Hyper-Kamiokande用フロントエンドエレクトロニクスの設計

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ありさわしあし
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1 Hyper-Kamiokande 用フロントエンドエレクトロニクスの設計 ( 水チェレンコフ型検出器のお話 ) 早戸良成 ( Kamioka obs., ICRR, Univ. of Tokyo )

2 Super-Kamiokande ニュートリノの持つ性質の研究加速器ニュートリノ大気ニュートリノ太陽ニュートリノ GUT ( 大統一理論 ) 陽子崩壊 p e + + p 0 p K + + n 新物理 WIMP 探索 n-n 振動 dinucleon decay など. / Hyper-Kamiokande で目指す物理ニュートリノ天文学超新星爆発ニュートリノ Supernova relic neutrino 2

１０５程度に減少５００００トンの水タンクを建設地盤が良い大きなタンクを設置可能良質の地下水が豊富 41.

3 スーパーカミオカンデ１９９６５００００トン水チェレンコフ型検出器有効体積 22500t 岐阜県神岡町神岡鉱山宇宙からはいつも宇宙線が降り注いでいる希少な現象を捉えるには邪魔地下に作ることで宇宙線を遮蔽神岡の場合１０５程度に減少５００００トンの水タンクを建設地盤が良い大きなタンクを設置可能良質の地下水が豊富 41.4m 約1000m 39m 約１１０００本の５０ｃｍ光電子増倍管チェレンコフ光を効率よく収集内表面の４０を光電面で覆う

4 Super-Kamiokande の歴史 SK-I SK-II SK-III SK-IV ID PMTs (40% coverage) SK-I SK-II SK-III SK-IV Acrylic (front) + FRP (back) 5182 ID PMTs (19% coverage) ID PMTs (40% coverage) ~ 今も稼働中 ~ Electronics Upgrade

5 水チェレンコフ型検出器における素粒子観測事象再構成の手法チェレンコフ光量粒子運動量事象発生位置 ~ 荷電粒子が走り出した点光子のPMTへの到達時間リングパターン ( 広がり ) 荷電粒子数 (+γ) チェレンコフリング数荷電粒子種別チェレンコフリング形状 μ π p シャープなリング e γ ぼやけたリングチェレンコフ光の量と到達時間を利用

6 水チェレンコフ型検出器における素粒子観測 ~ 大気ニュートリノ事象 ~ １日８事象程度観測される SK チェレンコフ光の分布がミュー粒子と電子で違うミュー粒子電子

7 水チェレンコフ型検出器における素粒子観測 ~ 太陽ニュートリノ候補事象 ~ 1 日 10

8 Super-Kamiokande / Hyper-Kamiokande における物理観測したい反応太陽ニュートリノ数 MeV ~ 約 20MeV n + e n + e ~10 事象 / 日超新星ニュートリノ数 MeV ~ 数十 MeV n + e n + e n + N e ± + N 超新星爆発時 (@10kpc) ~4000 事象 /1 秒数万事象 /total 大気ニュートリノ約 100MeV ~ 数 TeV n + N l ± + N ( + hadrons ) ~8 事象 / 日加速器ニュートリノ約 100MeV ~ 数 GeV n + N l ± + N ( + hadrons ) T2K 5~10 事象 / 日核子崩壊探索 p e + + p 0 g + g p n + K + or p 0 + p + n + m +

9 41.4m Hyper-Kamiokande project 検出器に要求される性能 / 仕様 SKで不足しているもの ~ 観測事象数 = 検出器の有効体積より大きな検出器を用いまだわからないニュートリノと宇宙の謎を探る SKでの経験を最大限に活用検出器の最適化現実的な物理感度の事前評価 SK : Fiducial 22.5 kton HK : Fiducial 380 kton ~ 17 x SK 39m f=74m x h=60m x 2

10 Hyper-Kamiokande ~ 巨大水チェレンコフ型検出器検出器 ~ 有効体積 93.5 kton / tank x 2 内水槽用 ~40,000 本 / tank 外水槽用 ~ 6,700 本 / tank の光センサーより高効率高反応速度のセンサー Baseline ( reference ) Candidates ( R&D phase ) f=74m x h=60m x 2 量子効率収集効率時間分解能 ( FWHM ) 22% 80% 30% 93% 30% 95% 5.5 nsec 2.7 nsec 1~2 nsec

11 Hyper-Kamiokande ~ 巨大水チェレンコフ型検出器検出器 ~ 有効体積 93.5 kton / tank x 2 内水槽用 ~40,000 本 / tank 外水槽用 ~ 6,700 本 / tank の光センサー測定するもの光センサーの出力電荷量光子の到達時間 ( 相対時間 ) 必要なもの Self gating signal digitizer ( ADC + TDC ) タイミング同期システム ( TDC 同期クロック + カウンター ) GPS f=74m x h=60m x 2 Digitizer Readout Data processor Storage 安定な電源 ( 光センサー用エレクトロニクス用 ) スローモニター ( 各種電源電圧電流温度湿度? など )

