Fachbereich Elektronik

Gruppenbild mit Dame (v.l.n.r): I.Gfall, N.Frohner, D.Rabady, H.Steininger, J.Kancsar, S.Schmid, C.Irmler, M.Oderits, A.Frankenberger, M.Eichberger, B.Arnold, M.Friedl, J.Pirker, H.Bergauer, R.Stark, B.Rahbaran

Der Fachbereich Elektronik entwickelt komplexe elektronische Schaltungen und Mess-Systeme für die Anwendung in der Hochenergiephysik. Die Schwerpunkte liegen dabei auf schneller und rauscharmer Analog-Elektronik sowie auf komplexen programmierbaren Logikbausteinen (FPGAs).

Die Entwicklung beginnt mit dem Entwurf der elektronischen Schaltungen (meist eine Mischform aus analog und digital), umfasst weiters das Erstellen des Leiterplatten-Designs (Layout), die manuelle oder automatische Bestückung, Programmierung der Logikbausteine und schließlich die Inbetriebnahme sowie umfangreiche Tests.

Für all diese Punkte gibt es in unserer Gruppe die jeweiligen Experten, und mit Hilfe der vorhandenen Ausstattung können wir diese Schritte lückenlos im Haus durchführen, wobei die komplette Kette je nach Komplexität typischerweise mehrere Monate in Anspruch nimmt.

Aktuelle Projekte

CMS: Globaler Trigger

Globale Trigger-Elektronik von CMS

Im CMS-Detektor stoßen Protonen zirka 600 Millionen mal pro Sekunde zusammen und erzeugen jeweils viele Teilchen.

Dadurch entsteht eine ungeheure Flut an Messwerten, die jedoch nur sehr kurze Zeit (einige Mikrosekunden) gepuffert werden können. Währenddessen sammelt der Level 1-Trigger Informationen aus bestimmten Sub-Detektoren und vergleicht diese mit den so genannten Trigger-Bedingungen mit dem Ziel, nur die interessanten Ereignisse zu selektieren. Daten, die nur Altbekanntes beinhalten, können hingegen verworfen werden.

Die zentrale Endstufe, der Globale Trigger, ist für diese schnelle Entscheidung verantwortlich und kann bis zu 128 verschiedene Triggerbedingungen gleichzeitig berechnen.

CMS: Globaler Myonen-Trigger

Globaler Myonen-Trigger

CMS hat drei verschiedene Myondetektoren, von denen ein Typ den gesamten Bereich abdeckt und vor allem für Triggerzwecke gebaut wurde (RPC) und die beiden anderen gemeinsam den gesamten Bereich abdecken und vor allem zur genauen Messung der Myonen bestimmt sind (DT und CSC). Alle drei Triggersysteme fügen einzelne Messpunkte zu Spuren zusammen, berechnen die Richtung, den Impuls und die elektrische Ladung der Myonen und schicken ihre Resultate zum Globalen Myonen-Trigger (GMT).

Der GMT vergleicht die Myon-Kandidaten miteinander, eliminiert doppelt gemessene Myonen und erhöht die gesamte Effizienz, da er konstruktiv bedingte Schwachstellen der Systeme ausgleicht.

Zusätzlich wird Information vom Kalorimeter benutzt, um festzustellen, ob ein Myon direkt am Zerfallspunkt erzeugt wurde ('isoliertes' Myon) oder sekundär entstanden ist und ob auch im Kalorimeter die charakteristische Energie eines Myons in diesem Raumbereich gemessen wurde. Alle Myonkandidaten werden anschließend sortiert und die 4 'besten' Myonen zum Global Trigger geschickt.

CMS: Pixel-FED

Pixel-FED
CMS Pixel-FED-Karte

Der Pixel-FED ist eine Elektronik-Einschubkarte, die mittels 36 optischer Eingänge (gruppiert zu je einem Dutzend) Signale des Pixel-Detektors empfängt und prozessiert.

Dazu werden zunächst die optischen Signale in elektrische umgewandelt und digitalisiert. Die digitalen Daten werden dann in insgesamt fünf programmierbaren Logikbausteinen (FPGAs) sortiert, bearbeitet, geprüft und gepuffert und schließlich über eine Hochgeschwindigkeits-Schnittstelle (S-Link) zum zentralen DAQ-System (PC-Farm) weitergeleitet.

Jede Karte verarbeitet die Daten von über zwei Millionen Mess-Kanälen (Pixeln), was einem Durchsatz von über einem Gigabyte pro Sekunde entspricht. Im Gegensatz zu einem Computer können in FPGAs viele Prozesse gleichzeitig (parallel) ablaufen, weshalb eine relativ niedrige Taktfrequenz von 40 MHz (und teilweise 80 MHz) ausreicht.

