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Control, Readout and Commissioning of the Ultra-High Speed 1 Megapixel DSSC X-Ray Camera for the European XFEL

Kirchgessner, Manfred

German Title: Steuerung, Auslese und Inbetriebnahme der Ultra-Hochgeschwindigkeits-, 1-Megapixel, DSSC Röntgenkamera für den European XFEL

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PDF, English (Dissertation, Manfred Kirchgessner) - main document
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Abstract

The goal of this thesis was to develop the software and firmware basis to control and read out the 1-Megapixel DEPFET Sensor with Signal Compression (DSSC) detector, which is being built for the European XFEL (EuXFEL). The DSSC detector proposes single photon resolution at 0.5 keV photon energy, high dynamic range of 10000 photons at a very high frame rate of 4.5 MHz. During this thesis, the readout chain has been implemented, which receives the average data rate of 134 GBit/s from the detector and transfers sorted image data via four QSFP+ fiber cables to the DAQ system. Additional control software and firmware has been developed for commissioning of the first 1/16th megapixel prototypes. A multifunctional measurement and data analysis framework has been created which is used for characterization of the detector, particularly of properties of the complex readout ASICs. Additional parameter trimming routines to automatically adapt gain and offset parameters of a large pixel matrix have been developed in order to generate suitable configurations which have been applied during two measurement campaigns at the Petra III synchrotron. For integration into the new Karabo framework, which is provided by XFEL for beamline control, several software devices have been implemented.

Translation of abstract (German)

Ziel dieser Arbeit war es, die Software- und Firmwarebasis zur Steuerung und Auslese des 1 Megapixel DEPFET Sensor with Signal Compression (DSSC) Detektors zu entwickeln, der für den European XFEL (EuXFEL) gebaut wird. Der DSSC Detektor verspricht Einzelphotonenauflösung bei 0,5 keV Photonenenergie, einem hohen Dynamikbereich von 10000 Photonen bei einer sehr hohen Bildrate von 4,5 MHz. Während dieser Arbeit wurde die Auslesekette implementiert, welche die Bilddaten mit einer durchschnittlichen Datenrate von 134 GBit/s vom DSSC-Detektor empfängt, bildweise sortiert und über vier QSFP+ Glasfaserkabel zum DAQ-System überträgt. Des weiteren wurde für die Inbetriebnahme der ersten 1/16-Megapixel-Prototypen Steuerungssoftware und -firmware entwickelt. Ein multifunktionales Mess- und Datenanalyse-Framework wurde erstellt, das zur Charakterisierung des Detektors, insbesondere der Eigenschaften des komplexen Auslese-ASICs, verwendet wird. Zusätzlich wurden Parameter-Trimmroutinen für die automatische Anpassung der Verstärkungs- und Offsetparameter aller Pixel einer großen Pixelmatrix entwickelt, um geeignete Konfigurationen zu erzeugen, die bei zwei Messkampagnen am Petra III-Synchrotron eingesetzt wurden. Außerdem wurden innerhalb dieser Arbeit, für die Integration in das neue Karabo-Framework, welches von XFEL für die Steuerung der Beamline-Umgebung entwickelt wurde, mehrere Software-Devices implementiert.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Fischer, Prof. Dr. Peter
Date of thesis defense: 5 December 2017
Date Deposited: 12 Jan 2018 09:06
Date: 2018
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Service facilities > Institut f. Technische Informatik (ZITI)
Subjects: 000 Generalities, Science
004 Data processing Computer science
530 Physics
Controlled Keywords: Datenverarbeitung, Field programmable gate array, Eingebettetes System, 10 Gigabit Ethernet
Uncontrolled Keywords: DDR3-1600 Memory, Microblaze, QSFP
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