Die Die DatenakquisitionDatenakquisition mitmit demdemÜÜbergangsstrahlungsdetektorbergangsstrahlungsdetektor von von

AMSAMS--0202

DPGDPG--TagungTagung‘‘07 Heidelberg07 Heidelberg

Wim de Boer, Kai Gassmann, Florian Hauler, Andreas Sabellek, Max Scheulen, Mike Schmanau

IEKP - Universität Karlsruhe (TH)

09.03.2007 DPG'07 Heidelberg Andreas Sabellek, IEKP, 2

Das AMSDas AMS--02 02 SpektrometerSpektrometer auf auf derder InternationalenInternationalen RaumstationRaumstation

• Es wird die primäre kosmische Strahlung bis in den TeV-Bereich gemessen(Überprüfung/Eichung erdgebundener Experimente)

• Einziges Projekt rein physikalischer Ausrichtung, welches extern die Infrastruktur der ISS nutzt.

AMS-02

Stand Dez.06

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PhysikPhysik mitmit AMSAMS--02 02

• Präzise Vermessung der kosmischen Strahlung außerhalbder Erdatmosphäre mit hoher Statistik ( > 3 Jahre )

• Untersuchung der Isotopenzusammensetzung in der KS• Suche nach schwerer Antimaterie• Altersbestimmung der KS durch Be9 / Be10 Messung• Gamma Astronomie• Suche nach Teilchen der Annihilation von Dunkler Materie• Signaturen exotischer Physik? (topologische Defekte,

Strangelets, primordiale Schwarze Löcher, …)

AMS-02 = Alpha Magnetic Spectrometer 2

ca. 5m

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DerDer AMSAMS--02 02 DetektorDetektor

Die Kombination verschiedener Subdetektor-systeme ermöglicht eine genaue Teilchen-identifikation über einen weiten Energiebereich

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Prinzip des Prinzip des ÜÜbergangsstrahlungsbergangsstrahlungs--detektorsdetektors TRDTRD

• Schwierigkeit: Verhältnis p+/e+ = O(104) in KS

= (engl.) TransitionRadiation Detector

• Lösung: Protonenunterdrückung durch TRD (10-2 - 10-3) + ECAL (10-4) von < 10-6 zwischen 10 und 300 GeV

Emission beim Übergang von Diel. ε1 nach ε2

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Aufbau des TRDAufbau des TRD• Oktagon aus Aluminium-Waben als

Trägerstruktur

• Xe/CO2 gefüllte „Strawtube“-Module zur Verstärkung der TR γs

• Radiatorvlies ermöglicht hohe Ausbeute von Übergangsstrahlung mit etwa 100 Übergängen/Modul

Auszulesen sind insgesamt 5248 Kanäle bei einer erwarteter Triggerrate von 2000 Hz.

TR γ

Photo-effekt

Ca. 1400V

Detektorentwicklung und Bau an der RWTH Aachen:

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Elektronikkomponenten der Elektronikkomponenten der TRD DatenakquisitionTRD Datenakquisition

UCrate = TRD electronics crateUBP = TRD backplaneUPD = TRD power distribution box

UPSFE = TRD power supply for front endUDR = TRD data reduction boardJINF = data concentrator and link to higher DAQ UHVG = TRD high voltage generatorUFE = TRD front endUTE = TRD tube endUHVD = TRD high voltage distributor

V2

V2

U = Uebergangsstrahlung

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AMSAMS--02 DAQ02 DAQ

•gesamt: 82 Frontends x 64 „Straw Tubes“ = 5248 Kanäle•2 U-Crates (12 UDR2s) und 2 UPD-Boxen betreiben TRD•dabei Leistungsaufnahme: 19 Watt in den Frontends, 41 Watt im U-Crate, 36 Watt in der UPD-Box => P ≈ 100 W

•begrenzte Datenübertragungsrate in „Standleitung“ zur Erde -> Datenreduktion durch UDR2 bestehend aus ACTEL FPGA und AD DSP. Flash hält Software zur Datenprozessierung und Slowcontrol (JINF)

JINF

JMDC

ISS Control(Houston, TX)

CERN

UDR2UFE 7 x 64 Amplituden 6 x 2(14)x

H=350km

DSP-Programmierung

Kalibrierung:Test Kanal-Eigenschaften

Datenreduktion (80µs):Pedestal Substractionund Zero Suppression

TRD

TRD Frontend TRD Elektronik

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• Wartungsfreiheit, Betrieb drei Jahre lang nur über Bodenkontrolle

