1 / 40

PHOS Readout Scheme for ALICE and Cosmic-ray Tests

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. LHC - ALICE. 10,000ton. 25m.

eros
Download Presentation

PHOS Readout Scheme for ALICE and Cosmic-ray Tests

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. 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

  2. Contents • Introduction • LHC-ALICE • PHOSCalorimeter • PHOS Readout Scheme and Slow Control • PHOS Test-bench at Hiroshima Univ. • Summary

  3. LHC - ALICE 10,000ton 25m 15m A Large Ion Collider Experiment PHOton Spectrometer 3

  4. PHOS Overview • 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。 PWO crystal 約1.2m 約1.4m 約7m 22×22×180 mm3 APD: Hamamatsu S8148/S8664-55 APD 約12.5t 約1.2m 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

  5. PHOS Readout Scheme Charge Sensitive Preamplifier(CSP) Sampling ADC+memory Sampling rate →10MHz Shaper+amp HIGH Gain 5MeV – 5GeV Decay time=100μsec Shaping time = 2μsec 測定する エネルギーに相当 時間 LOW Gain 80MeV – 80GeV Trigger ADC Sampling

  6. PHOS Readout SchemeとSlow Control FEE : Front End Electronics RCU : Readout Control Unit • 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、DAQcomputerへ送られる。 • 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 • 1 moduleに1 DAQ computer • 1DAQ computerに4 RCU • 1 RCUに28FEE • 1 FEEに32 ch

  7. 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。 各パーツの動作確認を行なった。

  8. PHOS Test-bench at Hiroshima FEE+GTL bus +RCU PWO+APD etc DAQ PC

  9. Slow Controlのチェックの例 • 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。 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。 出力リミット HV (400V) APD 設定値 10bit DAC

  10. Readout Schemeのチェック 2ch • 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。 16ch 全32ch(2×16)からシグナルを確認した。 約600ch 約40ch 32ch分の テストパルス High GainとLow Gainの比は、デザイン通り16:1である。

  11. 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。 LEDの光を 1chのAPDに

  12. 光量の分解能 ノイズ：大 ノイズ：小 • 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。 100eventの波形を重ねたもの ノイズ：大 ノイズ：小 Mean : 57.5 RMS : 57.76 Mean : 42.43 RMS : 2.244 ・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。 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。 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。

  13. 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。

  14. 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。

  15. ALICE Collaboration 30 Countries, 96 Instituons, ～1015 Members

  16. Backup Slides

  17. DAQ architecture PDS TDS TDS Rare/All CTP L0, L1a, L2 BUSY BUSY LTU LTU DDL H-RORC L0, L1a, L2 HLT Farm TTC TTC FEP FEP FERO FERO FERO FERO Event Fragment Sub-event Event File 10 DDLs 10 D-RORC 10 HLT LDC 123 DDLs 262 DDLs 329 D-RORC 175 Detector LDC LDC LDC LDC LDC LDC Load Bal. Event Building Network EDM 50 GDC 25 TDS GDC GDC GDC DSS DSS GDC 5 DSS Storage Network

  18. PWO Crystal and APD APD: Hamamatsu S8148/S8664-55 North Crystal Co. • 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

  19. 鉛タングステン酸結晶(PWO) PWO結晶 22×22×180 mm3 • 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。

  20. APD

  21. 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 2003/04 • Minor 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

  22. PHOS Readout Sytem CSP : Charge Sensitive Preamplifier IPCB : Inter Printed Circuit Board FEE : Front end electronics Altro : Alice TPC Readout PCM : PHOS Control and Monitoring GTL : Gunning Transceiver Logic RCU : Readout Control Unit DCS : Detector Control System SIU : Source InterfaceUnit DDL : Detector Data Link D-RORC : DAQ ReadOut Receiver Card

  23. FEE

  24. 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℃。

  25. 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

  26. 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℃。

  27. 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

  28. Trigger Mezzanine Board

  29. 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。 RCU( & DCS & SIU) FEE

  30. PHOS 1st Module 1.4m 1.2m

  31. Function Generator FEE LED APD・CSP RCU

  32. DATEの画面

  33. PHOS trigger • Triggerシグナルの流れ FPGAが乗っている。 アナログ→デジタル FEE PWO/APD/CSP Fast OR TRU TOR 2*2 sum ×8 ・ ・ ・ ×32 ×8 ・・・ Shaper Altro ×14 LED GTL Bus DATE PC D-RORC RCU ECL シグナル NIM module Fiber cable LTU CCTex 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。

  34. 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。

  35. 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。

  36. 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。

  37. ALICE 10,000ton 25m 15m 120deg & -0.12<|η|<0.12 4.6m 1.2m ~7m Photon Spectrometer (PHOS) Electro-Magnetic Calorimeter

More Related