Development and Realization of Camera Electronics for Space-based Ultra-High-Energy Cosmic Ray Detectors

Abstract

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.

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.