<div style="font-size: 6; font-weight: bold;">SEI Tagung </div><div style="font-size: medium; font-weight: normal;">Studiengruppe elektronische Instrumentierung der Helmholtz-Zentren</div>

2 Mar 2015, 12:30 → 4 Mar 2015, 17:00 Europe/Berlin

S3 (DESY, Zeuthen)

Monday, 2 March

12:30 → 13:30 Registrierung

13:30 → 14:10 Begrüßung

13:30 Eröffnung und Überblick DESY/Hamburg

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Speaker: Dr Peter goettlicher (DESY)

13:55 Überblick über aktuelle Projekte im DESY, Zeuthen

Speaker: Frank Tonisch (DESY)

14:10 → 15:40 Montag 1: Fertigung und Test

14:10 Vorstellung des Servicezentrums Elektronik DESY Hamburg

Das Servicezentrum Elektronik DESY Hamburg stellt Standardverfahren und Abläufe für die Konstruktion, Arbeitsvorbereitung, Fertigung und Prüfung von elektronischen Baugruppen und Geräten für DESY bereit. Der Vortrag stellt die Organisation, Ausstattung und Leistungen des Servicezentrums vor.

Speaker: Dr Otto-Christian Zeides (DESY Hamburg)

14:40 Flip Chip Technologie am Desy

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Speaker: Shaghayegh Arab (DESY FEC)

15:10 CE-Zertifizierungen für elektronische Geräte - zentral durchgeführt durch DESY ZE

Vor allem durch die internationale Zusammenarbeit am DESY ist das Thema CE-Zertifizierungen im Bereich der Elektronik täglich präsent: Damit ein Gerät in Verkehr gebracht werden darf, muß es eine Reihe von Sicherheits- und Fertigungsstandards einhalten und entsprechend geprüft werden. Für die Zertifizierung ist der Hersteller selbst verantwortlich. Wie eine solche Zertifizierung aussieht und was dabei zu beachten ist, wird in diesem Vortrag vorgestellt.

Speaker: Mrs Julia Voigt (DESY)

15:40 → 16:10 Kaffee_Montag

16:10 → 18:30 Montag-2: Datenaufnahme/-prozessierung/-transfer

16:10 Ein VHDL basierter Gigabit Ethernet Protokollstapel für FPGAs

Mit diesem Beitrag wird ein Protokollstapel für einen ethernet-basierten Datenaustausch mit einem FPGA vorgestellt. Für den schnellen und verbindungslosen Datenaustausch ist das User Datagram Protocol (UDP) ein schlankes Protokoll der Transportschicht. Die dynamische Erzeugung der UDP Paketrahmen benötigt eine vollständige Abbildung der zugrunde liegenden Netzwerkschichten (Internetschicht und Netzwerkschicht). Es wird eine VHDL basierte Architektur für einen Protokollstapel vorgestellt, welche die Protokolle UDP, IP, ICMP und ARP in einem FPGA integriert. Der Schichtenaufbau soll den maximalen Datendurchsatz ermöglichen. Es werden die Ergebnisse der Implementierung und Tests auf unterschiedlichen FPGA Plattformen gezeigt.

Speaker: Philipp Födisch (HZDR)

16:35 Digitaler Kameratrigger für das Cherenkov Teleskop Array

Die Kameras des Cherenkov Teleskop Arrays werden mit Lokaler Trigger Logik ausgerüstet. Ziel ist es, bei gleichzeitiger Unterdrückung des Störspektrums (Night Sky Background), die durch kosmische Strahlung in der Atmosphäre verursachten Ereignisse, zu detektieren. Es wird ein möglicher Kameratrigger beschrieben, der auf der Verarbeitung überlappender Pixelregionen basiert. Der Trigger besteht aus drei Stufen. Ein präziser, sehr schneller Diskriminator von PMT-Pulsen bildet die erste Stufe (L0). Die zweite Stufe (L1), besteht aus einer einfachen (low cost) FPGA, die die L0-Signale von 37-Pixel Regionen verarbeitet. Einfache Trigger-Algorithmen wie 3NN (Three Next Neighbor), aber auch komplexere, können implementiert werden oder sogar parallel laufen. Neben der Flexibilität, ist die Möglichkeit, die individuellen L0-Signalverzögerungen im Subnanosekunden-Bereich zu kalibrieren, eines der Hauptvorteile der FPGA-basierenden Trigger-Implementierung. Das minimal mögliche Zeitfenster für den Trigger ist eine Nanosekunde weit. Die dritte Stufe (L2), die letztlich das Kamera-Triggersignal generiert, ist ein separates 19 Zoll Crate.

