1 / 28

Warszawa 5 października 2009

Optimization, Synchronization, Calibration and Diagnostic of the RPC PAC Muon Trigger System for the CMS detector. Warszawa 5 października 2009. Zagadnienia omawiane w pracy.

karlyn
Download Presentation

Warszawa 5 października 2009

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Optimization, Synchronization, Calibration and Diagnostic of the RPC PAC Muon Trigger System for the CMS detector. Warszawa5 października 2009

  2. Zagadnienia omawiane w pracy Cel: Zapewnić jak najlepsze działanie systemu trygeramionowego RPC PAC, co bezpośrednio przekłada się na jakość wyników fizycznych eksperymentu CMS • System kontroli, monitorowania i diagnostyki trygera minowego RPC PAC • Architektura oprogramowania kontrolującego tryger RPC PAC. • Proces konfiguracji systemu trygera RPC PAC. • Procedury testowe dla elektroniki trygera. • Procedury monitorujące system trygera (stan elektroniki, jakość danych z detektora, jakość działania trygera). • Synchronizacja trygera minowego RPC PAC • Analiza czasu lotu mionów w detektorze CMS i czasu propagacji sygnałów z detektora do elektroniki odczytowej. • Metoda obliczania parametrów synchronizujących dane z detektora; metoda obliczania poprawek do tych parametrów na podstawie analizy sygnałów od mionów pochodzących ze zderzeń w LHC. • Synchronizacja tryger PAC RPC dla mionów kosmicznych jako weryfikacja przedstawionej metody. Karol Buńkowski, UW

  3. Large Hadron Collider Kołowy akcelerator cząstek, największy jaki dotychczas zbudowano. Przyśpiesza i zderza protony oraz ciężkie jony. Karol Buńkowski, UW

  4. CMS - Compact Muon Solenoid Całkowita waga: 12 500 t Średnica: 15 m Długość: 21.6 m Pole magnetyczne: 4 Tesla Pokrycie w : 5.5 kalorymetr forward 2.1 system mionowy Karol Buńkowski, UW

  5. Dlaczego wyzwalanie (tryger) w LHC? LHC 2  2875 paczek protonów, odległość między paczkami 7.5 m = 25 ns 1011protonów / paczka E = 7 TeVnaproton 40 milionów przecięć paczek /s ~ 20oddziaływań proton-proton co każde25 ns, W wyniku których powstają setki cząstek Odpowiedz detektora ~1 MBytedanych (skompresowanych)  4  1013 Bytes (40 000 GB) / s Strumień danych niemożliwy do zapisania Karol Buńkowski, UW

  6. Dlaczego wyzwalanie (tryger) w LHC? (2) Większość ze zdarzeń -„klasyczna”, dobrze znana fizyka Sygnatura: niskiepędy poprzeczne (pT) Interesują nas Bardzo rzadkie zdarzenia w którychpowstały nowe ciężkie cząstki Rozpadają się one na wysokoenergetyczne obiekty: dżety hadronowe, leptony, fotony Sygnatura: wysokiepędy poprzeczne (pT) Karol Buńkowski, UW

  7. System wyzwalania („tryger”) Pierwszy etap fizycznych analiz danych zebranych przez detektor zapisz odrzuć Ocenia wybrane, zgrubne dane z każdegoprzecięcia paczeki na ich podstawie decyduje czy: Zapisać zdarzenie do pamięci masowej(z rzadka) Czy też je odrzucić (niemal zawsze) Najważniejsze to nie zgubić interesujących przypadków = wysoka efektywność Oraz zapewnić, aby wyjściowa częstość przypadków nie przekraczała maksymalnej przepustowości systemu akwizycji danych Karol Buńkowski, UW

