SAMURAI TPCの読み出しシステム

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つづるのじま
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1 中性子物質をさぐる時間射影型 3D 飛跡検出器の開発理研仁科加速器研究センター磯部忠昭

研究動機 : 中性子過剰な核物質の状態方程式の解明高密度核物質の物理を探る ρ~2ρ 0 @RIBF 状態方程式 (Equation of State, EOS): 系のエネルギーと

2 研究動機 : 中性子過剰な核物質の状態方程式の解明高密度核物質の物理を探る ρ~2ρ 状態方程式 (Equation of State, EOS): 系のエネルギーと温度密度原子核非対称度 ( 陽子 - 中性子比 ) の関係非対称原子核衝突を用いて中性子過剰高密度物質の性質を探る中性子星や超新星爆発といった宇宙物理学に対して重要なインプット

3 RIBF でアプローチする非対称高密度核物質 : 重 RI 衝突実験 π p RIBF で実現可能な非対称核原子核衝突により ρ~2ρ 0 程度の非対称原子核 EOS を調べる高密度領域に実験室でアプローチする唯一の方法衝突から発生する粒子を測定する事で高密度 EOS に制限をかける荷電パイオン陽子中性子軽イオン収量フロー数十個の粒子を大立体角で同時に測定する必要がある 3 次元分離能をもつ多種多重粒子検出デバイス PRC71 (2005) n Li

4 RIBF-SPiRIT計画 SAMURAI超伝導電磁石重RI衝突 2009年ごろより日米が中心となる重RI衝突実験計画が始動 RIBF-SAMURAI基幹装置に多種多重粒子測定用の時間射影型3D飛跡検出器を設置 DoEと新領域科研費の予算を使用 2016年春に試運転+物理実験 4

RIKEN RI Beam Factory (RIBF) Old facility RIPS GARIS 60~100 MeV/nucleon ~5 MeV/nucleon SHE Z=113 RILAC Experiment facility Accelerator To be funded SCRIT AVF ZeroDegree frc RRC SRC SLOWRI SAMURAI IRC

5 RIKEN RI Beam Factory (RIBF) Old facility RIPS GARIS 60~100 MeV/nucleon ~5 MeV/nucleon SHE Z=113 RILAC Experiment facility Accelerator To be funded SCRIT AVF ZeroDegree frc RRC SRC SLOWRI SAMURAI IRC RI-ring CRIB (CNS) <10 MeV/nucleon New facility BigRIPS SHARAQ (CNS) MeV/nucleon Intense (80 kw max.) H.I. beams (up to U) of 345AMeV at SRC Fast RI beams by projectile fragmentation and U-fission at BigRIPS Operation since

World s Largest Acceptance 9 Tm Superconducting RI beam Separator

6 SRC World s First and Strongest K2600MeV Superconducting Ring Cyclotron 400 MeV/u Light-ion beam 345 MeV/u Uranium beam BigRIPS World s Largest Acceptance 9 Tm Superconducting RI beam Separator ~ MeV/nucleon RI beam K980-MeV Intermediate stage Ring Cyclotron (IRC) 6

7 F0-F11: m ZeroDegree BigRIPS Max. rigidity = 9Tm Control Z and N of beam High-resolution beam line SAMURAI Field integral =7Tm SHARAQ by U. of Tokyo Max. rigidity 7 =6.8Tm max.

SAMURAI Spectrometer Superconducting Analyzer for Multi particles from Radio Isotope Beams BigRIPS Max. rigidity = 9Tm F0-F11: 125.

8 SAMURAI Spectrometer Superconducting Analyzer for Multi particles from Radio Isotope Beams BigRIPS Max. rigidity = 9Tm F0-F11: m ZeroDegree High-resolution beam line SAMURAI Field integral =7Tm B<3T R: 1m Gap: 80cm SHARAQ by U. of Tokyo Max. rigidity 8 =6.8Tm max.