12 水チェレンコフ型検出器におけるデータ収集光センサーは入射光量に比例した電荷を出力します (1 光子から検出が可能 ) Dark noise は現状で 4kHz ( センサー依存だが 10kHz 以下 ) 信号であるチェレンコフ光は短時間の発光 ~ ほぼ同時 ( 数百 ns 以内 ) に複数の光電子増倍管で光が検出されるほぼ同時に一定以上の数の PMT で信号が検出されたときデータを取得 PMT 同時本数による閾値 ~ 低いほうが低いエネルギーのニュートリノまで観測が可能しかし低くすると水中や周辺岩盤に含まれる放射性元素による事象が多くなりすぎる

13 水チェレンコフ型検出器におけるデータ収集事象発生のタイミングは不定期セルフトリガートリガーは基本的に全部のPMT信号がないと生成できない一定時間内 SKでは200ns のヒット数を用いる for 太陽ニュートリノ観測エネルギースレッショルド (e=50%) ~3.5MeV 約20本のPMTが同時にHIT ( SK with 40% PMT coverage ) トリガーレート ~ 12 観測したい事象はすべてあわせても数十事象日壁面の岩盤中ならびに水中に残っている放射性元素の崩壊で発生する γ線による事象が大半を占めるほかに高エネルギーの背景事象として宇宙線m粒子による事象が10Hz弱低エネルギー事象については反応位置を再構成し壁際の事象を除去タンク内での反応のみを蓄積する Intelligent Trigger)

14 Hyper-Kamiokande electronics / DAQ system ~ Trigger データ収集のエネルギー閾値を大幅に下げる加速器ビーム実験では事象をバイアスなく残したい事象種類によってはイベントゲート幅を広くしたい (40us 1ms 等 ) 加速器ビーム実験 (T2K) ではビーム到着前後 1ms 最初から全部のPMT hit を記録してしまいソフトウェアで事象探索 Q computer 1) sort hits in order of time frontend Q Q frontend Q frontend T 2) search for events by software or hardware T

Schematic diagram of the HK electronics / DAQ system Readout system Readout system 1) 一定量以上の電荷 (~1/4 p.e.) が光センサーから出力されたときこれをデジタイズ 2) デジタイズされた信号 ( 電荷情報時間情報 ) をすべて計算機に転送.

15 Schematic diagram of the HK electronics / DAQ system Readout system Readout system 1) 一定量以上の電荷 (~1/4 p.e.) が光センサーから出力されたときこれをデジタイズ 2) デジタイズされた信号 ( 電荷情報時間情報 ) をすべて計算機に転送. 3) デジタイズされた情報を用いてイベントを探索 ( ソフトウェアトリガー ) イベントとして残すべきデータのみを記録

16 Major components of the HK electronics / DAQ system Signal digitizer Network interface ( Data transmitter ) Readout system Software trigger + Event builder Synchronization ( Clock & counter ) GPS LV / HV power supply environment monitor Slow control system Data storage

17 Signal digitization ~ requirements ~ 信号の大半は dark noise 由来 Expected dark rate is 5 ~ 10 khz. Cherenkov Photon は O(100)Hz 以下低エネルギー事象の Occupancy は小さい典型的な太陽ニュートリノや放射性元素によるイベント ( 数 MeV~15MeV) の occupancy は O(<1%) 高エネルギー事象 ( 宇宙線 μ) のレートは低い (<<100Hz) ただし検出器位置 ( 土被りの厚さ ) による光の位置分布は一般的にかなり広い ( 局所化しない ) ひとつの光センサーが短時間に連続して信号を受けることは稀チャンネルのデッドタイムは O( 1ms ) 程度まで許容すべての TDC は同期されている必要がある Quantize の影響が見えるのは好ましくない

18 Signal digitization ~ requirements ~ ~ Some parameters ~ from SK electronics ~ Self triggering for each channel High Sensitivity for single p.e. Discriminator threshold ~ ¼ p.e. *) ( well below 1 p.e. ) Processing speed/hit ( channel dead-time ) ~ 1 msec / hit Charge dynamic range 0.1 ~ 1250 p.e. ( 0.2 ~ 2500 pc ) Charge resolution ~ 0.05p.e. ( < 25 p.e. ) in RMS Timing LSB ~ 0.52 ns Timing resolution 0.3ns p.e. ) in RMS 0.2ns ( > 5 p.e. ) in RMS *) QBEE : ¼ p.e. ~ 3 mv

Signal digitization ~ Possible design ~ QTC + TDC SK 実験ではグループで開発した QTC(CLC101) を用いている QTC:Charge to Time converter 電荷を時間幅として出力 CLC101 は 3 channels, 3 ranges / ch.