Speaker: Mr Karl-Heinz Sulanke (DESY)

Slides Digital_trigger_SEI_2015_03.pdf Digital_trigger_SEI_2015_03.pptx

17:00 Das Triggersystem in der Hess1 Upgrade Camera

Es wird ein Überblick über die Funktionalität des Triggersystems der Hess1-Upgrade-Camera gegeben. Es werden die Komponenten und deren Leistungsfähigkeit vorgestellt und mit denen aus der original Kamera verglichen. Ein zentrales Element ist ein neu entwickelter DAC in differentieller Technik. Vor- und Nachteile des Systems werden diskutiert.

Speaker: Mr Axel Kretzschmann (DESY)

17:25 Datenverbindung zwischen Schiffen und Zeppelin zur Erkundung von Strömungswirbeln

Ziel ist es relativ kurzlebige Wasserwirbel zu untersuchen. Diese werden zunächst vom Zeppelin geortet. Anhand der Position werden anschließend die Schiffe zum Wirbel geleitet, um mit der Untersuchung desselben zu beginnen. Problemstellung ist hier der Aufbau der Funkstrecke zwischen dem Zeppelin und den Schiffen. Mögliche Konzepte hierzu werden derzeit bei uns evaluiert.

Speaker: Mr Oliver Listing (HZG)

17:50 IP-basierende Messgeräte auf Basis von FPGA (Spartan 6) und HTML5/JSON

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Speaker: Mr Jörn Plewka (HZG)

19:00 → 21:00 Abendessen Montag

Tuesday, 3 March

08:30 → 10:00 Dienstag-1: Schaltungsdesign und -realisierung

08:30 MTCA.4 RTM Modul basierend auf dem DRS-4 CapacitorArray

Viele Experimente erfordern eine Digitalisierung zeitlich kurzer Signale. Im KIT wurde speziell dafür ein 16-Kanal-Digitalisierungsmodul auf Basis von vier DRS-4 ICs entwickelt. Der DRS-4-IC beinhaltet 9 kapazitive Arrays mit jeweils 1024 Zellen zum Speichern der analogen Signale mit einer Abtastfrequenz von 700 MHz bis 5 GHz. Nach einer Triggerung werden die kapazitiven Speicherelemente sequentiell ausgelesen und mit einem 12-Bit-ADCs bei 30 MHz digitalisiert. Zwei DRS-4 ICs bilden eine Funktionsgruppe, die im Wechselspeicherprinzip verwendet werden, um die Totzeit zu minimieren. Jeder analoge Eingangskanal ist mit einem einstellbaren Komparator ausgerüstet und in einem FPGA ist die dazugehörige Triggerlogik und die Auslesesteuerung implementiert. Das Modul ist nach dem MTCA.4 Rear Transition Modul Spezifikation gebaut. Die Präsentation stellt das Design und die ersten Ergebnisse sowie die Implementierung in ein MTCA.4 System vor.

Speaker: Mr Alexander Menshikov (KIT)

09:00 Basis Designregeln

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Speaker: Mr Sebastian Döhl (HEIDENHAIN-MICROPRINT GmbH)

