PHOS Readout Scheme for ALICE and Cosmic-ray

Tests

広大理　溝口謙太for the ALICE Collaboration

2008年 3 月 24日 日本物理学会 2008年春季大会

Contents

• Introduction• LHC-ALICE• PHOS Calorimeter

• PHOS Readout Scheme and Slow Control

• PHOS Test-bench at Hiroshima Univ.• Summary

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LHC - ALICE

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25m

15m

10,000ton

PHOton Spectrometer3

A Large Ion Collider Experiment

PHOS Overview

約 7m

約 12.5t

• 5 モジュール、 17920chの素子で構成。• 56×64素子×5モジュール

• 方位角 100度、 -0.12<η<0.12を覆う。

約 1.2m

約1.4m

約 1.2mPWO crystal

22×22×180 mm3

APD

要求される性能は、・ 0.1 – 100GeVの広いエネルギー範囲を覆う・優れたエネルギー分解能（ 3%@1GeV）と二粒子分解能・磁場中でも影響を受けずに動作すること

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APD: Hamamatsu S8148/S8664-55

Decay time=100μsec

Sampling ADC+memory

Shaper+amp

Charge Sensitive Preamplifier(CSP)

PHOS Readout Scheme

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HIGH Gain5MeV – 5GeV

LOW Gain80MeV – 80GeV

Shaping time = 2μsec時間

Trigger

測定するエネルギーに相当

Sampling rate→10MHz

PHOS Readout SchemeとSlow Control

• Sampling ADCでデジタル化されたシグナルは RCUでフォーマットされ、DAQ computerへ送られる。

• 1 moduleに 1 DAQ computer

• 1DAQ computerに 4 RCU• 1 RCUに 28 FEE• 1 FEEに 32 ch

•Readout Schemeに付随した Slow Control•FEEの ON/OFF•FEEの温度管理•32chすべての APDへの Bias Voltageの管理•FEEや CSPへの Low Voltageや currentの管理

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FEE : Front End ElectronicsRCU : Readout Control Unit

各パーツの動作確認を行なった。

PHOS Readout Test-bench

• PHOSの debugging機能と、 FEE基板に載せるファームウェアなどの研究開発を継続するため、広島大学に PHOS Readout Test-bench（前ページのシステムすべて）を構築した。

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PHOS Test-bench at Hiroshima

PWO+APD etcFEE+GTL bus +RCU

DAQ PC 8

• Slow Controlは DCS(Detector Control System)から、特有のコマンドを用いて行なう。

• FEE上の DACへ 10bitの値を送り、そのときの APDにかかる Bias Voltageを測定した。• DAC値に対する Linearityの確認。

Slow Controlのチェックの例

全 32chでの DAC値に対して、 APDへの Bias Voltageが 0.2V(1bit)の範囲で十分線形性があることを確認した。

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HV(400V)

10bit DAC設定値APD

出力リミット

• 32ch分のテストパルスを FEEに直接入れた。

• 入力したシグナルをDAQを使って dataを取った。

Readout Schemeのチェック

全 32ch(2×16)からシグナルを確認した。

16ch

2ch

32ch分のテストパルス

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High Gainと Low Gainの比は、デザイン通り 16:1である。

約600ch

約 40ch

Readout Schemeのチェック

• APD+CSPへの Bias Voltageや LVの動作確認のため、 LEDの光を APDに当て、そのシグナルをDAQを使って読みだした。

APDをつないだところから正しいシグナルを観測し、すべての chで正しく動作することを確認した。 11

LEDの光を1chの APDに

・ノイズレベルが大きく、また日によっても違い、現状ではノイズ源が特定できていない。

• 光読出し系 (APD+CSP)の光量の分解能を最もよくする温度と APDへの Bias Voltageを求める。• APDにある光量をあて、温度と Bias Voltageを変化させていく。

光量の分解能

100eventの波形を重ねたもの

ノイズ：小

ノイズ：大

Mean : 57.5RMS : 57.76

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ノイズ：大Mean : 42.43

RMS : 2.244

始めの 10sampling分の値の平均値を pedestalとしてヒストグラムにしたもの。

ノイズレベルが不安定で非常に高く、まずはノイズ源を見つけて、ノイズを落とす必要がある。

ノイズ：小

今後• まず、ノイズ落としを行なう。

• ノイズは Test-bench固有のものである。• Test-benchを用いて以下の測定を行なう。

• 入力シグナルに対する ADC出力値の Linearity• Cross talk• 回路自体がもつノイズ• ADCの時間安定性• エネルギー分解能測定 (beam実験、 cosmic-ray)

