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Philipp Lothar Klaus

• The Compressed Baryonic Matter (CBM) Experiment will investigate heavy ion collisions and reactions at interaction rates of 100 kHz in a targeted energy range of up to 11 AGeV for systems such as gold-gold or lead-lead. It will be one of the major scientific experiments of the Facility for Antiproton and Ion Research in Europe (FAIR) currently under construction at the site of the GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt, Germany. CBM is going to be a fixed target experiment consisting of a superconducting magnet, multiple detectors of various types, and high-performance computing for online event reconstruction and selection. The detector closest to the interaction point of the experiment will be the Micro Vertex Detector (MVD). Consisting of four planar stations equipped with custom CMOS pixel sensors, it will allow to reconstruct the primary vertex with high precision and will help to reconstruct secondary vertices and identify particles originating from conversion in the detector material. Due to the high interaction rates foreseen for CBM, understanding and minimizing systematic errors due to the detectors’ operating conditions will become all the more important to obtain significant measurement results, as statistical errors in the measurements of many observables are diminishing due to the enormous amount of data available. Furthermore, the MVD will be the first detector based on CMOS pixel sensors used in a large physics experiment, that will be operated in vacuum. As a result, many aspects of the mechanical and electrical integration of the detector require careful testing and validation. This thesis addresses both those challenges specifically for the Micro Vertex Detector with the development of a control system for the operation and validation of the MVD prototype “PRESTO” in vacuum. The prototype was selected as device under test as the final MVD is not yet built. The developed control system helps a) to operate the prototype safely and keep it at the desired working point and b) to record important time-series data of the state of the detector prototype. Those two aspects allow the control system (which might later serve as a ‘blueprint’ for the final detector) to minimize the mentioned systematic errors as much as possible and to contribute to the understanding of remaining systematic errors using correlations with the time-series data. The controlled operation of the prototype in vacuum allowed to validate the integration concepts from a wide range of mechanical and electrical aspects in an endurance test for more than a year with 24/7 operation. The prototype for this study itself was named “PRESTO” (standing for ‘PREcursor of the Second sTatiOn of the CBM-MVD’). It represents one quadrant of an MVD detector plane, equipped with a total of 15 MIMOSA-26 sensors on the front and back side of a carrier plate. Within this thesis, major parts of the prototype itself were designed. Custom ultra-thin flat flexible cables for data and power were designed and validated. Furthermore, the CNC-machined Aluminium heatsink to mount and cool the prototype design was refined to increase thermal performance. A custom vacuum feedthrough for a total of 21 flat ribbon cables was designed and fabricated. The read-out chain for MIMOSIS-26 was extended to cover a total of 8 sensors with a single and newer TRB-3 FPGA board and was set-up with the prototype. Vacuum equipment including chambers, hoses, pumps, valves and gauges were integrated to form a large vacuum testing system. A cooling circuit for the prototype was assembled comprising an external chiller, hoses, vacuum feedthroughs, as well as temperature, flow and pressure sensors. The control system was developed to serve the needs of the prototype, while taking the requirements of the final MVD already into account. The main design goals of the control system are: • compatibility with the other detectors and the overall CBM experiment, • access to real-time measurements of all necessary parameters (‘process values’), • reliable, fail-safe operation of the detector, • recording of all time-series data (‘archiving’), • cost efficiency and acceptance within the physics community, • good usability for the users (‘operators’), • long-term maintainability. The recorded time-series data of the process variables (i.e. sensor readings) allow a post-measurement analysis of variations in the detector performance. The longterm archiving of all relevant system parameters is therefore of outstanding importance, which is why the software intended for this purpose – called “archiver” – was given special attention in this thesis. For this reason in particular, it is necessary to implement a comprehensive control system that allows the detector to be operated safely under these conditions and cooled effectively. Before the start of this doctoral thesis, vigilant and extensively trained operators were always necessary for this. The control system that has been developed makes it possible that, after basic training, the detector can also be operated by a less specialised shift supervisor during measurement campaigns. ...
• Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung des Kontrollsystems für den Vakuumbetrieb und die Vakuumvalidierung des Prototypen des Mikro Vertex Detektors für das CBM Experiment. Als Doktorarbeit in der Physik enthält sie zusätzlich interdisziplinäre Aspekte aus der Elektrotechnik und der Informatik. Der Mikro Vertex Detektor ist der vorderste in einer Reihe verschiedener Detektoren, die zusammen das Compressed Baryonic Matter (CBM) Experiment bilden. Das ist ein Schwerionenkollisionsexperiment, bei dem, bei moderaten Strahlenergien aber mit extrem hohen Kollisionsraten, Atomkerne zur Kollision gebracht werden. Im Rahmen der Kollisionen steht viel Energie zur Produktion neuer Teilchen zur Verfügung. Die Detektoren des Experiments ermöglichen es, diese Teilchen oder ihre Zerfallsprodukte nachzuweisen und so das Kollisionsgeschehen zu rekonstruieren. Das CBM Experiment soll einige Forschungsfelder abdecken: So sollen besonders seltene Teilchen und ihre Produktions-/Wechselwirkungsquerschnitte beobachtet und vermessen werden. Des weiteren sollen Zerfälle von Hyperonen – Baryonen, die mindestens ein Strange-Quark enthalten – gemessen werden. Zudem ist die Di-Leptonen Spektroskopie ein weiteres spannendes Forschungsfeld, da sie als elektromagnetische Proben nicht der starken Wechselwirkung unterliegen. Zuletzt ist auch die Untersuchung des Phasenraums baryonischer Materie ein weiteres Ziel von CBM. Wenn bei einer Schwerionenkollision kurzzeitig extrem hohe Drücke und Temperaturen herrschen, können sich die Eigenschaften der Materie ändern und es kann, gemäß der derzeitigen Interpretation schon durchgeführter Experimente, ein Materiezustand erzeugt werden, der Quark-Gluon-Plasma (QGP) genannt wird. Das CBM Experiment wird mit den hohen erreichbaren Dichten und langen Lebensdauern hier voraussichtlich nur an die vermutete Grenze des Phasenübergangs kommen und kann beispielsweise zu der Suche nach einem kritischen Punkt im Phasendiagramm beitragen. Diese Fragestellungen werden mit multidifferentiellen Analysen großer Datenmengen untersucht, die im Rahmen von Experimenten über mehrere Wochen aufgezeichnet werden. Zur Qualitätssicherung dieser Daten und zur Sicherstellung des kontrollierten und sicheren Betriebs der Detektorsysteme bedarf es spezialisierter Kontrollsysteme für den Betrieb. Einheitliche, detektorübergreifende Methoden ermöglichen eine effektive Aufsicht über das Experiment, und zwar während der Datennahme wie im Standby-Betrieb. Für die Minimierung systematischer Fehler, müssen die Betriebsparameter so konstant wie möglich gehalten und aufgezeichnet werden oder – wo dies nicht möglich ist – so genau wie möglich vermessen werden, um Zeiten mit grenzwertigen Betriebsbedingungen anschließend aus den aufgezeichneten Daten ausschließen zu können. Die dazu genannten Ziele werden auf Ebene des Gesamtexperiments mit der Entwicklung des Experiment-Kontrollsystems (ECS) verfolgt; auf Detektor-Ebene ist dafür die Bereitstellung eines Detektor-Kontrollsystems (DCS) notwendig. Für CBM wurde EPICS als Software-Framework für die Entwicklung der Detektor-Kontrollsysteme ausgewählt. Die Umsetzung eines solchen EPICS-Kontrollsystems für die Validierung eines sicheren Betrieb des aktuellen Prototypen des Mikro Vertex Detektors im Vakuum ist der hauptsächliche Gegenstand dieser Arbeit. Das Kontrollsystem kann zudem über den Kontext dieser Arbeit hinaus als “Blaupause” des Kontrollsystems für den zukünftigen CBM Mikro Vertex Detektor gelten. Zunächst wurden die zu überwachenden und zu steuernden Prozessvariablen und Geräte identifiziert, wozu außer den Vakuumkomponenten, einem Temperiersystem und Niederspannungsnetzteilen auszugsweise auch Parameter aus dem Datenstrom des Datenerfassungs-Systems gehören. Für diese Geräte wurde EPICS Unterstützung (“device support”) bereitgestellt; teils musste dafür die Datenkommunikation nachkonstruiert werden, sofern hierfür keine Dokumentation zur Verfügung stand. Des weiteren wurden interaktive graphische Benutzeroberflächen für das Detektor-System erstellt. Das beinhaltet eine mit der Anwendung Control System Studio/phoebus realisierte Oberfläche, die für Detektorexperten und Bediener bei Experiment-Schichten vorgesehen ist. Zusätzlich wurde eine Weboberfläche entwickelt, die eine Möglichkeit bietet, von jedem Gerät und verschiedensten Zugriffsorten aus den Status des Detektors einzusehen, ohne jedoch Änderungen vornehmen zu können. Eine sogenannte Archiver-Software ist ebenfalls Teil des Kontrollsystems. Sie zeichnet den Verlauf der Prozessvariablen auf und erlaubt es, deren historischen Verlauf für Fehlersuche und Korrelationen bei Artefakten heranzuziehen. Weiter sorgt ein Alarm-System dafür, dass Fehlerzustände leicht identifiziert und mittels hinterlegter Hinweise behoben werden können. Akustische und optische Signale zur Warnung der Benutzer wurden getestet. Nach der erfolgreichen Inbetriebnahme des oben beschriebenen Kontrollsystems wurden verschiedene Tests durchgeführt, um dessen Zuverlässigkeit für den Betrieb des Prototyps zu testen. Neben automatisierten Testzyklen der Kühl- und Vakuumsysteme wurde die Auslese der Sensoren in verschiedenen Szenarien getestet. So wurde der Prototyp mit Photonen einer radioaktiven Fe-55 Quelle beleuchtet. ...