9 RIBF での実験の特徴 ( 人的要素 ) 大局的には原子核の理解という名目だがそれぞれ異なる物理を見ている人の実験を手伝う事で自分の実験を手伝ってもらう RIBF 全体としては 500 名規模 RIBF コラボレーションと考えるとわかりやすい一論文の著者数は数十人ハードウェアソフトウェアともに基盤を支えないと実験の質がもたないこれまでの小規模実験では 0 スタートでもうまく行くが RIBF では無理実際 RI ビーム作りのところは専門のチームが存在する

10 RIBF での実験の特徴 ( 技術要素 ) 電荷 =1 粒子だけではない実験によっては Z が小さいものと大きいものを同一の検出器で取りたい陽子とネオン (Z=10) を同一検出器で取る :100 倍の信号差 RI ビーム by RI ビームでの RI ビーム同定を行う de TOF Bρ 測定 100kHz 程度が今の限界トリガーレートで ~1kHz x100 くらいいけないか? 実験限界が検出器限界で決まってしまう

11 RIBF での実験の特徴 ( 開発要素 ) キーワードは高レートワイドダイナミックレンジ

12 RIBF での実験の特徴 ( 開発要素 ) 電荷 =1 粒子だけではない実験によっては Z が小さいものと大きいものを同一の検出器で取りたい陽子とネオン (Z=10) を同一検出器で取る :100 倍の信号差 RI ビーム by RI ビームでの RI ビーム同定を行う de TOF Bρ 測定 100kHz 程度が今の限界トリガーレートで ~1kHz x100 くらいいけないか? 実験限界が検出器限界で決まってしまう

13 SPiRIT 計画の基幹デバイス : 時間射影型 3D 飛跡検出器 Time Projection Chamber (TPC) B field 80cm x E field 120cm y 200cm 重 RI 衝突にて発生した多数の荷電粒子を全て 3D イメージングする放射線通過時に内部ガスがイオン化し発生した電子の到達場所到達時間を測定どんな粒子がどの程度のエネルギーで通過したか測定これまで RIBF にないタイプの大型検出器 x10 ~ x100 の数のセンサー数 13

SPiRIT TPC 概要 Z: beam Bevalac EOS TPC がベース. P10 gas (1atm) を使ったワイヤ増幅のハット読み出し. 12000 個のハット TPC 直前にターゲット.

14 SPiRIT TPC 概要 Z: beam Bevalac EOS TPC がベース. P10 gas (1atm) を使ったワイヤ増幅のハット読み出し個のハット TPC 直前にターゲット. 2 飛跡分離 : 2.5cm 想定荷電粒子数 : 10~100 B,E 12mm 8mm Y: drift 112pads (1344mm) X: wire 108pads (864mm) beam 53cm drift 14

15 TPC における信号の読み出し TPC 中におけるエネルギーロスが電子 - イオン対を生成ドリフトさせた電子をワイヤで増幅し信号を読み出す Reconstruction of charged particle tracks 15

16 実験条件 TPC 中を重イオンビームが通過する RIBF で生成される 2 次ビームは収量をかせぐためにビームラインアクセプタンスが大きく必ずしもきれいなペンシルビームが通るとは限らない Angular acceptance: 80mrad(H) x 100mrad(V) gating grid による anode 領域の保護は必須 TPC 自体が受けられるビーム rate として 20kHz を仮定実際にはそれ以上も可能かとも思われるがビーム自体による電場の歪みの評価が必要 Target の厚さにも依存するがそのうち 1% が reaction (i.e. 重イオン衝突 ) Trigger rate:up to 数百 Hz 重イオンが通過する中で Z=1 粒子検出が必要

2009/10~2014/9 次世代エレキとして主に米国フランスにより開発された統合システム.

17 SPiRIT-TPC の読み出しシステム :GET 性能要求 : 高い DAQ rate (~1kHz) 広い ADC レンジ (>10bit). 重イオンが飛ぶ中で Z=1 粒子をきちんと測定できる. 低消費電力 GET system を採用. General Electronics for TPC. 2009/10~2014/9 次世代エレキとして主に米国フランスにより開発された統合システム. RIBF だけではなく J-PARC や他原子核実験にて採用 readout 12bit ADC 512 samples from pads under 1kHz DAQ rate が可能に. 消費電力は 0.1W/ch コミコミで ~5000JPY/ch GET general meeting at France CAEN

Generic Structure (H&S) 2 12 Final Dyn Rnge 10Gbit B.width 4 Level Digital Trigger V. Front End Pre-amp & Filter Protection Concentrator Embedded SystemS:.T. Stamp. 0 -suppress.formatting.reduction.