• その後、基板に載せるファームウェアの研究開発（ Slow Controlの改良）などを行なう。

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Summary• PHOS Calorimeter

• PWO結晶と APD+preampから構成されており、エネルギー分解能と二粒子分解能に優れている。

• Readout systemは、 FEEの shaper ampに２つの gainを用いて、 5MeV～ 80GeVという広範囲のエネルギー領域を持つ。

• 広島大学に PHOSの Readout Test-benchを構築し動作させ、正しいデータを取得することに成功した。• Control Systemの動作確認として、 APDへの Bias

Voltageの linearityの確認をした。• Readout Schemeの動作確認としては、 LEDやテストパルスを使って、予想されるmappingとデザイン通りの gain比を得た。

• 現状ではノイズレベルが高いので、ノイズ源を特定し、ノイズ落としを行なう必要がある。

• 今後、テストベンチを用い、 PHOSの性能を向上させる研究開発を継続する。

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ALICE Collaboration

30 Countries, 96 Instituons, ～1015 Members

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Backup Slides

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GDC GDCGDCGDC

DAQ architectureCTP

LTU

TTC

FERO FERO

LTU

TTC

FERO FERO

LDCLDC

BUSY BUSY

Rare/All

Event Fragment

Sub-event

Event

File

Storage Network

TDS

PDS

L0, L1a, L2

L0, L1a, L2

262 DDLs

EDM

LDCLoad Bal. LDC LDC

HLT Farm

FEPFEP

DDL

H-RORC

10 DDLs

10 D-RORC

10 HLT LDC

123 DDLs

TDS

DSS DSS

Event Building Network

329 D-RORC

175 Detector LDC

50 GDC25 TDS

5 DSS

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PWO Crystal and APD• PWO(PbWO4)

• モリエール半径 2cm• 密度 8.28g/cm3

• 放射長 0.89cm• Decay time5～ 15ns• 発光量は Nalを1とすると、

0.01

• APD(Avalanche Photo Diode) + Preamp• 量子効率 70～ 80%• 増幅率 10～ 104

• 磁場中での影響なし

PWO crystal

22×22×180 mm3

APD: Hamamatsu S8148/S8664-55

North Crystal Co.

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• 他の無機シンチレータとの比較

• PWOの発光量は、低温に すると増大。• PHOS 検出器は -25℃で 動作。

物質名 密度[g/cm3]

放射長　[cm]

モリエール半径 [cm]

減衰時間[ns]

光量[NaI比 ]

PWO 8.28 0.89 2.0 5~15 0.01

BGO 7.13 1.12 2.4 300 0.15

NaI 3.67 2.59 4.5 250 1.00

CsI 4.53 1.85 3.8 565 0.40

PWO結晶22×22×180 mm3

鉛タングステン酸結晶 (PWO)

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22

APD

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J-FET

Sensitivity

Rise time

Noise (ENC)

Output polarity

Feedback loop Power dissipation

2SK932 (IDSS rank =23) by SANYO

0.833V/pC

15-20 ns over full range

200 e + 3.2 e /pF x Cin(pF)

Positive

100M // 1pF

64mW (4.2mA @12V & 2.2mA @-6V)

APD: Hamamatsu S8148/S8664-55

APD preamplifier: Originally designed and built at CCNU &

Bergen.Re-designed in 2002 at Hiroshima using

components available in Japan. Hiroshima ver.2 is successfully

performed in PHOS256 in 2003/04Minor modification for ver.3 in 2004.5,000 of Hiroshima ver.3 has been

produced for the first module.