Die komplette Entwicklung des Pixel-FED sowie das Design der Leiterplatte wurden am HEPHY durchgeführt. Insgesamt wurden 50 solcher Elektronik-Karten gebaut, wovon 40 im CMS-Experiment eingebaut und in Verwendung sind; die restlichen zehn sind einerseits Reserve-Module, werden aber auch für die Weiterentwicklung der FPGA-Firmware verwendet.

Belle II: Origami-Modul

Origami-Modul für das Belle II-Experiment

Für das Upgrade des japanischen Belle-Experiments haben wir ein neuartiges Konzept für Silizium-Detektor-Module entwickelt. Dabei werden die Verstärker-Chips direkt auf den Sensoren angeordnet, um möglichst kurze Verbindungen und damit geringes Rauschen zu erzielen. Die Verbindung zur Unterseite der Sensoren erfolgt über Flex-Leiterplatten, die ums Eck gebogen werden - daher der Name Origami.

Durch die lineare Anordnung der Chips ist es möglich, ein einziges dünnes Rohr zur Kühlung der Elektronik zu verwenden, anstatt diese auf beiden Seiten des Sensors duplizieren zu müssen. Dadurch spart man im sensitiven Bereich an Material, um die Teilchenbahnen möglichst unbeeinflusst messen zu können.

Ein Prototyp dieses Konzepts in echter Größe wurde im Labor und in mehreren Test-Strahlen ausführlich erprobt und hat sich bestens bewährt. Neben dem Silizium-Detektor-Modul bauen wir auch die komplette elektronische Auslesekette für das Belle-Upgrade.

Weitere Informationen zum Origami-Modul

Belle II: Auslese-Elektronik für den Silizium-Vertex-Detektor

Auslese-Elektronik für Belle II

Die Daten von Teilchenspuren, die im Silizium-Vertex-Detektor gemessen werden, müssen von da in die etwa 30 Meter entfernte Elektronik-Hütte übertragen und an diesem Ort weiter verarbeitet werden.

Dort befinden sich spezielle Einschub-Karten ähnlich dem Pixel-FED von CMS, die die Daten zunächst digitalisieren. Mit speziell programmierten Logikbausteinen (FPGAs) werden diese Daten anschließend - bildlich gesprochen - wie auf vielen nebeneinander liegenden Fließbändern prozessiert. Ein Computer mit CPU hätte zwar eine höhere Taktfrequenz, könnte aber immer nur einen Job nach dem anderen erledigen und wäre dadurch viel zu langsam für diese Aufgabe, die in Echtzeit stattfinden muss.

Zur Online-Datenverarbeitung in den FPGAs gehört auch eine Zeitmessung, wo anhand von abgetasteten Hüllkurven Zeitpunkt und Amplitude bestimmt wird. Mit diesen Ergebnissen lassen sich Messpunkte von Teilchenspuren einander zuordnen bzw. verwerfen, wenn sie zum falschen Zeitpunkt entstanden sind.

Damit trägt die komplett von uns gebaute Elektronik ganz wesentlich zur Reduktion der Datenflut bei, die nach dem Upgrade des Detektors bei wesentlich gesteigerten Teilchenraten zu erwarten ist.

Abgeschlossene Projekte

CMS: Analoger Optohybrid

Analoger Optohybrid von CMS

Der analoge Optohybrid ist ein Wandler von elektrischen zu optischen Signalen und verwendet dazu kleine Laserdioden, die infrarotes Licht (1310nm Wellenlänge) aussenden. Die Besonderheit ist, dass - im Gegensatz zu gewöhnlicher optischer Datenübertragung - die Daten nicht digital codiert sind, sondern analog auf die Reise geschickt werden.

Die Baugruppe ist mit Abmessungen von 2,3 x 3 cm2 kaum größer als eine Euro-Münze. Über 17.000 dieser Optohybride sind im CMS-Tracker eingebaut und schleusen dort die Signale der Silizium-Detektoren in Lichtwellenleiter, die zur etwa 60 Meter entfernten Elektronik-Halle führen, wo die Daten von über 500 Tracker-FED-Modulen sowie 40 Pixel-FEDs empfangen werden.

Die Elektronik-Gruppe zeichnet verantwortlich für das Layout des analogen Optoyhbrids (davon gibt es mehrere Varianten mit zwei, drei und sechs Laserdioden) sowie die Produktion von über 13.000 Stück, die bei der Firma Kapsch in Wien durchgeführt wurde. Weitere 4.000 Optohybride anderer Bauart wurden in Italien produziert.

Nachdem die Optohybride, sobald sie im Tracker eingebaut sind, nicht mehr zugänglich sind, wurde großes Augenmerk auf die Qualität der Herstellung und entsprechende Tests gelegt. Dazu haben wir ein eigenes Testsystem entwickelt, womit jeder einzelne Optohybrid auf Herz und Nieren geprüft wurde.