen und des anderen Verfahrens als tot bzw. geschädigt identifiziert wurden.
Im allgemeinen wird ein Streifen für tot erklärt, wenn er mit beiden Methoden als geschädigt identifiziert
wurde.
Die beschriebene Methode kann nur einen Anhaltspunkt für den Streifenverlust liefern. Die endgültige
Klärung über die tatsächliche Anzahl und Art der Defekte kann erst das (irreversible!) Öffnen des
Detektors und das Betrachten der Substrate unter dem Mikroskop oder das Überprüfen aller Anoden-
PreMux-Verbindungen liefern.

Kapitel 3
Der Teststand für kosmische Myonen
3.1 Aufbau
11
12
11
12
4
2
30
20
MF2-19 MF2-19
MF2-10
MF2-11
MF2-6
Szint. oben
Szint. Mitte
Eisen
Szint. unten
Abbildung 3.1: Schematischer Aufbau des Teststandes (alle Längenangaben in cm). Beispiele für
Teilchenspuren: Spur durch alle Detektoren (schwarz). Aufgrund des Triggers mögliche Spuren, die
nicht alle Detektoren treffen (grau gestrichelt)
In Abb.3.1 ist der Aufbau des Teststandes für kosmische Myonen skizziert und in Abb.3.2 als
Fotografie zu sehen. Mit seiner Hilfe wurden 4 MF2-Detektoren getestet. Je 2 Detektoren wurden auf
eine Aluminiumplatte montiert, einer mit der aktiven Detektorseite nach oben, der andere nach unten.
Es wurden drei Szintillationszähler in Koinzidenz geschaltet. Das bedeutet, daß erst dann ein Startsignal
für die Auslese (Trigger) gegeben wird, wenn alle 3 Szintillatoren das Teilchen gesehen haben.
25

26 KAPITEL 3. DER TESTSTAND FÜR KOSMISCHE MYONEN
Der mittlere Szintillator wurde etwa genauso groß dimensioniert wie die aktive Fläche der Detektoren,
damit möglichst wenig Trigger-Ereignisse auftreten, bei denen nicht alle Detektoren getroffen werden.
Trotzdem sind mit dieser Geometrie solche Ereignisse möglich, wie die beiden eingezeichneten
grauen Spuren zeigen. Die beiden anderen Szintillatoren sind etwas größer als der mittlere, um mehr
Ereignisse zu erhalten, da so auch schrägere Spuren zugelassen werden.
Eine vor dem letzten Szintillator angebrachte 2cm dicke Eisenplatte soll die von schnellen δ-Elektronen
verursachten niederenergetischen Aufschauerungen herausfiltern, um aufgrund solcher Teilchen keinen
Trigger auszulösen. Ferner ist der gesamte Teststand im Kellergeschoß eines dreistöckigen Gebäudes
untergebracht. Somit werden überwiegend nur noch kosmische Myonen nachgewiesen.
1 VME-Crate-Controller 13 Zur Gasversorgung
2 Sequenzer 14 Gasflußkontrolle
3 Sirocco FADC 15 Hochspannungsversorgung des unteren Szintillators
4 Pulser 16 Hochspannungsversorgung des mittleren Szintillators
5 Diskriminator 17 Hochspannungsversorgung des oberen Szintillators
6 NIM-Logik 18 oberer Szintillator
7 Triggerkarte 19 Detektoren MF2-19 und MF2-10
8 NIM-Crate 20 mittlerer Szintillator
9 VME-Crate 21 Detektoren MF2-11 und MF2-6
10 zum Datennahme-PC 22 Eisenplatte
11 Hochspannungsversorgung 23 darunter: Szintillator unten
12 zur Hochspannungssteuerung und -Kontrolle
Tabelle 3.1: Erklärungen zum Foto des Teststandes auf Seite 27

3.1. AUFBAU 27
23
19
21
18
20
22
1
14
Abbildung 3.2: Aufbau des Teststandes
8
2 3
11
9
17
16
15
5
10
6 7
4
12
13

28 KAPITEL 3. DER TESTSTAND FÜR KOSMISCHE MYONEN
VME
Bus
✲✛
✲✛
✲✛
✲✛
✲✛
FADC 2
FADC 1Kanal 0
Kanal 1
SEQUENZER
PULSER
Konvertierungs-Takt
Start der
Auslese-Sequenz
CRATE
CONTROLLER
✛
✛
✛
✲
✛ ✲
✛
✛
✲ SERVICE
BOARD 1
✛
✛
Analoge Daten
PreMux-Takt
& Token
TRIGGER
KARTE
✻ ✻✻✻
✲
✲
✲
✲
Hold
Signal
SERVICE
BOARD 3
SERVICE
BOARD 2
von den Szintillatoren
Abbildung 3.3: Blockschaltbild der Ausleseelektronik [25]
PreMux
Zeitgeber
und Token
✡✡✢
✲
✲
✲
HYBRID
HYBRID
HYBRID
HYBRID

3.1. AUFBAU 29
✻
initialize sequencer
❄
✻
enable FADC
❄
✻
enable sequencer
❄
✻
wait for trigger
❄
✻
wait for end of conversion
❄
✻
event data read–out
❄
✬
✬
✻
✻
✫
✛
FADC
Loop
❄
SEQ disable trigger
✬ ✲
✛
✟
❄
❍
✟
✟ ❍❍
✟ FADC ❍
❍ ✟no
❍ ready?
❍
❍✟
✟✟
yes
✻
✫
✫
SEQ reset
❄
SEQ set premux mode
❄
SEQ set delay
❄
SEQ enable trigger
✲
✲
❄
FADC reset
❄
FADC set counter
❄
FADC start
❄
SEQ reset
❄
SEQ start
❄
SEQ enable trigger
✛
✟
✟❄❍
❍❍
✟
✟ SEQ
❍
❍
❍ trigger? ✟no
❍ ✟✟
❍✟
yes
❄
read FADC memory
✛
✛
FADC
Loop
✩
✩
❄
✪
✩
Abbildung 3.4: Flußdiagramm des Auslesezyklus [25]
❄
❄
Event
✪Loop
✪

30 KAPITEL 3. DER TESTSTAND FÜR KOSMISCHE MYONEN
3.2 Elektronik
3.2.1 Überblick
Abbildung 3.5: Blockschaltbild des PreMux-Chips [26]
Die Aufgabe der hier beschriebenen Elektronik (siehe Abb. 3.3) ist es, den gesamten Ablauf der Detektorauslese
zu steuern. In Abb. 3.4 ist der Auslesezyklus schematisch dargestellt.
Durchläuft ein Teilchen alle drei Szintillatoren, so löst die Triggerkarte ein Signal aus, welches an die
Auslesesteuerungskarte (SBM 1 ) als Holdsignal und an den Sequenzer als Startsignal weitergegeben
wird. Das SBM gibt daraufhin den PreMux 2 - Auslese-Chips [28] den Befehl, ihr Signal zu behalten,
1 SBM, engl:Server-Board-Module
2 Preamplifier- (dt.Vorverstärker) Multiplexer

3.2. ELEKTRONIK 31
bis der Sequenzer den schnellen Analog-zu-Digital-Konverter 3 bereit gemacht hat, Daten zu empfangen.
Dann gibt der Sequenzer den Befehl an das SBM, die PreMux-Chips auszulesen. Die vom
PreMux ausgelesenen und in Serie angeordneten Streifen-Signale werden vom SBM an den FADC
weitergegeben und dort in digitale Werte umgewandelt, von wo sie über einen VME-Bus und eine
PC-Schnittstelle in den PC gelangen, um dort weiterverarbeitet (gespeichert und analysiert) zu werden.
Das Ausleseprogramm steuert die eben beschriebene Sequenz, speichert die Daten und bereitet sie
für die Online-Analyse vor. Mit der Ereignis-Anzeige kann man die Daten roh und mit verschiedenen
Korrekturen versehen betrachten. Der Online-Monitor wertet die Daten aus und zeigt die wichtigsten
Detektor-Eigenschaften direkt auf dem Bildschirm an.
3.2.2 Ablaufsteuerung (Sequenzer)
Der Sequenzer steuert den Ablauf von Triggerung, Auslese und Datennahme. Er ist als VME-Steckkarte
realisiert. Daher kann er direkt über die PC-Schnittstelle angesteuert werden. Bevor er arbeiten kann,
muß er initialisiert werden. Dabei werden in seine Register Standardwerte geschrieben (Reset), die
Verzögerung (Delay) gesetzt und die Triggerung in Bereitschaft gebracht. Nachdem er von der Trigger-
Karte ein Trigger-Signal erhalten hat, wird seine Triggerbereitschaft abgeschaltet, damit kein weiteres
Triggersignal den Zyklus stören kann. Nach dem Verstreichen der Verzögerungszeit gibt er dem SBM
das Auslese-Erlaubnis-Signal (Token) und den Auslesetakt (PreMux-Takt) sowie gleichzeitig dem
FADC den Konvertierungstakt. Er synchronisiert also die sequenzielle Auslese der Spannungswerte
im SBM mit ihrer Konvertierung im FADC.
Das Abwarten eines Delays ist notwendig, weil die PreMux-Chips eine gewisse Zeit dafür benötigen,
ihre Daten von den Kondensatoren ins Schieberegister zu laden (siehe Abb. 3.5).
Triggergeber
Diskriminator
(Ortec)
NIM-
Logik
Szin.oben IN2 A 2
Szin.Mitte
IN3
B
^
Trigger-
Karte
1(f)
Szin.unten IN4 C 4(f)
Pulser
D(f)
Test(f)
3.2.3 Auslese-Auslöser (Trigger)
3
Abbildung 3.6: Triggerkette
v
v
^
v
Trigger?
(w/f)
In Abb. 3.6 ist der Weg der Triggersignale vom Triggergeber zur Triggerentscheidung skizziert. Die
Signale der 3 Szintillationszähler müssen mindestens so groß sein, daß sie die Schwelle eines Dis-
3 FADC, engl: flash analog to digital converter

32 KAPITEL 3. DER TESTSTAND FÜR KOSMISCHE MYONEN
kriminators übersteigen, damit Untergrundsignale unterdrückt werden. Diese 3 Signale werden in
einer NIM-Logik in Koinzidenz geschaltet, d.h. mit UND verknüpft. Dieses Signal (A) wird an die
Eingänge 2 und 3 der Triggerkarte weitergegeben und auf die folgende Weise dort verarbeitet. (Die
beiden Eingänge 1 und 4 der Triggerkarte sind nicht belegt und daher falsch.)
Trigger = (T1 ∨ T2) ∧ (T3 ∨ T4)
= (falsch ∨ A) ∧ (A ∨ falsch) (3.1)
= A
Dieser umständliche Weg mußte gewählt werden, weil die Triggerkarte bereits auf diese Weise programmiert
ist und keinen Trigger ausgelöst hätte, wenn man nur einen Eingang mit dem Signal belegt
hätte.
Neben den Szintillatoren als Triggergeber wird auch ein Pulser verwendet, um schnelle Triggersignale
für einen Pedestal-Lauf zur Verfügung zu haben. Sein Signal wird in den Test-Eingang der Trigger-
Karte gegeben, welcher über ODER mit dem UND-Signal verknüpft ist. Somit erhält man bei jedem
Puls einen Trigger. Der Pulser kann mit bis zu 1kHz arbeiten.
Ein Problem dieser Anordnung ist, daß auch dann ein Trigger von den Szintillatoren akzeptiert wird,
wenn die Triggerkarte aufgrund eines Pulsertriggers noch beschäftigt ist. Die Folge ist eine Blockade
der Karte und Stillstand des Zyklus. In diesem Fall muß der Sequenzer initialisiert und der Zyklus
neu gestartet werden. Ferner ist es möglich, daß während eines Pedestal-Laufs ein Trigger nur von
den Szintillatoren ausgelöst wird (zwischen 2 Pulsen). In diesem Fall werden die Pedestaldaten von
einem Treffersignal verschmutzt.
Um hier keine ungewollten Trigger von den Szintillatoren zu bekommen, wurde in der NIM-Logik
der 4. Eingang D in Koinzidenz zu den anderen Eingängen geschaltet.
Natürlich ist auch hiermit nicht auszuschließen, daß während eines Pedestaleregnisses zufällig ein
Teilchen den Detektor passiert. Dies ist aber aufgrund einer Signalentstehungszeit im Verstärker des
PreMux von ≈ 40ns, verglichen mit der durchchnittlichen Zeit zwischen 2 Teilchendurchgängen von
≈ 2s, sehr unwahrscheinlich, nämlich ≈ 40ns
2s = 2 · 10−8 .
Das Triggersignal von Pulser, bzw. von den Szintillatoren bei der Datennahme gibt die Triggerkarte an
den Sequenzer als Startsignal für den Auslesezyklus weiter. Außerdem erhält das SBM nach dem Verstreichen
einer Delay-Zeit das sogenannte Hold-Signal, also den Befehl zum Behalten der verstärkten
Streifenladung in den Kondensatoren der PreMux-Chips. Das Abwarten eines Delays (≈ 50ns) ist
nötig, weil sich das Signal in den Verstärkern der PreMux-Chips erst noch aufbauen muß, bis es seinen
maximalen Wert erreicht hat (siehe Abb. 2.5).
3.2.4 Auslese
Kernstück der Auslese [27] bildet der PreMux-Chip [28]. Er kann die Signale von 128 Anoden-
Streifen parallel verstärken, zwischenspeichern und anschließend seriell zur Auslese weiterleiten
(multiplexen). Je 4 PreMux-Chips sind auf einem Auslese-Hybriden zusammengefaßt, welcher mit
dem SBM verbunden ist. Gibt das SBM einem Hybriden den Auslesetakt (Token), so wird dieser an
den ersten Chip dieses Hybriden weitergegeben. Der PreMux darf daraufhin seine Daten auslesen, an
das SBM übergeben und den Token an den nächsten Chip weiterreichen. Der letzte ausgelesene Chip
im Hybriden gibt den Token an das SBM zurück, welches ihn an den nächsten Hybriden weitergibt,
bis alle an das SBM angeschlossenen Hybride ausgelesen sind. An das SBM selbst können bis zu 2

3.3. PROGRAMME ZUR DATENNAHME 33
Hybride angeschlossen werden, über maximal 2 Zusatzkarten (Wings), die mit dem SBM verbunden
werden, jeweils 3 weitere, also bis zu 8 Hybride insgesamt pro SBM. Im Teststand werden 2 SBM
ausgelesen. An jedes SBM ist nur eine Zusatzkarte angeschlossen, mit dem jedoch nur 2 Hybride und
somit insgesamt 2 ×(2+2) = 8 Hybride, also 4 MF2-Detektoren, ausgelesen werden. Diese Variante
war leichter aufzubauen als alle 4 Detektoren über ein SBM auszulesen, da hierbei die Verbindungswege
zwischen den Hybriden und dem SBM bzw. den Zusatzkarten, zu lang geworden wären.
Die ausgelesenen Signale werden vom SBM sofort über ein besonders gut abgeschirmtes Kabel (Videokabel)
an den FADC weitergeleitet. Die gute Abschirmung ist sehr wichtig, da der Weg von der
Auslese zur Datennahme lang sein kann, und deshalb vom Kabel viele Störsignale empfangen werden
könnten.
3.2.5 Datennahme
Die Datennahme sorgt für die Digitalisierung der Daten und ihre Weiterleitung in ein EDV-System.
Bevor der Analog-zu-Digital-Konverter (ADC) Daten empfangen kann, werden seine wichtigen Register
auf Standardwerte gesetzt (Reset), dann wird ihm die Anzahl der (in diesem Ausleseereignis)
vom SBM zu erwartenden analogen Signale (Samples) mitgeteilt.
Nun ist der ADC bereit, vom Sequenzer den Takt zur Konvertierung der vom SBM ankommenden
Daten zu erhalten. Nachdem alle Daten angekommen sind, kann der Speicher des ADC über eine
Schnittstelle vom PC ausgelesen werden.
Als ADC wird ein Sirocco-Flash-ADC (FADC) verwendet. Er besitzt 2 Eingangskanäle, die jeweils
über ein Videokabel mit einem SBM verbunden werden. Die ankommenden Analogwerte, die zwischen
-0.5V und 0.5V oder zwischen -2V und 2V liegen dürfen, werden mit einer Rate von bis
zu 1 MHz (=Samplingfrequenz) und einer Auflösung von 12 Bit in digitale Werte zwischen 0 und
2 12 − 1 = 4095 konvertiert. Dabei werden stets die gleichzeitig in Kanal oben und unten ankommenden
Werte in ein 32Bit-Wort des Sirocco-Speichers geschrieben:
Bit 0...11 12...15 16...27 28...31
Kanal oben unbenutzt Kanal unten unbenutzt
Tabelle 3.2: Datenspeicherung im Sirocco
Sein Speicher kann 8K(= 8192 = 2 13 ) 32-Bit-Worte (=32KBytes) und somit 16K (= 16384 =
2 14 ) Detektor-Kanäle pro Auslese-Ereignis aufnehmen! Das entspricht genau 16 MF2-Detektoren.
(Nur 4 werden im Teststand ausgelesen.)
Der Sirocco ist als Steckkarte für einen VME-Bus realisiert und kann deshalb über eine PC-Schnittstelle
angesprochen werden. Bei der Schnittstelle handelt es sich um eine VXI-Interface-Karte der Firma
National Instruments. Mit ihr wiederum kann man mit Hilfe von Software der Programmiersprache
LabView [29] (von derselben Firma) kommunizieren.
3.3 Programme zur Datennahme
Die Programme zur Datennahme und Online-Auswertung Pulser, Auslese, Anzeige, Online-Monitor
und Detektor-Konfiguration sind in LabView geschrieben. Hierbei handelt es sich um eine Entwicklungsumgebung
(in unserem Fall für Windows NT) zur grafischen Programmierung von Laborprozessen
und vielem mehr.

