Back-end Design of the Readout System for Cryogenic Particle Detectors

Diese Arbeit widmet sich dem Design und der Entwicklung des digitalen Back-Ends (D-BE) für Raumtemperatur-Ausleseelektronik, die in kryogenen Quantendetektoren verwendet wird. Der Schwerpunkt liegt auf Anwendungen im Zusammenhang mit Experimenten zur Kosmischen Hintergrundstrahlung (CMB, im Englischen \textit{Cosmic Microwave Background radiation} genannt), jedoch ist die Technologie anpassbar für Partikeldetektionsexperimente. Zwei Schlüsselprojekte stehen im Mittelpunkt dieser Forschung: das QUBIC-Projekt zur Erkennung der B-Mode-Polarisation des CMB und das ECHo-Experiment, das darauf abzielt, eine neue Obergrenze für die Bestimmung der Neutrinomasse im Sub-eV-Bereich festzulegen. In diesen Projekten werden Übergangskanten-Sensoren (TES) und magnetische Mikrokalorimeter (MMCs) eingesetzt. Im Fall des QUBIC-Projekts werden die TES unter Verwendung von Zeitaufteilungsmultiplexing (TDM) gemultiplext. Es wurde jedoch ein Vorschlag für einen neuen Bolo\-meter-Typ namens Magnetischer Mikrobolometer (MMB) in der QUBIC-Kollaboration vorgestellt, der die Implementierung eines Frequenzaufteilungsmultiplexing (FDM)-Sys\-tems ermöglicht. Dies könnte durch die Verwendung eines Mikrowellen-Supraleiter-Quan\-teninterferenzgerät (SQUID)-Multiplexers ($\mu$MUX) erreicht werden, ähnlich wie bei den MMCs im ECHo-Experiment. Zur Erleichterung der Auslese der gemultiplexten Detektoren wird ein mehrtoniges Signal erzeugt, wobei jede Frequenztonkomponente einen $\mu$MUX-Kanal innerhalb des Kryostaten überwacht. Dieses Signal passiert dann einen rauscharmen Verstärker (LNA, im Englischen \textit{Low-Noise Amplifier} genannt), der in der Regel in der 4 K-Stufe liegt, bevor es das Hochfrequenz-Front-End (RF-FE) erreicht. Das RF-FE umfasst Hochfrequenzelektronik, die sowohl mit dem D-BE als auch mit der Elektronik im Kryostaten verbunden ist. Diese Arbeit stellt eine neuartige Anwendung des Goertzel-Filters zur Kanalisierung von mehrtonigen Signalen vor. Durch Simulationen, die mit einem in dieser Arbeit entwickelten auf Python basierenden Softwarepaket durchgeführt wurden, wurde die optimale Konfiguration für die Signalgenerierung und -erfassung in Bezug auf Rauschleistung, Abschirmung gegen Übersprechen und Systemlinearität ermittelt. Diese Arbeit zeigt, wie dieser Ansatz effizient in einem Field Programmable Gate Array (FPGA) implementiert werden kann, was die Skalierbarkeit bei der Auslese mehrerer Sensoren ermöglicht. Diese Skalierung is im Besonderen in Anwendungen wie Radioteleskopen für CMB-Messungen, kryogenen Kalorimetern für die Partikeldetektion und Quantencomputing entscheidend. Umfangreiche Validierungsexperimente zeigen, wie die Implementierung dieses Filtersatzes die Kanalisierung des mehrtonigen Eingangssignals zur Wiederherstellung der von den Detektoren aufgezeichneten Daten ermöglicht

Vehicle tracking receiver design

Phase-locked loops and signal processing techniques employed in vehicle tracking receive

Shuttle orbiter S-band communications equipment design evaluation

An assessment of S-band communication equipment includes: (1) the review and analysis of the ability of the various subsystem avionic equipment designs to interface with, and operate on signals from/to adjoining equipment; (2) the performance peculiarities of the hardware against the overall specified system requirements; and (3) the evaluation of EMC EMI test results of the various equipment with respect to the possibility of mutual interferences

A simple method for the determination of the structure of ultrashort relativistic electron bunches

In this paper we propose a new method for measurements of the longitudinal profile of 100 femtosecond electron bunches for X-ray Free Electron Lasers (XFELs). The method is simply the combination of two well-known techniques, which where not previously combined to our knowledge. We use seed 10-ps 1047 nm quantum laser to produce exact optical replica of ultrafast electron bunches. The replica is generated in apparatus which consists of an input undulator (energy modulator), and the short output undulator (radiator) separated by a dispersion section. The radiation in the output undulator is excited by the electron bunch modulated at the optical wavelength and rapidly reaches 100 MW-level peak power. We then use the now-standard method of ultrashort laser pulse-shape measurement, a tandem combination of autocorrelator and spectrum (FROG -- frequency resolved optical gating). The FROG trace of the optical replica of electron bunch gives accurate and rapid electron bunch shape measurements in a way similar to a femtosecond oscilloscope. Real-time single-shot measurements of the electron bunch structure could provide significant information about physical mechanisms responsible for generation ultrashort electron bunches in bunch compressors. The big advantage of proposed technique is that it can be used to determine the slice energy spread and emittance in multishot measurements. It is possible to measure bunch structure completely, that is to measure peak current, energy spread and transverse emittance as a function of time. We illustrate with numerical examples the potential of the proposed method for electron beam diagnostics at the European X-ray FEL.Comment: 41 pages, 18 figure

Packet CDMA communication without preamble

Code-Division Multiple-Access (CDMA) is one of the leading digital wireless communication methods currently employed throughout the world. Third generation (3G) and future wireless CDMA systems are required to provide services to a large number of users where each user sends data burst only occasionally. The preferred approach is packet based CDMA so that many users share the same physical channel simultaneously. In CDMA, each user is assigned a pseudo-random (PN) code sequence. PN codephase synchronization between received signals and a locally generated replica by the receiver is one of the fundamental requirements for successful implementation of any CDMA technique. The customary approach is to start each CDMA packet with a synchronization preamble which consists of PN code without data modulation. Packets with preambles impose overheads for communications in CDMA systems especially for short packets such as mouse-clicks or ATM packets of a few hundred bits. Thus, it becomes desirable to perform PN codephase synchronization using the information-bearing signal without a preamble. This work uses a segmented matched filter (SMF) which is capable of acquiring PN codephase in the presence of data modulation. Hence the preamble can be eliminated, reducing the system overhead. Filter segmentation is also shown to increase the tolerance to Doppler shift and local carrier frequency offset. Computer simulations in MATLAB® were carried out to determine various performance measures of the acquisition system. Substantial improvement in probability of correct codephase detection in the presence of multiple-access interference and data modulation is obtained by accumulating matched filter samples over several code cycles prior to making the codephase decision. Correct detection probabilities exceeding 99% are indicated from simulations with 25 co-users and 10 kHz carrier frequency offset or Doppler shift by accumulating five or more PN code cycles, using maximum selection detection criterion. Analysis and simulation also shows that cyclic accumulation can improve packet throughput by 50% and by as much as 100% under conditions of high offered traffic and Doppler shift for both fixed capacity and infinite capacity systems

Engineering evaluations and studies. Volume 3: Exhibit C

High rate multiplexes asymmetry and jitter, data-dependent amplitude variations, and transition density are discussed