PRISMA Detektorlabor

Das PRISMA Detektorlabor fördert die Zusammenarbeit sowie den Erfahrungs- und Technologieaustausch innerhalb von PRISMA⁺⁺

Es stellt Labore und Arbeitsplätze zur Verfügung, um Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern mit unterschiedlicher Hardware-Expertise eine gemeinsame Forschungsumgebung und Infrastruktur zu bieten. Im Rahmen dieser Zusammenarbeit bietet das Detektorlabor Zugang zu eigenen Speziallaboren, hochwertigen Geräten und zu Design-Software. Für die Prüfung und Charakterisierung von Detektoren und Elektronik stehen zudem die Elektronen- und Photonenstrahlen am MAMI und die Bestrahlungseinrichtung am TRIGA-Reaktor zur Verfügung.

Um die experimentellen Aktivitäten in allen Forschungsbereichen zu unterstützen, ist das Detektorlabor in vier Bereiche unterteilt:

Elektronik
Design von High-Speed-Boards für schnelle Datenanalyse und -Digitalisierung, analoge Signalverarbeitungsschaltungen, Systeme mit geringem Rauschen und niedrigem Stromverbrauch, triggerlose Architekturen und strahlungsharte Elektronik.

Lichtsensoren
Einzelphotonenempfindlichkeit, hohe Nachweiseffizienz, große aktive Flächen und/oder hohe Granularität, z. B. für den Einsatz in Kalorimetern, Cherenkov-Detektoren und Astroteilchenphysik-Experimenten.

Spurdetektoren und Time Projection Chambers
Beispielsweise für Systeme mit einer hervorragenden räumlichen Auflösung bei hohen Intensitäten, großflächige Gasdetektoren, Time Projection Chambers (TPC) basierend auf verflüssigten Edelgasen, Gas-Electron-Multiplier (GEM) und Micromegas-Anwendungen.

Labor für Szintillations- und Fluoreszenz-Detektoren (LSFD)
Als sich im Rahmen von PRISMA⁺⁺ im Aufbau befindliche neue Infrastruktur für die Entwicklung und Charakterisierung von Szintillations- und Fluoreszenzmaterialien.

ATLAS

Bau von Drift-Panels für das Upgrade des Myon-Detektors (abgeschlossen)
Prototypboard des topologischen Triggers für das Kalorimeter, mit schneller Multi-FPGA-Datenverarbeitung und optischer Kommunikation
Machbarkeitsstudien für den High Granularity Timing Detector

CALICE

Charakterisierung von Silizium-Photomultipliern (SiPM)
Entwicklung und Test von Kalorimeterkomponenten mit hoher Granularität
Automatisierte Bestückung der SiPM Ausleseplatinen mit Szintillatorkacheln (abgeschlossen)

ICECUBE / ICECUBE-GEN2

Charakterisierung von Photomultipliern (PMT)
Forschung und Entwicklung für die Elektronik und die Tests des Digital Optical Module

MAGIX am MESA-Beschleuniger

Machbarkeitsstudien für Spurdetektoren in der Fokalebene

P2 am MESA-Beschleuniger

Forschung und Entwicklung für das Spurrekonstruktionssystem basierend auf monolithischen Pixeldetektoren

XENON1T / XENONnT

Charakterisierung der optischen Eigenschaften des Myonvetos (abgeschlossen)
Vermessung und Scannen von Hochspannungs-Elektrodenebenen

Das Detektorlabor bietet auch einen Ort für projektunabhängige längerfristige Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten im Bereich neuer, innovativer Detektortechnologien. Zusätzlich zu den regelmäßigen Nutzertreffen organisiert das Detektorlabor technische Seminare mit externen Sprechern, um einen Überblick über moderne Technologien und andere Themen zu bieten, die für die Experimentalphysiker sowie für Ingenieure und technisches Personal im Cluster PRISMA⁺⁺ von Interesse sind.

Das Detektorlabor kann auf zahlreiche moderne Labore sowie innovative Mess- und Teststände zurückgreifen. Diese Infrastruktur bildet die Basis für eine erfolgreiche Entwicklung neuer Detektoren und den Bau komplexer Detektorkomponenten.

Dieser Aufbau wird für den Test und die Kalibrierung von Detektormodulen mithilfe kosmischer Myonen genutzt. Er besteht aus einer oberen und einer unteren Schicht von Trigger-Detektoren mit 2×12 gekreuzten Szintillatorstreifen. Der Prüfstand ist in einer großen (1,8m x 1,3m) belüfteten Dunkel-Box platziert. DAQ und Logik Module (z.B. VME-basiert) sind verfügbar.