18 Generic Structure (H&S) 2 12 Final Dyn Rnge 10Gbit B.width 4 Level Digital Trigger V. Front End Pre-amp & Filter Protection Concentrator Embedded SystemS:.T. Stamp. 0 -suppress.formatting.reduction.calibration Slow Control FARM Trigger4 Event- Building Data Control S. Control Web Service Security SPiRIT TPC: 48 AsAd boards 12 CoBo boards 2 µ-tca crates 2 MuTANT boards ZAP AsAd AGET ADC FPGA PULSER CoBo CoBo FPGA FPGA + + Memo Memo Mutant Front-End 2 FPGA Coding V, I, EM & Temp Control/Satb µ - T C A 3-Level.Trigger.Clock.Calculated Selected Read-out 18

formatting.reduction.calibration Slow Control FARM Trigger4 Event- Building Data Control S.

MuTANT boards ZAP AsAd AGET ADC FPGA PULSER CoBo CoBo FPGA FPGA + + Memo Memo Mutant

19 Generic Structure (H&S) 2 12 Final Dyn Rnge 10Gbit B.width 4 Level Digital Trigger V. Front End Pre-amp & Filter Protection Concentrator Embedded SystemS:.T. Stamp. 0 -suppress.formatting.reduction.calibration Slow Control FARM Trigger4 Event- Building Data Control S. Control Web Service Security SPiRIT TPC: 48 AsAd boards 12 CoBo boards 2 µ-tca crates 2 MuTANT boards ZAP AsAd AGET ADC FPGA PULSER CoBo CoBo FPGA FPGA + + Memo Memo Mutant Front-End 2 FPGA Coding V, I, EM & Temp Control/Satb µ - T C A 3-Level.Trigger.Clock.Calculated Selected Read-out 19

calibration Slow Control FARM Trigger4 Event- Building Data Control S.

20 Generic Structure (H&S) 2 12 Final Dyn Rnge 10Gbit B.width 4 Level Digital Trigger V. Front End Pre-amp & Filter Protection Concentrator Embedded SystemS:.T. Stamp. 0 -suppress.formatting.reduction.calibration Slow Control FARM Trigger4 Event- Building Data Control S. Control Web Service Security SPiRIT TPC: 48 AsAd boards 12 CoBo boards 2 µ-tca crates 2 MuTANT boards ZAP AsAd AGET ADC FPGA PULSER CoBo CoBo FPGA FPGA + + Memo Memo Mutant Front-End 2 FPGA Coding V, I, EM & Temp Control/Satb µ - T C A 3-Level.Trigger.Clock.Calculated Selected Read-out 20

21 Generic Structure (H&S) 2 12 Final Dyn Rnge 10Gbit B.width 4 Level Digital Trigger V. Front End Pre-amp & Filter Protection Concentrator Embedded SystemS:.T. Stamp. 0 -suppress.formatting.reduction.calibration Slow Control FARM Trigger4 Event- Building Data Control S. Control Web Service Security SPiRIT TPC: 48 AsAd boards 12 CoBo boards 2 µ-tca crates 2 MuTANT boards ZAP AsAd AGET ADC FPGA PULSER CoBo CoBo FPGA FPGA + + Memo Memo Mutant Front-End 2 FPGA Coding V, I, EM & Temp Control/Satb µ - T C A 3-Level.Trigger.Clock.Calculated Selected Read-out 21

22 Generic Structure (H&S) 2 12 Final Dyn Rnge 10Gbit B.width 4 Level Digital Trigger V. Front End Pre-amp & Filter Protection Concentrator Embedded SystemS:.T. Stamp. 0 -suppress.formatting.reduction.calibration Slow Control FARM Trigger4 Event- Building Data Control S. Control Web Service Security SPiRIT TPC: 48 AsAd boards 12 CoBo boards 2 µ-tca crates 2 MuTANT boards ZAP AsAd AGET ADC FPGA PULSER CoBo CoBo FPGA FPGA + + Memo Memo Mutant Front-End 2 FPGA Coding V, I, EM & Temp Control/Satb µ - T C A 3-Level.Trigger.Clock.Calculated Selected Read-out 22

23 GET システムについて ASIC を含むフロントエンドハードウェアをフランスが開発 (CEA, CENBG) コントロールハードウェアをアメリカが開発 (MSU/NSCL) 日本は Debug モジュールの開発 (RIKEN) ソフトウェアはフランス (CEA, GANIL) 主に原子核実験で使う TPC を対象としたシステムだが汎用性が高い Wire にも GEM にも使える Pad by pad で設定できるゲインシェーピングアンプ汎用性が高いあれもこれもできなければならない実際 SAMURAI-TPC を用いた実験は重イオン衝突実験のみならず他の原子核実験にも応用が利くただでさえ欧米間のギャップがあるところでの開発で時間がかかるのに安定したシステムとして確立し始めたのはプロジェクトが終わる頃だった ( 正直まだ R&D が終わっているとは言えない )

