SAMURAI TPCの読み出しシステム

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こうじこいまる
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1 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 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 2

3 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 3

4 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. HIC) Trigger rate: 数百 Hz 重イオンが通過する中で Z=1 粒子検出が必要

5 ハドロン実験と原子核実験の違いハドロン実験 :Z=1 原子核実験 :Z>=0 de/dx Z2 重イオンを同じ検出器で同時に測定するのは ( 現在ほぼ ) できないこれからの検出器課題のうちの一つ J-PARC でも単位面積あたりの de による検出器の安定動作性は議論されるが原子核の場合 de が局所的になりその影響は出やすい壊れる毎に検出器の入れ替えわざと defocused ビームを作って検出器の寿命を延ばす

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.

6 SAMURAI-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 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.

7 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 Front-End Coding V, I, EM & Temp Control/Satb CoBo CoBo FPGA FPGA + + Memo Memo Mutant 2 FPGA µ - T C A 3-Level.Trigger.Clock.Calculated Selected Read-out 7

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

8 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 Front-End Coding V, I, EM & Temp Control/Satb CoBo CoBo FPGA FPGA + + Memo Memo Mutant 2 FPGA µ - T C A 3-Level.Trigger.Clock.Calculated Selected Read-out 8

9 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 Front-End Coding V, I, EM & Temp Control/Satb CoBo CoBo FPGA FPGA + + Memo Memo Mutant 2 FPGA µ - T C A 3-Level.Trigger.Clock.Calculated Selected Read-out 9

10 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 Front-End Coding V, I, EM & Temp Control/Satb CoBo CoBo FPGA FPGA + + Memo Memo Mutant 2 FPGA µ - T C A 3-Level.Trigger.Clock.Calculated Selected Read-out 10

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

MuTANT boards ZAP AsAd AGET ADC FPGA PULSER Front-End Coding V, I, EM & Temp Control/Satb

11 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 Front-End Coding V, I, EM & Temp Control/Satb CoBo CoBo FPGA FPGA + + Memo Memo Mutant 2 FPGA µ - T C A 3-Level.Trigger.Clock.Calculated Selected Read-out 11

12 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

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

13 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 13

14 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 DAC 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 DAC for 1 SCA-cell: 512cell DAC に >5msec 電力消費が大きい Pad Discri. SCA Hit Regist.

15 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 15

16 SAMURAI-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将来的には中心衝突事象を選び出すのに使用できるが信号を GET へ入れる必要がある為 Gating Grid の機構は使えない特殊な原子核反応に対して trigger をかけるのにも有効ビームもしくは他粒子によるゲイン減衰の問題を解決する必要あり 64 channels 1 channel DAC Charge range FILTER Discri inhibit Trigger pulse Hit register SCA SCAwrite AGET Trigger を受け付ける間は multiplicity 情報を 25MHz で trigger モジュールへ送る 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

17 SAMURAI-TPC へ GET を導入するには 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 A board to connect AsAd board to TPC has to be made by GET user. 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 TPC 以外の検出器と組み合わせて解析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) 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るが独自の部分は開発する必要がある要所要所でオリジナルを導入 GET を使ったシリコンの読み出し ( アンプはオリジナル ) DAQ 部分は各ファシリティにあわせる 17

18 3 つのインターフェイスボードを開発した 1 st : for testing with smaller TPC 2 nd : made with flexible board expensive 3 rd : rigid board (final) Designed/Made by H. Baba 18

19 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 19

20 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! 20

21 2015年8月に読み出し回路設置完了

22 SAMURAI-TPC 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 SAMURAI-TPC 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 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を行う必要がある

Catcher Catcher Merger Online analysis Small Disk Recorder Disk Array Recorder Disk Array Recorder Disk Array

23 RIBF DAQ SAMURAI-TPC データ収集系概観図 Catcher Recorder CoBo CoBo CoBo CoBo CoBo CoBo CoBo CoBo CoBo CoBo CoBo CoBo 1G 1G 1G 1G 1G 1G 1G 1G 1G 1G 1G 1G Switching Hub in μ-tca crate Send 10% of data to merger 10G 10G 10G 10G Catcher Catcher Catcher Catcher Merger Online analysis Small Disk Recorder Disk Array Recorder Disk Array Recorder Disk Array Switching Hub, uplink 10Gbps Recorder Disk Array 1 部のデータのみオンラインビルドしてオンラインモニタリング基本はオフラインイベントビルド理研の HPC Disk Tape Computing farm 23

24 TPC Data acquisition system Data acquisition: up to 1.2GB/sec. : 100TB/day

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.

25 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

26 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

27 新しい gating grid driver の開発パッドから見て電場が常に一定なのが理想 +/- のバランスを意識したものに -140V ~400 改良後 1/5~1/10 まで減少 -80V Mean=-29 Max = -80 みたい信号の高さは ADC200 程度なので許容範囲内だが induced charge の小さい Pad は埋もれるかも

28 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でした 9 mm Al target Kyoto array M>=2 run 928

29 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 29

30 Summary and Outlook SAMURAI-TPC に GET 読み出しシステムを導入し RIBF での実験準備が整った. 実際に RI ビームを用いた試運転を行い正常動作を確認した年 4 月磁場中での試運転後実際の物理ランを行う

SAMURAI TPCの読み出しシステム

SAMURAI TPCの読み出しシステム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