09:30 Integrated phase locked loop design

A phase locked loop structure will be presented, which generates the sampling clock for an ADC in an on-chip pulse detection receiver. Phase locked loops generate output clocks with the same phase as and a multiple of the frequency of a reference clock. The main blocks of a PLL are a phase frequency detector (PFD), a charge pump, a loop filter, a voltage controlled oscillator (VCO) and a frequency divider. The output clocks are generated through a four stage voltage controlled ring oscillator with 2GHz center frequency. The reference frequency is in the range of 20MHz-100MHz, so a frequency divider is necessary in the feedback path of the PLL to generate lower frequency clocks to synchronize with reference frequency. The PFD determines the phase and frequency difference between two inputs of the PLL. The phase and frequency difference is converted to a proportional current through the charge pump. The low pass filter extracts the dc amount of current to generate an appropriate control voltage for the oscillator to adjust the phase and frequency of the output clocks. In general, frequency dividers are divided into two categories of integer and fractional. Both of these frequency dividers are implemented as design alternatives for this structure. The division ratio of an integer frequency divider is a constant power of two. For some applications, in which the reference frequency changes, a fractional divider is a good option. In a fractional structure, the division ratio can be changed and is controlled by binary bits. The proposed structure is simulated in 65nm TSMC technology. Layout design currently is done for the VCO and according to post layout simulation, the VCO shows -92dB/Hz phase noise at 1MHz offset from the center frequency. The simulation results indicate 11.1mW power consumption from 1.2V supply voltage for the whole structure using integer frequency divider and 16mW power consumption using fractional divider.

Speaker: Mrs Nina Parkalian (Forschungszentrum Jülich, GmbH)

10:00 → 13:53 Ausstellung

10:00 CAEN-Produkte

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Speaker: Mr Nico v. Düring (CAEN GmbH)

10:01 Test- und Meßtechnik von Tektronix und Keithley

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Speaker: Mr Holger Baessler (CALPLUS)

10:03 Hochspannung

Hochspannung

Speaker: Mr Maik Donix (ISEG Spezialelektronik GmbH)

10:04 High Speed Digitizer

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Speaker: Mr Hans Dieter Spelthann (Keysight Technologies S.A. - Acqiris Operation)

10:05 National Instruments - FPGA Technologie

Ansatz für FPGA-basiertes Design bei NI Bisher konnten nur die Anwender FPGA-Technologie nutzen, die über fundiertes Wissen im Bereich digitales Hardwaredesign verfügten. Der verstärkte Einsatz anspruchsvoller Systemdesignwerkzeuge wie NI LabVIEW vereinfacht auch die FPGA-Programmierung, da neue Technologien grafische Blockdiagramme und sogar C-Programmcode in digitale Hardwareschaltungen konvertieren können. Alle NI-FPGA-Hardwareprodukte beruhen auf einer rekonfigurierbaren I/O-Hardwarearchitektur (RIO) mit leistungsstarken Fließkommaprozessoren, rekonfigurierbaren FPGAs und modularer I/O. Die RIO-Hardware von NI ermöglicht in Verbindung mit der Software für das Graphical System Design, NI LabVIEW, eine vereinfachte Entwicklung komplexer Steuer-, Regel-, Überwachungs- und Prüfanwendungen sowie kürzere Markteinführungszeiten.

Speaker: Mr Christian Menzel (National Instruments)

10:06 MTCA.4 Starter Kits

By several requests from "NEW" MicroTCA Users powerBridge Computer offers complete integrated & tested MTCA.4 Starter Kits. These system will have all necessary cables, adapter and filler modules, as well as an installed Ubuntu 14.04 LTS...to start immideately. In addition powerBridge Computer can offer consultancy services for new product and system designs for the HEP community.

Speaker: Mr Kay Klockmann (powerBridge Computer)

10:07 Professional Power Supplies

Schulz-Electronic ist führender Anbieter von professionellen Stromversorgungen - vom klassischen Herstellerprodukt bis hin zur hochspeziellen Sonderlösung.

Speaker: Michael Neeb (Schulz-Electronic)

10:08 MTCA.4 Digitizer und assoziierte Rear Transition Module

Struck wird den aktuellen Stand der SIS8300 10 Kanal 125 MSPS 16-bit Digitizer Familie und der zugehörigen RTMs (Rear Transition Modules) für den Einsatz im Beschleuniger- und anderen Bereichen zeigen. Darüberhinaus stellen wir die 2 Kanal 1.6 GSPS 12-bit PCI Express SIS1332 Lösung mit optionalem Einkanal 3.2 GSPS Betrieb vor.

