atlas飛跡検出器開発用...

素粒子物理学研究室Experimental Particle Physics Laboratory

京都教育大学大学院西村龍太郎

ATLAS飛跡検出器開発用ビームテストDAQシステムの構築

高嶋隆一、安芳次A 、田窪洋介A 、海野義信A 、池上陽一A 、寺田進A 、石島直樹B 、花垣和則B 、留目和輝C 、陣内修C 、原和彦D 、他アトラス日本シリコングループ

京都教育大、高エ研A 、阪大理B、東工大C、筑波大D

日本物理学会第69回年次大会＠東海大学 2014年3月30日

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LHC アップグレード

CERNにある陽子・陽子衝突型円形加速器

重心系エネルギー8TeV→14TeV 2013年にはHiggs粒子発見

～2023年のアップグレードによるLuminosityの大幅向上

1×1034cm-2s-1→ 5×1034cm-2s-1

→被ばく線量の増大に耐えうる検出器の開発

HL-LHC=10x LHC

ATLAS

LHC(Large Hadron Collider)

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ATLAS検出器

LHCの粒子衝突点の一つに設置された汎用粒子検出器

Luminosityの大幅向上に対応するためアップグレード予定

ATLAS Experiment © 2012 CERN

ATLAS検出器

SCT

内部飛跡検出器

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SCT

シリコンストリップ検出器(SCT)

ストリップ長 128mm → 24mm, 48mm

ストリップ間隔 80um → 74.5um

センサー型 p-in-n → n-in-p

現行新型

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ビームテスト

• 試験を行う場所によるシステムの違い

→セットアップ・解析に手間がかかる

→独自のDAQシステムが必要

• 試験の度に新たなDAQシステムを構築

SCTにおいては

SingleChip用DAQ(BeamTest使用実績有)Module試験用DAQ(外部トリガー無)

の2系統が存在

→簡易な修正・変更によって各試験に用いることのできる汎用DAQフレームワークが必要

• イベントビルドの機構はEUDAQを参考に

SCTのアップグレードに向けて新しいセンサー・チップの試験を行う必要がある

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研究目的

飛跡検出器(SCT)の評価用DAQシステムを構築する。

また、DAQシステムに用いるソフトウェアについて

モジュール化を進め、汎用性を高める。

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目的達成に向けて

実際にシリコンストリップ検出器の

ビームテストに用いることができるか試験

DAQシステム

SCTモジュールのコントロールに必要な機能を

SEABASボードに実装

SEABASボードを制御するためのソフトウェアを開発

SEABAS・・・Soi EvAluation BoArd with Sitcp：SiTCP搭載SOI評価ボードSiTCP・・・ネットワークプロセッサ

取得したデータを記録・解析する

ソフトウェアを開発

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DAQシステム概要

SCTモジュール読出し

Trigger Logic Unit

SCTJDAQソフトウェア

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ABCn250 1Chip Module• 本DAQシステムで使用

• ABCn250を1つ搭載

ABCn250

センサーコネクタ

ABCn250モジュール

コネクタからチップへの配線(チップのCH30,32・・・96に接続)

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ABCn250制御機能の実装

• 先行研究(2012,田窪・遠藤)によるABCn250 Module試験用DAQシステムを基本とする

• DAQ用ソフトウェアでパラメータ・コマンド生成

• ファームウェアは受け取ったパラメータ・コマンドを用いてABCn250を制御

ファームウェア(SEABAS)

ABCn250チップ

010011011・・・・

110010011・・・・

DAQソフトウェアパラメータ・コマンド

データ

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外部信号によるデータ取得

• 基本としたModule試験用DAQシステムは外部信号によるデータ取得に対応しない

• 外部信号によるデータ取得機能をファームウェアに追加

ファームウェア(SEABAS)

ABCn250チップ

010011011・・・・

110010011・・・・

トリガー信号トリガーコマンド

データ

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Trigger Logic Unit (TLU)

• 各測定機器の状態を確認し、トリガー信号の送信を制御する

• イベントの識別に用いるTimeStampを生成するためのクロック信号を配信する

TLUに用いたSpartan 3AN Startar kitFX2拡張コネクタにNIM IOを増設

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タイムスタンプ測定機器

Timestamp用カウンタ(24bit)TLUからのクロックで加算、コマンドで0に

TLU

PC

カウンタリセットコマンド

タイムスタンプ付データ

トリガー信号

タイムスタンプ用クロック(100kHz)

トリガー信号(width:100ns,～2.5Mhz)

Busy信号

Busyでなければトリガー発行

トリガー処理開始

カウンタ記録(24bit)トリガー受信時の値を保持

イベントビルド

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DAQ用ソフトウェア(SCTJDAQソフトウェア)

