Fast frontend electronics for high rate particle detectors

Future experiments in nuclear and particle physics are moving towards the high luminosity regime in order to access rare processes. In this framework, particle detectors require high rate capability together with excellent timing resolution for precise event reconstruction. In order to achieve this, the development of dedicated FrontEnd Electronics (FEE) for detectors has become increasingly challenging and expensive. Thus, a current trend in R&D is towards flexible FEE that can be easily adapted to a great variety of detectors, without impairing the required high performance. This thesis reports on a novel FEE for two different detector types: imaging Cherenkov counters and plastic scintillator arrays. The former requires high sensitivity and precision for detection of single photon signals, while the latter is characterized by slower and larger signals typical of scintillation processes. The FEE design was developed using high-bandwidth preamplifiers and fast discriminators which provide Time-over-Threshold (ToT). The use of discriminators allowed for low power consumption, minimal dead-times and self-triggering capabilities, all fundamental aspects for high rate applications. The output signals of the FEE are readout by a high precision TDC system based on FPGA. The performed full characterization of the analogue signals under realistic conditions proved that the ToT information can be used in a novel way for charge measurements or walk corrections, thus improving the obtainable timing resolution. Detailed laboratory investigations proved the feasibility of the ToT method. The full readout chain was investigated in test experiments at the Mainz Microtron: high counting rates per channel of several MHz were achieved, and a timing resolution of better than 100 ps after walk correction based on ToT was obtained. Ongoing applications to fast Time-of-Flight counters and future developments of FEE have been also recently investigated.

Zukünftige Experimente in der Kern- und Teilchenphysik streben immer höhere Luminositäten an, um Zugang zu seltenen Prozessen zu erhalten. Unter diesen Bedingungen müssen Teilchendetektoren in der Lage sein, hohe Ereignisraten zu verkraften, sowie eine exzellente Zeitauflösung zur präzisen Ereignisrekonstruktion erzielen. Die Entwicklung spezieller Frontend-Elektronik (FEE) für Detektoren ist zunehmend anspruchsvoller und kostspieliger geworden um diese Ziele zu erreichen. Ein gegenwärtiger Trend in der Forschung ist daher die Entwicklung von vielseitiger FEE, die ohne großen Aufwand an eine Vielzahl von Detektoren angepasst werden kann, ohne die verlangte Leistungsfähigkeit zu beeinträchtigen. In dieser Arbeit wird die Entwicklung einer solchen, neuartigen FEE für zwei unterschiedliche Detektorkategorien beschrieben: einerseits abbildende Cherenkov-Zähler und andererseits segmentierte Plastikszintillator-Detektoren. Die ersteren benötigen eine hohe Empfindlich- und Genauigkeit für den Nachweis einzelner Photonen, während die letzteren durch größere und langsamere Signale gekennzeichnet sind. Das FEE-Designprinzip beruht auf breitbandigen Vorverstärkern und schnellen Diskriminatoren, die zusätzlich Informationen über die Länge des Signals liefern, die sogenannte Time-over-Threshold (ToT). Der Einsatz von Diskriminatoren ermöglicht einen niedrigen Energieverbrauch, geringe Totzeit und selbst-triggernde Fähigkeiten. Alle diese Eigenschaften sind für Anwendungen mit hohen Raten von großer Bedeutung. Die digitalen Ausgabesignale der FEE werden durch ein präzises, auf FPGAs beruhenden TDC-System erfasst. Ausführliche Untersuchungen im Labor konnten die Machbarkeit der vorgeschlagenen ToT-Methode bestätigen. Das komplette Auslesesystem wurde in mehreren Testexperimenten am Mainzer Mikrotron getestet. Dabei wurden sehr hohe Zählraten von mehreren MHz pro Kanal erreicht, sowie eine Zeitauflösung von unter 100 ps nach einer auf ToT-Informationen beruhenden Walk-Korrektur erzielt. Die umfassende Charakterisierung der Analogsignale der Detektoren unter realistischen Bedingungen hat gezeigt, daß ToT-Informationen in bisher nicht genutzter Weise zur Signalbestimmung und Walk-Korrektur zur Verbesserung der Zeitauflösung eingesetzt werden können. Abschließend wurde der Einsatz der entwickelten FEE in sehr schnellen Flugzeitzählern untersucht, sowie ein Ausblick auf zukünftige Trends in der FEE-Entwicklung gegeben.