Novel ASIC Chip by GET project: AGET Architecture 64

triggering : discriminator + threshold (DAC) Multiplicity

hit channel(s); 3 SCA readout modes : all, hit or

range Discri inhibit Trigger pulse Hit register SCAwrite

Test SLOW CONTROL Power on Reset SCA Control W / R CK

charge ranges/channel : 120 fc, 240 fc, 1 pc & 10 pc 16

100 MHz Possibility to bypass the CSA and to enter

24 Novel ASIC Chip by GET project: AGET Architecture 64 analog channels : CSA, Filter, SCA, Discriminator Auto triggering : discriminator + threshold (DAC) Multiplicity signal : analog OR of 64 discriminators Address of the hit channel(s); 3 SCA readout modes : all, hit or specific channels 64 channels AGET 1 channel DAC Charge range Discri inhibit Trigger pulse Hit register SCAwrite FILTER SCA CSA tpeak 512 cells x68 ADC BUFFER TEST In Test SLOW CONTROL Power on Reset SCA Control W / R CK Serial Interface Mode CK Readout Mode AMS CMOS 0,35 µm 4 charge ranges/channel : 120 fc, 240 fc, 1 pc & 10 pc 16 peaking time values : 50 ns to 1 µs Fsampling : 1 MHz to 100 MHz Possibility to bypass the CSA and to enter directly into the filter or SCA inputs Input current polarity : positive or negative PAGE 24

25 2 種類の zero-suppression デジタル - ゼロサプレス Conversion されたデータに対し閾値をかける data reduction アナログ - ゼロサプレス : Discriminator でアナログ信号が閾値を超えたチャンネルだけ ADC deat time を短くする 25MHz 1ch FADC for 68 channels STAR-FEE の場合 ADC を ch 数分準備 10µsec conv. Time ADC for 1 SCA-cell: 512cell ADC に >5msec 電力消費が大きい Pad Discri. Hit Regist. SCA

26 選択的 digitization : DAQ rate の改善ヒットがあったチャンネルのみ Digitize する Pedestal だけのチャンネルは digitiza しない DAC にかかる時間の短縮例えば 1ASIC(64ch) 中 8ch ヒットがあった場合は 4500Hz での読み出しが可能に Courtesy of D. Calvet 26

27 SPiRIT-TPC では使わないが TPC によるセルフトリガー GET システムでは Pad Hit 数に応じたセルフトリガー発行が可能 Trigger を受け付ける間は Hit 情報を 25MHz で trigger モジュールへ送り 40ns 毎にトリガー判定 Hit pattern を使って high level trigger も発行できる 64 channels AGET 1 channel DAC Charge range FILTER Discri inhibit Trigger pulse Hit register SCA SCAwrite Trigger モジュール CSA tpeak 512 cells x68 BUFFER ADC DAQ TEST SLOW CONTROL Power on Reset SCA Control W / R CK Readout Mode In Test Serial Interface Mode CK

既に存在する検出器と組み合わせて運用するには何かしらの方法でデータを統合する必要があるイベント ID (common trigger) or Time stamp Slow コントロールや

28 GET の導入 : インターフェイスの開発 Analog 部分から DAQ 部分まで一貫したシステムとして開発されているが以下を各計画ごとに開発する必要がある TPC への接続部 (protection + adapting connector) ボード自体の形状 ( 限られた空間に入らなければいけない ) Noise/Gain に影響する DAQ システムの統合既に存在する検出器と組み合わせて運用するには何かしらの方法でデータを統合する必要があるイベント ID (common trigger) or Time stamp Slow コントロールや一部のモニタリングなど共通部分は共同研究的に情報をやりとりできたが独自の部分は開発する必要があった一つの大きなシステムとして GET を採用したのは初例であり人柱的なユーザーだったシステムの深部を教えてもらえた欲しい機能を導入してもらえた 28

29 限られたスペースに回路を収納するためにフレキシブル基盤を作ったが : 逆にノイズ源に 120fC, 233nsec Courtesy of W. Powell 29

30 読み出し回路の取り付け作業 (Dec ~ Feb. 2015) Checking the connection one board by one board. 半分取り付けたところでシリアスな問題が見つかり取り外してフランスへ送り返すことに Gluing spacer one by one. Connecting 384 boards. Half of electronics were mounted! 30

