PHOS Readout Scheme for ALICE and Cosmic-ray Tests

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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 PHOS Readout Scheme and Slow Control
LHC-ALICE PHOS Calorimeter PHOS Readout Scheme and Slow Control PHOS Test-bench at Hiroshima Univ. Summary

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

4 PHOS Overview 要求される性能は、 ・ 0.1 – 100GeVの広いエネルギー範囲を覆う
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/S 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 ・磁場中でも影響を受けずに動作すること

5 PHOS Readout Scheme Sampling rate →10MHz HIGH Gain 5MeV – 5GeV
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、DAQ computer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28 FEE 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 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。
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 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。
ノイズ：小 ノイズ：大 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 ・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。 Mean : 42.43 RMS : 2.244 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。 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 Acronyms (1) AliROOT ALICE sw framework based on ROOT
AFFAIR A Fine Fabric and Applications Information Recorder Performance monitoring sw ADC ALICE Data Challenge ALICE DAQ/HLT/MSS/Offline integrated test BW Bandwidth CASTOR CERN Advanced STORage Manager CERN developed MSS CTP Central Trigger Processor System managing TRG L0, L1, L2 DAQ Data Acquisition System DAS Direct Attached Storage Storage accessible from one computer DATE Data Acquisition and Test Environment ALICE DAQ sw framework DDL Detector Data Link ALICE optical link DDL DIU DDL Destination Interface Unit Optical Link receiving side (DAQ side) DDL SIU DDL Source Interface Unit Optical Link sender side (detector side) EBDS Event Building and Distribution System Event building load balancing system EDM Event Destination Manager Sw allocating the GDC for event-building EOR End Of Run Phase of the DAQ control system GDC Global Data Collector CPU performing event-building HLT High Level Trigger ALICE Software Trigger Level 3 HW Hardware

18 Acronyms (2) I/O bus Input/Output bus Computer bus used for input/output L0, L1, L2 Trigger levels 0,1,2 Fast TRG based on partial data (hw) LDC Local Data Concentrator CPU performing DDL readout & sub-event building LTC Local Trigger Crate Local Trigger System: interface to central TRG and TTC, stand-alone TRG system LTU Local Trigger Unit Board interfacing the central TRG to the LTC MSS Mass Storage System Data management software NAS Network Attached Storage Storage accessible from a network through a server NIC Network Interface Card Computer interface to the network NTW Network OO Object-Oriented Software paradigm (C++, Java) PCI Open standard of PC I/O bus ROOT OO software framework for I/O & visualization RORC Read-Out Received Card Mother-board of the DDL SIU SAN Storage Area Network Network dedicated to serverless storage SMI State Manager Interface Run control based on distributed state machines SOR Start Of Run Phase of the DAQ control system SW Software TRG Trigger TTC Trigger, Timing and Control Optical broadcast system used by the TRG

19 DAQ architecture Event Building Network PDS Storage Network 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 File 123 DDLs 262 DDLs 10 DDLs 10 D-RORC 10 HLT LDC 329 D-RORC 175 Detector LDC Load Bal. LDC LDC LDC LDC LDC EDM Event Building Network GDC 50 GDC 25 TDS GDC GDC GDC DSS DSS 5 DSS PDS Storage Network TDS TDS

20 PWO Crystal and APD PWO(PbWO4) APD(Avalanche Photo Diode) + Preamp
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 North Crystal Co. PWO crystal 22×22×180 mm3 APD: Hamamatsu S8148/S

21 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 PWOの発光量は、低温に すると増大。 PHOS検出器は-25℃で 動作。
物質名 密度 [g/cm3] 放射長　[cm] モリエール 半径[cm] 減衰時間 [ns] 光量 [NaI比] PWO 8.28 0.89 2.0 5~15 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結晶 22×22×180 mm3

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23 APD

24 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. APD: Hamamatsu S8148/S C5 only for test 100M // 1pF J-FET Sensitivity Rise time Noise (ENC) Output polarity Feedback loop Power dissipation 2SK932 (IDSS rank =23) by SANYO 0.833V/pC 15-20 ns over full range 200 e e /pF x Cin(pF) Positive 100M // 1pF 64mW &

25 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

26 FEE

27 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℃。

28 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 = *x

29 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℃。

30 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

31 Trigger Mezzanine Board

32 PHOS FEE & RCU RCU( & DCS & SIU) FEE 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

33 PHOS 1st Module 1.4m 1.2m

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35 Function Generator FEE LED APD・CSP RCU

36 DATEの画面

37 この中で、triggerの選択ができる。
PHOS trigger Triggerシグナルの流れ アナログ→デジタル FPGAが乗っている。 FEE PWO/APD/CSP Fast OR TRU TOR ・ ×32 2*2 sum ×8 ×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。

38 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。

39 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。

40 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。

41 ALICE Photon Spectrometer (PHOS) Electro-Magnetic Calorimeter
120deg & -0.12<|η|<0.12 1.2m ~7m

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