Für die Konstruktion und die automatisierte Prüfung von großformatigen (~m²) Detektormodulen ist ein Granittisch mit einer nominalen Planarität <15µm verfügbar. Er ist mit motorisierten XYZ-Verstellern ausgestattet, die wiederum einen Laser-Abstandssensor und eine Kamera zur Oberflächenabtastung sowie ein konfokales 3D Mikroskop für eine eingehende Inspektion halten. Der gesamte Aufbau wird unter einer Laminar-Flow Unit (ISO 5/6) betrieben.

Um Leiterplatten (PCBs) zu bestücken, ist eine Verarbeitungslinie vorhanden. Sie besteht aus einem Schablonendrucker (oberes Bild), einer Bestückungsmaschine (unteres Bild) und einem Dampfphasen-Lötofen. SMD- und through-hole Komponenten, die automatisch zum Beispiel aus Spulen oder Trays zugeführt werden, können so verarbeitet werden. Auf diese Weise können etwa Eurocards und 6U-Rackformat-Leiterplatten produziert werden.

Derzeit wird eine 3D-Druckerwerkstatt eingerichtet, in der mehrere Drucker zur Verfügung stehen werden. Mit dem ersten bereits im Betrieb befindlichen Drucker können Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen bis zu einem Volumen von 330 mm x 270 mm x 200 mm gedruckt werden.

Elektrowerkbänke, Mikroskop, Wärmebildkamera, Funktionsgenerator, Oszilloskope
FPGA Development Kits, System-On-Chip und Single-Board-Computer Programmierung
Electronic Design Automation und CAD Tools (Cadence, Mentor, Xilinx, Altera, COMSOL)
Dunkellabor- und boxen, optische Tische (mit Lasern, Lampen, xyz-Systemen)
Klimakammer und Laminar-Flow Einheiten
Gas- und Hochspannungsversorgung, Massenspektrometer, radioaktive Quellen
Vakuumofen and Vakuumdestillationsanlage
Lasergravurgerät

5. Juni 2025 Werner Riegler (CERN), „Precision Timing with Silicon Detectors„, 13 Uhr | Gernot-Gräff-Raum, Staudingerweg 7, Gebäude 2412, Raum 05.431 (5. Stock – West)

15. Mai 2025 Christophe de La Taille (OMEGA Microelectronics Laboratory, IN2P3/CNRS, École Polytechnique, Paliseau), „Readout ASICs for High Granularity Calorimeters and SiPMs„, 13 Uhr | Gernot-Gräff-Raum, Staudingerweg 7, Gebäude 2412, Raum 05.431 (5. Stock – West)

28. November 2024 Marius Köppel (ETH Zurich), „Development and Commissioning of the Scintillating Fiber Detector for the Mu3e Experiment„, 14 Uhr | Noether-Raum, Staudingerweg 7, Gebäude 2412, Raum 03.423 (3. Stock – West)

23. Mai 2024 Larisa Thorne (Johannes Gutenberg University Mainz), „Neutrinos and how to measure their mass„, 11 Uhr | MITP-Seminarraum, Staudinger Weg 9, Gebäude 2413, Raum 02.430 (2. Stock – West)

24. November 2023 Finn Feindt (DESY, Hamburg), „A Digital Silicon Photomultiplier„, 13 Uhr | Medienraum, Staudinger Weg 7, Gebäude 2412, Raum 03.431 (3. Stock – West)

03. November 2023 Robert Svoboda (University of California, Davis), „The Development Path to a Hybrid Optical Detector„, 13 Uhr | Medienraum, Staudinger Weg 7, Gebäude 2412, Raum 03.431 (3. Stock – West)

08. Dezember 2022 João Guimarães da Costa (Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences), „The Circular Electron Positron Collider„, 10 Uhr | Gernot-Gräff Raum, Staudinger Weg 7, Gebäude 2412, Raum 05.431 (5. Stock – West)

21. Juli 2022 Loredana Gastaldo (Heidelberg University), „Physics and application of metallic magnetic calorimeter„, 14 Uhr | KPH Seminarraum 1, Johann-Joachim-Becher-Weg 45, Gebäude 1371, Raum 00.260 (Erdgeschoss)

03. Mai 2022 Yuan Mei (Lawrence Berkeley National Lab), „CMOS pixel charge sensor development„, 14 Uhr | Medienraum, Staudinger Weg 7, Gebäude 2412, Raum 03.431 (3. Stock – West)

21. Juni 2021 Steffen Schönfelder und Quirin Weitzel (PRISMA Detektorlabor, Johannes Gutenberg-Universität Mainz), „3D-Printing Technologies and Possibilities in the PRISMA Detector Lab“, 12.30 Uhr | ETAP Seminar (virtuelles meeting)