34 KAPITEL 3. DER TESTSTAND FÜR KOSMISCHE MYONEN
3.3.1 Ausleseprogramm
Das Ausleseprogramm kommuniziert über VXI-Routinen, der VXI-Interface-Karte und dem VME-
Bus mit dem Sirocco-FADC und dem Sequenzer. Es enthält den kompletten Auslesezyklus als Unterprogramm.
Dieses Unterprogramm wird bei jedem Triggerereignis aufgerufen. Es liest die Daten
aus dem Sirocco-Speicher und bereitet sie so auf, daß sie auf einer Festplatte gespeichert und von der
Online-Auswertung verwendet werden können. Die Speicherung auf Platte geschieht nur auf Wunsch
des Benutzers, da vor allem im schnellen Pedestal-Lauf schnell sehr viele Daten anfallen, die man
nicht immer speichern möchte.
Die Daten sind im Falle des Teststandes folgendermaßen im Sirocco-Speicher abgelegt und werden
auf diese Weise im PC-Speicher umgeordnet:
Sirocco-Adressbereich Kanal oben Kanal unten Array-Bereich
DDD1+(1C00:1FFF) MF2-10 MF2-6 0C00:0FFF MF2-10
DDD1+(1800:1BFF) MF2-19 MF2-11 → 0800:0BFF MF2-19
DDD1+(0000:17FF) unbelegt 0400:07FF MF2-6
0000:03FF MF2-11
Tabelle 3.3: Datenorganisation bei der Auslese. links: DDD1 ist die Basisadresse des Sirocco-
Adressbereichs im VME-Bus. rechts: Ablage der Daten im PC-Speicher
Es ist zu beachten, daß es sich bei den Sirocco-Adressen um 32Bit-, bei den Listen(=Array)indizes
im PC-Speicher jedoch um 16Bit-Adressen handelt, weil die Trennung der beiden Sirocco-
Kanäle bereits bei der Auslese des Sirocco vorgenommen wird. Ferner muß man beachten, daß der
Sirocco die Daten nicht von der Basisadresse an speichert, sondern von der Adresse, bei der sich das
letzte ankommende Sample in der letzten Adresse (1FFF) befindet!
Das Konzept, die Detektoren im Speicher hintereinander, d.h. eindimensional anzuordnen, hat sich als
das praktischste erwiesen, weil Detektoren im allgemeinen Fall unterschiedlich viele Kanäle haben
können.
Das Ausleseprogramm ist in der Lage, die 4 Detektoren des Teststandes mit ca. 20Hz auszulesen. Das
entspricht einer Samplingrate von 20Hz · 4 · 1024 ≈ 81KHz. Damit ist die maximal mögliche Rate
des FADC’s von 1MHz nicht ausgeschöpft. Begrenzendes Element in der Auslesekette ist die zwar
komfortabel zu bedienende aber relativ langsame Programmiersprache LabView.
Es ist möglich, mit dem Ausleseprogramm auch mehrere FADC’s auszulesen! Mehr dazu im Anhang
A.5.
3.3.2 Pulser
Der Pulser ist ebenfalls als VME-Steckkarte realisiert und kann deshalb über das kleine LabView-
Programm Pulser angesteuert werden.
Der Pulser gibt der Triggerkarte das Triggersignal für den Pedestal-Lauf. Die Frequenz kann stufenlos
von 10 bis 1000 Hz eingestellt werden.
3.4 Programme zur Online-Auswertung
Diese Programme werten die Daten, die das Ausleseprogramm liefert, vor Ort aus und ermöglichen
eine erste Einschätzung der Qualität der Daten und der verwendeten Betriebsparameter.

3.5. DATENFLUSS 35
3.4.1 Ereignis-Anzeigeprogramm
Mit seiner Hilfe ist es möglich, das letzte Ereignis zu betrachten: Es werden alle Kanäle eines Detektors
angezeigt und zwar wahlweise roh oder mit verschiedenen Korrekturen versehen (siehe Kap.
3.6.1). Ferner gibt es verschiedene Lupen- und Skalierungsfunktionen.
Dieses Programm dient dazu, z.B. nach der Inbetriebnahme eines Detektors einen ersten Eindruck von
den Signalen zu bekommen, die die PreMux-Chips erzeugen (Pedestal und Rauschen), oder später die
kosmischen Myonen. Man kann im Roh-Anzeigemodus erkennen, ob viele Signale im Überlauf des
FADC liegen, d.h. genau gleich 4095 Zähler sind. In diesem Fall muß man versuchen, das Pedestal abzusenken,
um mehr dynamischen Bereich für die Signale zu gewinnen, oder man muß die Verstärkung
des Detektors herabsetzen, um die Signalhöhe zu verringern.
3.4.2 Online-Monitor
Der Online-Monitor korrigiert ein Ereignis sofort, so daß die tatsächliche Höhe und Breite von Treffersignalen
bestimmt und weiter ausgewertet werden kann. So werden die Clustergröße und -amplitude,
2 verschiedene Signal- über Rauschverteilungen, sowie die Trefferhäufigkeit für jeden einzelnen Streifen
angezeigt. Jederzeit kann die Skalierung der Histogramme innerhalb eingestellter Grenzen geändert
und die Zahl der Bins um einen Faktor verringert werden.
Der Grund, Daten online auszuwerten, ist, vor Ort herausfinden zu können, ob die am Detektor eingestellten
Spannungen geeignet sind, genügend hohe Signale oder Signal-über Rauschverteilungen im
gewünschten Bereich zu produzieren. In etwa einer Stunde hat man genügend Ereignisse, um anhand
der Verteilungen eine Entscheidung über die anliegenden Spannungen treffen zu können.
3.5 Datenfluß
LabView unterstützt den gemeinsamen Zugriff auf Daten von verschiedenen (geöffneten) Programmen
aus (globale Variablen). Dies hat sich für die Teststand-Programme als sehr praktisch erwiesen
und wurde deshalb auch häufig genutzt.
Das wichtigste der Programme, das Ausleseprogramm, versorgt das Anzeigeprogramm und den Online-
Monitor über globale Variablen mit Ereignis-Daten und schreibt diese sofort auf die Festplatte. Damit
diese Programme wissen, wann neue Daten bereit stehen, wird ein globales Triggersignal (LabView-
Jargon: Occurence) ausgelöst. Nur in diesem Fall werden die Daten gelesen und ausgewertet.
Ein weiteres Programm, auf das in Anhang A.4 näher eingegangen wird, das Konfigurationsprogramm,
versorgt ebenfalls über globale Variablen die Auslese, Anzeige und den Online-Monitor mit
den vom Benutzer angegebenen Detektoreinstellungen, also z.B. von welchem Sirocco (Basis-Adresse
im VME) und welchem Kanal (oben oder unten) der Detektor ausgelesen wird, an welcher Position im
Speicher er beginnt und wieviele Streifen er besitzt. Damit der Benutzer während des Auslesevorgangs
keine unerlaubten Änderungen an diesen Einstellungen vornehmen kann, erhält die Konfiguration den
Status der Auslese vom Ausleseprogramm.
Der Zugriff auf die VXI-Schnittstellen-Karte geschieht über von LabView zur Verfügung gestellte
Unterprogramme (VXI-Bibliothek). Sie wird nur von der Auslese und dem Pulser benötigt, da nur
diese Programme mit dem VME-Bus kommunizieren.

36 KAPITEL 3. DER TESTSTAND FÜR KOSMISCHE MYONEN
Pulser
Anzeige
VXI-Routinen
Trigger
Auslesestatus
VXI
Bibliothek
Auslese
Konfiguration
Roh- und
Pedestaldaten
Detektor-
Konfiguration
Festplatte
Analyse
Abbildung 3.7: Kommunikation zwischen den Programmen
3.6 Programme zur Offline-Auswertung
Die Vorteile, Daten nochmals Offline auszuwerten, liegen auf der Hand: Die Rohdaten können mehrmals
mit verschiedenen Einstellungen und Schnitten prozessiert werden. Histogramme können nach
Belieben gebinnt werden, und es stehen mehr Histogramme zur Verfügung.
3.6.1 Signal und seine Komponenten
Das Signal eines Mikrostreifengasdetektors ist folgendermaßen zusammengesetzt: [20, 36]
S i k = Pedk + CMM i
[ k
128 ] + Rik −CGU
immer vorhanden
i
[ k
16 ] + Trefferik
nur bei einem
Treffer vorhanden
Dabei bezeichnet i das i-te Ereignis und k den k-ten Streifen im Detektor. [ A
B ] ist die Ganzzahldivision
von A durch B.
Pedk ist das Pedestal des k-ten Streifens. Es handelt sich dabei um einen Eingangspegel, welcher
jeder Kanal eines PreMux-Chips produziert. Er ist zeitlich konstant, falls sich die Umgebungsbedingungen,
insbesondere die Lichteinstrahlung auf die Chips, nicht ändern, kann sich aber von Kanal
zu Kanal unterscheiden. Das Pedestal kann vom Benutzer eingestellt werden. Idealerweise stellt man
es etwa auf die Mitte des dynamischen Bereichs des FADC, also in unserem Fall auf ungefähr 2000
(3.2)

3.6. PROGRAMME ZUR OFFLINE-AUSWERTUNG 37
ADC-Zähler für jeden Kanal.
Eine Gefahr besteht nämlich darin, daß das Pedestal so hoch ist, daß sich die meisten Treffersignale
im Überlauf des FADC (= 4095 Zähler) befinden. In diesem Fall sind die Signalverteilungen unbrauchbar,
da von manchen Clustern die Ladung nicht bekannt ist. Falls das Pedestal zu niedrig ist,
wird der Kathodenunterschwung beschnitten, was dieselbe Folge hat.
CMMi [ k
128 ] ist das Chiprauschen4 des [ k
128 ]-ten Chips im i-ten Ereignis. Es ist also für alle Kanäle eines
Chips konstant, aber von Chip zu Chip und von Ereignis zu Ereignis verschieden und kommt durch
gemeinsame elektronische Störungen, z.B. von der Spannungsversorgung, zustande. In den meisten
Ereignissen gibt der CMM keinen signifikanten Beitrag. Manchmal kann der CMM aber Verschiebungen
um 200 ACD-Zähler erreichen und muß deswegen im allgemeinen Ansatz berücksichtigt werden.
Bei Ri k handelt es sich um das elektronische Rauschen des k-ten Streifens im i-ten Ereignis. Das
Rauschen ist idealerweise (um 0) gaußverteilt mit einer Breite von 5 bis 30 ADC-Zählern.
Die bisher genannten Signale sind stets vorhanden, also auch dann, wenn keine Teilchen den Detektor
passiert haben. Die folgenden Signale treten nur bei einem Teilchendurchgang auf:
CGUi [ k
16 ] ist der Unterschwung5 der [ k
16 ]-ten Kathodengruppe. Genauer gesagt, handelt es sich um
den Unterschwung derjenigen Anoden, die von den Kathoden der getroffenen Gruppe eingeschlossen
sind. Der Unterschwung kann 500 ADC-Zähler tief sein.
Schließlich ist Trefferi k die reine Signalhöhe, wie sie für die weitere Bestimmung von Detektoreigenschaften
verwendet wird. Die Schwankungen in der Signalhöhe folgen im wesentlichen einer
Landauverteilung, deren Maximum von der Gasverstärkung abhängt.
Die angegebenen ADC-Werte sind nicht als Absolutwerte zu verstehen, sondern hängen von vielen
Parametern, wie der elektronischen Verstärkung, der Gasverstärkung, den elektronischen Störungen,
der Güte der elektrischen Abschirmungen, etc. ab. Es geht nur darum, die Relationen unter diesen
Signalen zu verdeutlichen.
Abb. 3.8 zeigt schematisch ein über die Streifen eines Chips aufgetragenes typisches Teilchensignal.
Ein ’echtes’, pedestal-korrigiertes Treffersignal ist in Abb. A.2 auf Seite 78 zu sehen.
Das Ziel der Datenanalyse ist es nun, die Breite des Streifenrauschens sowie die Korrekturgrößen
Pedestal, Chiprauschen und Kathodenunterschwung zu bestimmen, die Korrekturen durchzuführen
und die Signalhöhe zu bestimmen.
3.6.2 Bestimmung des Pedestals
Im Prinzip braucht man für die Bestimmung des Pedestals bereits Information über den Common
Mode und das Rauschen der Einzelkanäle. Um einen Anfang machen zu können, wird die Annahme
gemacht, daß sich sowohl der CMM als auch das Rauschen über viele Ereignisse herausmitteln. Diese
Annahme ist wegen der seltenen Schwankungen des CMM (siehe Kap. 3.6.1) und der im wesentlichen
gaußförmigen Rausch-Verteilungen (siehe Kap. 4.1.3.2) gerechtfertigt. Das mittlere Signal im Streifen
für Ereignisse, die mit dem Pulsertrigger genommen wurden, ist:
〈Sk〉 = 1
N
N
S
i=1
i k
4 CMM: Common Mode = kohärentes Rauschen aller 128 Kanäle
5 CGU:Cathode Group Underflow

38 KAPITEL 3. DER TESTSTAND FÜR KOSMISCHE MYONEN
Signalhöhe
Signalhöhe
Streifen
Streifen
Signalhöhe
a) b)
Signalhöhe
c) d)
Clusterladung
Abbildung 3.8: typisches Treffersignal (schematisch; nicht maßstabgetreu) a) unkorrigiert b) pedestalkorrigiert
c) sowie auf das Chiprauschen korrigiert d) und kathoden-korrigiert
= 1
N
N
= Pedk
Pedk +
i=1
1
N
N
i=1
CMM i
[ k
=0
Für die Pedestalbestimmung reichen 2000 Ereignisse aus.
3.6.3 Bestimmung des Chip-Rauschens (Common Mode)
128 ]
+ 1
N
R
N
i=1
i k
=0
Das Chiprauschen wird folgendermaßen bestimmt: Man führt die Pedestalkorrektur durch und bildet
anschließend den Mittelwert aller Streifen eines Chips. Das Ergebnis ist sein aktuelles Rauschen:
CMM i
[ k
1
=
] 128 128
128·[ k
128 ]+127
l=128·[ k
128 ]
S i l − Pedl − R i l
=0
Dieses Vorgehen ist legitim, weil der Chip so viele Kanäle hat, daß die Summe des inkohärenten Rauschens
der einzelnen Kanäle ungefähr 0 ist.
Streifen
Streifen
(3.3)
(3.4)

3.6. PROGRAMME ZUR OFFLINE-AUSWERTUNG 39
3.6.4 Bestimmung des Rauschens
Das Einzelstreifenrauschen muß bestimmt werden, um Treffersignale aus dem Rauschen des Detektors
herausfiltern zu können. Für seine Bestimmung werden beim Pedestal-Lauf vom Rohsignal das
Pedestal und anschließend das Chiprauschen subtrahiert. Das Ergebnis ist das momentane Rauschen
R i k des Streifens k im i-ten Ereignis. Es muß über alle Ereignisse quadratisch gemittelt werden6 , weil
das Rauschen beide Vorzeichen annehmen kann:
R i k = S i k − Pedk − CMM i
[ k
128 ]
(3.5)
RMSk = 1
N
(R
N
i k )2 (3.6)
i=1
Für ungefähr gaußförmige Verteilungen gibt das RMS eine gute Schätzung der Standardabweichung σ.
3.6.5 Korrektur der Kathodengruppen
N(x) = 1
σ √ x2
e−2σ 2π 2 (3.7)
Im letzten Schritt der Korrekturen wird die getroffene Kathodengruppe auf ihre Basislinie (Null-Linie)
gebracht. Um das Signal bei der Berechnung des Kathodenunterschwungs zu eliminieren, wird ein
iterativer Algorithmus verwendet: Zunächst wird der Mittelwert über alle Streifen gebildet und die
Streifen mit diesem Wert korrigiert. Dann wird die Gruppe nach getroffenen Streifen durchsucht (siehe
Kap. 3.6.6). Diese Streifen werden von der nächsten Mittelwertbildung ausgeschlossen. Die Prozedur
wird so lange wiederholt, bis keine neuen getroffenen Streifen mehr dazukommen.
Problem bei großen Treffern:
Wie man in Abb.3.9 a) erkennen kann, ist die Signalverteilung am Rand einer stark getroffenen Kathodengruppe
nicht scharf, sondern ausgewaschen. Nach der Korrektur auf ihre Basislinie bekommt man
2 zusätzliche, falsche Treffer. Ferner bekommt man in einer solchen Kathodengruppe oft getroffene
Streifen kleinerer Höhe, die nicht zum eigentlichen Treffer gehören können (nicht eingezeichnet). Um
diese Treffer auszusondern wird nicht nur verlangt, daß das kathodenkorrigierte Signal (Abb. 3.9 b)
eine bestimmte Schwelle überschreitet, wie dies hier ja der Fall ist, sondern auch das nur pedestalkorrigierte
Signal (Abb. 3.9 a). Und dies ist bei den falschen Treffern nicht der Fall, da diese die
Null-Linie nicht einmal überschreiten.
3.6.6 Clustersuche
Nachdem alle Korrekturen am Signal gemacht wurden, kann man nun nach getroffenen Streifen
suchen. Dabei werden alle Streifen des Detektors sequentiell, vom ersten Streifen an, betrachtet.
Der Streifen k gilt als getroffen, wenn sein Signal- zu Rauschverhältnis eine bestimmte Schwelle
überschreitet [30]:
6 RMS: Root Mean Square
Sk
σk
≥ ! 3 (3.8)