• ABCn250の制御・データ解析・記録などを行う

• 各種機能を独立したモジュールとした

ソフトウェアの構造を簡易に

モジュールの組み替えによる機能の変更・追加

独立プロセスでの並列処理による高速化

• コントロールのためのGUIにCherryPy+Jqueryを使用

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SCTJDAQソフトウェア概要

SBCn250 1Chip ModuleとSVX4 Telescopeから

読出しを行なう場合の構成例

Event FragmentをEvent NumberとTimeStampで照合して統合

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SCTJDAQソフトウェア動作イメージ(GUIとABCn250モジュール)

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試験方法• Module試験用DAQシステムとの比較

ABCn250モジュールに対してL1 Delay Test、Strobe Delay Test、Threshold Scan Testの3種の試験を行い、従来システムと結果を比較

• 複数台のモジュールからの読出し

ABCn250モジュール2台からの読出しを行い、1台のときと結果を比較

• 疑似パルスによるL1 Delayテスト

ABCn250モジュール2台のセンサーコネクタに疑似パルスを入力し、L1Delayを変更しながら検出の様子を確認する

本発表ではこの結果について提示

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疑似パルス入力用コネクタ

• 微分回路• NIM信号に応じたパルスをセンサーコネクタに入力

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疑似パルスの波形

厳密な波形は不明だが、ヒットの検出の様子から、

以下のような波形になっていると予想される

Vthn

疑似パルス

NIM信号

0V

0V

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疑似パルスによるL1 Delayテスト

1kHz、100nsのNIM信号を二系統に分配し、

• 一方を疑似パルス入力用コネクタを介してABCn250モジュールに入力

• 他方をトリガー信号としてTLU経由でSEABASのNIM入力に入力

• トリガー信号を疑似パルスから-1～4μs遅延させ、トリガー100回あたりの検出効率の分布がどのように変わるか確認

⇒検出効率の分布が40カウント/ μs(遅延時間)程度変化していれば期待通りにテスト出来ていると考えられる

NIM信号1kHz

100ns

疑似パルス用コネクタ

ABCn250

SEABAS

疑似パルス

遅延(-1～4μs)

L1Trigger発行コマンド

TLU

PipeLineのL1Delay値(0-255)

ストリップチャネル

※コネクタからチップへの配線は１つ置き(チップのCH30,32・・・96に接続)※1つのL1Delay値につきトリガー100回分のヒットデータをプロット

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試験結果

縦軸：L1Delay値横軸：センサーストリップチャネル左から順に遅延時間0,+1,+2,+3,+4μs (-1μsは除外)

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まとめ新たなSCTシリコンストリップ検出器ビームテスト用DAQシステム(SCTJDAQ)を構築するにあたって、

• コマンドの実装は「ソフトウェアから受け取ったパラメータ・コマンドを用いてファームウェアがABCn250を制御する」方式とした

• ビームテストに使用できるようにするため、外部トリガーを実装した

• イベント情報識別のため、TimeStamp情報を付加する機能を実装した

• DAQ用ソフトウェア(SCTJDAQソフトウェア)についても新規開発を行なった

• ソフトウェアは各機能をモジュールに分割し、構造の簡易化、機能追加・変更の容易化、並列実行による高速化を図った

試験結果より

• SCTJDAQは正常にABCn250 1Chipモジュールを制御し、データを処理できていることが確認できた

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今後の課題

• 現在大阪大学で開発がすすめられているテレスコープ(SVX4)をSCTJDAQに組み込む

→現在トリガーレート100Hzで正常動作を確認

• 各種機器を同期して1kHzで動作させる

• ビーム試験による動作の確認

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BACKUPS

ATLAS飛跡検出器開発用ビーム試験DAQシステムの構築

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イベントビルド用モジュールの制作

ABCNReader

SVX4Reader

EventBuilder

EventDispatcher

EventLogger

EventAnalyzer

EFをイベントナンバーとTimeStampで照合して統合


イベントデータ構造

EventHeader

EF Length1～N

EFData 1

EFData 2

EFData N

・・・・・・

固定長可変長可変長可変長可変長

イベントナンバー、タイムスタンプ、データの長さ、含んでいるEFの数


ABCn250ファームウェアロジック

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SCTシリコンストリップ検出器

• ベースボードをはさんでシリコンセンサーを表裏に40mradの角度を持たせて貼り付けてある

• 通過した粒子の飛跡を二次元データとして取得可能

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SEABAS(Soi EvAluation BoArd with Sitcp)

