Entwicklung eines Auslese- und Triggersystems zur Leptonenidentifizierung mit dem HADES-Flugzeitdetektor

Zusammenfassung

Das Experimentprogramm des HADES-Spektrometers (High Acceptance DiElectron Spectrometer), das z.Zt. am Schwerionensynchrotron (SIS) der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt in Betrieb genommen wird, umfaßt verschiedene Aspekte aus der Hadronen- und Schwerionenphysik. Die Untersuchung seltener dileptonischer Zerfälle von Vektormesonen vor einem hadronischen Untergrund, sowie die in den experimentellen Szenarien von pion- und protoninduzierten Reaktionen bis hin zu Schwerionenkollisionen auftretenden Teilchenmultiplizitäten von bis zu 200 geladenen Teilchen pro Ereignis und Ereignisraten bis zu 10 ⁵/sec erfordern ein effizientes Echtzeittriggersystem zur schnellen Selektion von Ereignissen mit Leptonpaaren, das weiterhin ausreichende Flexibilität besitzen muß, um an unterschiedliche physikalische Fragestellungen angepaßt werden zu können.

In der vorliegenden Arbeit wird zunächst das von der Gießener HADES-Gruppe entwickelte schnelle Auslese- und Triggersystem zur Identifizierung von Leptonenpaaren in relativistischen Schwerionenkollisionen beschrieben und im weiteren speziell die Systemkomponenten vorgestellt, die für die Echtzeitkalibrierung des Flugzeitdetektors (TOF) und Erkennung von Elektronen- und Positronensignaturen, sowie zur Verteilung der Triggerentscheidungen innerhalb des Spektrometers im Rahmen dieser Arbeit entwickelt wurden.

Die TOF-Triggerelektronik besteht aus mehreren VME-Modulen, welche die TOF-Detektordaten auslesen, in Echtzeit kalibrieren und nach Signaturen von Elektronen und Positronen durchsuchen. Hierbei werden die Daten von bis zu 4224 TDC/ADC-Kanälen in einem Array von schnellen Digitalen SignalProzessoren (DSP) verarbeitet und den nachfolgenden Triggereinheiten zur Verfügung gestellt. Die Hardware ist in der Lage, die Berechnung von Flugzeit, Position und Geschwindigkeit aller Teilchen eines Ereignisses innerhalb von im Mittel 70µsec durchzuführen, was einer kontinuierlich verarbeiteten Datenmenge von 80 MByte/sec entspricht. Die flexible Architektur der entwickelten Hardware bietet verschiedene Möglichkeiten für die Implementierung des Triggeralgorithmus (Pipeline, Parallel) und dessen Anpassung an die Anforderungen unterschiedlicher experimenteller Situationen.

Das hierarchische Triggerverteilungssystem besteht aus einer Vielzahl von VME-Modulen, welche die Entscheidungen des Triggersystems von einem zentralen Modul (Central Trigger Unit) zu mehreren lokalen Modulen (Detector Trigger Unit) übertragen. Letztere bilden die Schnittstelle zwischen Triggersystem und der lokalen Ausleseelektronik und sorgen für eine detektorspezifische Umsetzung der globalen Informationen des Triggersystems. Eine flexible Architektur der Module auf Basis von programmierbaren Logikbausteinen, sowie mehrere integrierte Schnittstellen erlauben die einfache Implementierung der hierzu notwendigen Funktionalität für jedes Detektorteilsystem.

Erste Ergebnisse aus Testexperimenten und Strahlzeiten zeigen, daß die entwickelten Systeme auch in realer Experimentumgebung an der GSI mit Strahl funktionieren. Die spezifizierte Zeitauflösung des TOF-Detektorsystems wurde erreicht und erlaubt eine Elektronen-identifizierung in Verbindung mit dem RICH-Detektor (Ring-Imaging-CHerenkov-Detector).