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
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LHC - ALICE
15m
10,000ton
A Large Ion
Collider
Experiment
PHOton
Spectrometer
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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
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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
時間
LOW
Gain エネルギーに相当
80MeV – 80GeV
Trigger
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PHOS Readout Schemeと
Slow Control
• 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、DAQ computerへ送られる。
FEE : Front End Electronics
RCU : Readout Control Unit
•Readout
Schemeに付随したSlow
Control
• 1 moduleに1
DAQ computer
•FEEのON/OFF
• 1DAQ computerに4 RCU
•FEEの温度管理
• 1 RCUに28 FEE
•32chすべてのAPDへのBias Voltageの管理
• 1•FEEやCSPへのLow
FEEに32 ch
Voltageやcurrentの管理
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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。
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PHOS Test-bench at Hiroshima
PWO+APD etc
FEE+GTL bus +RCU
DAQ PC
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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。
全32chでのDAC値に対して、APDへの
• FEE上のDACへ10bitの値を送り、そのときの
Bias Voltageが0.2V(1bit)の範囲で十分線
APDにかかるBias
Voltageを測定した。
•形性があることを確認した。
DAC値に対するLinearityの確認。
出力リミット
HV
(400V)
設定値
APD
10bit DAC
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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
約600ch ルを確認した。
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。
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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。
LEDの光を
1chのAPDに
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。
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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
100eventの波形を重ねたもの
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。
ノイズ：小
ノイズ：大
Mean : 57.5
Mean : 42.43
・ノイズレベルが大きく、また日によっても違い、
RMS : 57.76
RMS : 2.244
現状ではノイズ源が特定できていない。
始めの10sampling分の値の平均値を
ノイズレベルが不安定で非常に高く、まずはノ
pedestalとしてヒストグラムにしたもの。
イズ源を見つけて、ノイズを落とす必要がある。
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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。
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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。
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ALICE Collaboration
30 Countries, 96 Instituons, ～1015 Members
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Backup Slides
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DAQ architecture
Rare/All
BUSY
CTP
L0, L1a, L2
BUSY
LTU
LTU
DDL
L0, L1a, L2
TTC
H-RORC
TTC
FEP
Event
Fragment
Load Bal.
FERO FERO
123 DDLs
HLT Farm
FERO FERO
10 DDLs
262 DDLs
329 D-RORC
LDC
FEP
10 D-RORC
175 Detector LDC
LDC
LDC
10 HLT LDC
LDC
LDC
Sub-event
EDM
Event Building Network
Event
GDC
GDC
GDC
GDC
50 GDC
25 TDS
DSS
DSS 5 DSS
File
PDS
Storage Network
TDS
TDS
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PWO Crystal and APD
• 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
North Crystal Co.
PWO crystal
22×22×180 mm3
• 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
APD: Hamamatsu S8148/S8664-55
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鉛タングステン酸結晶(PWO)
• 他の無機シンチレータとの比較
物質名
放射長
[cm]
PWO
密度
[g/cm3]
8.28
0.89
モリエール
半径[cm]
2.0
減衰時間
[ns]
5~15
光量
[NaI比]
0.01
BGO
7.13
1.12
2.4
300
0.15
NaI
3.67
2.59
4.5
250
1.00
CsI
4.53
1.85
3.8
565
0.40
• PWOの発光量は、低温に
すると増大。
• PHOS検出器は-25℃で
動作。
PWO結晶
22×22×180 mm213
22
APD
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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
J-FET
Sensitivity
Rise time
Noise (ENC)
Output polarity
Feedback loop
Power dissipation
100M // 1pF
2SK932 (IDSS rank =23) by SANYO
0.833V/pC
15-20 ns over full range
200 e + 3.2 e /pF x Cin(pF)
Positive
100M // 1pF
64mW (4.2mA @12V & 2.2mA @-6V)
APD: Hamamatsu S8148/S8664-55
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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
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FEE
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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℃。
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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
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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℃。
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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
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Trigger Mezzanine Board
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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
32
1.4m
PHOS 1st Module
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34
Function Generator
LED
APD・CSP
FEE
RCU
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DATEの画面
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PHOS trigger
• Triggerシグナルの流れ
アナログ→デジタル
PWO/APD/CSP
・
×32
・
・
FEE
Fast OR
Shaper
2*2 sum
×8
Altro
TRU
×8
×14
FPGAが乗っている。
TOR
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。
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Trigger Region Unit (TRU)
1 branchにつき、1つの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。
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Trigger OR(TOR)
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。
• 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。
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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。
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ALICE
15m
10,000ton
120deg & -0.12<|η|<0.12
Photon Spectrometer (PHOS) Electro-Magnetic Calorimeter
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42

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