Institut für Prozessdatenverarbeitung und Elektronik (IPE)

Die Astroteilchenphysik erforscht fundamentale Rätsel der Natur an der Schnittstelle von Kosmologie, Astrophysik und Elementarteilchenphysik. In internationalen Großexperimenten werden die Natur und Herkunft der kosmischen Strahlung, die Eigenschaften von Neutrinos und die Zusammensetzung der Dunklen Materie untersucht. Das IPE ist an mehreren dieser Grundlagenexperimente beteiligt (z.B. Pierre Auger Observatorium, KATRIN, EDELWEISS). Wir entwickeln zusammen mit unseren internationalen Partnern einzigartige Detektoren und Datenerfassungssysteme. Unsere Aktivitäten decken dabei häufig die gesamte Signalkette, vom Detektordesign und -bau, über Analog- und Digitalelektronik, bis zu Auslese und Dateninfrastruktur.

KATRIN

Das Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment KATRIN ist einem der größten Rätsel der Naturwissenschaft auf der Spur. Das KATRIN-Experiment soll die Masse des Elektron-Antineutrinos durch hochgenaue Energiebestimmung von Tritium-Zerfallselektronen (β-Strahlung) bestimmen. Die auffälligste Komponente des Experimentes ist ein sehr großes elektrostatisches Retardierungsspektrometer, das durch ein Edelstahlgefäß von 10 m Durchmesser gebildet wird. Mittels einer Hochspannungsquelle (ca. -18,6 kV) wird darin ein elektrisches Gegenfeld gebildet, das einen Großteil der Elektronen zurückprallen lässt. Die wenigen das Spektrometer durchsetzenden b-Elektronen werden mit einem Siliziumdetektor registriert. Kern der IPE-Aktivitäten liegt in Entwicklung KATRIN-spezifischer Elektronik, Automatisierungstechnik und Datenerfassung.

 

Zum Experiment: KATRIN

KaaS

Zur Durchführung wissenschaftlicher Experimente sind komplexe und verteilte Detektorauslese- und Steuerungssysteme erforderlich. Die Instrumentierung integriert anweendungsspezifische und kommerzielle Komponenten und erzeugt immer größere Datenmengen. Es wird eine Vielzahl unterschiedlicher Formate, Speicher-Engines und Daten-Workflows verwendet. Oftmals ist eine korrekte manuelle Dateninterpretation und Qualitätssicherung aufgrund der enorm gestiegenen Anzahl, Größe und Komplexität der Datensätze schwierig oder sogar unmöglich. Dies erklärt den Bedarf an neuartigen automatischen oder zumindest halbautomatischen Datenanalysemethoden und -werkzeugen. Die Informationen über den Betriebsstatus und die wissenschaftliche Bedeutung werden in der KaaS-Platform kontinuierlich aus dem Datenstrom extrahiert und den Benutzern in einer visuell leicht zu interpretierenden Form zur Verfügung gestellt.

Zur Technologie: KaaS - Control-as-a-Service

Pierre Auger Observatorium

Das in Argentinien errichtete internationale Pierre Auger Observatorium dient der Detektion hochenergetischer kosmischer (Teilchen)-Strahlung bei höchsten Energien. Ziel ist es, die Einfallsrichtung, die Energieverteilung und die chemische Zusammensetzung der Teilchen zu bestimmen, um daraus Aussagen über die Quellen und Beschleunigungsmechanismen für die Teilchen zu gewinnen. Derzeit werden die Oberflächendetektoren, die auf einer Fläche von über 3000 km² von 2002-2008 aufgebaut wurden, mit zusätzlichen Szintillationszählern im Rahmen des Projekt AugerPrime aufgerüstet und die entsprechende Elektronik erneuert. Der wesentliche Beitrag des IPEs zum Pierre Auger Observatorium war die Entwicklung, Produktion und Installation der digitalen Elektronik für die Fluoreszenz-Teleskope. Darüberhinaus wurde die zentrale Datenerfassung konzipiert, die LAN-Infrastruktur aufgebaut, und zu Kalibrationssystemen beigetragen. Im laufenden Projekt AugerPrime sind wir das Design eines Testsystems für die komplexe neue Elektronik der Oberflächendetektoren verantwortlich.

Zum Experiment: Auger

EDELWEISS

Das EDELWEISS-Experiment versucht auf direktem Weg "Dunkle Materie" nachzuweisen. Dazu betrieb die internationale Kollaboration im Untergrundlabor LSM (bei Modane) mehrere Germanium-Bolometer, welche beim Stoß eines potentiellen Dunkle-Materie-Teilchen an einem Germanium-Kern ein Ionisations- und Wärmesignal erzeugen. Mitte 2020 wurde das Experiment eingestellt, weil die Grenzwerte für die „Dunkle Materie“ aufgrund des bestehenden Untergrunds durch längeres Messen nicht wesentlich verbessert werden können. Das IPE hat in Zusammenarbeit mit den Partnern in der Kollaboration die Elektronik für die Datenauslese von EDELWEISS entwickelt, die auch die Vetozählermodule zur Unterdrückung von Untergrundereignissen integriert. Die Signale der Germanium-Bolometer werden mit 100 kHz digitalisiert und als kontinuierlicher Datenstrom von Computern analysiert und gespeichert. Zukünftig wird die Suche nach Dunkler Materie im DARWIN Experiment mit einem Xe-Detektor weitergeführt, an dem sich IPE ebenfalls beteiligen wird.

Zum Experiment: EDELWEISS