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

Abstract

Das Experimentprogramm des HADES-Spektrometers (High Acceptance DiElectron Spectrometer), das z.Zt. amSchwerionensynchrotron (SIS) der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt in Betrieb genommen wird, umfaßtverschiedene Aspekte aus der Hadronen- und Schwerionenphysik. Die Untersuchung seltener dileptonischer Zerfälle von Vektormesonenvor einem hadronischen Untergrund, sowie die in den experimentellen Szenarien von pion- und protoninduzierten Reaktionen bis hin zuSchwerionenkollisionen auftretenden Teilchenmultiplizitäten von bis zu 200 geladenen Teilchen pro Ereignis und Ereignisraten bis zu 105/sec erfordern ein effizientes Echtzeittriggersystem zur schnellen Selektion von Ereignissen mit Leptonpaaren, das weiterhin ausreichendeFlexibilität 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 zurIdentifizierung von Leptonenpaaren in relativistischen Schwerionenkollisionen beschrieben und im weiteren speziell dieSystemkomponenten vorgestellt, die für die Echtzeitkalibrierung des Flugzeitdetektors (TOF) und Erkennung von Elektronen- undPositronensignaturen, sowie zur Verteilung der Triggerentscheidungen innerhalb des Spektrometers im Rahmen dieser Arbeit entwickeltwurden. Die TOF-Triggerelektronik besteht aus mehreren VME-Modulen, welche die TOF-Detektordaten auslesen, in Echtzeit kalibrieren und nachSignaturen von Elektronen und Positronen durchsuchen. Hierbei werden die Daten von bis zu 4224 TDC/ADC-Kanälen in einem Array vonschnellen Digitalen SignalProzessoren (DSP) verarbeitet und den nachfolgenden Triggereinheiten zur Verfügung gestellt. Die Hardware istin der Lage, die Berechnung von Flugzeit, Position und Geschwindigkeit aller Teilchen eines Ereignisses innerhalb von im Mittel 70µsecdurchzuführen, was einer kontinuierlich verarbeiteten Datenmenge von 80 MByte/sec entspricht. Die flexible Architektur der entwickeltenHardware bietet verschiedene Möglichkeiten für die Implementierung des Triggeralgorithmus (Pipeline, Parallel) und dessen Anpassung andie Anforderungen unterschiedlicher experimenteller Situationen. Das hierarchische Triggerverteilungssystem besteht aus einer Vielzahl von VME-Modulen, welche die Entscheidungen des Triggersystemsvon einem zentralen Modul (Central Trigger Unit) zu mehreren lokalen Modulen (Detector Trigger Unit) übertragen. Letztere bilden dieSchnittstelle zwischen Triggersystem und der lokalen Ausleseelektronik und sorgen für eine detektorspezifische Umsetzung der globalenInformationen des Triggersystems. Eine flexible Architektur der Module auf Basis von programmierbaren Logikbausteinen, sowie mehrereintegrierte 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 ander GSI mit Strahl funktionieren. Die spezifizierte Zeitauflösung des TOF-Detektorsystems wurde erreicht und erlaubt eineElektronenidentifizierung in Verbindung mit dem RICH-Detektor (Ring-Imaging-CHerenkov-Detector).