Speaker: Dr Kirsch Matthias (Struck Innovative Systeme GmbH)

10:09 Stromversorgungen

Stromversorgungen

Speaker: Mr Thomas Berner (W-IE-NE-R Plein & Baus GmbH)

10:00 → 11:00 Kaffee Dienstag

12:00 → 13:00 Dienstag-2: Elektronik für Beschleuniger I

12:00 Überblick über den European XFEL und eingesetzte programmierbare Elektronik

Dieser Vortrag gibt einen kurzen Überblick den European XFEL, Aufbau, Experimente und Status. Im Anschluss wird ein Auszug der eingesetzten Lösungen von programmierbarer Elektronik sowohl für relativ langsame Steuer- und Kontrollaufgaben als auch hochgeschwindigkeits Auslese und Regelsysteme vorgestellt. Dieses beinhaltet elektronische Systeme basierend auf SPS und FPGAs.

Speaker: Patrick Geßler (European XFEL)

12:30 Machine Protection System for XFEL and FLASH II

For the operation of a machine like the 3 km long linear accelerator XFEL at DESY Hamburg, a safety system keeping the beam from damaging components is obligatory. This machine protection system (MPS) must detect failures of the RF system, magnets, and other critical components in various sections of the XFEL as well as monitor beam and dark current losses, and react in an appropriate way by limiting average beam power, dumping parts of the macro-pulse, or—in the worst case—shutting down the whole accelerator. It has to consider the influence of various machine modes selected by the timing system. The MPS provides the operators with clear indications of error sources, and offers the possibility to mask any input channel to facilitate the operation of the machine. In addition, redundant installation of critical MPS components will help to avoid unnecessary downtime. This document summarizes the requirements on the machine protection system and includes plans for its architecture and for needed hardware components.

Speaker: Mr Sven Karstensen (DESY)

13:00 → 13:45 Mittagessen Dienstag

14:00 → 15:00 Dienstag-3: Elektronik für Beschleuniger II

14:00 General Machine Timing @ FAIR: Status

The FAIR facility involves a long chain of accelerators which need to be tightly synchronized. This is achieved by the General Machine Timing (GMT) system, a distributed event generation system based on the notion of time. Time synchronization is achieved by using White Rabbit (WR), a fully deterministic Ethernet-based field bus for clock transfer and synchronization. The key components of the GMT are a so-called Data Master (DM) that schedules actions by broadcasting messages, a WR network and Timing Receiver (TR) nodes executing machine relevant actions on time. The primary tasks of the timing system are the following. - Time-Synchronization of ~2000 - 3000 nodes with sub-ns accuracy over fiber lengths of up to 2 km. - Distribution of TAI counters with ns accuracy. - Generation of timing events for synchronization of equipment. - Provide infrastructure for common services of the accelerator (Post Mortem, Interlock,...) and FAIR experiments (time stamps, ...).

Speaker: Dietrich Beck (GSI)

14:30 MTCA.4 Based Reference and Clock Distribution Module for the Europen XFEL

The reference and clock distribution module for the europen XFEL is an MTCA.4 based, double-full size, full width module located in Slot 15 on the rear side of a standard MTCA.4 crate. The module makes use of the RF backplane connectivity and delivers 22 differential LVPECL clocks in the range from 10 MHz up to 250 MHz. The LO frequency range spans from 700 MHz up to 6 GHz and is distributed over the RF backplane to 9 slots (4-12).

Speaker: Uros Mavric (DESY)

