German Title: Schnelle Datenerfassung für Silizium-Spurdetektoren bei hohen Raten

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Abstract

Silicon tracking detectors play a key role in many current high energy physics experiments. To enhance experimental sensitivities for searches for new physics, beam energies and event rates are constantly being increased, which leads to growing volumes of detector data that have to be processed. This thesis covers high-speed data acquisition for silicon tracking detectors in the context of the Mu3e experiment and future hadron collider experiments. For the Mu3e experiment, a vertical slice of the trigger-less readout system is realized as a beam telescope consisting of 8 layers of pixel sensors that are read out using a prototype of the Mu3e front-end board. The performance of the full readout system is studied during beam tests. Sensor hit rates of up to 5 MHz can be handled without significant losses. Hence, the system fulfils the requirements for the first phase of the experiment. To fully exploit the potential of silicon tracking detectors at future hadron collider experiments, the implementation of high-speed data links is mandatory. Wireless links operating at frequencies of 60 GHz and above present an attractive alternative to electrical and optical links, as they offer high bandwidth, small form factor and low power consumption. This thesis describes readout concepts for tracking detectors applying wireless data transfer and presents studies of wireless data transmission.

Translation of abstract (German)

In vielen aktuellen Experimenten der Hochenergiephysik spielen Silizium-Spurdetektoren eine Schlüsselrolle. Zur Verbesserung der Sensitivität von Experimenten, die nach neuer Physik suchen, werden Strahlenenergien und Ereignisraten ständig erhöht, was zu wachsenden Mengen an Detektordaten führt, die verarbeitet werden müssen. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Hochgeschwindigkeits-Datenerfassung für Silizium-Spurdetektoren im Rahmen des Mu3e-Experiments sowie zukünftiger Hadronencollider-Experimente. Für das Mu3e-Experiment wird ein Ausschnitt des triggerlosen Auslesesystems als Strahlteleskop aus 8 Lagen von Pixelsensoren implementiert, die mit einem Prototypen des Mu3e-Frontendboards ausgelesen werden. Die Leistung des vollständigen Auslesesystems wird bei Teststrahlmessungen untersucht. Sensor-Trefferraten von bis zu 5 MHz können ohne nennenswerte Verluste verarbeitet werden. Somit erfüllt das System die Anforderungen der ersten Phase des Experiments. Damit das Potenzial der Silizium-Spurdetektoren bei zukünftigen Hadronencollider-Experimenten voll ausgeschöpft werden kann, ist die Verwendung von Hochgeschwindigkeits-Datenverbindungen unabdingbar. Drahtlose Datenverbindungen, die im Frequenzbereich von 60 GHz und mehr betrieben werden, stellen eine attraktive Alternative zu elektrischen und optischen Verbindungen dar, denn sie bieten eine hohe Bandbreite bei kleinem Formfaktor und geringem Stromverbrauch. In dieser Arbeit werden drahtlose Auslesekonzepte für Spurdetektoren beschrieben und Studien zur drahtlosen Datenübertragung vorgestellt.