40 KAPITEL 3. DER TESTSTAND FÜR KOSMISCHE MYONEN
Nulllinie
Kathoden-
Basislinie
Signalhöhe
Kathodengruppe
Richtiger
Treffer
Falsche
Treffer
Streifen
Kathoden-
BasisundNulllinie
Signalhöhe
a) b)
Kathodengruppe
Abbildung 3.9: a) getroffene Kathodengruppe (schematisch) b) auf die Kathodenbasislinie korrigiert
Alle zusammenhängenden getroffenen Streifen werden nun zu einem Cluster zusammengefaßt, da sie
die gesamte (verstärkte) Ladung des Teilchendurchgangs aufgesammelt haben. Vom höchsten Streifen
im Cluster wird noch zusätzlich verlangt:
Sk
σk
Streifen
≥ ! 7 (3.9)
Dieser Schnitt ist notwendig, um Rausch-Cluster zu unterdrücken. Denn die Wahrscheinlichkeit, daß
ein Streifen 3σ überschreitet, ist immerhin 0.13%. D.h., daß man in einem Detektor mit 1000 Streifen
pro Ereignis 1 bis 2 Streifen erwartet, die aufgrund des Rauschens ’getroffen’ werden. Andererseits
kann man nicht von allen Streifen eines Clusters verlangen, daß sie die Schwelle von 7σ überschreiten,
weil dies kleine, aber gute Cluster unterdrücken würde.
Manchmal gibt es Doppeltreffer, die mit diesem einfachen Algorithmus als ein Cluster erkannt werden.
Deshalb wird zusätzlich eine Analyse der Clusterform verwendet:
Bei der Clustersuche wird gespeichert, ob das Signal der getroffenen Streifen angestiegen und anschließend
wieder abgefallen ist. Falls das Signal dann wieder ansteigt, muß ein Doppeltreffer vorliegen.
In diesem Fall wird der bisher entdeckte Cluster abgeschlossen, und ein neuer Cluster wird
begonnen.
Nachdem alle Cluster gefunden wurden, werden die folgenden Größen untersucht: Clusterladung,
Verhältnis von Clusterladung zu Rauschen, Clustergröße, Trefferverteilung, Amplitude des höchsten
Streifens im Cluster, Verhältnis von Kathodenunterschwung zu Clusterladung, Anzahl der gefundenen
Cluster im Ereignis. Alle Verteilungen (außer der letzten) werden sowohl für den größten Cluster im
Ereignis als auch für alle anderen Cluster bestimmt.
3.6.7 Zusammenfassung aller verwendeten Algorithmen
Im ersten Schritt werden die Voraussetzungen zur Signalerkennung geschaffen: Das Pedestal wird
durch Mittelung über viele Pulser-Ereignisse bestimmt. Anschließend werden alle Kathodengruppen

3.6. PROGRAMME ZUR OFFLINE-AUSWERTUNG 41
auf ihre Basislinie korrigiert. Dabei wird das Chiprauschen mitberücksichtigt. Bei Ereignissen mit
Treffern werden die Signale getroffener Streifen eliminiert. Das Streifenrauschen erhält man durch
quadratische Mittelung des pedestal- und kathoden-korrigierten Signals über viele Ereignisse.
Im 2. Schritt wird das Teilchensignal bestimmt. Damit ein Streifen als getroffen gilt, muß sein Verhältnis
aus Signalamplitude und Rauschen eine bestimmte Schwelle überschreiten. Alle zusammenhängenden
getroffenen Streifen werden zu einem Cluster zusammengefaßt.
Eine iterative Anwendung dieses gesamten Vorgangs ermöglicht es, sogar aus Ereignissen mit Treffern
das Pedestal und das Streifenrauschen zu bestimmen [20].

42 KAPITEL 3. DER TESTSTAND FÜR KOSMISCHE MYONEN

Kapitel 4
Testmessungen mit den MF2-Detektoren
4.1 Test der neuen MF2-Module im Teststand für kosmische Myonen
In Karlsruhe wurden 14 Detektor-Module für den Überlebenstest (MF2) gebaut. 4 davon wurden im
Teststand untersucht, von denen an dieser Stelle auf 2 näher eingegangen wird (MF2-11 und MF2-19).
Pedestal [ADC-Counts]
2500
2000
1500
1000
500
a)
0
0
2500
250 500 750 1000
b)
2000
1500
1000
500
0
0 250 500 750 1000
Streifennummer
Abbildung 4.1: Pedestal-Signal a) MF-11 b) MF2-19
43

44 KAPITEL 4. TESTMESSUNGEN MIT DEN MF2-DETEKTOREN
4.1.1 Ziele
Die MF2-Detektoren wurden durch Messungen im Teststand auf ihre Funktion hin überprüft. Untersucht
wurden Pedestalwerte, Rauschen, Signal- über Rauschverteilungen, Clustergrößen und Trefferbelegungen.
Darüberhinaus wurden Studien zur Uniformität der Detektoren durchgeführt.
4.1.2 Erster Qualitätstest der Detektoren
Mit Testpulsen können sofort nach der Herstellung grobe Defekte im Detektor entdeckt werden.
Dazu wird das Signal des Pulsers auf den zu testenden Teil des Detektors gegeben. Anhand der
(In)Homogenität der ausgelesenen Signale kann man diejenigen Stellen ausmachen, die Defekte besitzen.
So wurden Testpulse an die Driftkathode, die beiden GEM-Seiten und an jede einzelne, sowie
an alle Kathodengruppen gleichzeitig, gegeben. Das Signal entsteht in allen Fällen durch kapazitive
Kopplung der Anodenstreifen mit dem jeweiligen Bauteil, welches die Testpulse erhält.
4.1.3 Test der Elektronik
4.1.3.1 Pedestal
Mit Hilfe der Pedestalsignale und des Streifenrauschens soll herausgefunden werden, ob die PreMux-
Chips gut arbeiten und ob die Abschirmung der Elektronik ausreichend ist.
Das Pedestal der beiden näher untersuchten Detektoren MF2-11 und MF2-19 sieht sehr gut aus
(Abb.4.1): Es ist einigermaßen flach und auf einem Niveau, welches Platz für sowohl das Treffersignal
als auch den Kathodenunterschwung läßt.
4.1.3.2 Rauschen
In vielen Berechnungen und Argumentationen geht man stillschweigend davon aus, daß das Rauschen
eines Streifens gaußverteilt ist. Dies wurde nun für die beiden näher untersuchten Detektoren nachgeprüft.
(Abb. 4.2)
Man kann anhand der logarithmischen Auftragung sehr gut erkennen, daß das Rauschen vom MF2-11
komplett, das vom MF2-19 immerhin bis zur 3. bis 4. Größenordnung gaußförmig ist. Diese Störungen
sind also sehr gering, was man auch am χ 2 der Fits erkennen kann.
Bei diesen Verteilungen handelt es sich um das Rauschen von 16 Streifen (derselben Kathodengruppe)
aus 20000 Ereignissen. Dies wurde so gemacht, um eine bessere Statistik zu bekommen, und es
ist legitim, weil man in diesem Fall davon ausgehen kann, daß die Rauschbreite eines jeden einzelnen
Streifens über diesen kleinen Bereich konstant ist.
Es ist nicht ausgeschlossen, daß ein Streifen die für die Akzeptanz als Cluster nötige Schwelle
von 7σ nur aufgrund des Rauschens, also zufällig, überschreitet. Die Belastung des Detektors durch
solche Rauschcluster kann man aus der Rauschverteilung N(x) durch Integration des Histogramms
berechnen. Falls N(x) normiert ist, ist die Wahrscheinlichkeit für einen Rauschtreffer:
∞
PRausch =
7σ
N(x)dx (4.1)
Man muß diese Integration für jeden Streifen k im Detektor mit seinem entsprechenden σk durchführen
und anschließend die Ergebnisse summieren. Die Wahrscheinlichkeit, in einem Detektor mit N Strei-

4.1. TEST DER NEUEN MF2-MODULE IM TESTSTAND FÜR KOSMISCHE MYONEN 45
N
N
15000
12500
10000
7500
5000
2500
10
1
ID
Entries
42105
320000
Mean
0.1188E-03
a1) b1)
RMS
8.738
75.62 / 76
Constant 0.1462E+05
Mean -0.8479E-04
Sigma 8.733
0
-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80
10 4
10 3
10 2
Rausch-Signal [ADC-Counts]
ID
Entries
42105
320000
10000
8000
6000
4000
2000
10 Mean
0.1188E-03
a2) b2)
4
RMS
8.738
75.62 / 76
Constant 0.1462E+05
Mean -0.8479E-04
Sigma 8.733
-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80
Rausch-Signal [ADC-Counts]
N
N
10
1
ID
Entries
Mean
RMS
42104
320000
-0.2313E-03
12.71
99.69 / 98
Constant 0.1005E+05
Mean 0.4054E-02
Sigma 12.70
0
-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80
10 3
10 2
Rausch-Signal [ADC-Counts]
ID
Entries
Mean
RMS
42104
320000
-0.2313E-03
12.71
99.69 / 98
Constant 0.1005E+05
Mean 0.4054E-02
Sigma 12.70
-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80
Rausch-Signal [ADC-Counts]
Abbildung 4.2: Rauschverteilung aller Streifen aus einer Kathodengruppe. a) MF2-11 b) MF-19 1)
linear 2) logarithmisch aufgetragen. Die durchgezogene Linie entspricht einer gaußförmigen Anpassung
fen in einem Ereignis einen Rauschcluster zu bekommen, ist also:
N
∞
PRausch = Nk(x)dx (4.2)
7σk k=1
In den oben gezeigten Verteilungen sieht man sofort, daß die Statistik bei weitem nicht ausreicht, um
im relevanten Bereich (> 7σ = 61 (MF2-11) = 89 (MF2-19)) noch Einträge zu haben. Deshalb muß
man die Rauschclusterbelastung aus der Theorie unter der Annahme einer Gaußverteilung berechnen:
PRausch =
∞
1
7σ σ √ 2π
≈ 1.3 · 10 −12
e− x2
2σ 2 dx
Somit erwartet man selbst in einer sehr großen Anzahl von Ereignissen, auch in einem Detektor mit
1000 Streifen, keine Rauschcluster.
(4.3)

46 KAPITEL 4. TESTMESSUNGEN MIT DEN MF2-DETEKTOREN
mittleres Streifenrauschen [ADC-Counts]
30
25
20
15
10
5
a)
0
0
30
250 500 750 1000
25
b)
20
15
10
5
0
0 250 500 750 1000
Streifennummer
Abbildung 4.3: Streifenrauschen a) MF2-11 b) MF2-19
Die Homogenität des mittleren Streifenrauschens (σk) gibt Auskunft über die Güte der Streifen.
Da die Streifen eines Detektors wie Antennen wirken und ein Anteil des Rauschens proportional zur
Streifenlänge ist, kann man gebrochene Streifen an ihrem zu kleinen Rauschen erkennen. Mögliche
Ursachen für Streifen mit hohem Rauschen sind Verschmutzungen der Glasoberfläche oder schlechte
Kontakte zwischen Anode und PreMux, die aufgrund ihrer höheren Kapazität wie zusätzliche Antennen
wirken [22]. Einige Ladungswerte des Rauschens wurden in Kap. 2.3.3 genannt.
Das Streifenrauschen der beiden untersuchten Detektoren ist sehr homogen (Abb. 4.3) und weist über
den gesamten Detektor keine Schwankungen auf. Man sieht allerdings an zu niedrigem Rauschen,
daß manche Streifen gebrochen sind: Beim MF2-11 mehr als beim MF2-19.
Manche andere Streifen haben ein viel zu hohes Rauschen. Dies ist besonders in der Detektormitte
der Fall, wo bei der Herstellung das Glassubstrat entlang der Streifen geschnitten wurde (ϕ-crack).
Eine Folge dieses Vorgangs ist die Verunreinigung der Glasoberfläche und der Streifen in der Nähe
des Schnitts und damit ein zu hohes Rauschen.
Ferner haben manche Streifen in der Nähe von Chipgrenzen ein hohes Rauschen. Man sieht das besonders
deutlich beim MF2-11 im Übergang vom 2. zum 3. Chip (Streifennummer 256). Immer noch
gut zu erkennen ist dies beim Streifen 128 oder im MF2-19 beim Übergang vom 6. zum 7. Chip (768).
Dies läßt auf ein (nicht verstandenes) Problem im PreMux schließen.
Bei beiden Detektoren hat jeweils der erste Kanal (nicht dargestellt) ein viel zu hohes Rauschen, was
entweder auf ein Herstellungsproblem oder ein generelles Problem im ersten ausgelesenen Streifen
zurückzuführen ist. Wegen dieses Streifens wird aufgrund von kapazitiver Kopplung jeweils die gesamte
erste Kathodengruppe in ihrem Rauschen angehoben.

4.1. TEST DER NEUEN MF2-MODULE IM TESTSTAND FÜR KOSMISCHE MYONEN 47
4.1.4 Betriebstest
4.1.4.1 Einstellung der Betriebsparameter
Nach der Herstellung der Detektoren wurden sie mit einem Gasgemisch aus Neon und DME im Mischungsverhältnis
Ne:DME 40:60 gefüllt. Danach erst konnten sie langsam auf hohe Spannungen gebracht
werden. Es sollten damit Defekte in den Substraten und der GEM-Folie beseitigt werden. (burnin-Phase).
Dabei sollten elektrische Überschläge dafür sorgen, daß Verunreinigungen verdampft und
mit dem durchströmenden Gas weggespült werden. Es ging dabei also hauptsächlich darum, die Kathodenspannungen
und die Potentialdifferenz zwischen den GEM-Folien auf möglichst hohe Spannungen
zu bringen.
Danach wurden die Detektoren bei normalen Spannungen betrieben:
burn-in normal
Drift 3000 3000
GEM oben 1600 1580
GEM unten 1200 1200
Kathoden 550 450
Tabelle 4.1: maximale und normale Betriebsspannungen in V
Nachdem die Elektronik ausführlich getestet wurde, und die Detektoren mit dem Gassystem und der
Hochspannungsversorgung verbunden wurden, konnte mit der Datennahme mit kosmischen Myonen
begonnen werden.
Mit dem Teststand wurde eine mittlere Ereignisrate von 0,4Hz erreicht. So wurden bei einem Testlauf
in 5 Tagen ca. 170.000 Ereignisse aufgenommen. Dies entspricht einer Datenmenge (bei 4 ausgelesenen
Detektoren) von 1,4GByte.
Alle Verteilungen beziehen sich auf den Cluster im Ereignis mit der größten Ladung.
4.1.4.2 Signalverteilungen
Abb. 4.4 a) zeigt eine typische Signal- über Rauschverteilung für den Detektor MF2-19. Es wurde
dabei die TDR-Definition verwendet, da diese im Idealfall eine Landau-Verteilung liefern sollte. Die
gemessene Verteilung ist im Bereich zwischen den Werten 36 und 200 mit einer Landauverteilung
sehr gut verträglich.
Die Verschiebung des Maximums zu höheren Werten und die Verbreiterung der Verteilung bei größeren
Clustern sind in Abb.4.4b) gut zu sehen. Der Grund ist, daß große Cluster im Mittel auch eine größere
Ladung haben. Dadurch verschiebt sich das Maximum nach rechts. Die Verteilung wird dadurch breiter,
denn diejenigen Verteilungen mit großem Maximum liefern auch die Beiträge für die Ausläufer
der Gesamtverteilung.
4.1.4.3 Clustergröße
Für das Gasgemisch Ne:DME ist eine mittlere Clustergröße von 2,2 Streifen normal [30]. Bei diesen
Messungen (siehe Abb.4.5) beträgt sie allerdings 3,5 bei MF2-11 und gar 3,9 bei MF2-19. Dies kann
man nur dadurch erklären, daß auch einige schräge Spuren gemessen wurden, die deshalb eine größere
Ladungswolke im Gas erzeugt haben, und daß die Detektoren bei relativ hohen Spannungen betrieben
wurden.

48 KAPITEL 4. TESTMESSUNGEN MIT DEN MF2-DETEKTOREN
N
1500
1250
1000
750
500
250
ID
Entries
Mean
RMS
11000
111246
134.0
114.2
101.1 / 80
MAXVAL 1453.
MAXPROB 61.04
WIDTH 132.3
0
0 100 200 300 400
Signal/Rauschen (TDR)
N
800
600
400
a) b)
200
0
0 100 200 300 400
Signal/Rauschen (TDR)
Abbildung 4.4: MF2-19: a) typische Signal- über Rauschverteilung b) Signal/Rauschen bei verschiedenen
Clustergrößen. (1 bis 5)
4.1.4.4 Clusterhäufigkeiten pro Ereignis
Abb. 4.6 zeigt die Verteilung der Anzahl der in einem Ereignis gefundenen Cluster. Bei kosmischer
Strahlung erwartet man in den meisten Fällen einen Cluster pro Ereignis, nämlich denjenigen, der von
dem Myon stammt, das den Trigger ausgelöst hat. Zusätzlich gibt es ziemlich häufig Doppeltreffer,
die vom Offline-Analyse-Programm getrennt werden.
Im MF2-11 gibt es wesentlich mehr Ereignisse, in denen keine Cluster gefunden wurden als im MF2-
19. Dies liegt daran, daß MF2-11 trotz gleicher Spannungseinstellungen eine wesentlich geringere
Verstärkung hatte. D.h. das Maximum seiner Signalverteilung war sehr klein, aber die Verteilung
selbst war trotzdem sehr breit (nicht gezeigt). Der Grund hierfür könnte in der größeren Zahl von
defekten Streifen liegen (siehe Kap. 4.2.5.3).
4.1.4.5 Trefferbelegung
Abb. 4.7 zeigt, wie die Trefferbelegung des Detektors von der Lage im Teststand und der Trigger-
Geometrie abhängt. MF2-19 liegt nur ca. 9 cm vom oberen Szintillator entfernt, während MF2-11
einen Abstand von ca. 18 cm vom unteren Szintillator besitzt. Dies hat zur Folge, daß der Winkelbereich
für mögliche Spuren, die durch die Randzonen des Detektors führen, beim MF2-19 aufgrund des
größeren Hebels weiter ist als beim MF2-11. Deshalb sieht man an den Rändern von MF2-11 einen
starken Abfall der Trefferhäufigkeit, während MF2-19 diesen starken Abfall nicht zeigt.
4.1.4.6 Uniformität
Abb. 4.8 zeigt, daß der Detektor über weite Bereiche eine konstante Verstärkung hat. Allerdings gibt
es Problembereiche, nämlich die Ränder der Detektoren und der ϕ-crack, wo die Verstärkung deutlich
kleiner ist. Es ist anzunehmen, daß dieses Problem wieder auf mangelnde Qualität bei der Herstellung
und den Schnitt der Substrate zurückzuführen ist.
Bei diesen Testmessungen wird die Nicht-Uniformität 1 −U(S) einer Größe Sk mathematisch als das