Slides present_mavric.pptx

15:00 → 18:00 Exkursion

18:00 → 20:00 Abendessen Dienstag

Wednesday, 4 March

08:30 → 10:10 Mittwoch 1: Steuerung und Kontrollen

08:30 Das Steuerungssystem des MST, ein 12m-Cherenkov-Teleskop

Im Rahmen des internationalen Großprojekts ‚Cherenkov Telescope Array‘ (CTA) arbeiten derzeit über 1000 Wissenschaftler aus 25 Ländern zusammen. Innerhalb dieses Projektes werden drei Teleskopgrößen mit 4 m, 12 m und 24 m Durchmesser realisiert. Die Hauptaufgabe der Teleskope liegt in der indirekten Erfassung von Gammastrahlen auf der Erdoberfläche. Das DESY Zeuthen entwickelt in Zusammenarbeit mit anderen Instituten in Europa und Südamerika, ein Cherenkov-Teleskop mit einem Spiegelträger von 12m Durchmesser. DESY Zeuthen übernimmt hier die Verantwortung für den Entwurf und den Bau der mechanischen Struktur, der Antriebs- und Steuerungstechnik, sowie der Auslegung der Sicherheitssysteme. Durch das DESY Zeuthen wurde ein MST-Prototyp in Berlin-Adlershof errichtet. Am Prototyp konnten entworfene Antriebskonzepte integriert und durch Messungen auf ihre Funktionstüchtigkeit getestet werden. Die Schwingungsanalyse, mittels spezieller Beschleunigungssensoren und einer eigens dafür geschriebenen Software zur Datennahme, führte zu einer Optimierung der Lagemessung und im Weiteren zur Verbesserung der Positionserkennung. Ein integriertes Structure-Health-Monitoring wurde erfolgreich getestet und soll fester Bestandteil der Serienproduktion werden. Im Steuerungssystem des Teleskops ist durch das automatische Umschalten auf alternative Stromnetze oder einer USV ein sicherer Betrieb zu jeder Zeit gewährleistet.

Speaker: Ronny Sternberger (DESY Zeuthen)

08:55 Lüftersteuerung für VDC-Kammern am Versuch CMS (CERN)

Zur Untersuchung von Gas, dass bei CMS verwendet wird, werden Drift-Kammern eingesetzt. Die Umgebungsluft dieser Driftkammern muss konstant gehalten werden. Dazu wurde eine Lüftersteuerung basierend auf einer Standard-Interfacekarte (Eigenentwicklung der Elektronikwerkstatt) mit einem Tablet-PC aufgebaut. Die Software wurde mit VisualBasic erstellt.

Speaker: Mr Franz Peter Zantis (RWTH-Aachen)

09:20 Implementierung eines TANGO-Servers zur Anbindung des Mythen-Detektors beim Experiment GALAXI

Das Jülich Centre for Neutron Science (JCNS) des Forschungszentrums Jülich betreibt in der Forschungs-Neutronenquelle Heinz-Maier-Leibnitz (FRM II) der Technischen Universität München (TUM) in Garching verschiedene Neutronenstreuexperimente. Der Institutsbereich Systeme der Elektronik (ZEA-2) arbeitet als Systemhaus und Technologielieferant mit zum Teil erheblichen Eigenentwicklungen in Hardware und Software für das JCNS. Bei jedem Experimentsystem sind mehrere Geräte wie Netzteile, Motoren, Detektoren, Zählerkarten oder Blenden im Einsatz und müssen vom Experimentator in vollem Umfang bedient werden können. Zur Steuerung dieser werden daher zuallererst Server benötigt, die für die Kommunikation mit dem jeweiligen Gerät verantwortlich sind. Auf die bereitgestellten Funktionen dieser Server greifen die Programme, die von den Experimentatoren bedient und mit denen die Systeme gesteuert werden, zu. An das Experiment GALAXI soll nun ein weiterer Detektor - der Mythen-Detektor - angeschlossen werden, damit zukünftig bei Messungen größere Streuwinkel erfasst werden können. Da zur objektorientierten Instrumentensteuerung der Neutronenstreuexperimente im JCNS das Kontrollsystem TANGO verwendet wird, muss der Server für den neuen Detektor unter der Verwendung dieses Systems in der Programmiersprache C++ entwickelt werden. Als Schnittstelle zur Kommunikation wird dabei das TCP/IP-Protokoll dienen. Im Vortrag werden das Röntgenstreuexperiment GALAXI sowie die Implementierung des TANGO-Servers zur Anbindung des Detektors und eines Simulationsservers zu Testzwecken vorgestellt. Die dadurch zur Verfügung gestellten Funktionalitäten als auch weitere darauf aufbauende Projekte werden erläutert.