  8. System wyzwalania i akwizycji danych w CMS Detektor • Tryger pierwszego stopnia (Level 1) • Dedykowana elektronika @ 40 MHz, tylko funkcje logiczne • Analizuje każde przecięcie paczek •  przetwarzanie potokowe; wypracowanie decyzji - 3.2 s, w tym ~2 s transmisja danych Wyjście ≤100 kHz zgrubne dane Bufory odczytowe na 128 przypadków = 3.2 s zachowajodrzuć DAQ: wybrane przypadki, pofragmentowane • Event Builder • switching network • (~512 FED512 BuilderUnits) • Całkowita przepustowość ok. 500 Gbit/s • Tryger wyższego stopnia (HLT) • Farma ~1000 komputerów, wykonujących algorytmy selekcji przypadków – analiza danych w czasie rzeczywistym: • Stopniowa rekonstrukcja przypadku • Uwzględniona kinematyka i topologia przypadku • Informacje z trackera, pełny tracking • Redukcja przypadków ze 100 kHz do100 Hzzapisywanych na taśmach magnetycznych Karol Buńkowski, UW

  9. Tryger pierwszego stopnia (Level 1) Calorimeter Trigger Muon Trigger DAQ RPC hits CSC hits DT hits ECAL Trigger Primitives HCAL Trigger Primitives Podsystemy trygera: Identyfikuj, mierzą i sortują obiekty trygerowe Link system Segment finder Segment finder RegionalCalorimeterTrigger Track finder Pattern Comparator Track finder 40 MHz pipeline 4+4 m 4 m 4 m MIP+ISO bits GlobalCalorimeterTrigger Global Muon Trigger Algorytmy GT: cięcia uwzględniają lokalizacje i koincydencje obiektów miony e/, J, ET, HT, ETmiss Global Trigger Obiekty trygerowe -Sygnatury nowej fizyki Status L1A (trigger) TTC system TTS system ` 32 partitions Detectors Frontend Karol Buńkowski, UW

  10. Tryger mionowy • Wymagania (ustalone przez symulacje kanałów nowej fizyki): • Identyfikacja mionów, zakładana efektywność >95% dla mionów o pT> 40 GeV • Odpowiednio dokładny pomiar pędu i znaku mionów(po cięciu na ok. 25 GeV/c częstość trygera < 12.5 kHz) • Niski poziom fałszywych trygerów i „duchów” • Jednoznaczne przypisanie mionu do zdarzenia (przecięcia paczek) Trzy niezależne, redundantne podsystemy: Drift Tube – beczka Cathode Strip Chambers– pokrywy Resistive Plate Chambers– beczka i pokrywy Global Muon Trigger – dopasowanie i scalanie mionów z trzech podsystemów • Lepsza efektywność trygera • Lepsza czystość (selektywność) • Większa niezawodność • Pewniejsza synchronizacja mionów z przecięciem Karol Buńkowski, UW

  11. System trygeramionowego PAC RPC Komory RPC na jednym z dysków pokrywy • Komory RPC: • Od 4 do 6 warstw komór otaczających punkt zderzeń • 984komór, ~120 000 pasków odczytowych • System linkowy synchronizacja i kompresja danych z komór • 1232Link Board-ów w96kratach, ~3000 dużych, programowalnych układów FPGA • 1104połączeń światłowodowych • System trygerowyposzukiwanie mionów:algorytm PAtternComparator (PAC) - koincydencja czasowa i przestrzennasygnałów z kilku komór: • 84 Trigger Board-ów w12kratach;,~1000 dużych, programowalnych układów FPGA Karol Buńkowski, UW

  12. System trygeramionowego PAC RPC • Komory RPC: • Od 4 do 6 warstw komór otaczających punkt zderzeń • 984komór, ~120 000 pasków odczytowych • System linkowy synchronizacja i kompresja danych z komór • 1232Link Board-ów w96kratach, ~3000 dużych, programowalnych układów FPGA • 1104połączeń światłowodowych • System trygerowyposzukiwanie mionów:algorytm PAtternComparator (PAC) - koincydencja czasowa i przestrzennasygnałów z kilku komór: • 84 Trigger Board-ów w12kratach;,~1000 dużych, programowalnych układów FPGA Płyty Link Board z podłączonymi światłowodami Karol Buńkowski, UW