4.1. TEST DER NEUEN MF2-MODULE IM TESTSTAND FÜR KOSMISCHE MYONEN 49
N
25000
20000
15000
10000
5000
0
ID
Entries
Mean
RMS
14000
81204
3.454
1.300
2 4 6 8 10
Clustergröße [Streifen]
N
40000
30000
20000
a) b)
10000
0
ID
Entries
Mean
RMS
14000
111246
3.872
1.177
2 4 6 8 10
Abbildung 4.5: Verteilung der Clustergröße a) MF2-11 b) MF2-19)
Clustergröße [Streifen]
Verhältnis zwischen ihrer Standardabweichung und ihrem Mittelwert definiert: Je größer die Standardabweichung
ist, umso weniger uniform ist die Größe Sk.
√
< S− < S >>
U(S) = 1 −
< S >
1 Nk=1 N (Sk− < S >)
= 1 −
2
< S >
= 1 − 1
N
2 Sk
− 1
N < S >
k=1
Diese Rechnung wurde nun mit den für die 64 Kathodengruppen gefundenen S/R-Werten durchgeführt.
Man erhält als Uniformität 83%.
Bemerkung: Diese Definition versagt bei großen Fluktuationen von Sk. Die Folge ist, daß U(S) in
solchen Fällen negativ wird.
4.1.4.7 Kathodenunterschwung
Eine Betrachtung von Treffer-Ereignissen zeigt, daß der Kathodenunterschwung umso tiefer liegt,
je größer die Clusterladung (bezogen auf das kathodenkorrigierte Signal!) ist. Es sollte nun geklärt
werden [31], wie der Kathodenunterschwung definiert werden muß, damit man eine mathematisch
einfache Korrelation zwischen Unterschwung und Clusterladung erhält.
In Abb. 4.9 ist der Unterschwung eines Streifens gegen die gesamte Clusterladung aufgetragen: Bereits
an der 2-dimensionalen Verteilung N(x,y) kann man die Korrelation erkennen. Die Projektion
von N(x,y) auf die Achse der Clusterladung
P(x) =
ymax
ymin
(4.4)
y · N(x,y) dy (4.5)

50 KAPITEL 4. TESTMESSUNGEN MIT DEN MF2-DETEKTOREN
N
80000
60000
40000
20000
0
ID
Entries
Mean
RMS
30000
153323
0.7066
1.033
0 2 4 6
Anzahl der Cluster im Ereignis
N
80000
60000
40000
a) b)
20000
0
ID
Entries
Mean
RMS
30000
153323
1.141
1.489
0 2 4 6
Anzahl der Cluster im Ereignis
Abbildung 4.6: Clusterhäufigkeiten im Ereignis a) MF2-11 b) MF2-19
und ein Geraden-Fit an P(x) liefern das Ergebnis:
Kathodenunterschwung pro Streifen
gesamte Clusterladung
= 5% (4.6)
Die statistischen Fehler der Projektion sind mit eingezeichnet. Sie wachsen zu größeren Clusterladungen
hin an, weil dort die Zahl der Einträge sehr klein ist.
Außerdem ist die lineare Korrelation beim MF2-19 viel besser, was man am χ 2 des Fits erkennt,
als beim MF2-11. Das liegt daran, daß, wie oben schon erwähnt, der MF2-11 bei den verwendeten
Spannungseinstellungen ein sehr kleines Maximum seiner Signalverteilung besitzt (nicht gezeigt),
und deshalb die Daten nicht so verläßlich sind.
4.1.5 Zusammenfassung
In diesem Kapitel wurde gezeigt, daß die Elektronik zur Auslese der neuen MF2-Detektoren gut funktioniert:
Das Pedestal ist sehr gut geeignet, Signal und Kathoden-Unterschwung aufzunehmen. Das
Einzelstreifen-Rauschen ist nahezu gaußverteilt, und die Breite des Rauschens über der Streifennummer
ist homogen.
Von den näher untersuchten Detektoren liefert MF-19 eine Signal- über Rauschverteilung, die sehr gut
mit einer Landau-Verteilung verträglich ist. Das Verhältnis von Kathoden-Unterschwung pro Streifen
und Clusterladung beträgt 5%.

4.1. TEST DER NEUEN MF2-MODULE IM TESTSTAND FÜR KOSMISCHE MYONEN 51
S/R
N
N
80
60
40
20
0
80
60
40
20
0
80
60
40
20
0
200
175
150
125
100
75
50
25
0
200
175
150
125
100
75
50
25
0
a)
0 250 500 750 1000
Streifennummer
b)
0 250 500 750 1000
Streifennummer
Substrate
Abbildung 4.7: Trefferbelegung a) MF2-11 b) MF2-19
0 250 500 750 1000
Chips
0 250 500 750 1000
Kathodengruppen
0 250 500 750 1000
Streifen
Abbildung 4.8: Detektor-Uniformität: Signal- über Rauschverteilung.

52 KAPITEL 4. TESTMESSUNGEN MIT DEN MF2-DETEKTOREN
N
Kathodenunterschwung [ADC-Counts]
Kathodenunterschwung [ADC-Counts]
3500
3000
2500
2000
1500
1000
ID
Entries
Mean
RMS
19000
81204
-0.5062E-01
0.3939E-01
500 a1) b1)
0
-0.2 -0.1 0 0.1 0.2
0
-0.2 -0.1 0 0.1 0.2
0
-100
-200
-300
Kathodenunterschwung/Clusterladung
N
8000
6000
4000
2000
ID
Entries
Mean
RMS
19000
111246
-0.5496E-01
0.2511E-01
Kathodenunterschwung/Clusterladung
-400
-400
a2) b2)
-500
0 2000 4000 6000 8000 10000
-500
0 2000 4000 6000 8000 10000
0
-100
-200
-300
Clusterladung [ADC-Counts]
74.71 / 93
A0 -0.4700E-03
A1 -0.5447E-01
Kathodenunterschwung [ADC-Counts]
0
-100
-200
-300
Clusterladung [ADC-Counts]
-400
-400
a3) b3)
-500
0 2000 4000 6000
0 2000 4000 6000
Clusterladung [ADC-Counts]
Kathodenunterschwung [ADC-Counts]
0
-100
-200
-300
131.6 / 131
A0 -0.8007
A1 -0.5498E-01
Clusterladung [ADC-Counts]
Abbildung 4.9: 1) Verteilung von Kathodenunterschwung/Clusterladung 2) Kathodenunterschwung
über Clusterladung 3) Projektion von 2) auf die Clusterladung-Achse für a) MF2-11 b) MF2-19

4.2. TESTS VON MF2-PROTOTYPEN MIT PIONEN UND PROTONEN AM PSI 53
4.2 Tests von MF2-Prototypen mit Pionen und Protonen am PSI
4.2.1 Ziele
Am Beschleuniger im Paul-Scherrer-Institut (PSI; Schweiz) wurden im April 1999 das Verhalten des
ersten in Karlsruhe gebauten Prototyps und im November 1999 weiterer 4 Prototypen (MF2) unter
hoher Strahlenbelastung, wie sie später auch am LHC herrschen wird, untersucht. Dabei sollte
herausgefunden werden, wieviele Streifen während dieser Zeit Schaden nahmen, und wie stabil die
Signalverteilungen in Breite und Lage ihres Maximums waren. Einen Anhaltspunkt für die Gefahren
beim Betrieb bei hohen Strahlintensitäten gibt auch die Anzahl der elektrischen Überschläge. Ihr zeitlicher
Verlauf wurde ebenfalls untersucht.
Alle nun folgenden Untersuchungen beziehen sich, so weit nicht anders angegeben, auf den im April
getesteten Prototypen.
4.2.2 Aufbau
Pionen durchlaufen einen Moderator und schlagen dabei Protonen heraus. Der Proton-Pionen-Strahl
durchläuft dann eine Magnetoptik, die als Impulsfilter wirkt. Somit haben Protonen und Pionen danach
denselben Gesamtimpuls. Für unsere Zwecke sind die Protonen erwünscht, da sie in unserem
Fall, im Gegensatz zu den Pionen, hochionisierend sind. Sie stellen daher eine extreme Belastung für
die zu testenden Detektoren dar.
Mit einer Blende kann man die hohe Strahlintensität von ca. 5000 Teilchen pro mm 2 und sec um mehrere
Größenordnungen auf ca. 1 bis 100 Teilchen pro mm 2 und sec verringern [30], um Alterungserscheinungen
zu überwachen. Die zu testenden Detektoren werden auf einer Halterung hintereinander
montiert, so daß der Strahl alle Detektoren durchlaufen kann.
4.2.3 Vorbereitende Messungen
Bevor erste Testmessungen begonnen werden können, muß die Ausleseverzögerung (Delay) bestimmt
werden. Nachdem ein Trigger ausgelöst wird, muß diese Zeit bis zum Weitergeben des Hold-Signals
zum Behalten der Daten in den PreMux-Kondensatoren abgewartet werden, da sich das Signal nicht
sofort aufbaut (Vgl. mit Kap. 3.2.3). Zur Bestimmung des Delays, welches in der Größenordnung von
10 bis 100ns liegt, werden geeignet lange Kabel mit bekannter Verzögerung verwendet. Das Delay,
bei welchem die größten Signale gemessen werden, wird dauerhaft eingestellt. In diesem Fall waren
es 80ns.
4.2.4 Stabilität der Detektoreigenschaften
Bei der Auswertung der Daten wurde das Offline-Analyse-Programm ’tbeam’ [24] verwendet. Es liest
die von der Datennahme weggeschriebenen ZEBRA 1 -Dateien und sucht in den Rohdaten nach allen
Clustern. Alle relevanten Informationen über diese Cluster werden als spaltenweise n-Tuppel gespeichert
und können mit dem Datenanalyseprogramm PAW 2 [32] sehr flexibel weiterverarbeitet werden.
PAW beherrscht eine Fortran-ähnliche Makrosprache, die dies erleichtert.
Als Schwellen für die Clustersuche wurde 3σ für alle Streifen im Cluster und 5σ für das Cluster-S/R
(Lyon-Definition) eingestellt. (In ’tbeam’ ist für die Clustersuche nur die Lyon-Definition implementiert.)
1 Rohdatenformat, das am CERN entwickelt wurde
2 Physics Analysis Workstation

54 KAPITEL 4. TESTMESSUNGEN MIT DEN MF2-DETEKTOREN
N
N
N
100
80
60
40
20
0
120
100
80
60
40
20
0
40
30
20
10
0
a1)
ID
Entries
Mean
RMS
0 100 200 300
b1)
4
3034
48.28
45.39
225.3 / 228
NORM 239.9
MAXPROB 23.17
WIDTH 5.746
S/R
0 100 200 300
c1)
ID
Entries
Mean
4
7155
61.73
RMS
56.20
301.8 / 288
NORM 601.7
MAXPROB 23.73
WIDTH 12.86
ID
Entries
Mean
RMS
S/R
4
3668
101.1
73.76
289.0 / 289
NORM 349.4
MAXPROB 30.57
WIDTH 35.00
0 100 200 300
S/R
N
N
N
25
20
15
10
5
0
40
30
20
10
0
25
20
15
10
5
0
ID
Entries
Mean
RMS
0 200 400 600
ID
Entries
Mean
RMS
4
2788
169.9
120.2
S/R
4
5200
177.4
116.8
0 200 400 600
ID
Entries
Mean
RMS
S/R
4
3018
193.7
128.2
0 200 400 600
Abbildung 4.10: typische Signal- über Rauschverteilungen (TDR) des Prototyps a) Am Anfang b) in
der Mitte c) gegen Ende des PSI-Tests 1) niedrige 2) hohe Strahlintensität
a2)
b2)
c2)
S/R

S/R
4.2. TESTS VON MF2-PROTOTYPEN MIT PIONEN UND PROTONEN AM PSI 55
140
120
100
80
60
40
20
a) b)
40
0
63000 63200 63400 63600
Runnummer
HI
LI
35
30
25
20
15
10
5
0
0 50 100 150
Abbildung 4.11: Signal/Rauschen (TDR) a) über Zeit b) als Häufigkeitsverteilung
4.2.4.1 Signal- über Rauschverteilung
N
Abb. 4.10 zeigt einige typische Signal- über Rauschverteilungen am Anfang, gegen Mitte und gegen
Ende des PSI-Tests, sowohl bei hoher (HI) als auch bei niedriger Strahlintensität (LI) 3 .
Gegen Ende wurde der Detektor bei höheren Spannungen betrieben, dies hatte aber nur eine kleine
Verschiebung des Maximums zu größeren Werten, jedoch eine starke Verbreiterung der S/R-Verteilung
bei LI zur Folge, was darauf schließen läßt, daß einige Streifen defekt geworden sein müssen.
Auch die genau aufgetragene zeitliche Entwicklung (Abb. 4.11) zeigt, daß die Verstärkung bei LI
weitgehend konstant war und bei HI kaum zugenommen hat.
Bei HI ist das S/R-Verhältnis beim Prototypen ca. 4-mal so hoch wie bei LI (Pile-Up). Das liegt daran,
daß von ca. 10 bis 20 Clustern im Ereignis (HI) stets der größte ausgewertet wird. Dies hat zur Folge,
daß systematisch diejenigen Cluster selektiert werden, die im Ausläufer der LI-S/R-Verteilung liegen.
Bemerkung: Die Nulleinträge im Häufigkeitsschaubild stammen von nicht auswertbaren S/R-Verteilungen,
da in diesen Fällen z.B. die Statistik nicht ausreichend war.
4.2.4.2 Clustergröße
Der Pile-Up ist auch die Ursache für die sehr großen Cluster (Abb. 4.12). Die breite Verteilung von
Clustergrößen um 3,0 herum stammt von den bei LI gemessenen Clustern. Die größeren Einträge
stammen von den großen Clustern bei HI.
3 High-, Low-Intensity
LI
HI
S/R

Clustergröße [Streifen]
56 KAPITEL 4. TESTMESSUNGEN MIT DEN MF2-DETEKTOREN
4
3
2
a) b)
1
63000 63200 63400 63600
Runnummer
HI
LI
60
40
20
0
1.5 2 2.5 3 3.5
Abbildung 4.12: Clustergröße a) über Zeit b) als Häufigkeitsverteilung
N
4.2.5 Gefahrenquellen für die Detektorfunktion
4.2.5.1 elektrische Überschläge (Entladungen)
LI
HI
Clustergröße [Streifen]
Gerade bei hohen Strahlintensitäten ist der Detektor aufgrund vieler Ionen im Gasraum empfindlich
für elektrische Überschläge zwischen seinen Bauteilen. Überschläge zwischen der Unterseite der
GEM-Folie und dem Substrat [30] sowie zwischen Kathoden- und Anodenstreifen wirken sich sehr
zerstörerisch auf die Anodenstreifen aus. Die Entladung kann während 20ms einen Strom von 50nA
und somit eine Ladung von 1 nCb deponieren [33], was dem 10 4 - bis 10 5 -fachen der normalen Clusterladung
(siehe Seite 19) entspricht! Deshalb ist man daran interessiert, den Detektor so zu betreiben,
daß möglichst wenig Überschläge auftreten. Dies erreicht man durch Anlegen niedriger Felder
(d.h. Spannungen). Dabei muß man aber darauf achten, daß die für den Einsatz bei CMS minimal
vorgesehene Verstärkung erreicht wird. Bei diesem Prototypen ist dies zumindest über weite Strecken
gelungen, wie Abb. 4.13 zeigt. Gegen Ende jedoch nahm die Überschlagrate stark zu, was auf die
dann hoch eingestellten Spannungen zurückzuführen ist.
4.2.5.2 zu hohe Ströme durch den Detektor (Trips)
Eine Entladung ist ein sehr hoher Strom, der nur während kurzer Zeit auftritt und deshalb nur während
dieser Zeit eine Gefahr darstellt.
Auf Dauer gefährlich sind aber auch lang anhaltende (mehrere Sekunden) erhöhte Ströme. Die Hochspannungsversorgung
ist so programmiert, daß sie in einem solchen Fall sowohl die betreffende als
auch eng mit ihr verknüpfte Spannungen abschaltet. Z.B. würde die GEM-Folie zerstört, wenn nur

4.2. TESTS VON MF2-PROTOTYPEN MIT PIONEN UND PROTONEN AM PSI 57
N
N
100
75
50
25
0
63000 63200 63400 63600
30
29
28
27
26
Runnummer
Abbildung 4.13: Anzahl der Entladungen über Runnummer
25
63000 63200 63400 63600
Runnummer
Abbildung 4.14: Anzahl der verlorenen Streifen über Runnummer
eine Seite auf Null heruntergefahren würde, da in diesem Fall das Feld zwischen den beiden GEM-
Seiten sehr groß werden und die GEM-Folie zerstören würde.
Leider konnte die Spannungsdifferenz zwischen GEM-oben und GEM-unten nicht höher als 350V
eingestellt werden, da sonst sehr oft die Ströme durch die GEM-Folie zu hoch wurden. Dies läßt auf
einen Defekt oder verminderte Qualität schließen, da bei jüngeren Tests am PSI mit neuen Detektoren
Differenzen um 450V erreicht wurden.
4.2.5.3 Verlorene Streifen
Die in Kap. 2.4.4 beschriebenen Verfahren zum Auffinden defekter Streifen sollen nun auf die MF2-
Protoypen angewandt werden.
Für den im April getesteten Prototypen ist die Anzahl der Streifen, die anhand der Methode des Streifenrauschens
während eines Runs als defekt identifiziert wurden, in Abb. 4.14 aufgetragen. Darin
erkennt man, daß relativ viele Streifen (26) bereits am Anfang (vermutlich) gebrochen waren. Dies
verwundert auch nicht, da die Substrate des Prototyps eine sehr schlechte Qualität hatten, wie Untersuchungen
mit einem Mikroskop vor dem Zusammenbau des Detektors gezeigt haben. Während des
PSI-Tests sind nur weitere 3 Streifen gebrochen, was aber noch lange nicht die Zahl der insgesamt

58 KAPITEL 4. TESTMESSUNGEN MIT DEN MF2-DETEKTOREN
verlorenen Streifen sein muß. Denn außerdem erkennt man in Abb. 4.15 , daß einige Streifen mit
erhöhtem Rauschen, vor allem zwischen 900 und 950, hinzugekommen sind. Dies läßt wahrscheinlich
darauf schließen, daß sich an diesen Streifen Schmutz niedergeschlagen hat, der bei elektrischen
Überschlägen entstanden ist, als gegen Ende des Tests die Spannungen hochgefahren wurden.
Aufgrund von wenig signifikanten Ereignissen in einem Run konnte die Methode der Untersuchung
der Trefferbelegung nicht angewandt werden.
Rauschen [ADC-Counts]
15
10
5
0
15
10
5
0
15
10
5
0
a)
b)
c)
200 400 600 800 1000
200 400 600 800 1000
200 400 600 800 1000
Streifen-Nr
Abbildung 4.15: Streifenrauschen a) Am Anfang b) in der Mitte c) gegen Ende des PSI-Tests
In einer weiteren Teststrahlperiode am PSI im November 1999 wurden auch die neuen MF2-
Detektoren auf Strahlenfestigkeit getestet. Dieselben Detektoren, die vorher im Kapitel 4.1 beschrieben
wurden, wurden nach diesem Test noch einmal vermessen (siehe Abb. 4.3 und 4.7). Mit Hilfe der
Trefferverteilung und des Streifenrauschens wurden für beide Detektoren die in Kap. 2.4.4 beschriebenen
Methoden, um defekte Streifen zu finden, sowohl mit vor dem PSI-Test als auch den danach
genommenen Daten angewandt. Das Ergebnis ist in Tabelle 4.2 zusammengefaßt.