19 Signal digitization ~ Possible design ~ QTC + TDC SK 実験ではグループで開発した QTC(CLC101) を用いている QTC:Charge to Time converter 電荷を時間幅として出力 CLC101 は 3 channels, 3 ranges / ch. セルフトリガー電荷レンジを 3 つもつ ~ 広ダイナミックレンジ電荷積分ゲートよりも出力時間幅のほうが長い Channel deadtime は 900ns 程度 Process rule CMOS 0.35 mm ( まだ製造可能な Fab は稼働中 ) Est. ~ 6,000 / chip ~ 新 ASIC の開発可能性も検討中 ~

20 Signal digitization ~ Possible design ~ QTC + TDC TDCについては AMT3が製造中止要求性能はそれほど高くない By Jin-Yuan Wu Timing LSB ~ 0.5 ns Timing resolution ~ 0.2 ns FPGAによるTDCの性能が上がっている ~これを採用することを検討中 Candidate Wave Union TDC by Jin-Yuan Wu, QTC evaluation board Fermilab 32 ch. TDC on Altera Cyclone III ( ~ $2 / channel ) Now evaluating at FNAL with QTC test board. -online/wiki/jinyuan's_tdc_documentation

21 Signal digitization ~ Possible design ~ Shaper + FADC ( + FPGA ) Simulation study + テストボード開発中 T resolution vs charge 250MHz FADC で要求仕様を達成可能

22 Schematic diagram of the HK electronics / DAQ system フロントエンドエレクトロニクスの配置検出器が大きいためタンク底部からケーブルをひくと ~150m となるアナログ信号を引くと信号の劣化が発生 Ethernet ケーブル ( メタル ) は 100m の上限を超過ケーブル重量も構造体の設計に影響

23 Schematic diagram of the HK electronics / DAQ system フロントエンドエレクトロニクスの配置

24 Schematic diagram of the HK electronics / DAQ system データ転送はイーサネット + メッシュという ( 特殊な ) 形態を想定 ~ 耐障害性を持たせるため ~ ただし通常のトポロジーではないのでルーティングについて独自のものを設計 Possible module connections Readout computer ( module ) Readout computer ( module )

25 Schematic diagram of the HK electronics / DAQ system LV Power( 48V? ) Communication lines ( Gb/s x 4 ) Clock + Counter DC/DC converters Network Interfaces ( Data flow controller ) HV(LV?) PS Slow control /monitor Data transmitter Signal digitizer ( Charge + Timing ) ( ~ 24 Photo sensors / module? )

用電圧制御環境等のシステムモニター 3) データの時間順ソート + 整合性チェック (FPGA でも可能だが ) 水中にボードを入れると

26 Schematic diagram of the HK electronics / DAQ system HK のフロントエンドエレクトロニクスでは処理に CPU がほしいところが複数ある 1) 動的ルーティング ( 耐障害性 ) 2)PMT 用電圧制御環境等のシステムモニター 3) データの時間順ソート + 整合性チェック (FPGA でも可能だが ) 水中にボードを入れると 20 年程度修理不可 ~ 長寿命パーツの利用 ~ OS 利用時の課題 emmc にせよ SD にせよ書き込みをしてしまうと寿命が気になる (linux 系を使うなら対策が必要 )

27 Summary Hyper-Kamiokande 用データ収集システムの設計開発を進めている基本設計は SK の経験を利用して行っているが技術進歩センサー性能向上機材の設置場所の制限などを考慮し設計を進めている同期タイミング信号や同期用カウンターの配布技術は White Rabbit の利用もしくは直接の配布 (10~50MHz) を検討している 2018 年にはで Digitizer の技術評価などを完了実機のデザインを開始する予定電源を外部から供給するシステムについても調査中

28 ( おまけ ) ARM で linux を使うとき SD card や emmc などを単純に使うと寿命が気になる通常の設定でそのまま使うと /var や /tmp などで書き換えが発生するので交換が容易な環境ならよいがそうでない場合は tmpfs を使うなどの対策が必要この時使えるメモリが減る電源を切るとログが消える等の課題もあるのでよく考える必要がある ( もちろん NFS 随時ログをコピーなどという手もあるけれど ) 現状 ARM 上の linux は SD card 等にアクセスを行った場合マルチコアでもすべてのユーザープロセスが止まることがあるようにみえるリアルタイム性を要請するとちょっとキツイ可能性がある (kernel の version に依存するかも )

29 防水コネクターの開発 R&D of the HV(8kV) + LV ( signal + control ) water tight connector. ( diameter is ~ 50 mm ) HV ( 8KV ) lines Control lines and HPD signal ( COAX ) Design of the outer shell is universal and can be used for the other connectors, Ethernet ( RJ45 ), optical fibers and power supplies.

Pressure tolerant Ethernet cable Usual Ethernet cable can not be used in the water because the compressed cable can not transmit the differential signals properly.

30 Pressure tolerant Ethernet cable Usual Ethernet cable can not be used in the water because the compressed cable can not transmit the differential signals properly. Drawing of the pressure-tolerant Ethernet cable was prepared by a company. We have asked to produce this cable ( ~ 200m ) and perform pressure tolerance test using a small pressure vessel from April. cable weight : ~ 90g / m

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