  13. System trygeramionowego PAC RPC • Komory RPC: • Od 4 do 6 warstw komór otaczających punkt zderzeń • 984komór, ~120 000 pasków odczytowych • System linkowy synchronizacja i kompresja danych z komór • 1232Link Board-ów w96kratach, ~3000 dużych, programowalnych układów FPGA • 1104połączeń światłowodowych • System trygerowyposzukiwanie mionów:algorytm PAtternComparator (PAC) - koincydencja czasowa i przestrzennasygnałów z kilku komór: • 84 Trigger Board-ów w12kratach;,~1000 dużych, programowalnych układów FPGA Karol Buńkowski, UW

  14. System trygeramionowego PAC RPC System zaprojektowany i zbudowany przez Warszawską Grupę CMS (UW, IPJ, PW), • ~1500 płyt, 12 typów • ~4000 układów FPGA, 15 typów • Duża skala i złożoność systemu  nie dałoby się zbudować, uruchomić i użytkować takiego systemu bez zaawansowanych narzędzi do kontroli i diagnostyki • Moja rola: • projekt systemu diagnostyki i monitorowania • Metody analizy danych diagnostycznych • Rozwijanie oprogramowania kontrolującego i monitorującego system trygera RPC PAC • Komory RPC: • Od 4 do 6 warstw komór otaczających punkt zderzeń • 984komór, ~120 000 pasków odczytowych • System linkowy synchronizacja i kompresja danych z komór • 1232Link Board-ów w96kratach, ~3000 dużych, programowalnych układów FPGA • 1104połączeń światłowodowych • System trygerowyposzukiwanie mionów:algorytm PAtternComparator (PAC) - koincydencja czasowa i przestrzennasygnałów z kilku komór: • 84 Trigger Board-ów w12kratach;,~1000 dużych, programowalnych układów FPGA Karol Buńkowski, UW

  15. Link Boards Trigger Crates Data compression Trigger algorithm Transmission Transmission Transmission Diagnostic Diagnostic DAQ DB On-line Software System kontroli i monitorowania • Algorytm trygera jest wykonywany całkowicie przez dedykowaną elektronikę • ale • System elektroniczny jest kontrolowany przez dedykowane oprogramowanie - rozproszony, wielowątkowy system komputerowy: • Konfiguracja systemu; parametry przechowywane w bazie danych, możliwych wiele wersje konfiguracji • Diagnostyka i monitorowanie: • Wykrywanie i lokalizacja usterek i uszkodzeń, • Sprawdzanie poprawności konfiguracji • Narzędzia do testowanie i wyszukiwania błędów w systemie elektronicznym: • Testy implementacji algorytmów (porównywanie z emulatorem) • Testy poprawności podłączeń kabli • Testowanie prototypów, Detector Control Control CCU VME Controlchannels • W firmwarze każdego układu FPGA zaimplementowano obok algorytmów trygera rozbudowaną warstwę diagnostyczną: • moduły odczytu diagnostycznego – podglądanie danych płynących przez system • wielokanałowe liczniki i moduły histogramujące pozwalające mierzyć częstość sygnałów z komór i częstość mionów • moduły weryfikujące poprawność transmisji + liczniki błędów • generatory danych testowych Karol Buńkowski, UW

  16. Monitoring podczas zbierania danych Dedykowane aplikacje w czasie rzeczywistym odczytują dane diagnostyczne z systemu trygera, analizują je i w graficznej postaci prezentują wyniki Monitorowanie statusu elektroniki: periodyczny odczyt rejestrów informujących czy układy elektroniczne działają poprawnie, sprawdzanie wartości liczników błędów transmisji  natychmiastowa informacja dla zbierających dane o ewentualnych problemach w elektronice trygera Monitorowanie danych płynących przez system: Sygnały z komór oraz znalezione miony są zliczane przez moduły histogramujące. Na tej podstawie obliczana jest średnia oraz chwilowa częstość  natychmiastowa informacja dla zbierających dane o jakości działania komór RPC, jakości działania systemu trygera PAC, poprawności konfiguracji systemu, Karol Buńkowski, UW

  17. Monitoring online Monitoring działania komór RPC na podstawie wielokanałowych liczników z LB Częstość sygnałów czas paski Częstość mionów Monitoring trygera – częstość 4 wyjściowych mionów (beczka) Karol Buńkowski, UW