4.2. TESTS VON MF2-PROTOTYPEN MIT PIONEN UND PROTONEN AM PSI 59
Rauschen(R) Treffer(T) R oder T R und T
MF2-11
vorher 23 16 30 9
nachher 31 43 44 30
Verlust 8 27 14 21
MF2-19
vorher 3 9 11 1
nachher 8 19 24 3
Verlust 5 10 13 2
Tabelle 4.2: Anzahl der defekten/toten Streifen (MF2)
Selbstverständlich wurde darauf geachtet, daß die Streifen, die aufgrund einer bestimmten Methode
vorher defekt waren, auch danach noch defekt waren: In 3 Fällen mußten defekte Streifen ’verworfen’
werden, weil sie nach dem PSI-Test nicht mehr ’defekt’ waren.
Interessanterweise hat MF2-11 aufgrund von Methode R oder T weniger Streifen verloren als aufgrund
von R und T. Dies liegt daran, daß fast alle rausch-defekten Streifen danach auch treffer-defekt
waren.
Nach dem weniger strengen Kriterium R und T haben MF2-11 21 Streifen, also 2%, und MF2-19
lediglich 2 Streifen, also 0,2%, verloren.

60 KAPITEL 4. TESTMESSUNGEN MIT DEN MF2-DETEKTOREN
4.3 Test des ersten MF2-Prototypen mit Myonen im X5-Experiment
4.3.1 Ziele
Es sollten die wichtigen Qualitätsmerkmale einer MSGC+GEM gemessen werden, nämlich Effizienz,
Reinheit und Ortsauflösung. Dies sind, neben Anzahl und Lage der defekten Streifen, die wichtigsten
Informationen, die man für den Betrieb des Detektors im Tracker benötigt.
Prototyp
4.3.2 Aufbau
289
bari
4 3
49 453
Abbildung 4.16: Aufbau am X5
bari
2 1
49
Strahl
In Abb. 4.16 ist der Aufbau des Tests im Juni 1999 am X5-Experiment skizziert. Er besteht aus einem
hochauflösendem Siliziumstreifen-Teleskop mit 4 Detektorlagen (Bari 1-4) und dem MSGC+GEM-
Protoypen. Einzelheiten zum verwendeten Teleskop werden in Kap. 4.3.4 erklärt.
Es wurde ein Myonenstrahl hoher Energie (100 GeV [34]) und niedriger Intensität (Größenordnung 1
Myon pro mm 2 und sec) verwendet.
4.3.3 Einstellung der Betriebsparameter
Wie üblich mußte wieder die nötige Ausleseverzögerung bestimmt werden (siehe Abb. 4.17). Dabei
wurden auch drei Werte für das Drift- und Transferfeld eingestellt und die zugehörige Verzögerungszeit
bestimmt. Man sieht, daß sie bei höheren Feldern abnimmt, was auch nicht verwundert, da die Elektronen
und Ionen im höheren Feld schneller driften, und deshalb die gesamte Signalentstehungszeit,
d.h. die einzustellende Verzögerung, geringer ist. Da das Maximum der Verstärker-Signalentstehungskurve
(Abb. 2.5) sehr flach ist, und da die zu den 3 Feldern gehörenden Verzögerungszeiten nah beieinanderliegen,
war es nicht erforderlich, sie den gerade verwendeten Feldern anzupassen.
Als Gasgemisch wurde wieder Ar:CO2 70:30 verwendet, um Vergleichsmöglichkeiten zum PSI-Test
zu haben. Denn es sollten wieder diejenigen Spannungen eingestellt werden, bei denen der Detektor
damals Überschlag-frei lief, was bei dem Prototypen unverständlicherweise nicht mehr gelang! So
wurde wenigstens versucht, ähnliche Werte einzustellen. Eine typische Signal- über Rauschverteilung
ist in Abb. 4.17 zu sehen.

S/R
4.3. TEST DES ERSTEN MF2-PROTOTYPEN MIT MYONEN IM X5-EXPERIMENT 61
35
30
25
20
15
10
5
0
0 10 20 30 40 50 60
Verzögerung [ns]
2.5kV/cm 3.0kV/cm 4.0kV/cm
N
140
120
100
a) b)
80
60
40
20
ID
Entries
Mean
RMS
4
9451
61.84
47.85
272.4 / 231
NORM 820.6
MAXPROB 31.66
WIDTH 14.05
0
0 50 100 150 200 250
Abbildung 4.17: a) S/R über Verzögerung, b) typische S/R-Verteilung
4.3.4 Spurrekonstruktion
Für die Offline-Clustersuche wurden wieder ’tbeam’ und dieselben Schwellen, wie in Kap. 4.2.4 beschrieben,
verwendet.
Um die Ortsauflösung, Effizienz und Reinheit bestimmen zu können, müssen die Spuren der Myonen
rekonstruiert werden. Dafür steht ein Siliziumstreifenteleskop (Bari) mit 4 Einzeldetektoren mit
jeweils einer x- und y-Lage zur Verfügung. Dieses Teleskop wurde ebenfalls ausgelesen und seine
Daten zusammen mit den anderen Detektordaten weggeschrieben.
Man kann nun die Teleskopdetektoren behandeln wie jeden anderen Detektor auch. Man muß allerdings
beachten, daß ihre Streifen parallel, in dem Prototypen aber radial verlaufen. Deshalb muß
der Prototyp in Polarkoordinaten behandelt werden.
Um feststellen zu können, welche Treffer in den einzelnen Teleskop-Detektoren und dem zu testenden
Detektor zusammengehören, muß zuerst die Lage aller Detektoren in einem beliebigen Koordinatensystem
festgestellt werden (Alignment). Dazu werden dem Programm [35] Startwerte, also ungefähre
Positionen, übergeben. Dabei sind, wie gesagt, nur die Relativpositionen interessant. Das Programm
legt nun durch alle getroffenen Cluster der beteiligten Detektoren diejenige Spur, die von allen Clustern
die geringste (quadratische) Abweichung besitzt. Als Ort eines Clusters mit N Streifen der
S/R

62 KAPITEL 4. TESTMESSUNGEN MIT DEN MF2-DETEKTOREN
N
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
ID
Entries
Mean
RMS
30810
6772
0.8220E-05
0.2916E-02
82.26 / 10
Constant 1523.
Mean 0.1782E-06
Sigma 0.6718E-04
a) b)
-0.4 -0.2 0 0.2 0.4
x 10 -3
Spurabweichung [rad]
N
800
700
600
500
400
300
200
100
ID
Entries
Mean
RMS
92072
4035
0.1043E-04
0.8695E-02
10.20 / 11
Constant 735.7
Mean 0.2509E-04
Sigma 0.8741E-02
0
-0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06
Spurabweichung [mm]
Abbildung 4.18: Residuen a) Prototyp, ϕ−Richtung b) 4.Teleskop-Lage, y-Richtung
Amplituden Ak wird dabei sein Schwerpunkt 4 verwendet:
CoG =
Nk=1 Ak · k
Nk=1 Ak
Dies wird für alle Ereignisse des Testlaufs gemacht und die Gesamtabweichung bestimmt. Nun werden
die Positionen mit Hilfe der Abweichungen variiert, und die eben beschriebene Prozedur wird
solange wiederholt, bis man diejenigen Positionen gefunden hat, für die die Summe aller Spurabweichungen
minimal ist. Dieses Alignment muß sehr genau gemacht werden, nämlich in der Größenordung
der Ortsauflösung des Detektors (≈ 50µm).
Nun weiß man, wie die Detektoren zueinander angeordnet sind, und man kann die oben genannten
Größen bestimmen. Eine typische Spurabweichungsverteilung für die y-Richtung der 4.Lage des Teleskops
ist in Abb. 4.18 b) zu sehen.
4.3.5 Effizienz
Die Effizienz eines Detektors gibt an, bei welchem Anteil der von dem Teleskop rekonstruierten Spuren
der Detektor auch einen Treffer innerhalb eines bestimmten Bereichs um den vom Programm
vorhergesagten Durchstoßpunkt der Spur herum gesehen hat.
Als Schwelle, wann ein Cluster als zur Spur gehörend akzeptiert wurde, wurde das 3-fache der Breite
des Spur-Abweichungs-Residuums gewählt (Abb. 4.18 a):
4 Center of Gravity
(4.7)
∆ϕ ≤ ! 3σ (4.8)

Effizienz [%]
100
99
98
97
96
95
94
93
92
91
4.3. TEST DES ERSTEN MF2-PROTOTYPEN MIT MYONEN IM X5-EXPERIMENT 63
100
a)
95
b)
90
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
S/R
Reinheit [%]
90
85
80
75
70
65
60
55
Abbildung 4.19: a) Effizienz b) Reinheit über S/R
50
0 20 40 60 80 100
Dabei bezeichnet ∆ϕ die Winkelabweichung. Man zählt nun solche Spuren, bei denen der Treffer
innerhalb des Intervalls liegt und setzt diese Zahl ins Verhältnis zur Gesamtzahl der Spuren. Das
Ergebnis ist die Effizienz des Detektors für die eingestellte Verstärkung:
E =
3σ
−3σ
N(∆ϕ)d∆ϕ
Man sieht nämlich in Abb. 4.19 a), daß die Effizienz mit dem Maximum der Signal- über Rauschverteilung
zunimmt und in eine Sättigung, in unserem Fall bei ca. 97%, kommt. Dies liegt daran, daß
bei geringen Verstärkungen der Detektor schlicht manche Cluster ’übersieht’. Der Punkt, wann die
Sättigung erreicht ist, liegt bei einem S/R-Wert von ca. 20 bis 25. Seine Bestimmung ist sehr wichtig,
weil man damit auch die maximal sinnvolle Verstärkung kennt. Größere Verstärkungen sind nicht
mehr sinnvoll, weil keine Effizienz hinzugewonnen wird.
4.3.6 Reinheit
Die Reinheit gibt Auskunft über den Anteil der ’richtigen’ Cluster in der Gesamtzahl von Clustern
[31]: Im Niedrigraten-Myonenstrahl am X5 erwartet man nur einen Cluster pro Ereignis. Man findet
aber, je nach eingestellter Verstärkung, im Mittel mehr als einen Cluster pro Ereignis. Dies liegt
daran, daß das Gasvolumen auch auf andere Weise als aufgrund eines getriggerten Teilchendurchgangs
ionisiert werden kann: z.B. durch kosmische Strahlung oder elektrische Überschläge. Diese
freien Ladungen werden nun ebenso verstärkt. Je nach eingestellter Gasverstärkung reichen die Sekundärladungen
aus, um einen Cluster aufzubauen.
Nges
S/R
(4.9)

Clustergröße [Streifen]
64 KAPITEL 4. TESTMESSUNGEN MIT DEN MF2-DETEKTOREN
Da die Verhältnisse am X5-Strahl so sind, daß nur ein Cluster pro Ereignis erwartet wird, konnte eine
sehr einfache Definition für die Reinheit verwendet werden:
R =
Anzahl der Ereignisse im Testlauf
Gesamtzahl der im Testlauf gefundenen Cluster
(4.10)
Abb. 4.19 b) zeigt die Reinheit über der Verstärkung aufgetragen. Sie nimmt mit zunehmender Verstärkung
stark ab, bis sie bei S/R=80 nur noch ca. 50% beträgt. Das bedeutet, daß die Hälfte aller Cluster falsche
Cluster sind! Dies ist für den Betrieb in einem Tracker nicht akzeptabel. Deshalb muß, und nicht nur
aus diesem Grund, darauf geachtet werden, den Detektor bei möglichst geringen Verstärkungen zu
betreiben.
Der Grund für diesen hohen Anteil an falschen Clustern liegt in der schlechten Qualität der im Prototypen
verwendeten Substrate.
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
60
a)
58
b)
0
0 20 40 60
4.3.7 Ortsauflösung
S/R
Auflösung [μm]
56
54
52
50
48
46
44
42
Abbildung 4.20: a) Clustergröße b) Auflösung über S/R
40
0 20 40 60
Eine Verteilung der Abweichungen der Clusterschwerpunkte von der im Prototypen vorhergesagten
Spur ist in Abb. 4.18 a) zu sehen. Die Breite dieser Verteilung (σϕ) dient als Grundlage für die Berechnung
der Ortsauflösung des Detektors, d.h. die Genauigkeit, mit der der Durchstoßpunkt einer
Spur angegeben werden kann. Denn die Breite gibt Auskunkt darüber, wie stark die Spuren um den
’wahren’, d.h. von dem Teleskop vorhergesagten, Durchstoßpunkt herum gestreut sind.
Allerdings muß man diese Breite noch mit einigen Korrekturen versehen, denn die Spurvorhersage
des Teleskops ist auch mit einer Unsicherheit behaftet, da es auch eine endliche Ortsauflösung besitzt.
Es ist dabei die Ortsauflösung einer der Detektoren in y-Richtung interessant (σy ≈ 10µm), da der
S/R

4.3. TEST DES ERSTEN MF2-PROTOTYPEN MIT MYONEN IM X5-EXPERIMENT 65
Prototyp mit den Streifen etwa parallel zur x-Achse montiert war. Daß die Streifen des Prototyps eigentlich
radial verlaufen und deshalb auch die x-Auflösung des Teleskops in die Korrektur einfließen
müßte, spielt hier eine untergeordnete Rolle, da die Korrekturen ohnehin nicht sehr groß sind, wie
man später sieht, und da die Abweichung der Lage der (getroffenen) Streifen von der Senkrechten
aufgrund der kleinen Winkelausdehnung des Strahls von ca. 3 ◦ nicht sehr groß ist.
Diese y-Auflösung, die ja als Länge angegeben ist, muß man nun in einen Fehler in ϕ-Richtung am Ort
des Prototypen umrechnen: Der Winkelfehler beim Prototypen ist der Quotient aus y-Auflösung und
Abstand des Teleskopdetektors vom Prototypen. Dabei wurde der Abstand derjenigen y-Lage vom
Prototypen verwendet, die ihm am nächsten stand, also dmin ≈ 290mm, denn dieser y-Fehler liefert
den größten Beitrag zum ϕ-Fehler. Es wurde darauf verzichtet, die y-Fehler der weiteren Teleskop-
Detektoren in die Korrektur mit einzurechnen. Da es sich um statistische Fehler handelt, werden die
Korrekturen quadratisch durchgeführt.
Hat man nun den Fehler in ϕ-Richtung, so muß man diesen Wert in eine Länge senkrecht zu den
Streifen umrechnen. Dazu wird der Abstand des Detektorbereiches, von dem man die Ortsauflösung
bestimmen will, vom (imaginären) Mittelpunkt des Detektors benötigt. Für den Bereich, der vom
Myonenstrahl getroffen wurde, lieferte das Alignment einen Abstandswert von r ≈ 880mm. Die
Ausdehnung des Strahls von ca. 30mm wird hierbei vernachlässigt.
Aus allen genannten Korrekturen und Umrechnungen ergibt sich nun die Ortsauflösung σ zu:
σ =
=
σ 2 ϕ −
σy
dmin
2
· r (4.11)
σ 2 ϕ − (34µrad)2 · 880mm (4.12)
Für das in Abb. 4.18 a) gezeigte Residuum ergibt sich eine Breite von 67µrad und damit eine Winkel-
Auflösung von 58µrad. Die Korrektur verbessert also die Ortsauflösung etwas, aber nicht so sehr, daß
sich weitere, feinere Korrekturen lohnen würden.
Diese Rechnung wurde für mehrere Testläufe bei verschiedenen Verstärkungen durchgeführt. Das Ergebnis
ist in Abb. 4.20 b) zu sehen: Die Ortsauflösung wird besser mit zunehmender Verstärkung.
Dies liegt daran, daß die Cluster bei zunehmender Gasverstärkung größer werden (siehe Abb. 4.20 a).
Somit ist für die Bestimmung des Schwerpunkts eine bessere Statistik vorhanden, was den statistischen
Fehler der Schwerpunktsbestimmung und damit die Ortsauflösung verbessert. Aber auch hier
tritt die Ortsauflösung bei 50µm und S/R ≈ 25 in die Sättigung ein. Dies ist ein weiterer Grund dafür,
daß es sich nicht lohnt, den Detektor bei höheren Verstärkungen zu betreiben.

