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Dissertation submitted to the Combined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematics of the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germany for the degree of Doctor of Natural Sciences
presented by Dipl.-Phys.Andre´Srowig born in Ulm, Germany Oral examination: 16.2.2005
Trajectory Sensor and Readout Electronics of a Cosmic Dust Telescope
Referees:Prof.EberhardGr¨un Prof. Volker Lindenstruth
Abstract
An Application Specific Integrated Circuit (ASIC) is devel-oped for the processing of electrostatic signals from a trajec-tory sensor for cosmic dust. The detector is assembled of multiple wire electrodes which allow the determination of di-rection, speed and charge of cosmic dust. The circuit consists of two units, a low noise charge sensitive amplifier optimized for a specified detector capacitance and a multi-channel digi-tal transient recorder. The last converts analog signals on 32 channels and buffers the data in a static memory. A controller coordinates the recording of the data and the serial readout on a trigger event. The two units are operated in a mixed-signal network performing a transient recording of a multi-channel low noise charge measurement. Physical separation of the in-dividual front-end amplifiers allows the optimization of the detector capacitances. Circuit design and simulation, as well as successful system tests are presented.
Zusammenfassung
Trajektoriensensor und Ausleseelektronik eines kos-mischen Staubteleskops: Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein ASIC (App-licationIntegratedSpecicCircuit)fu¨rdieVerarbeitungvon elektrostatischenSignaleneinesTrajektoriensensorsfu¨rkos-mischen Staub entwickelt. Der Detektor besteht aus mehre-ren Drahtelektroden, die es erlauben, Richtung, Geschwindig-keit und Ladung von kosmischen Staubteilchen zu bestimmen. Der Schaltkreis besteht aus zwei Einheiten, einem Ladungs-versta¨rkermitgeringemRauschpegel,optimiertf¨ureinede-nierteDetektorkapazit¨at,sowieeinemdigitalenTransienten-rekorder.DieserwandeltanalogeSignaleauf32Kana¨lenund speichert die Daten in einem statischen Memory zwischen. Ei-ne Steuereinheit koordiniert die Aufnahme der Daten und das serielle Auslesen nach einem Triggersignal. Die zwei Einhei-ten werden in einem Mixed-Signal-Netzwerk betrieben, um ei-ne Transientenaufnahme einer rauscharmen Ladungsmessung aufmehrerenKana¨lenzumachen.Dier¨aumlicheTrennung dereinzelnenVorverst¨arkererlaubteineOptimierungderDe-tektorkapazita¨ten.SchaltungsdesignundSimulation,sowieer-folgreicheSystemtestswerdenpra¨sentiert.
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Contents
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Measurement of DUNE 1.1 4.1 Front-End Setup . . . . . 4.1.1 Detector Board . . 4.1.2 Conversion Gain . 4.2 Transient Recorder Setup 4.2.1 Readout Board . .
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Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
DUNE Trajectory Sensor and Readout 2.1 Specifications . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Architecture . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Detector Geometry . . . . . . . 2.2.2 EM-Simulation . . . . . . . . . 2.2.3 Readout Electronics . . . . . . 2.3 Prototype - DUNE 1.0 Readout Chip . 2.3.1 Design Concept . . . . . . . . . 2.3.2 Functionality . . . . . . . . . . 2.3.3 Front-End Noise . . . . . . . . 2.3.4 Memory Bug . . . . . . . . . .
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Introduction 1.1 Dust in Space . . . . . . 1.2 Dust Detectors . . . . .
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Design and Simulation of DUNE 1.1 3.1 DUNE 1.1FE - Front-End Amplifier . . . . 3.1.1 Charge Sensitive Amplifier . . . . . 3.1.2 Logarithmic Amplifier . . . . . . . 3.1.3 Simulation and External Setup . . 3.2 DUNE 1.1TR - Digital Transient Recorder 3.2.1 Analog-to-Digital Converter (ADC) 3.2.2 Pipeline . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.3 Output Register . . . . . . . . . . . 3.2.4 Control Logic . . . . . . . . . . . .
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Conclusion and Outlook 5.1 Project Summary . . . . 5.2 Future Missions . . . . .
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DUNE 1.1FE Pad List
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4.2.2 Control Interface . . . System Performance Tests . . 4.3.1 Functionality . . . . . 4.3.2 ADC Characterization 4.3.3 Front-End Calibration Dust Beam Experiments . . . 4.4.1 Dust Accelerator . . . 4.4.2 Experimental Setup . . 4.4.3 Particle Measurements Data Evaluation . . . . . . . . 4.5.1 Detector Sensitivity . . 4.5.2 Measurement Summary
49 50 50 51 54 55 55 56 57 60 60 62
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4.4
A
4.5
4.3
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73
B
CONTENTS
List
DUNE 1.1TR Pad
Acknowledgements
Bibliography
5
iv
Un pour Un
Permettre à tous d'accéder à la lecture
Pour chaque accès à la bibliothèque, YouScribe donne un accès à une personne dans le besoin