  18. Synchronizacja systemu trygera Czyli „Zsynchronizujmy zegarki” Czyli Problem jednoczesności zdarzeń w praktyce Karol Buńkowski, UW

  19. Synchronizacja systemu trygera (1) 1 ns · c = 0,3 m 14m = 42ns 4.2m = 14ns Różnice w czasie lotu mionów do różnych komór > 25 ns • Jeszcze większe różnice w czasie propagacji sygnałów z komór do Link Board-ów(od 33 do 107 ns) • A przecież w PACach chcemy mieć koincydencję sygnałów w 25 ns! Karol Buńkowski, UW

  20. Synchronizacja systemu trygera (2) Sygnał wyjściowy LB1 opóźnienie 25ns Czas propagacji Czas lotu LB2 LB3 zderzenie czas • Optymalną pozycję okienek i opóźnienia dla danychmożna obliczyć dla każdego LB z: • Czasu lotu mionu do komory • Czasu propagacji sygnałów po kablach z RPC do LB: • winOpeni = (timin + iTTC+ offset) % 25 ns • didata = a – int[(timin + offset)/25ns] + bi - (1*) + ciwin+ (2SM) • następnie poprawić na podstawie analizy zebranych danych Cel: na wyjściu wszystkich LB sygnały pochodzące z tego samego przecięcia pojawiają się dokładnie w tym samym momencie (25 ns). W Link Boardach sygnały z pasków są najpierw synchronizowane do zegara 40 MHz („kwantyzacja czasowa”) przy pomocy „okienka synchronizacyjnego”. Następnie dodatkowo opóźniane o całkowitą liczbę taktów zegara. Karol Buńkowski, UW

  21. Synchronizacja sygnałów RPC- miony kosmiczne • Procedura synchronizacji została przetestowana dla mionów kosmicznych: • Parametry zostały policzone dla mionów lecących pionowo z góry • Po zebraniu danych obliczono poprawki do pozycji okienka synchronizacyjnego, analizując rozkłady BXów sygnałów względem BXutrygera BX – numer kolejnego przecięcia paczek Sygnały ze wszystkich komór jednego koła po poprawkach Tryger Dane za wcześnie Dane za późno BX sygnału z komory względem trygera Poprawka do pozycji okienka synchronizacyjnego dla poszczególnych LB Karol Buńkowski, UW

  22. Podsumowanie System kontroli, diagnostyki i monitorowania zapewnia bezproblemowe działanie trygera RPC PAC Procedura synchronizacji trygera RPC PAC została pozytywnie zweryfikowana dla mionów kosmicznych. System trygera RPC PAC działa i oczekuje na start LHC Karol Buńkowski, UW

  23. Karol Buńkowski, UW

  24. Efektywośćtrygeravs Karol Buńkowski, UW

  25. Efektywośćtrygeravsφ Karol Buńkowski, UW

  26. Częstość tryggera Karol Buńkowski, UW

  27. Link Board Link Board Link Board Synchronization Unit & LMUX FEB FEB FEB FEB FEB FEB Tryger mionowy RPC PAC Detector Counting room Control & diagnostic LVDS cables Ghost Buster & Sorter Trigger Board GB & Sorter SYNCH. & LDMUX PAC Optic Links 90 m @ 1.6 GHz 1104fibers PAC To theGlobal Muon Trigger 1232Link Boards in96Boxes, Steered byControl Boards PAC Data Concentrator Card RMB Resistive Plate Chambers Pudełka z bakelitu wypełnione gazem, sygnał odczytywany przez miedziane paski: szerokość: 0.5 – 4 cm, długość: 20 -100 cm 84Trigger Boards in12Trigger Crates To Data Acquisition • Algorytm identyfikacji mionów (PAtternComparator): • koincydencja czasowasygnałów z kilku komór, • Sygnały z komór są porównywane do predefiniowanych wzorców przestrzennych torów mionów. Wzorce odpowiadają mionom o rożnym pT Od 4 do 6 warstw komór otaczających punkt zderzeń 480komór w beczce, 504 w pokrywach ~120 000 pasków Karol Buńkowski, UW

  28. Karol Buńkowski, UW

More Related