66 KAPITEL 4. TESTMESSUNGEN MIT DEN MF2-DETEKTOREN

Kapitel 5
Diskussion und Ausblick
5.1 Resumée
Diese Arbeit beschreibt die Untersuchung der Eigenschaften des neuen Detektorkonzepts ’Mikrostreifen-Gaskammer
mit Gas-Elektron-Vervielfacher-Folie’ für den äußeren CMS-Vorwärtstracker.
Im Teststand für kosmische Myonen wurden ihre Betriebsparameter zum ersten Mal eingestellt und
ihre grundlegende Funktionsfähigkeit durch ein neu entwickeltes Online-Auswerteprogramm demonstriert.
Ausführliche Untersuchungen der Testdaten wurden mit ebenfalls neu entwickelter Offline-
Analyse-Software durchgeführt. Dabei wurden sehr gute Signaleigenschaften und Rauschverhältnisse
festgestellt: Der S/R-Wert liegt bei den gewählten Einstellungen bei 60 und das Rauschen ist sehr
homogen. Die von den Kathoden-Strömen verursachte Absenkung des Gleichspannungspegels der
Anoden wurde zu 5% des Clustersignals quantifiziert. Die Uniformität der Detektoren wurde vermessen
und zu 80% bestimmt.
Im Teststrahl wurde mit Myonen eine Ortsauflösung von 50µm erreicht bei einer Effizienz von 97%
und bei einem S/R-Wert ab 20.
Teststrahlmessungen mit stark ionisierenden Protonstrahlen ergaben geringe Streifenverluste. Im Milestone-
Test am PSI im November wurde demonstriert, daß das MSGC-Konzept sich zum Serienbau eignet
und eine Alternative zu anderen Mikrostreifen-Detektoren (z.B. Silizium-Zähler) geworden ist.
5.2 Weiterer Ausbau des Teststandes
5.2.1 Siliziumstreifen-Detektoren
Auch wenn der CMS-Vorwärts-Tracker trotzdem mit Siliziumstreifen-Detektoren ausgestattet werden
sollte, kann der Teststand mit wenigen Veränderungen weiterhin genutzt werden:
• Die Hochspannungsversorgung kann auf niedrigere Spannungen umgestellt werden.
• Das Gasversorgungssystem wird überflüssig.
Die Analyse-Software muß modifiziert werden:
• Die Korrektur auf Kathodengruppen entfällt.
• Das Streifenrauschen muß neu untersucht werden.
67

68 KAPITEL 5. DISKUSSION UND AUSBLICK
• Die neue Signalform muß berücksichtigt werden.
5.2.2 Der APV-Auslesechip
Die PreMux-Ära ist zu Ende. Mit dem schnelleren Auslesechip der neuen Generation (APV 1 ) sollen
die Detektoren nun bestückt werden. Auch in diesem Fall ist nach einigen Veränderungen eine weitere
Verwendung des Teststandes möglich:
• Der Sequenzer muß durch einen Front-End-Kontroller (FEC) ersetzt werden. Glücklicherweise
ist er in unserem Fall als VME-Karte realisiert.
• Die schwierigste Aufgabe besteht nun darin, im Auslese-Unterprogramm den neuen Auslesezyklus
zu programmieren und auf den FEC abzustimmen. Vereinfachend ist hier, daß es sich
nur um ein Unterprogramm des Datennahme-Programms handelt. Die anderen Teile dieses Programms
sowie alle anderen Programme können unverändert bleiben.
• Die Kommunikation zwischen dem FEC und der im Teststand verwendeten Triggerlogik muß
verstanden werden.
5.2.3 Serienfertigung der Detektoren für den CMS-Vorwärts-Tracker
In 2 bis 3 Jahren soll in Karlsruhe mit der Massenproduktion von mehreren hundert Detektormodulen
begonnen werden. Dazu muß, unabhängig von den bisher erwähnten Veränderungen, der Teststand so
umgebaut werden, daß ein schneller und vor allem automatischer Test vieler Detektoren gleichzeitig
möglich ist. Dabei sind die folgenden Umbaumaßnahmen notwendig:
• Zunächst muß der Ein- und Ausbau von Detektoren stark vereinfacht werden. Dazu ist ein
Baukastensystem angedacht: Jeder Detektor und Triggerszintillator wird in eine flache, nach
2 Seiten offene (für Auslese und Spannungsversorgung) Aluminiumbox geschoben. Die Boxen
werden miteinander befestigt. Die Zahl der Szintillatoren und der zu testenden Detektoren
bestimmt die Zahl der Boxen, die gestapelt in den Teststand gestellt werden.
• Auch der Anschluß von Auslese und Spannungsversorgung muß vereinfacht werden.
• Der Auslesevorgang muß vereinfacht werden: Es sollen möglichst wenig Einstellungen an
Detektor-Parametern und Schwellen für die Clustersuche nötig sein. Die Testläufe sollen auf
der Festplatte automatisch verwaltet werden. Der Benutzer soll lediglich in ein elektronisches
Testlauf-Logbuch und eine Detektordatenbank Kommentare eintragen.
• Da nun viele Detektoren gleichzeitig Daten liefern, sollen auch Spurrekonstruktionen durchgeführt
werden.
• Die Daten sollen möglichst vor Ort gründlich prozessiert werden. Die Histogramme hieraus
sollen automatisch ausgewertet werden: Suche nach dem Maximum von Signal- über Rauschverteilungen,
Zählen von verlorenen Streifen, sowie die Bestimmung von Effizienz, Reinheit
und Ortsauflösung. Die Software soll anhand dieser Ergebnisse eine Bewertung der Qualität
des Detektors abgeben.
1 Analog Pipeline Voltage type

5.3. TESTS MIT KOSMISCHER STRAHLUNG 69
• Es werden sehr große Datenmengen anfallen. Bei 20 Detektoren à 1000 Streifen und einer Rate
von 0.5 Hz sind das 1.7GByte pro Tag! Deshalb ist an eine Kompression der Daten gedacht:
Man speichert nur die Differenz der pedestal-korrigierten Signale zweier benachbarter Streifen
[36], denn im wesentlichen handelt es sich hierbei um Rauschen. Dadurch muß man nicht mehr
16 Bit, sondern nur noch 4 bis 6 Bit pro Streifen speichern. Ist die Differenz aufgrund eines
Treffers größer als 2 6 = 64, so wird dies in einem Kontrollbyte vermerkt und danach der Kanal
einmalig in 16 Bit Breite geschrieben. Der Gewinn ist mit dieser Methode also etwa 60 bis 75%.
Da ohnehin nur der größte Cluster im Ereignis interessant ist, kann man auch nur den getroffenen
Bereich speichern. Er muß für Signalkorrekturen groß genug sein: 32 bis 64 Streifen. Die
Ersparnis bei einem 1000-Streifen-Detektor ist damit 94 bis 97%!
• Die Bedienung der Spannungsversorgung und die Überwachung der Umgebungsbedingungen
(SlowControl) sollte bequem mit Hilfe desselben PCs und demselben Programmpaket, das die
Auslese steuert, möglich sein.
• Weil ein automatisches Abschalten der Spannungsversorgung bei zu hohen Strömen (Trips)
einen Zeitverlust darstellt, da Daten ohne Teilchensignale aufgenommen werden, soll der Operateur
des Teststandes automatisch per email davon unterrichtet werden.
Zuletzt sollen noch Möglichkeiten und Einschränkungen von Tests mit kosmischer Strahlung und bei
Strahlzeiten diskutiert werden.
5.3 Tests mit kosmischer Strahlung
Die Vorteile von Tests mit kosmischer Strahlung sind:
• Man kann die Tests am Ort der Endfertigung durchführen. Baufehler können somit sofort entdeckt
und behoben werden.
• Die Meßanordung kann schnell und mit geringem Aufwand in Betrieb genommen werden.
• Beim Betrieb eines Teststandes fallen geringe Kosten an.
Die Nachteile liegen aber auch auf der Hand:
• Nicht jedes ausgelesene Ereignis enthält einen (brauchbaren) Cluster, weil manche Spuren zwar
alle Szintillatoren, aber nicht alle Detektoren treffen (siehe Abb. 3.1). Die Folge ist, daß einige
unnütze (=25% aller) Ereignisse weggeschrieben werden.
• Dieser Sachverhalt und die niedrige Rate an kosmischen Teilchen erfordert eine lange Datennahme
für signifikante Verteilungen, nämlich ca. 5 Tage für 170.000 brauchbare Cluster.
• Die Spuren verlaufen nicht immer senkrecht zum Detektor. Die Clusterladung wird zu groß,
wenn die Spur sehr schräg ist: Bei einem Winkel von 30 ◦ gegenüber der Senkrechten immerhin
um den Faktor 1.15. Somit kann bei ungünstigen Trigger-Geometrien die Signalverteilung
verzerrt werden.
• Belastungstests unter hohen Teilchenintensitäten sind selbstverständlich auch nicht durchführbar.

70 KAPITEL 5. DISKUSSION UND AUSBLICK
5.4 Strahlzeiten
’Abhilfe’ bei den meisten der genannten Nachteile schaffen Strahlzeiten, d.h. Tests am Teilchenbeschleuniger.
• Es können viele (bis ca. 40) Detektoren gleichzeitig getestet werden.
• Die Triggerraten sind viel höher.
• Die Spuren verlaufen stets senkrecht zum Detektor.
• Strahlenbelastungstests können am PSI durchgeführt werden.
• Am X5/CERN hat man für Spurrekonstruktionen nicht nur ein Siliziumstreifen-Teleskop und
ebensogroße Triggerszintillatoren zur Verfügung, sondern die Teilchenraten sind zum einen
hoch genug, daß man in kurzer Zeit genügend Ereignisse für signifikante Verteilungen genommen
hat, aber zum andern klein genug, daß die Spurrekonstruktion aufgrund von Vielfachtreffern
nicht zu schwierig wird.
Die Nachteile solcher Strahlzeiten sind aber auch offensichtlich.
• Sie sind teuer: Betreuungspersonal muß sich vor Ort mehrere Wochen aufhalten. Die Inanspruchnahme
von Experimentierraum kostet Geld.
• Der Aufbau ist umständlich und deshalb zeitraubend: Die Elektronik der aus verschiedenen
Instituten mitgebrachten Detektoren muß aufeinander abgestimmt werden. Defekte, die durch
den Transport entstanden sind, müssen behoben werden.
• Die Daten sind schwer zu bearbeiten: Der Zugriff auf die Magnetbänder ist zeitraubend. Das
Dateiformat (ZEBRA) ist schwer handhabbar. Deshalb können bestehende Analyseprogramme
nur schwer aktualisiert oder von Fehlern befreit werden.
• Die Analyse muß an oft überlasteten Rechnern vor Ort durchgeführt werden, da die großen
Rohdatenmengen nicht zum Heimatinstitut übertragen werden können. Die Wartezeit bis zu
den ersten Ergebnissen kann deshalb recht lange sein.
• Es ist zumindest am PSI kaum eine Reaktion auf neue Probleme mit einem einzelnen Detektor
möglich, da der Zutritt zum Strahlbereich bei eingeschaltetem Strahl ausgeschlossen ist.
• Reparaturen sind bei Strahlzeiten immer schwierig, weil die Detektoren, auf der Bank montiert,
schwer zugänglich sind. Abmontieren ist auch nur mit einigem Aufwand möglich.
Fazit: Bevor man Detekoren in einer aufwendigen und teuren Strahlzeit testet, sollte man sie so
ausführlich wie möglich im Teststand vermessen, um möglichst viele Defekte entdecken und beheben
zu können.

Anhang A
Beschreibung der Onlineprogramme
Die LabView-Kontroll-Fenster der hier beschriebenen Programme sind in den Abbildungen A.1 bis
A.3 auf den Seiten 77 bis 79 abgedruckt.
A.1 VME-Bus
Alle Programme, die auf den VME-Bus zugreifen, enthalten eine Variable ’Bus-Fehler’ (Bus Error).
Diese Variable wird nach jedem Bus-Zugriff abgefragt, und ihre Anzeige wird so bald als möglich
aktualisiert.
Ein Bus-Fehler wird meistens dadurch verursacht, daß der Benutzer vergißt, vor der LabView-Sitzung
das Programm zu starten, welches die VXI-Interface-Karte für die Verwendung bereit gemacht.
A.2 Verwaltung der VXI-Bibliothek
Falls ein LabView-Programm die VXI-Bibliothek verwendet, muß diese zuvor geöffnet werden. Damit
dies nicht verschiedene Programme mehrmals tun, darf nur das erste Programm, das die Bibliothek
verwendet, diese öffnen. Das letzte dieser Programme schließt sie wieder. Um zu verhindern, daß der
Benutzer den Standard-Stop-Knopf von LabView verwendet, dadurch das Programm vorzeitig beendet
und somit ein Schließen der Bibliothek verhindert, wurde dieser Knopf in diesen Programmen
entfernt, und der Benutzer wird aufgefordert, nur den im Programm zur Verfügung gestellten Stop-
Knopf zu verwenden. close VXI Lib status gibt an, ob die VXI-Bibliothek nach Beendigung des letzten
auf die Bibliothek zugreifenden Programms korrekt geschlossen wurde.
A.3 Pulser
Das Programm Pulser steuert die VME-Pulserkarte. Mit dem Schiebeschalter frequency kann man die
Frequenz stufenlos von 10 bis 1000 Hz einstellen.
Die Basisadresse der Pulserkarte im VME-Bus wird in scmpBase eingestellt. Darunter befindet sich
der Schalter zum Ein- und Ausschalten des Pulsers.
Mit den Schaltern S2 cal delay und cal tr delay kann man die Verzögerungszeiten zwischen den
verschiedenen Pulserausgängen einstellen.
71

72 ANHANG A. BESCHREIBUNG DER ONLINEPROGRAMME
A.4 Konfigurationsprogramm
Das Konfigurationsprogramm ermöglicht dem Benutzer, alle Einstellungen vorzunehmen, die für die
Datennahme und die Onlineauswertung relevant sind. Die aktuelle Konfiguration wird über eine globale
Variable den Programmen Auslese, Anzeige und Online-Monitor mitgeteilt. Da diese Programme
ohne Konfiguration nicht arbeiten können, wird vom Benutzer verlangt, vor den 3 genannten Programmen
die Konfiguration zu starten.
Es ist möglich, mehrere Detektoren, ja sogar mehrere FADCs auszulesen. Ein SBM ist in der Lage,
mehrere Detektoren auszulesen (Kap. 3.2.4). Der Benutzer muß nun auf dem SBM verfolgen, wie der
Token von Detektor zu Detektor weitergegeben wird.
Beispiel: Es werden die 3 Detektoren A bis C (jeweils 1024 Streifen) mit demselben SBM ausgelesen.
Der Token wandert von A über B nach C. Dann ist der Index des ersten Streifens von A 0, von B ist
er 1024 und von C 2048.
Wird die Zahl der Detektoren verändert, so entfernt das Programm entsprechend viele Zeilen oder
fügt welche hinzu. Dabei werden die in der ersten Zeile stehenden Standardeinstellungen, welche
auch verändert werden können, eingefügt. Es können auch alle oder einzelne (Knopf nicht zu sehen)
Detektoren auf die Standardwerte gesetzt werden.
Die gesamte Konfiguration kann gespeichert und wieder geladen werden. Pfad und Name der zur letzten
geladenen Konfiguration gehörenden Datei werden angezeigt. Wie immer sind Standard-Pfad und
-Dateiname einstellbar.
Tabelle A.1 zeigt die Einstellungen, die für jeden Detektor vorgenommen werden können. Damit der
Einstellung Beschreibung benötigt
fadcBase Basisadresse des zum Detektor gehörenden FADCs R
fadc Channel Kanal oben (up) oder unten (down) R
first strip Index Nummer seines ersten Streifens bei der SBM-Auslese R
last strip Index Nummer seines letzten Streifens bei der SBM-Auslese R
strips wird automatisch berechnet: last - first + 1 -
strips per chip Anzahl der Kanäle pro Auslesechip RD
Det.Name(DAQ-Id) Name des Detektors DO
min strip S/N S/R-Schwelle für einen getroffenen Streifen O
min high strip S/N S/R-Schwelle für den höchsten Streifen im akzeptierten Cluster O
pol. Richtung des Treffersignals O
max outflag... Maximal erlaubte Zahl von ausgeflagten Streifen im Cluster O
cath in 1st CG Anzahl der Kathoden in der ersten Kathodengruppe O
cath in CG Anzahl der Kathoden in allen weiteren Kathodengruppen O
strips to flag out Alle Streifen, die bei der Analyse nicht berücksichigt werden sollen O
Tabelle A.1: Detektor-Einstellungen. R=Auslese, D=Anzeige, O=Online-Monitor
Benutzer während der Datennahme keine Änderungen an Hardware-Einstellungen vornimmt, sind
die entsprechenden Eingabefelder (number of detectors, fadcBase, fadcChannel, first strip Index, last
strip index) blockiert. Er wird über den Status der Auslese in dem Fenster DAQ 1 is ON/off informiert.
Während der Benutzer Einstellungen vornimmt, werden diese sofort an die globale Konfigurations-
Variable, deren Inhalt bis zum Ende der LabView-Sitzung erhalten bleibt, weitergeleitet. Deshalb darf
er das Programm beenden und sogar schließen, wenn er seine Einstellungen vorgenommen hat.
1 Data Acquisition