23. Januar 2020 Sebastian Böser (Johannes Gutenberg-Universität Mainz), „The novel ABALONE photosensor„, 14 Uhr | Gernot-Gräff Raum, Staudinger Weg 7, Gebäude 2412, Raum 05.431 (5. Stock – West)

07. November 2019 Stefan Ritt (Paul Scherrer Institut, Villigen), „WaveDAQ – The new data acquisition standard system at PSI„, 14 Uhr | MITP Seminarraum, Staudinger Weg 9, Gebäude 2413, Raum 02.430 (2. Stock – West)

10. Januar 2019 Adrian Rost (TU Darmstadt / GSI), „The TRB3 Read-out Platform – from Calorimeter Read-out to Online Beam Monitoring„

03. September 2018 Michael Lupberger (CERN), „SRS: A general purpose readout system and one example of application at the NMX instrument for ESS„

24. Mai 2018 Alexei N. Safonov (Texas A&M University), „GEM Detectors for the Muon System Upgrade of the CMS Experiment at the LHC„

11. Mai 2017 Andrea Santangelo (Universität Tübingen), „Future missions and instruments for X-ray astrophysics“

09. Februar 2017 David Rohr (CERN), „Utilization of Hardware Accelerators such as GPUs for Compute-Intense Physics Applications“

14. Juli 2016 Ivan Peric (Karlsruhe Institut für Technologie), „CMOS sensors“

16. Juni 2016 Andreas Goehlich (Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS), „CMOS-Integration of Microsystems: Technology and Applications“

11. Februar 2016 Horst Exner (Laserinstitut Hochschule Mittweida), „3D Laser micro printing – an additive manufacturing method with highest resolution“

29. Oktober 2015 Albert Lehmann (Universität Erlangen-Nürnberg), „Fast Photon Detection with Microchannel Plate Photomultipliers“

16. Juli 2015 Dominique Thers (Subatech, Nantes), „The XEMIS projects: 3-photon medical imaging with liquid xenon“

18. Juni 2015 Hans Kristian Soltveit (University of Heidelberg), „Multi-gigabit wireless data transfer using the millimeter wave band at 60 GHz“

21. Mai 2015 Carlos Marinas (Universität Bonn): „DEPFET pixel sensors for future colliders and imaging applications“

5. Februar 2015 Michele Caselle (KIT, Karlsruhe): „High-speed DAQ-systems with real-time data elaboration for scientific experiments”

11. Dezember 2014 Juliane Raasch (KIT, Karlsruhe): „Versatile terahertz detector technologies and fast readout electronics“