31 2015年8月に読み出し回路設置完了

32 SPiRIT 用 DAQ システム通常の RIBF 実験におけるデータサイズ : 数 Tbyte/1 実験 : 1HDD/1 実験 1 実験はだいたい 1 週間くらい Trigger はできるだけ Bias が Minimum に我々の場合はそのデータサイズが大きい 10MByte/eve w/o zero-suppress Trigger rate 1kHzだとすると 10GByte/secだがネットワーク上の制限により最大 1.2GByte/sec w/o zero-suppressの場合はdaq rate 最大 100Hz 0.1kByte/eve w/ zero-suppress まだ不完全この場合は数 khzまでいけるいずれにせよデスクトップマシンではもう無理理研計算機センターにて解析

理研計算機センターへ計算処理を集める必要な時にバースト的計算処理 ( クラウド的インフラ ) HOKUSAI: 京の 10 分の 1

33 理研計算機センターの一部へ ~ 戸建てからマンションの一室へ ~ 実験データ生成レート : 300MB/sec (1.2TB Max) 個人レベルでは Computing インフラの増強にも限界があるこれまでは work していた理研計算機センターへ計算処理を集める必要な時にバースト的計算処理 ( クラウド的インフラ ) HOKUSAI: 京の 10 分の 1 程度の処理能力を持つ次期システム RIBF データ収集結果確認 10Gbps line, short RTT コピー理研 HOKUSAI バースト的ジョブ生物化学ジョブ数日以内に 1 st production 生成

ゲーティンググリッド機構の開発 RI beam of 300MeV/u 132Sn Total beam rate: 10kHz, Purity: 50% Trigger rate 10~100Hz 9900Hz beam is useless and causes trouble on detector. Gain attenuation, field distortion.

34 ゲーティンググリッド機構の開発 RI beam of 300MeV/u 132Sn Total beam rate: 10kHz, Purity: 50% Trigger rate 10~100Hz 9900Hz beam is useless and causes trouble on detector. Gain attenuation, field distortion. Employment of Gating grid: Ion does not go to amplification region. Ion feed back does not come back to drift region. OPEN Gating grid -115 V Anode wire -115 V -115 V CLOSE -150 V -80 V -150 V

35 ゲーティンググリッドスイッチングにより Selective readout ができないチャンネルごとのディスクリによりどのチャンネルを digitize するか選択するゲーティンググリッド OPEN/CLOSE は大きなスパイクノイズを作る常にディスクリから出力が出てしまう全てのチャンネルが fire され結局すべてのチャンネルが digitize されてしまう SCA stop Physics signals Switching signal

36 run mm Al target Kyoto array out 実際の RI ビームを使った試運転一応きちんと動いている様だった 9 mm Al target Kyoto array M>=2 run 928

37 その他 : 重イオンによる巨大なチャージが入ると複数の pad に信号が spread Saturation effect と呼ばれるもの

38 その他 : 巨大なチャージが入ると該当 pad がしばらく dead に電荷アンプからの出力が saturate するため

39 近い将来の改良点 Hit pattern register を故意に操作する Get hit information track MuTANT Set hit register MuTANT Trigger モジュールにより故意に selective digitize するチャンネルを広げるディスクリの閾値設定がルーズで良くなるヒット位置を計算する上では大きい信号が見えるハットとその周辺のハットの波高を見る必要がある周辺のハットに見える信号は小さくディスクリの閾値設定がシビア故意に hit register を操作するのを 2msec 以内に完了しなければならないそれ以降は SCA 中のアナログ情報をロスする 39

40 まとめ理研 RIBF にて重イオン衝突実験用時間射影型 3 次元を構築した GET 汎用読み出しシステムを導入 2016 年春期に磁場中での試運転後物理ラン強固な実験インフラが求められる一方でそのリソースの供給源は限られる理研スパコンの利用高レートワイドダイナミックレンジでの読み出しに向けて study 中

SAMURAI TPCの読み出しシステム

SAMURAI TPCの読み出しシステム SAMURAI TPC の読み出しシステム理研仁科センター磯部忠昭 SAMURAI TPC 概要 Z: beam Bevalac EOS TPC がベース. P10 gas (1atm) を使ったワイヤ増幅のハット読み出し. 12000 個のハット TPC 直前にターゲット. 2 飛跡分離 : 2.5cm 想定荷電粒子数 : 10~100 B,E 12mm 8mm Y: drift 112pads