Speaker: Mr Alexander Steffens (Forschungszentrum Jülich GmbH)

09:45 PiLC, ein flexibler Controller für Steuer- und Messaufgaben mit FPGA-Performance

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Speakers: Mr Horst Zink (DESY), Mr Tobias Spitzbart (DESY)

10:20 → 10:30 Gruppen-Foto

10:30 → 11:00 Kaffee Mittwoch

11:00 → 13:00 Mittwoch-2: Detektoren und Geräte

11:00 Messung wichtiger Strahlparameter des LHCs mit Diamantsensoren

Zwei Detektoren mit jeweils 4 Einkristall-Diamantsensoren auf beiden Seiten des Wechselwirkungspunktes im Experments CMS dienten in der ersten Betriebsperiode des LHCs am CERN zur Übewachung der Strahlqualität im Experiment. Gemessen wurde die Teilchenrate nahe am Strahlrohr. Mit sehr guter Zeitauflösung wurden die Raten von Strahluntergrund und Teilchen aus Proton-Proton-Wechselwirkungen bestimmt. Überdies wurden entlang des Beschleunigerrings 4 weitere Mess-Stationen mit gleicher Technologie installiert und betrieben. Nach dem überaus erfolgreichen Einsatz wurden die Detektoren im Experiment CMS während des gegenwärtigen Technischen Stopps des Beschleunigers bedeutend erweitert. Jeder Detektor enthält nunmehr 12 Sensoren, unterteilt in jeweils zwei Pads. Neu entwickelte Front-End-ASICs mit sehr kurzen Ausgangssignalen wurden entwickelt und in strahlungsfester 130_nm-CMOS-Technologie hergestellt. Im Januar 2015 wurden die neuen Detektoren im Experiment CMS eingebaut. Der Vortrag beschreibt ihr Messprinzip, die Sensoren und den Aufbau des erweiterten Systems, das sowohl Untergrund- als auch Luminositätsmessungen erlaubt.

Speaker: Dr Wolfgang Lange (DESY Zeuthen)

11:30 ATLAS Strip Tracker Upgrade: Recent Developments for the Electronics

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Speaker: Mr Marcel Stanitzki (DESY)

12:00 Flexibles elektromagnetisches Aktuatorsystem für die Turbulenzforschung

Im Rahmen der DFG-Forschergruppe FOR1779 ‚Aktive Widerstandsreduktion durch Wellen-förmige Oberflächenoszillation‘ wurde ein neuartiges leistungsstarkes elektromagnetisches Aktuierungssystem entwickelt. Dieses ermöglicht die Erzeugung von transversalen Oberflächenwellen auf einer bis zu 0.5 mm starken Aluminiumplatte in einem flexiblen Amplitudenbereich von 45 µm bis 1 mm. Dabei können mit diesem ersten Prototyp minimale Wellenlängen von 4 cm mit Frequenzen von bis zu 100 Hz generiert werden. Mit diesem Aktuatorsystem konnte erstmals die Verringerung des turbulenten Reibungswiderstandes über einem flächigen Versuchsaufbau experimentell nachgewiesen werden. In dem Vortrag werden der Aufbau des Aktuatorsystems und die ersten Windkanalexperimente vorgestellt. Zum Abschluss wird die Weiterentwicklung des Systems im Rahmen der zweiten Förderperiode der Forschergruppe FOR1779 skizziert.

Speaker: Dr Michael Schiek (ZEA-2, Forschungszentrum Jülich GmbH)

12:30 Prototyp Entwicklung für das CALICE Analoge Hadronische Kalorimeter

In der CALICE Kollaboration werden neue Kalorimeterkonzepte für den International Linear Collider (ILC) entwickelt, in Prototypen realisiert und im Teststrahlbetrieb untersucht. In diesem Beitrag wird die Entwicklung verschiedener Ausbaustufen von Prototypen für das analoge hadronische Kalorimeter beschrieben, welche auf der Verwendung von neuartigen Silizium Photomultipliern als Detektoren in Szintillatorplättchen basieren. Neben der analogen Front-End Elektronik wird auch die digitale Steuerung und Datenerfassung erläutert, sowie die besondere Betriebsart „power pulsing“, bei der zur Reduktion der Verlustleistung die Front-End Elektronik mit hoher Rate ein- und ausgeschaltet wird.

Speaker: Mr Mathias Reinecke (DESY)

12:50 Abschluss und Ausblick

Speaker: Mr Peter Göttlicher (DESY)

13:00 → 14:00 Mittagessen Mittwoch

14:00 → 15:30 Workshop 1

15:30 → 16:00 Kaffee Workshop

16:00 → 17:00 Workshop 2