A.5. AUSLESEPROGRAMM 73
A.5 Ausleseprogramm
A.5.1 Auswahl der Art des Runs
Das Ausleseprogramm beherrscht die 2 Arten Physics- und Pedestal-Run. Mit dem Schalter unter
dem Startknopf schaltet man zwischen ihnen um. Beim Pedestalrun werden die Rohdaten gemittelt
und anschließend ein zweiter Run mit derselben Zahl von Ereignissen gestartet, bei dem das Streifenrauschen
berechnet wird. In welchem Stadium man sich gerade befindet, wird im Fenster darunter
angezeigt. Beim Physicsrun wird dies nicht gemacht.
Mit Start ... wird der entsprechende Run gestartet. Dieser Knopf wandelt sich dann um in Stop ...,
mit dem man den Run stoppen kann.
A.5.2 Datenverwaltung
Nach dem Start eines Runs wird der Benutzer gefragt, ob er ihn speichern will und wenn ja, wohin.
Standardvorgaben für den Dateipfad von Pedestal- und Physics-Runs kann man rechts oben angeben.
Pfad und Dateiname, wohin der aktuelle Run gespeichert wird, wird darunter angezeigt.
Falls das Programm auf einem Rechner mit langsamer Festplatte läuft, kann man die Blockgröße
(Standard=1) verändern. Damit werden alle ausgelesenen Ereignisse im Arbeitsspeicher gehalten, bis
die angegebene Zahl erreicht ist, um danach in einem Schreibvorgang gespeichert zu werden.
Das Programm beherrscht 2 Dateiformate: Ein Ascii-Format, in dem die Kanal-Inhalte als lesbare
Zahlen geschrieben werden und das Binärformat, wie es in Tabelle 3.3 beschrieben ist. Das Ascii-
Format unterstützt nur einen ausgelesenen Detektor und wird aus Kompatibilitätsgründen zu bestehender
älterer Offline-Analyse-Software angeboten.
Im Binärformat beginnt jede Roh-Datei mit einem Kopf dieses Formats (Beispiel):
begin-data-at-fileposition 154
begin-time 16.10.99;14:07
mode Pedestal
number-of-detectors 3
MF2-11 0 1024
MF2-6 1024 1024
MF2-19 2048 1024
begin-data
Jeder Eintrag in der Liste aller ausgelesenen Detektoren enthält den Namen, den Index des ersten
Streifens und die Anzahl der Streifen. Alle diese Einstellungen werden im Programm Konfiguration
(Kap. A.4) vorgenommen.
Beim Index des ersten Streifens handelt es sich um die Position des Detektors im Rohdatenarray, vgl.
Tabelle 3.3.
A.5.3 Zählwerk
Das Zählwerk hält die Zahl der Trigger und die seit dem Start vergangene Zeit (in HH:MM:SS) fest.
Man kann für Anzahl und Zeit Limits setzen, nach denen das Programm die Datennahme beenden soll.
Dabei kann man angeben, ob das Programm den Run beenden soll, falls das Zeit- oder das Anzahl-
Limit oder falls das Zeit- und das Anzahl-Limit erreicht ist. ’0’ bedeutet bei der Angabe der Limits
stets ’∞’.
Schaltet man auf ’Pedestal-Run’ um, so wird das Anzahl-Limit auf 2000 gesetzt, bei Umschaltung auf

74 ANHANG A. BESCHREIBUNG DER ONLINEPROGRAMME
’Physics’ auf 0.
Es werden auch aktuelle und durchschnittliche Triggerfrequenz angegeben.
Die Anzeigen des Zählwerks werden lediglich alle 2 Sekunden aktualisiert, um Rechenzeit zu sparen.
A.5.4 Sequenzer
Die Sequenzer-Adresse und das Sequenzer-Delay können ganz unten eingestellt werden.
A.6 Anzeigeprogramm
A.6.1 Hinweise zur Bedienung
Es besteht aus den 3 Anzeige-Fenstern für das letzte ausgelesene Ereignis, für das Pedestal und für
das Rauschen.
Das Programm kann diese Daten immer nur für einen Detektor anzeigen, den man in Display Detector
anwählen kann. Darunter stellt man ein, ob man das aktuelle Ereignis roh oder mit Pedestal- und/oder
Common-Mode-Korrektur anschauen will. In den letzten Fällen muß man mit dem Ausleseprogramm
bereits einen Pedestalrun durchgeführt haben. Es wird angezeigt, ob Pedestals im Speicher vorhanden
ist.
Das Rauschen im gezeigten Beispiel ist deshalb sehr inhomogen, weil der 2.Pedestalrun nach wenigen
Ereignissen abgebrochen wurde.
Der Inhalt der 3 Anzeigefenster kann auch als unter PAW als Vektoren einlesbare Arrays abgespeichert
werden.
Die Anzeige wird nach der vom Benutzer in der rechten unteren Ecke einstellbaren Zeit aktualisiert.
Falls man ein Ereignis länger betrachten möchte, drückt man den Pause-Knopf oben rechts. Er wechselt
dann zum Continue-Knopf. Während einer Pause werden keine weiteren Ereignisse dargestellt.
Falls der Schalter Online Monitor auf connect steht, pausiert der Online-Monitor genau dann, wenn
das Anzeige-Programm auch pausiert. Siehe Kap. A.7.4.
A.6.2 Skalierung
Die Y-Skala aller drei Fenster kann man automatisch immer (AutoScale Y ON) oder jetzt (AutoScale
Y NOW) oder nie (AutoScale Y OFF) an die Daten anpassen lassen. Im letzten Fall kann der Benutzer
die Y-Skala selbst einstellen.
Die Skalierung der X-Achse kann rechts unten vorgenommen werden: Entweder man stellt die Grenzen
selbst ein (ZOOM All), oder man skaliert Gruppenweise (Zoom group, nicht zu sehen). In diesem
Fall stellt man die Zahl der Streifen pro Gruppe ein und kann mit einem Mausklick von einer Gruppe
zur nächsten Gruppe wandern.
Oben in der Mitte kann man zwischen Voll- und Normalbild umschalten. Im Vollbild werden alle 3
Anzeigen auf die gesamte Fensterhöhe gestreckt. Man hat somit eine detailiertere Ansicht des Ereignisses.

A.7. ONLINE-MONITOR 75
A.7 Online-Monitor
A.7.1 LabView-Code-Interface
Der Online-Monitor analysiert sofort die von der Auslese kommenden Daten. Dabei wurde der zentrale
Teil des Programms, die Signalkorrektur und die Clustersuche mit Hilfe des LabView-Code-
Interfaces [38] realisiert. Ein C-Programm (siehe Kap. C.1) erhält von LabView unter anderem die
pedestalkorrigierten Daten, das Streifenrauschen und die Konfiguration. Mit diesen Informationen
sucht das C-Programm nach dem größten Cluster im Ereignis und gibt die Informationen über diesen
Cluster an das Ausleseprogramm zurück. Die Vorteile, umfangreiche Berechnungen mit Hilfe des
Code-Interfaces einzubinden, sind Schnelligkeit und Übersichtichkeit, denn aufwendige Rechnungen
werden in LabView erstens langsamer ausgeführt, und zweitens ist ihr zugehöriger Code sehr schwer
lesbar.
A.7.2 Vorbereitungen
Bevor man mit dem Online-Monitor Verteilungen aufnehmen kann, muß ein Pedestalrun durchgeführt
werden. Es wird angezeigt, ob Pedestals im Speicher sind.
Im Fenster Histogram-parameter muß der Benutzer angeben, wieviele Bins die Histogramme haben
(number of bins) und welchen Bereich (max value) sie abdecken sollen. Rechts daneben wird
angezeigt werden, wieviele Werte größer sind als maxvalue (Histogramm-Überlauf). Für diese Einstellungen
existieren unveränderliche Standards, die beim Start gesetzt sind, und die man entweder
für das aktuelle oder für alle Histogramme setzen kann. Hinweis: Die Histogramm-Parameter sind
für alle Detektoren gleich!
Mit dem Knopf rechts neben der Detektor-Auswahl kann man den Online-Monitor starten und stoppen.
A.7.3 Verfügbare Histogramme
Der Online-Monitor füllt nun für jeden Detektor die folgenden Verteilungen mit den Werten des
größten Clusters im Ereignis:
clustersize Zeigt die Verteilung der Anzahl der Streifen im Cluster an
cluster amplitude Enthält die Verteilung der Clusterladung
S/N: TDR Signal über Rauschen nach TDR (Gleichung 2.4)
S/N: LYON Signal über Rauschen nach LYON (Gleichung 2.5)
highest strip position Trefferhäufigkeit für jeden Streifen
Tabelle A.2: Histogramme im Online-Monitor
Nach einem Stop sind die Histogramme nicht verloren, es wird damit lediglich verhindert, daß weitere
Ereignisse ausgewertet werden, während man z.B. die Cluster-Werte des letzten Ereignisses näher
betrachten will. Will man die Histogramme löschen, so muß man den Online-Monitor mit dem Stop-
Knopf von LabView beenden und dann neu starten.
Es ist möglich, die x-Achsen und Bin-Inhalte der Histogramme als PAW-Array zu speichern, und zwar
alle, alle des gerade verwendeten Detektors, alle des angezeigten Typs oder nur das gerade angezeigte.

76 ANHANG A. BESCHREIBUNG DER ONLINEPROGRAMME
A.7.4 Hinweise zur Bedienung
Falls der Schalter Display auf connect steht, pausiert die Anzeige genau dann, wenn der Online-
Monitor auch pausiert (gestoppt ist). Selbstverständlich werden die Stellungen dieses Schalters in
Anzeige und Online-Monitor automatisch einander angeglichen. Der Sinn dieses Features ist nun, das
letzte Ereignis in Ruhe betrachten zu können, weil man anhand der Cluster-Daten am Aussehen der
Rohdaten interessiert ist. Umgekehrt kann man in der Ereignisanzeige pausieren, weil man aufgrund
des Treffersignals an den zugehörigen Clusterdaten interessiert ist.
Jederzeit kann nur ein bestimmter Ausschnitt des Histogramms betrachtet werden (x-min, x-max).
Dabei bleibt die nicht angezeigte Information natürlich erhalten. Ferner kann man das Histogramm
gröber binnen, falls man z.B. zu wenig Einträge hat. Dazu stellt man einen ganzzahligen Wert ein
(divide # of bins), durch den die Anzahl der Bins dividiert wird. Auch hierbei geht keine Information
verloren, denn diese Zahl kann wieder auf ihren ursprünglichen Wert (1) gesetzt werden.
A.7.5 Zählwerk
Es werden alle Trigger mitgezählt (# of Trigger). Für jeden Detektor wird nun gezählt, in wievielen
Ereignissen ein Cluster gefunden wurde. Das Verhältnis dieser beiden Werte wird ebenfalls angezeigt.
Ob er im letzten Ereignis einen Cluster gefunden hat, wird ebenfalls angegeben.
Außerdem werden dem Benutzer die Informationen zum letzten gefundenen Cluster mitgeteilt:
size Anzahl der Streifen im Cluster
Ampl Clusterladung
CluN quadratische Summe des Einzelstreifenrauschens
MeanN quadratisches Mittel des Einzelstreifenrauschens
HSP Position des höchsten Streifens im Cluster
Tabelle A.3: Clusterinformationen im Online-Monitor

A.7. ONLINE-MONITOR 77
Abbildung A.1: LabView-Programme: links: Detektor-Konfiguration, oben: Pulser, unten: Auslese

78 ANHANG A. BESCHREIBUNG DER ONLINEPROGRAMME
Abbildung A.2: LabView-Programm Ereignisanzeige

A.7. ONLINE-MONITOR 79
Abbildung A.3: LabView-Programm Online-Monitor

80 ANHANG A. BESCHREIBUNG DER ONLINEPROGRAMME

Anhang B
Beschreibung des
Offlineanalyseprogramms
Es handelt sich hierbei um ein C-Programm, welches die Rohdaten aus dem Ausleseprogramm gründlicher
auswertet als dies der Online-Monitor kann.
B.1 Fähigkeiten
• Es ist möglich, die Rohdaten eines Pedestal-Laufs oder aber die Physics-Daten zur Pedestalberechnung
verwenden zu lassen. Das letztere dauert wesentlich länger, weil Pedestal und Rauschen
iterativ bestimmt werden müssen.
• Es können mehrere Detektoren und sogar ein und derselbe Detektor mehrmals mit verschiedenen
Schwellen in einem Durchlauf ausgewertet werden. Für jeden dieser logischen Detektoren
muß eine Zeile in der Konfigurationsdatei angegeben werden.
• Es werden alle Cluster im Ereignis gesucht und in Histogramme einsortiert.
• Ferner kann für jeden logischen Detektor angegeben werden, ob das Programm eigene Cluster
suchen soll, oder ob die Cluster aus einem anderen Detektor verwendet und einsortiert werden
sollen. Dies hat den Vorteil, nicht immer für jeden Sub-Detektor die Cluster neu suchen zu
müssen (siehe Beispiel-Konfiguration unten).
• Es ist möglich, die Histogramme für die Signal- und S/R-Verteilungen beliebig zu binnen.
• Streifen, deren Rauschen um einen bestimmten Faktor über oder unter dem Mittelwert der anderen
liegt, werden automatisch ausgeflagt, d.h. bei der Analyse nicht verwendet.
• Der Benutzer kann zusätzlich Streifen ausflagen.
B.2 Detektorkonfiguration
Bevor die Daten prozessiert werden können, muß eine Konfigurationsdatei angelegt werden. Sie sieht
z.B. folgendermaßen aus (Kommentarzeilen beginnen mit ’*’):
81

82 ANHANG B. BESCHREIBUNG DES OFFLINEANALYSEPROGRAMMS
* Hints:
* At least one space is needed between the entries in the dataline!
* But there mustn’t be any spaces in the ignore- and DAQId-entry!
* Put the number of strips per chip in all cathode group-entries,
* if there aren’t any cathodes (e.g. in a double-gem detector).
* All strip-entries are C-like: counting starts with 0 !!
* ignore strips in the evaluation (flag out strips) (example:22,211:219,1001,1022)---------------|
* upper \ cut on cluster size------------------------------------------------------------------| |
* lower / (bounds included)-----------------------------------------------------------------| | |
* use all clusters from this detector (int.Id) (-1=use its own ones)---------------------| | | |
* maximum entry of cluster-amplitude-histograms-------------------------------------| | | | |
* number of bins of cluster-amplitude-histograms-------------------------------| | | | | |
* maximum entry of signal/noise-histograms-------------------------------| | | | | | |
* number of bins of signal/noise-histograms--------------------------| | | | | | | |
* max number of dead,noisy,ignored strips in cluster------------| | | | | | | | |
* maxnoise/meannoise-ratio for strip is noisy-----------------| | | | | | | | | |
* minnoise/meannoise-ratio for strip is dead--------------| | | | | | | | | | |
* min highest strip s/n for accepted cluster----------| | | | | | | | | | | |
* min signal/noise for accepted hit---------------| | | | | | | | | | | | |
* number of cath. in 1st cath. group----------| | | | | | | | | | | | | |
* number of cath. in cath. group----------| | | | | | | | | | | | | | |
* polarity (1 or -1)------------------| | | | | | | | | | | | | | | |
* evaluate \ last------------------| | | | | | | | | | | | | | | | |
* strips: / first------------| | | | | | | | | | | | | | | | | |
* additional information--| | | | | | | | | | | | | | | | | | |
* int. Id(0..999)--| | | | | | | | | | | | | | | | | | | |
* DAQId--------| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |
* | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |
mf2-11 0 0000 1023 1 16 16 3.0 7.0 0.5 1.5 1 400 800 500 20000 0 0 99 44,67,990:1010
mf2-11 1 subst1 0000 511 1 16 16 3.0 7.0 0.5 1.5 1 400 800 500 20000 0 0 99 44,67
mf2-11 2 subst2 512 1023 1 16 16 3.0 7.0 0.5 1.5 1 400 800 500 20000 0 0 99 990:1010
mf2-19 10 0000 1023 1 16 16 3.0 7.0 0.5 1.5 1 400 800 500 20000 10 0 99 0,200:203
Die Datei erklärt sich weitgehend selbst, außerdem sind einige Einstellungen identisch zu denen in
der Online-Konfiguration.
Lediglich auf wenige Einstellungen soll näher eingegangen werden.
DAQId Sie muß exakt mit der DAQId bei der Auslesekonfiguration übereinstimmen.
int. Id internal Id. Dies ist die Zahl, die zu jeder Hbook-Histogramm-Id addiert wird.
additional... Kommentar. Er wird zusammen mit der DAQ-Id an den Anfang eines jeden
Hbook-Histogramm-Titels gesetzt.
polarity Polarität (=Richtung) des Treffersignals.
Das pedestal-korrigierte Signal wird mit diesem Wert multipliziert.
minnoise... Untere relative Rausch-Schwelle für das automatische Ausflagen eines Streifens
maxnoise... Obere relative Rausch-Schwelle für das automatische Ausflagen eines Streifens
use all... Interne Nummer desjenigen Detektors, von dem die gefundenen Cluster übernommen
werden sollen. -1: Er soll seine eigenen Cluster suchen.
B.3 Verfügbare Histogramme
Tabelle B.1: Einige Einstellungen der Offline-Analyse
Es werden wesentlich mehr Histogramme bereitgestellt als dies im Online-Monitor der Fall war (siehe
Tabelle B.2).
B.4 Eingabeparameter
Folgende Eingaben sind möglich:
cluster p e c
o

B.5. BEDIENUNG 83
Name des Hbook- Erklärung
Histogramms
Auf den größten Cluster im Ereignis bezogen
Amplitude Clusterladung
S/N(Tdr) Signal über Rauschen (TDR) (Gleichung 2.4)
S/N(Lyon,TC) Signal über Rauschen (LYON) (Gleichung 2.5)
S/N(Lyon,HS) Verteilung: größter Streifen im Cluster: Amplitude/Rauschen
size Anzahl der Streifen im Cluster
all strips pos Trefferbelegung, gewonnen aus allen Streifen eines Clusters
high strip pos Trefferbelegung: gewonnen aus dem größten Streifen eines Clusters
high strip raw Verteilung des Rohsignals des höchsten Streifens
cog Trefferbelegung aufgrund des Clusterschwerpunkts
CGAvg/Ampl Verteilung von CGU(Kap. D)/Clusteramplitude
CGAvg/Ampl (2D) 2-dimensionale Verteilung von CGU über Clusteramplitude
sowie dieselben Histogramme auf alle anderen Cluster im Ereignis bezogen
cluster-multiplicity Anzahl der Cluster im Ereignis
pedestal Pedestalsignal über Streifennnummer
noise vs channel mittleres Rauschen über Streifennummer
noise-deviation Rauschsignal, als Verteilung
ignore-flags Ausgeflagte Streifen über Streifennummer
Tabelle B.2: Histogramme der Offline-Analyse
In diesem Fall wird die Datei verwendet, um Pedestal und Rauschen zu berechnen.
Dabei geht das Programm ’cluster’ davon aus, daß keine Treffersignale in den Daten enthalten
sind. Als Trefferdatei wird verwendet.
cluster e c
o
Nun wird die zur (iterativen) Pedestal- und Rausch-Bestimmung verwendet.
B.5 Bedienung
Nach dem Start des Programms werden von allen in der Konfiguration angegebenen Detektoren Pedestal
und Rauschen berechnet. Dann wird der Benutzer gefragt, was er nun tun möchte:
We are before event #1. What do You want to do?
(input= 0) process until end of file
(input= 1) write this event as paw-array
(input> 1) process to event# input
(input