10. Juli 2014 Stefan Ritt (PSI, Villigen): „Waveform digitizing in the giga-sample range with switched capacitor arrays”

J. Apilluelo et al., The Stochastic Light Confinement of LiquidO, arXiv:2503.02541 [physics.ins-det], 2025, https://doi.org/10.48550/arXiv.2503.02541
J. Apilluelo et al., Characterization of a radiation detector based on opaque water-based liquid scintillator, Nucl. Instrum. Meth. A 1071, 170075, 2025, https://doi.org/10.1016/j.nima.2024.170075
M. Böhles et al., Combining Hybrid and Opaque Scintillator Techniques in the Search for Double Beta Plus Decays, Eur. Phys. J. C 85, 121, 2025, https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-025-13847-1
T. J. C. Bezerra et al., Muon detection with an opaque scintillator detector prototype, Conference Record of IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (NSS/MIC), 2024,
https://ieeexplore.ieee.org/document/10657722
A. Bitar et al., A Hands-on Experience with a Novel Scintillation Detector for Particle Physics, arXiv:2409.14140 [physics.ed-ph], submitted to Eur. J. Phys., 2024, https://doi.org/10.48550/arXiv.2409.14140
H. Steiger et al., Development of a Bi-solvent Liquid Scintillator with Slow Light Emission, JINST 19 P09015, 2024, https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-0221/19/09/P09015
H. Steiger et al., Development, Characterization and Production of a novel Water-based Liquid Scintillator based on the Surfactant TRITON™ X-100, JINST 19 P09008, 2024, https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-0221/19/09/P09008
O. Akindele et al., Particle physics using reactor antineutrinos, Journal of Physics G: Nucl. Part. Phys. 51, 080501, 2024, https://doi.org/10.1088/1361-6471/ad3a84
Q. Weitzel et al., 3D-printing of polystyrene-based scintillator granulate for particle detectors, PoS EPS-HEP2023 514, 2024, https://pos.sissa.it/449/514
A. White et al., Design, construction and commissioning of a technological prototype of a highly granular SiPM-on-tile scintillator-steel hadronic calorimeter, JINST 18 P11018, 2023, https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-0221/18/11/P11018
M. Robles Manzano et al., Design and testing of long flexible printed circuits for the ATLAS High Granularity Timing Detector demonstrator, JINST 18 C02015, 2023, https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-0221/18/02/C02015
S. Schoppmann, Review of Novel Approaches to Organic Liquid Scintillators in Neutrino Physics, Symmetry 15, 11, 2023, https://doi.org/10.3390/sym15010011
Q. Weitzel et al., 3D-printing of transparent granulate materials for light guides and scintillation detectors, Nucl. Instrum. Meth. A 1046, 167682, 2023, https://doi.org/10.1016/j.nima.2022.167682
H. Xu et al., Calibration strategy of the JUNO-TAO experiment, Eur. Phys. J. C 82, 1112, 2022, https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-022-11069-3
H. Steiger, TAO-The Taishan Antineutrino Observatory, Instruments 2022 6(4), 50, 2022, https://doi.org/10.3390/instruments6040050
M. Robles Manzano et al., Design and testing results of a long flexible printed circuit for the ATLAS high granularity timing detector, JINST 17 C06001, 2022, https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-0221/17/06/C06001
H. Steiger, Design, Status and Physics Potential of JUNO, Proceedings of 7th Symposium on Prospects in the Physics of Discrete Symmetries (DISCRETE 2020-2021), PoS DISCRETE2020-2021 086, 2022, https://pos.sissa.it/405/086
Q. Weitzel et al., Development of Structured Scintillator Tiles for High-Granularity Calorimeters, Conference Record of IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (NSS/MIC), 2020, https://ieeexplore.ieee.org/document/9507985
M. Robles Manzano et al., Test results of a Flexible Printed Circuit for the ATLAS High Granularity Timing Detector, Proceedings of Topical Workshop on Electronics for Particle Physics (TWEPP), PoS TWEPP2019 107, 2020, https://pos.sissa.it/370/107
P. Gülker et al., Development of large area focal plane detectors for MAGIX, Proceedings of Instrumentation for Colliding Beam Physics (INSTR17), arXiv:1906.05900v2 [physics.ins-det], 2019, https://arxiv.org/abs/1906.05900
M. S. Robles Manzano et al., Flexible Printed Circuit design and testing for the High-Granularity Timing Detector for the Phase II upgrade of the ATLAS calorimeter system, Proceedings of Topical Workshop on Electronics for Particle Physics (TWEPP), PoS TWEPP2018 032, 2019, https://pos.sissa.it/343/032
Q. Weitzel et al., Measurement of the response of Silicon Photomultipliers from single photon detection to saturation, Nucl. Instrum. Meth. A 936, 558-560, 2019, https://doi.org/10.1016/j.nima.2018.10.074
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Ch. Geis et al., Optical response of highly reflective film used in the water Cherenkov muon veto of the XENON1T dark matter experiment, JINST 12 P06017 (no. 06), 2017, https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-0221/12/06/P06017
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V. Tatischeff et al., The e-ASTROGAM gamma-ray space mission, Proc. SPIE Int. Soc. Opt. Eng. 9905, 99052N, 2016, https://doi.org/10.1117/12.2231601
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P. Bernhard et al., Construction of Large-Area Micro-Pattern Gaseous Detectors, Conference Record of IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (NSS/MIC), 2016, https://ieeexplore.ieee.org/document/8069756/
B. Bauß et al., Comparison of Silicon Photomultiplier Characteristics using Automated Test Setups, JINST 11 C02067 (no. 02), 2016, https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-0221/11/02/C02067
Y. Liu et al., A Design of Scintillator Tiles Read Out by Surface-Mounted SiPMs for a Future Hadron Calorimeter, Conference Record of IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (NSS/MIC), 2014, https://ieeexplore.ieee.org/document/7431118/

From the afternoon of Monday 19th to the morning of Wednesday 21st, about 30 early career researchers registered for the workshop attended the PRISMA⁺ School 2024, organised and taught by Dr. Stefan Schoppmann, Dr. Quirin Weitzel and the members of the PRISMA⁺⁺ Detector Laboratory. After an introductory lecture on silicon photomultipliers (SiPMs) and plastic and liquid scintillators, the participants started with hands-on laboratory sessions.

The School addressed master students, Ph.D. students, and postdoctoral researchers aiming to work with particle detectors based on photosensors and FPGAs. It introduced the concepts and technologies including light creation, propagation and detection as well as the associated electronics for signal acquisition.

The School addressed master students and beginning Ph.D. students aiming to work with particle detectors based on photosensors. It introduced the concepts and technologies including light creation, propagation and detection as well as the associated electronics for signal processing and digitization.

About 30 master students, Ph.D. students, and postdoctoral researchers in physics aiming to work with data acquisition systems (DAQ) participated in the School. It introduced typical concepts and designs of DAQs and associated electronics enabling the handling of high data rates, preserving relevant signal information, or making smart trigger decisions.