Design, installation and commissioning of new read-out electronics for HADES ECAL and diamond detectors for T0-reconstruction and beam diagnostics

This work deals with the design, installation and commissioning of the front-end electronics for the newly installed HADES electromagnetic calorimeter (ECAL) detector at GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH in Darmstadt. A Charge-to-Digital-Converter (QDC) and Time-to-Digital-Converter (TDC) based on a commercial FPGA (Field Programmable Gate Array) technology is used to read out 978 Photomultiplier tubes (PMT) of the ECAL. The charge measurement of the detector signals is based on a modified time-over-threshold (TOT) measuring method. In the context of this work the second generation of the PaDiWa-AMPS front-end board for the TRB3 (General Purpose Trigger and Readout Board - generation 3) was designed, tested in the laboratory and integrated into the HADES data acquisition infrastructure. The front-end achieves a time measurement precision of σₜ = 16 ps. The relative charge measurement precision for signal amplitudes above 1 V is below 0.5 %. A successful operation of the read-out system was shown during a four week physics production beam time with an 1.58A GeV Ag beam.

A similar read-out concept is used to read out diamond based beam detectors in the HADES experiment. Those detectors are used as a trigger and for the T0 determination in the HADES time-of-flight measuring system, which is important for the particle identification. Beside this, they are used for online beam monitoring purposes. The requirement for the time precision of the sensors is about 50 ps. Currently the read-out system is adapted to new Ultra-Fast Silicon Detector (UFSD) technology which might replace the diamond detectors in the HADES experiment in the future. A UFSD prototype detector has been tested successfully with a proton beam. Furthermore, it is planned to use this technology as a diagnostic instrument for Energy Recovery Linac (ERL) operations of the electron accelerator S-DALINAC at TU Darmstadt in future.

For further research and development of beam detectors a permanent multi-purpose detector test set-up was installed at the S-DALINAC. It allows tests of detectors with an electron beam with an energy up to 130 MeV and beam currents up to 20 µA. The set-up has been successfully commissioned and offers optimal conditions for future tests for research and development of beam detectors with a beam of minimum ionizing particles.

Diese Arbeit befasst sich mit dem Design, der Installation und der Inbetriebnahme der Ausleseelektronik für das neu installierte elektromagnetische Kalorimeter im HADES-Experiment am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH in Darmstadt. Zum Auslesen von 978 Photomultiplier (PMT) des ECAL-Detektors wird ein Charge-to-Digital-Converter (QDC) und Time-to-Digital-Converter (TDC) basierend auf der kommerziellen Field Programmable Gate Array (FPGA) Technologie verwendet. Die Ladungsmessung der Detektorsignale basiert auf einem modifizierten Time-over-Threshold (TOT) Messverfahren. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die zweite Generation des PaDiWa-AMPS Front-End-Boards für das TRB3 (General Purpose Trigger and Readout Board - Generation 3) entworfen, im Labor getestet und in die HADES-Datenerfassungs-Infrastruktur (DAQ) integriert. Das Front-End erreicht eine Zeitmesspräzision von σₜ = 16 ps. Die relative Ladungsmessgenauigkeit für Signalamplituden über 1 V liegt unter 0.5 %. Ein erfolgreicher Betrieb des Auslesesystems wurde während einer vierwöchigen physikalischen Produktionsstrahlzeit mit einem Ag Strahl mit einer Energie von 1.58A GeV gezeigt. Ein ähnliches Auslesekonzept wird für das Auslesen von diamantbasierten Strahldetektoren im HADES-Experiment verwendet. Diese Detektoren werden als Trigger und für die T0-Bestimmung im HADES-Flugzeitmesssystem verwendet, welches für die Identifizierung der Teilchen wichtig ist. Daneben werden sie für eine Online-Strahldiagnose eingesetzt. Die Anforderungen an die Zeitgenauigkeit der Sensoren liegen bei etwa 50 ps. Derzeit wird das Auslesesystem an die neue Ultra-Fast Silicon Detector (UFSD) Technologie adaptiert, welche in Zukunft die Diamantdetektoren im HADES-Experiment ersetzen könnten. Ein erster UFSD Prototyp-Detektor wurde mit einem Protonenstrahl erfolgreich getestet. Es ist geplant, diese Technologie in Zukunft als Diagnoseinstrument für den Energy Recovery Linac (ERL) Betrieb des Elektronenbeschleunigers S-DALINAC der TU Darmstadt einzusetzen.

Für die weitere Forschung und Entwicklung von Strahldetektoren wurde am S-DALINAC ein permanenter Mehrzweck-Detektor-Testaufbau installiert. Er ermöglicht Tests von Detektoren mit einem Elektronenstrahl mit einer Energie bis zu 130 MeV und einem Strahlstrom bis zu 20 µA. Der Aufbau wurde erfolgreich in Betrieb genommen und bietet in Zukunft optimale Bedingungen um Tests für die Forschung und Entwicklung von Strahldetektoren mit einem Strahl aus minimal ionisierenden Teilchen durchzuführen.