C5 only for test

100M // 1pF

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PHOS Readout Sytem

RCU : Readout Control UnitDCS : Detector Control SystemSIU : Source InterfaceUnitDDL : Detector Data LinkD-RORC : DAQ ReadOut Receiver Card

CSP : Charge Sensitive PreamplifierIPCB : Inter Printed Circuit Board

FEE : Front end electronicsAltro : Alice TPC ReadoutPCM : PHOS Control and MonitoringGTL : Gunning Transceiver Logic

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FEE

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HVの linearity

FEEのマニュアルによると、 HV = 209.9 + 0.2022*x右図のように fit(a+b*x)を全ｃｈに行ない、 fitからのズレを約 0.2Vとすると、これによるGainへの寄与は約0.56%　　　これは分解能に対して十分小さい。また、全ｃｈでの各 fitからのズレは同程度であった。

Gain = A*exp(0.0279*HV)2006年8 月の 2GeV/c, Electron beam testより。結晶の温度は -19℃。

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HVの linearity

３２ｃｈ分の各パラメータのばらつき具合をヒストグラムにしたものが右図。右の平均値を使うと、 HV = 210.5 + 0.2028*x

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HVの linearity

• 全ページの２つのパラメータの平均を使った直線からの各ｃｈでの各点でのずれをヒストグラムにしたものが右下図。

• この RMS=0.57[V]のばらつき具合によるGainの変化は 1.67%.

• これは分解能に対して　　十分小さいと言える。

Gain = A*exp(0.0279*HV)2006年8 月の 2GeV/c, Electron beam testより。結晶の温度は -19℃。

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Slow Control• 求められる control

• FEEが heat upしないための温度管理• 32chすべての APDへの Bias Voltageの管理• FEEや CSPへの Low Voltageの管理

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Trigger Mezzanine Board

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PHOS FEE & RCU• 32chの APDへ個別に Bias Voltageを印加できる。• Altro chipには 10bit（ 5MeV～ 80GeV）の Sampling

ADCが載っている。 Sampling rateは 10MHz。• Shaper Ampには High Gain(6.9 倍 ) と Low Gain(0.42

倍 ) があり、測定できるエネルギー範囲を広げている。• 基盤が地下にインストールされても、遠隔操作できるように、DCS(Detector Control System)に Linuxが載っている。

FEE

RCU( & DCS & SIU)

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PHOS 1st Module

1.2m

1.4m

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34

35

FEE

APD・ CSPLED RCU

Function Generator

DATEの画面

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PHOS trigger

• Triggerシグナルの流れ

PWO/APD/CSP

Shaper

Fast OR

Altro

DATE PC

FEE2*2 sum ×8・

・・

・・・

TRU TOR

NIM module

LED

ECL シグナル

この中で、 triggerの選択ができる。

また、 veto回路なども組んでいる。

LTUCCTex

RCU

Fiber cable

GTL Bus

D-RORC

×8

×14

×32

FPGAが乗っている。

アナログ→デジタル

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Trigger Region Unit (TRU)

• 各 FEEが結晶4 つ分のアナログシグナルを足し合わせTRUへ送る。– 1枚の FEEからは8 本のシグナル。– 1branch14 枚の FEEなので、 1TRUに 112シグナル。

• アナログシグナルを4点 samplingし、その値をデジタルシグナルとして、出力する。

1 branchにつき、 1つの TRU。

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Trigger OR(TOR)

• 1GeVの photonが入ると、だいたい 2×2 個の結晶の中にシャワーが収まる。

• 図のように結晶 4×4 個を１ユニットとする。• この結晶 4×4 個の１ユニットのシグナルの和に対して、 thresholdをかけ、その thresholdを超えたシグナルが来た場合、 NIMに対して、シグナルを出力する。

1 branchに結晶は、横 28 個 × 縦 16 個。2×２個のセットは 14×8セットある。そのセットをさらに 2×2 個使い、ユニットを作る。重ねて作ると、 13×7 個で、計 91 個のユニットができる。

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TOR

• 1TRUから来たシグナルを、 TOR上のFPGA(Field Programable Gate Array)が処理し、 Data takingの triggerシグナルとして出力する。

• 結晶 4×4 個からなる各ユニットからのシグナルにマスクをかけ、 Noisyな結晶からのシグナルを除くことができる。

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25m15

m10,000ton

4.6m

ALICE

Photon Spectrometer (PHOS) Electro-Magnetic Calorimeter

120deg & -0.12<|η|<0.12 1.2m

~7m

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