• Fehlerfreiheit, redundante Auslegung der Systeme

• Maximale Leistungsaufnahme 2000W (TRD DAQ gesamt 185W)

• Betrieb im Vakuum, Außentemperatur von -180°C bis +50°C, Ableitung der 2000W

• Einhaltung der Richtlinien für EM-Abstrahlung auf der ISS

• Ausgasungsfreie, strahlenharte Bauteile; Schwerelosigkeit

• Unempfindlich gegen Belastungen beim Start des Space Shuttle (6,8g)

• Gesamtgewicht unter 7000kg (TRD 480kg)• Datenreduktion

RaumfahrtqualifizierungRaumfahrtqualifizierung

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QM2QM2--Prototypen zur WeltraumPrototypen zur Weltraum--Qualifizierung Qualifizierung

U-Crate zur Datenreduktion

UPD zur Spannungsversorgung

EM = Engineering Model

QM1/2 = Qualification Model

FM/FS = Flight Model/Spare

Entwicklungsphasen

aktueller Status: Montage der zwei FM Crates

Der Front-EndSimulator (UFS) ermöglicht intensive Funktions- und Belastungstests

6xUHVG

3xUPSFE

6xUDR2

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CosmicsCosmics--TeststandTeststand am FZKam FZK

• Langzeittest und Auffinden von letzten Schwachstellen in QM2-Hardware

• Firmware- und Softwareentwicklung (sowohl SlowControl als auch Rohdatenverarbeitung und Systemanalysetools)

Fe55

Test-betriebseit ca.

2 Jahren

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QM2 ThermoQM2 Thermo--VakuumVakuum--TestTest

• Lagertemperaturen im Aus-Zustand von -45°C bis +85°C• Funktionstests zwischen -25°C und +55°C• Ableitung der aufgenommenen Betriebsleistung im Vakuum über Kühlkörper (auf der ISS über Radiatoren)

Temperaturprofil

p<10-5mbar

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QM2 EMI/EMC TestQM2 EMI/EMC Test

• EMC: Funktion nicht beeinträchtigt durch induzierte Störimpulse

• EMI: abgestrahltes Frequenzspektrum unterhalb der vorgegebenen NASA-Limits

Okt.06

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QM2 VibrationstestQM2 Vibrationstest

• Visuelle Untersuchung auf Defekte nach Vibration bis 6,8 g (Dauer ca.10min, Start des Space Shuttle ca.4min)

• Nicht direkt sichtbare Schwachstellen bewirken einen Unterschiedim Eigenfrequenzspektrum vor und nach dem Test

6.8 g rms

Mar.06

FrequenzspektrumS.E.R.M.S, Italien

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FM/FS BoardFM/FS Board--ProduktionProduktion• Ort: CSIST, Taiwan• Jedes fertige Boards wird strengen Akzeptanztests unterzogen• Status: abgeschlossen

UPSFEboard14x2 LR test circuits

Off-signal LEDs StatusJumpers

Fusetest Backplane

Tests vor und nach thermischerBelastung in der Thermokammer

Bsp.SSF-Tests:

Ergebnis:Funktion jeder

Komponente auf insg.40 Boards für den TRD istsichergestellt

z.B. Lötfehler

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ZusammenfassungZusammenfassung• AMS-02 wird der bisher größte Teilchendetektor

außerhalb der Erdatmosphäre sein

• Insbesondere wird ein Beitrag zur Klärung der Natur der DM erwartet, zur Unterdrückung des Protonenuntergrundes trägt der TRD-Subdetektor bei

• Qualifizierungsphase abgeschlossen, derzeit Produktion der Flugkomponenten, Endmontage des Detektors bis Ende 2007 am CERN

• Datennahme ab 2009 – Vorraussetzung: erfolgreiche Fertigstellung der ISS und Durchführung geplanter SpaceShuttle-Flüge durch NASA

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Annihilation Annihilation DunklerDunkler MaterieMaterieerzeugterzeugt AntimaterieAntimaterie in in derder KSKS

• SUSY schlägt das Neutralino als Teilchen der DM vor• Das Neutralino wechselwirkt kaum mit bekannter Materie (Erhaltung

der R-Parität)• Aber! Es annihiliert mit anderen Neutralinos und erzeugt so

Materie/Antimaterie-Paare als Überschuss in den Spektren

Diffuse Gammastrahlung Positronenanteil AntiprotonenanteilAnnihilationHintergrungHintergrung

(Aus: W. de Boer u.a. Indirect Evidence for the Supersymmetric Nature of Dark Matter..., hep-ph/0309029.)