ATLAS飛跡検出器開発用 新型ビーム試験DAQシステムの構築

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

_{、田窪洋介}

_{、海野義信}

_、

池上陽一

_、寺田進

_{、石島直樹}

_{、花垣和則}

_、

留目和輝

_、陣内修

_、原和彦

_、

他アトラス日本シリコングループ

京都教育大、高エ研

_、阪大理

_、東工大

_、筑波大

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

1×10

_cm

_s

_→

5×10

34

cm

-2

s

-1

HL-LHC

=10x LHC

ATLAS

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

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

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

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

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

取得したデータを

記録・解析する

ソフトウェアを開発

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

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)

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

DAQ

ソフトウェア

パラメータ・コマンド

データ

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

トリガー信号

トリガーコマンド

データ

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 kit

FX2拡張コネクタにNIM IOを増設

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

トリガー

処理開始

カウンタ記録

(24bit)

イベントビルド

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

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

SCTJDAQソフトウェア動作イメージ

(GUIとABCn250モジュール)

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

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

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

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

試験結果

縦軸：

L1Delay値

横軸：センサーストリップチャネル

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

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

BACKUPS

ATLAS飛跡検出器開発用

イベントビルド用モジュールの制作

ABCN

Reader

SVX4

Reader

Event

Builder

Dispatcher

Event

Event

Logger

Event

Analyzer

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

Event

Header

EF Length

1～N

Data 1

EF

Data 2

EF

Data N

EF

・・・

・・・

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

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

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

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

L1 Delay Scan試験を実施。

試験結果

(疑似パルス,モジュールA)

縦軸：

L1Delay値

試験結果

(疑似パルス,モジュールB)

縦軸：

L1Delay値

横軸：センサーストリップチャネル

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

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

ns

s

Mhz

f

T

25

10

25

40

1

1

9

=

×

=

=

−

より

実験全景

ABCNチップボード

ドーターボード

SEABAS

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

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

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

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

ABCN

1

ABCN

2

BCC

11010111001001・・・・・・

11010101001100・・・・・・

1

1

1

1

0

0

1

1

0

0

1

1

1

0

1

1

・・・・

BCCヘッダ

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

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