Projektbeschreibung

Die exakte Bestimmung der Neutrinomasse im Sub-eV Bereich ist eine der anspruchsvollsten Fragen der Teilchenphysik. Das 163Ho-Elektroneneinfang-Experiment ECHo zielt darauf ab, die Elektron-Neutrino-Masse im Sub-eV-Bereich durch die Analyse des kalorimetrisch gemessenen Energiespektrums nach dem Elektroneneinfang-Prozess von ¹⁶³Ho zu untersuchen. Ein hochpräzises und hochstatistisches Spektrum soll mit Hilfe von Niedertemperatur-Magnetkalorimeter-Arrays gemessen werden.

Eine zentrale Herausforderung des ECHo-100k-Experiments ist die Auslese der ca. 6000 Detektoren. Einzelne elektrische Verbindungen zu den Detektoren sind aufgrund konstruktiver und thermischer Beschränkungen des Kryostaten nicht möglich. Daher soll die Methode des Mikrowellen SQUID Multiplexing zum Einsatz kommen, welches die Möglichkeit bietet den Informationsgehalt einer Vielzahl von Pixeln auf einer einzige Mikrowellenleitung zu vereinen. 

Ein wichtiger Bestandteil des Mikrowellen SQUID Multiplexing ist die Extraktion der individuellen Detektorinformation aus dem Mischsignal und letztendlich die Abspeicherung der charakteristischen Ereignisparameter. Wesentliche Teile der Verarbeitungskette können durch ein sogenanntes Software-Defined Radio (SDR) realisiert werden, dessen Konzeptionierung und Aufbau für ECHo-100k Gegenstand dieses Projekts ist. 

Unser Beitrag

Gegenstand unseres ECHO-100k Projekts ist die Entwicklung und Fertigung einer SDR Ausleseelektronik für ECHo-100k. Diese wird aus mehreren unabhängigen identischen Einheiten bestehen, die jeweils über ein Sende-Empfangsleitungspaar an den Kryostaten angeschlossen werden. Jede dieser Einheiten soll den vollständigen, für das Multiplexing relevanten Frequenzbereich, von 4-8 GHz abdecken. Pro Elektroniksystem sind dabei 400 bis 500 Kanäle möglich, so dass für die angestrebten 6000 Kanäle 12-15 Elektroniksysteme notwendig sind.

Jedes der Elektroniksysteme besteht aus einer analogen Mikrowellenelektronik zur Hoch- und Herab-Mischung des Anfangs- und Sendefrequenzkammes und einem Mixed-Signal-Backend bestehend aus DACs, ADCs und FPGAs. Das FPGA erzeugt den Mikrowellenfrequenzkamm und analysiert das empfangene Feedback aus dem Kryostaten, um die Detektorsignale zu extrahieren. Zusätzlich soll das FPGA die Generierung der für die Messung notwendigen Flussrampe übernehmen, wofür ein weiterer DAC Kanal vorzusehen ist. Die bei der Analyse entstehenden Daten werden über eine geeignete Schnittstelle, beispielsweise Ethernet, an einen Server (nicht Bestandteil des Angebots) zur Speicherung weitergeleitet.