84 ANHANG B. BESCHREIBUNG DES OFFLINEANALYSEPROGRAMMS
• Rohsignal
• pedestalkorrigiertes Signal
• kathodenkorrigiertes Signal
• Pedestalsignal
• Streifenrauschen
• Markierung von getroffenen Streifen
• Markierung der vom Benutzer und vom Programm ausgeflagten Streifen
Daraus ergibt sich in PAW z.B. das folgende Kommando, um die Datei zu lesen:
v/read raw,pedc,cgc,ped,noise,hitflag,ignore [file]
B.6 Programmodule und ihre Funktion
Das Programmpaket ist folgendermaßen aufgebaut.
B.6.1 Hauptprogramm
Das Hauptprogramm ruft das Unterprogramm zum Lesen der Konfiguration und das zur Pedestal-
Bestimmung auf. Es führt den Dialog mit dem Benutzer über die Kommandozeile, über die Fehlermeldungen,
die sich aus der Kommando-Zeile oder der Konfigurationsdatei ergeben, und über die
Benutzereingaben während der Prozessierung der Daten. Es enthält den Clusterfinder.
B.6.2 Analyseroutinen
In dieser Sammlung sind alle Unterprogramme enthalten, die die Daten analysieren:
PedNoise Berechnet Pedestal und Rauschen
PedCG Führt die Pedestal- und Kathoden-Korrektur des Rohsignals durch
ExitCluster Schließt einen Cluster ab, d.h. prüft, ob er akzeptiert wird, sortiert gegebenenfalls
die Werte in Histogramme und ruft InitCluster auf.
InitCluster Setzt alle Werte des Clusters auf 0.
SwapArray Vertauscht in jedem Rohdaten-Eintrag das höher- mit dem niederwertigen Byte, da die
Speicherung eines Wortes im Betriebssystem des Datennahme-PCs in der umgekehrten
Byte-Reihenfolge geschieht, wie im Betriebssystem des Offline-Analyse-PCs
B.6.3 Hbook-Schnittstelle [36]
Tabelle B.3: Unterprogramme zur Datenanalyse
Hbook [37] ist ein Paket von Routinen zum Buchen, Füllen und Speichern von Histogrammen, die
mit PAW weiterverarbeitet werden können. Es wird, ebenso wie PAW, vom CERN bereitgestellt. Die
daraus benötigten Routinen werden von der Hbook-Schnittstelle für den Programmierer nutzbar gemacht.

B.6. PROGRAMMODULE UND IHRE FUNKTION 85
B.6.4 Dateischnittstelle
Sie enthält die Unterprogramme, die das Öffnen, Lesen und Schließen von Dateien betreffen:
SearchForConfig Liest die Konfigurationsdatei, durchsucht sie auf Fehler und schreibt die
Konfiguration aller Detektoren in den Arbeitsspeicher
SearchForHeader Liest die Informationen des Rohdatei-Headers
FileOpen Öffnet eine Datei, mit Fehlerbehandlung
FileClose Schließt eine Datei, mit Fehlerbehandlung
Tabelle B.4: Unterprogramme zur Behandlung von Dateien

86 ANHANG B. BESCHREIBUNG DES OFFLINEANALYSEPROGRAMMS

Anhang C
Quellcodes
Dieser Anhang enthält die zentralen Teile der Analyseprogramme.
C.1 Analyseroutine im Online-Monitor
#include "c:\programme\labview\cintools\extcode.h"
UseDefaultCINInit
UseDefaultCINDispose
UseDefaultCINAbort
UseDefaultCINLoad
UseDefaultCINUnload
UseDefaultCINSave
typedef struct {
int32 dimSize;
float32 arg1[1];
} TD1;
typedef TD1 **TD1Hdl;
typedef struct {
int32 dimSize;
int32 arg1[1];
} TD2;
typedef TD2 **TD2Hdl;
typedef struct {
float32 minS2N;
float32 minCluS2N;
int32 polarity;
int32 MNOISIC;
int32 NOCICG;
int32 NOCIFCG;
} TD3;
typedef struct {
int32 size;
float32 Ampl;
float32 CluN;
float32 MeanN;
int32 HSP;
} TD4;
CIN MgErr CINRun(TD2Hdl HitFlag, TD1Hdl CathodeGroupCorrected, TD2Hdl Ignore, TD1Hdl Noise, TD3 *Config, TD4 *Cluster,
LVBoolean *Accepted);
CIN MgErr CINRun(TD2Hdl HitFlag, TD1Hdl CathodeGroupCorrected, TD2Hdl Ignore, TD1Hdl Noise, TD3 *Config, TD4 *Cluster,
LVBoolean *Accepted) {
int32 Strips=(**CathodeGroupCorrected).dimSize;
int32 Channel,BeginCathodeGroup,EndCathodeGroup,NumberOfHits,NumberOfNotHitStrips,MaxChannel,direction,BeginChannel,
EndChannel,NumberOfIgnoredStripsInCluster=0,NumberOfStripsInCluster=1;
float32 CathodeGroupMean,MaxVal=-9999.,Tmp;
// init cluster
(*Cluster).size =0 ;
(*Cluster).Ampl =0.0;
(*Cluster).CluN =0.0;
(*Cluster).MeanN=0.0;
(*Cluster).HSP =0 ;
87

88 ANHANG C. QUELLCODES
// polarity - correction
for(Channel=0;ChannelPOLARITY;

C.3. CLUSTERFINDER IM OFFLINE-ANALYSEPROGRAMM 89
// loop over all Cathode-Groups
for((BeginCathGroup=ConfigPtr->FIRST,EndCathGroup=ConfigPtr->CGEnd[ConfigPtr->FIRST]);BeginCathGroupLAST;
(BeginCathGroup=EndCathGroup,
EndCathGroup=((ConfigPtr->CGEnd[EndCathGroup]LAST)?ConfigPtr->CGEnd[EndCathGroup]:ConfigPtr->LAST))) {
do {
CathodeGroupMean=CathodeGroupStrips=NumberOfHits=0;
for(Channel=BeginCathGroup;ChannelHitFlag[Channel]&&!ConfigPtr->Ignore[Channel]) {
CathodeGroupMean+=PedestalCorrected[Channel];
CathodeGroupStrips++;
}
if(CathodeGroupStrips) CathodeGroupMean/=CathodeGroupStrips;
// CathodeGroup-correction
for(Channel=BeginCathGroup;ChannelConfigPtr->MINS2N*Noise[Channel])&&(!ConfigPtr->HitFlag[Channel])) {
NumberOfHits++;
Hit=1;
// mark hit strip
ConfigPtr->HitFlag[Channel]=2;
}
} while(NumberOfHits);
if(Hit) {
Hit=0;
MarkNextCathodeGroup=1;
if(!ConfigPtr->HitFlag[PrevBeginCathGroup]&&(BeginCathGroup>ConfigPtr->FIRST)&&!HitEval)
for(Channel=PrevBeginCathGroup;ChannelHitFlag[Channel++]=3);
for(Channel=BeginCathGroup;ChannelHitFlag[Channel]) ConfigPtr->HitFlag[Channel]=1;
}
else
if(MarkNextCathodeGroup&&!HitEval) {
MarkNextCathodeGroup=0;
for(Channel=BeginCathGroup;ChannelHitFlag[Channel++]=3);
}
PrevBeginCathGroup=BeginCathGroup;
PrevEndCathGroup=EndCathGroup;
}
}
return 0;
}
C.3 Clusterfinder im Offline-Analyseprogramm
PedestalCathodeGroupCorrection(ConfigPtr->Pedestals,ConfigPtr->Noise,1,Raw+ConfigPtr->Previous);
for((Channel=ConfigPtr->FIRST,NumberOfClusters=0);ChannelLAST;Channel++)
if(!ConfigPtr->Ignore[Channel])
if(ConfigPtr->HitFlag[Channel]==2) {
if(!Cluster.In) Cluster.In=1;
if((CathodeGroupCorrected[Channel]Noise[Channel];
if(CathodeGroupCorrected[Channel]Cluster.Previous)&&(Cluster.Previous!=VARNOTUSED))
// if there is a good strip after some bad strips, insert the
// mean-amplitude between the 2 good strips into the cluster
// instead of the dead strips
if(Cluster.dead) {
Cluster.dead=0;
LastChannel=Cluster.ASP[Cluster.Size-1];
MeanAmplitude=(CathodeGroupCorrected[LastChannel]+CathodeGroupCorrected[Channel])/2.;
MeanNoise=(pow(ConfigPtr->Noise[LastChannel],2.)+pow(ConfigPtr->Noise[Channel],2.))/2.;
for(k=LastChannel+1;kCluster.HSA/Cluster.HSN) {

90 ANHANG C. QUELLCODES
Cluster.HSP = Channel ;
Cluster.HSA =CathodeGroupCorrected [Channel];
Cluster.HSAC=PedestalCorrected[Channel];
Cluster.HSAR=(Raw+ConfigPtr->Previous)[Channel];
Cluster.HSN =NoiseTmp;
Cluster.HSCGUnderFlow=Cluster.HSAC-Cluster.HSA;
}
}
// when the signal increases and there was already a decrease:
else {
ExitCluster(&NumberOfClusters);
Channel--;
}
}
// when there is a good, not hit strip:
else
if(Cluster.In)
ExitCluster(&NumberOfClusters);
else;
else
if(Cluster.In) {
Cluster.dead=1;
if(Cluster.In++>Config->MNODNISIC)
// when the maximum number of defect strips is exceeded:
ExitCluster(&NumberOfClusters);
}
// when we are at the end of the detector:
if(Cluster.In)
ExitCluster(&NumberOfClusters);

Anhang D
Abkürzungen
ADC Analog to Digital Converter
APV Analog Pipeline Voltage type
CERN Centre Européene pour la Recherche Nucléaire
CGU Cathode Group Underflow
CMM Common Mode
CMS Compakt Myon Solenoid
CoG Center of Gravity
DAq Data Acqisition
DME DiMethyl-Ether
FADC Flash Analog to Digital Converter
FEC Front End Controller
GEM Gas Elektron Multiplier
HI High Intensity
HIP Heavy Ionising Particle
LHC Large Hadron Collider
LI Low Intensity
MF2 Milestone Forward 2
MIP Minimum Ionising Particle
MSGC Micro Strip Gas Chamber
PAW Physics Analysis Workstation
PreMux Preamplifier-Multiplexer
PSI Paul Scherrer Institut
RMS Root Mean Square
S/R Signal über Rauschen
SBM Server Board Module
SM Standard Modell
TDR Technical Design Report
VME Versa Module Eurocard
VXI VME-Bus Extension for Instrumentation
WW Wechselwirkung
X5 Nummer eines Experiments am CERN
ZEBRA Detektor-Rohdatenformat (CERN)
91

Literaturverzeichnis
[1] C. Berger: Teilchenphysik, Springer: Berlin, Heidelberg 1992
[2] The European Physical Journal C: Review of Particle Physics, Vol.3, 1998
[3] CMS-Collaboration: CMS - Technical Proposal, CERN/LHCC 94-38, LHCC/P1
[4] The American Physical Society, Physical Review D: Particles and Fields, Vol.54 Part I, Jul.
1996
[5] C.Grupen, Teilchendetektoren, Wissenschaftsverlag: Mannheim · Leipzig · Wien · Zürch, 1993
[6] CMS-Collaboration, Milestone Forward 2 mit MSGC+GEM-Detectoren, CMS Note in Vorbereitung
[7] P. Blüm et al., Investigation of a two-stage amplifying detector module with a fourfold sensor
plane, CMS Note 1999/036
[8] A. Zghiche, Status report on Micro Strip Gas Chambers, CMS CR 1999/025
[9] F.Sauli et al. Charge amplification and transfer processes in the gas electron multiplier CERN-
EP/99-048
[10] F.Sauli Gas Detectors: Recent Developments and Future Perspectives CERN-EP/98-51
[11] F.Sauli Principles of Operation of multiwire proportional and drift Chambers CERN-EP/77-09
[12] R.Bellazzini et al., What is the real Gas Gain of a standard GEM?, Nuclear Instruments &
Methods A 419 (1998) 434
[13] F.Sauli et al. Optimization of operation and test of large size GEM detectors CERN-EP/99-148
[14] F.Angelini et al., Operation of MSGCs with Gold Strips built on surface-treated thin GLases,
Nuclear Instruments & Methods A 382 (1996) 466/467
[15] A. Oed, Position sensitive Detector with Microstrip Anode for Electron Multiplication with Gases.
Nuclear Instruments & Methods, A 263 (1988) 353
[16] F.Sauli et al. Beamtests of the Gas Electron Multiplier CERN-EP/98-163
[17] W. Beaumont et al., Studies of an MSGC equipped with a GEM Grid as a tracking Device
Nuclear Instruments & Methods, A 419 (1998) 396-398
93

94 LITERATURVERZEICHNIS
[18] Y. Benhammou et al., Comparative Studies of MSGC and MSGC-GEM Detectors., Nuclear Instruments
& Methods, A 419 (1998) 402
[19] Private Mitteilung von Dr. Peter Blüm
[20] The CMS-Collaboration, CMS Forward-Backward MSGC milestone, CMS Note 1998/095
[21] Private Mitteilung von Dr. Hans-Jürgen Simonis
[22] Private Mitteilung von Dr. Siegfried Weseler
[23] The CMS-Collaboration, CMS - The Tracker Projekt, Technical Design Report, CERN/LHCC
98-6
[24] Offline-Analyse-Software tbeam von L.Mirabito, IPN Lyon, Juli 1996
[25] Wolf Hagen Thümmel, F1 Read-Out Electronics, CMS-Ka-Note, unveröffentlicht
[26] A.Lounis, I.Ripp-Baudot, J.Croix, J.C.Fontaine, T.Henkes, A.Zghiche, A standalone VME based
read-out system for MSGC detector with PREMUX front-end, Centre de Recherches Nucléaires
Strasbourg, 1997
[27] G.Claus, W.Dulinski, A.Lounis, Strip Detectors Read-Out System user’s guide, Centre de Recherches
Nucléaires Strasbourg, 1996
[28] L.L.Jones, PreMux128 Specification, Version 2.1, 19.12.1994
[29] LabView: Reference Manual, National Instruments, 1996
[30] P.Vanlaer et al., Study of discharges in a large wedge-shaped MSGC+GEM detector exposed to
a high intensity beam of pions at 300 MeV/c, CMS IN 1999/024
[31] Private Mitteilung von Privatdozent Dr. Martin Erdmann
[32] CERN Program Library Long WriteUps Q121: PAW - Physics Analysis Workstation, Edition
Feb. 1995
[33] R.Bellazzini et al., Technique for the Characterization of Discharges in Micro-Strip Gas Chambers,
Nuclear Instruments & Methods A 398 (1997) 427
[34] O. Pooth, Report on the CMS forward–backward MSGC milestone Nuclear Instruments & Methods,
A 419 (1998) 377
[35] Spurrekonstruktions-Software von Dr. Wolf Hagen Thümmel, Juni 1999
[36] Private Mitteilung von Dr. Wolf Hagen Thümmel
[37] CERN Program Library Long WriteUps Y250: Hbook - Reference Manual, Edition May 1995
[38] LabView: Code Interface Manual, National Instruments, 1996

Danksagung
Solch eine Arbeit wäre ganz alleine nicht zu schaffen. Deshalb danke ich allen, die mich untersützt
haben:
• Herrn Prof. Dr. Thomas Müller danke ich für die interessanten Aufgabenstellungen und die
Möglichkeiten bei Testzeiten und Meetings, die Welt außerhalb des Instituts kennenzulernen.
• Bei Herrn Prof. Dr. Karl-Heinz Kampert bedanke ich mich für die Übernahme des Korreferats.
• Für die zahlreichen Tips in PAW und L ATEX und für seine Ideen zur Verbesserung der DAq
danke ich Herrn Dr. Wolf Hagen Thümmel. Außerdem hat er den Prototypen des Teststandes
aufgebaut.
• Herrn Dr. Dirk Neuberger und Hagen Thümmel danke ich für ihre Unterstützung beim Tracking.
• Ich danke meinem Betreuer Herrn Dr. Peter Blüm, der zu allen meinen Fragen eine hilfreiche
Antwort wußte.
• Herrn Dr. Hans-Jürgen Simonis und Peter Blüm möchte ich für ihre Hilfe und den Einsatz ihrer
großen Erfahrung beim Betrieb der Hardware danken.
• Herrn Privatdozent Dr. Martin Erdmann danke ich für seine Ideen zum Verständnis der Daten
sowie für die intensive Betreuung beim Abschluß der Arbeit.
• Herrn Dr. Siegfried Weseler danke ich für Hinweise zur Statistik und Elektronik und für seine
kritischen Fragen, die manchen Denkanstoß gaben.
• Allen, die bei den beiden Strahlzeiten aufgebaut und DAq-Schichten abgeleistet haben, möchte
ich an dieser Stelle danken: Tobias Barvich, Peter Blüm, Kurt Kärcher, Frank Kühn, besonders
Dirk Neuberger, der sich mit Datenanalysen am X5 manche Nacht um die Ohren geschlagen
hat, sowie Frank Röderer, Hans-Jürgen Simonis und Thomas Weiler.
• Bei Frau Edeltraud Haas bedanke ich mich für die Erledigung der administrativen Dinge.
• Ein besonderer Dank gehört meinem besten Freund Matthias, der mich gegen Ende der Arbeit
ermutigt und manches Mal mit dem nötigsten versorgt hat.
• Nicht zuletzt gilt mein Dank meinen Eltern, die mich während meines Studiums nicht nur finanziell
unterstützt haben!
95