User FPGA SiTCP

ドーターボード用コネクタ

NIM IN/OUT

• ネットワークプロセッサ(SiTCP)、ADC、DAC、NIM、FPGAを搭載• 使用したいチップに合わせたドーターボードを取り付けることによって

さまざまな検出器をテストすることができる汎用読出しボード

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試験結果(従来DAQとの比較)従来DAQシステム SCTJDAQシステム

縦軸：L1Delay値、横軸：センサーストリップチャネル同一モジュールに対してL1 Delay Scan試験を実施。

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試験結果(モジュール2台での読出し)

1台での読出し(上からA、B) 2台同時の読出し(上からA、B)

縦軸：L1Delay値、横軸：センサーストリップチャネル 31


試験結果(疑似パルス,モジュールA)


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試験結果(疑似パルス,モジュールB)


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ABCn250(ABCN※) ATLAS検出器アップグレードのた

めに開発された新型SCTからデータを読み出すためのチップ

1つのチップにつき128ch読み出すことができる

それぞれのチャンネルについて、接続されているストリップのヒットの有無を検出することができる

ビーム衝突256回前までのデータ

を記録でき、指定された回数だけ遡ってデータを取り出せる

ABCn250新型SCTストリップモジュール

※ATLAS Binary Chip - Next 34


LHCにおけるビームの衝突間隔• 各検出器内でビームは平均40Mhzで衝突する

• これより各衝突イベント間の時間間隔は25nsになる

• L1Delayが25ns刻みになっているのはこのため

nssMhz

fT

25102540

1

1

9 =×=

=

−

より

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実験全景

ABCNチップボード

ドーターボード

SEABAS

疑似パルス入力コネクタ

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L1 Delay• L1 Delayとは、Level1 Triggerが実際のヒットからどの程度遅

れているかを表す数値

• ABCNチップがトリガーに対して適切にヒットを返すには適切なL1 Delayの値を設定する必要がある

• 1カウント辺り25nsずつ遡る

• 疑似パルスを入力して適切なL1 Delayの値を調べるテストがL1 Delay Testである

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Strobe Delay• L1 Delay値1カウント辺り25nsの長さがある

• この25nsの間のどのタイミングのデータを返させるかを設定する値がStrobe Delay

• Strobe Delay TestはL1 Delay Testと同様に、疑似パルスを入力して適切なDelayの値を調べるテストである

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Threshold Scan• SCTを粒子が通過すると、生じた電荷がSCTからABCNに入力

される

• この時入力された電荷によって生じた電位差をABCNはヒットとして返す

• 実際には周囲からのノイズによっても多少の電位差が生じるため、電位に一定の閾値を設けて誤検出を少なくする必要がある

• Threshold Scanは疑似的に入力した電荷に対して閾値を変え

ながらそれをヒットとみなす割合を調べ、適切な閾値を求めるテストである

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BCC(Buffer Control Chip)

• ABCNチップからデータを高速に読み出すためのチップ

• ABCNチップ2系統のデータをミックスして送信する

• 受信側で逆の手順で再びデータを分離

ABCN1

ABCN2

BCC

11010111001001・・・・・・

11010101001100・・・・・・

1111001100111011・・・・BCCヘッダ

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先行研究におけるコマンド実装のアプローチ

• ATLAS実験アップグレード用シリコン検出器テストシステムの開発およびプロトタイプ検出器の性能評価(岡村航,大阪大,2011)

• ATLAS新型シリコン検出器開発用ビーム試験DAQの構築(岸田拓也,東工大,2012)

• ATLAS実験アップグレードに向けた新型シリコン検出器モジュールの読み出しシステムの開発(遠藤理樹,大阪大,2012)

ABCN制御コマンド : ファームウェア(SEABAS)内に実装ABCN制御パラメータ : ソフトウェア(PC)内に実装

ABCN制御コマンド : ソフトウェア(PC)内に実装ABCN制御パラメータ : ソフトウェア(PC)内に実装

ソフトウェアから受け取ったパラメータを用いてファームウェアが実装されたコマンドでABCNを制御

ソフトウェアから受け取ったパラメータ・コマンドを用いてファームウェアがABCNを制御

岸田版

田窪版※

※田窪洋介氏(KEK助教)が現在本系統のファームウェアをサポートしていることによる 41


ATLAS検出器

ATLAS検出器(A Toroidal LHC ApparatuS：円環状磁場LHC測定器)

ATLAS検出器はLHCの粒子衝突点の一つに設置された汎用粒子検出器

Higgs粒子や標準模型を超える物理現象の探索を行う

ATLAS検出器の内部検出器にはシリコンストリップ検出器(SCT)が用いられている

ATLAS Experiment © 2012 CERN

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atlas飛跡検出器開発用...

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