Inhaltszusammenfassung:
Die Entdeckung der kosmischen Strahlung vor über 100 Jahren führte zu zahlreichen
Errungenschaften in der Teilchenphysik, da hierdurch eine natürliche Teilchenquelle
verfügbar war, mit Energien, welche mit Beschleunigern auf der Erde nicht erreichbar
waren. Obwohl die höchsten je gemessenen Energien der kosmischen Strahlung noch
immer nicht im Labor erzeugt werden können, sind es heutzutage eher die Fragen
aus dem Bereich der Astronomie, welche hierbei von Interesse sind.
Dabei ist es gerade die kosmische Strahlung mit der höchsten Energie, welche
dabei helfen soll, die sehr grundlegenden aber noch immer ungeklärten Fragen zu
beantworten: Woher stammt sie? Wie werden die Teilchen zu solch hohen Energien
beschleunigt? Wie ist ihre Zusammensetzung?
Aufgrund des äußerst geringen Flusses von ungefähr einem Teilchen pro km²
und Jahrhundert bei Energien von 1e20 eV müssen die Experimente, welche der
Erforschung von kosmischer Strahlung dienen, riesige Flächen überspannen, um in
akzeptabler Zeit eine ausreichende Anzahl von Teilchen zu detektieren.
JEM-EUSO ist ein Missionskonzept, welches das Potential hat, die Detektorfläche
der größten aktuell operierenden Experimente um eine Größenordnung zu erhöhen.
Durch ein Teleskop im Weltraum, welches die Erdatmosphäre beobachtet, können die
schwachen Lichtsignale der Teilchenschauer aufgezeichnet werden. Diese entstehen,
wenn ein hoch-energetisches kosmisches Teilchen auf ein Molekül der Atmosphäre
trifft und sich dadurch ein ausgedehnter Luftschauer ausbildet.
Im Rahmen dieser Arbeit habe ich experimentelle Studien durchgeführt, welche
für solch ein Weltraumteleskop essentiell sind. Im Speziellen habe ich zwei zentrale
Komponenten der digitalen Kameraelektronik entwickelt, deren Hauptaufgaben darin
bestehen, die anfallende Datenrate um insgesamt neun Größenordnungen zu re-
duzieren: das ‘Cluster Control Board (CCB)’ und das ‘Photo-Detector Module (PDM)
Control Board’. Dabei verwaltet und kombiniert das CCB die Daten von einer Gruppe
von PDMs – welches die grundlegende Einheit des Detektors darstellt –, evaluiert
einen Trigger-Algorithmus und sendet die Daten zum zentralen Missionscomputer.
Die Hauptaufgabe des ‘PDM Control Board’ besteht darin, die analoge Elektronik
der Kamera auszulesen und einen weiteren Trigger-Algorithmus auszuführen.
Die Arbeit beinhaltete die gesamte Entwicklung der Elektronik. Angefangen mit
der Definition der Anforderungen, bis hin zur Entwicklung und dem Testen von
Prototypen. Das Hauptziel war dabei stets die Demonstration der Funktionalität
und der technischen Einsatzbereitschaft. Dieses Ziel konnte erreicht werden, indem
die entwickelten Komponenten in verschiedenen, wegweisenden Projekten integriert
wurden: EUSO-TA, ein bodengestütztes Teleskop, welches in der Wüste von Utah
betrieben wurde; EUSO-Balloon, welches mit Hilfe eines Stratosphären-Ballons an
den Rand des Weltraums gebracht wurde und erfolgreich das Beobachtungsprinzip
demonstrierte; und EUSO-SPB, welches das automatische Aufzeichnen von Ereignissen
demonstrierte, während es 12 Tage lang an einem Überdruck-Ballon am Rand zum
Weltraum betrieben wurde.
Die erfolgreiche Entwicklung der Komponenten und die Implementierung der
Trigger-Algorithmen stellt Technologie zur Verfügung, welche von jedem zukünftigen
Projekt genutzt werden kann, um die hoch-energetische kosmische Strahlung vom
Weltall aus zu erforschen. Solch ein weltraumgestütztes Teleskop wird ein neues
Fenster in der Wissenschaft öffnen: Astronomie mit Hilfe von Teilchen.
Abstract:
The discovery of cosmic rays more than 100 years ago led to several achievements in
particle physics, as they provided a natural particle source at energies not accessible
by accelerators in the laboratory. While this is still valid for the highest energies
measured, the topics of interest are nowadays related to astronomy.
It is especially the Ultra-High-Energy Cosmic Rays (UHECRs) which will help to
solve their most basic, yet unsolved, questions: Where are they from? How are they
accelerated? What is their composition? Due to the extremely low flux of around 1
particle per km² and century at energies around 1e20 eV, experiments have to be of
large extend in order to gather enough statistics within an acceptable time frame.
JEM-EUSO is a mission concept which has the capability to increase the exposure
of the largest currently operating projects by one order of magnitude. Placing a
large field of view telescope into space and monitoring the Earth’s atmosphere allows
to observe the faint light signatures, which are generated when an UHECR interacts
with a molecule of the atmosphere and an Extensive Air Shower is being formed.
In the context of this thesis, I have conducted experimental studies essential for
such a space-based telescope. Specifically, I have developed two key components
of the digital camera electronics, whose main tasks are the reduction of the data
rate by nine orders of magnitude in total: the Cluster Control Board (CCB) and
the Photo-Detector Module (PDM) control board. The CCB manages and combines
the data from a cluster of PDMs, the basic detector unit, performs the second level
trigger and transfers the data to the main mission computer. The PDM control board
mainly interfaces the analog read-out electronics and performs the first level trigger.
The work covered the full development of the electronics. From the definition
of the requirements to the development and testing of prototypes, with the aim of
demonstrating the functional and technological readiness. This final goal was achieved
by integrating the developed components into several pathfinder projects: EUSO-TA,
which is a ground based instrument operated in the desert of Utah; EUSO-Balloon,
which was brought to near space on board of a stratospheric balloon and demonstrated
the observation principle; and EUSO-SPB, which demonstrated the self triggering
capabilities during 12 days of operation on board a super-pressure balloon.
The successful development of the hardware and the implementation of the trigger
algorithms provide technology suitable for any future mission devoted to the detection
and observation of UHECRs from space. Such a space-based mission will open a new
scientific window: astronomy through the particle channel.
Astronomy
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