Аппаратный отбор событий в сферическом нейтральном детекторе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Введение.

ГЛАВА 1 ОБЗОР АППАРАТНОГО ОТБОРА СОБЫТИЙ В

ДЕТЕКТОРАХ ФВЭ.

1.1 Основные типы систем отбора событий в детекторах для физики высоких энергий.

1.2 Конструктивы для размещения электроники.

1.3 Обзор технологий для построения ССД.

1.4 Использование информации от дрейфовых камер в аппаратном отборе событий.

ГЛАВА 2 ОПИСАНИЕ СФЕРИЧЕСКОГО НЕЙТРАЛЬНОГО

ДЕТЕКТОРА.

2.1 Накопитель ВЭПП-2М.Г.

2.2 Сферический Нейтральный детектор.

2.2.1 Общее описание детектора.

2.2.2 Координатная система.

2.2.3 Калориметр.

2.2.4 Мюонная система.

2.2.5 Программа экспериментов.

2.3 Система сбора данных СНД на основе спецкрейтов КЛЮКВА.

ГЛАВА 3 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ДЛЯ СИСТЕМЫ ОТБОРА

СОБЫТИЙ В СНД.

3.1 Сравнительные характеристики полезных событий и фона.

3.2 Оценка потерь полезной информации.

3.3 Задачи, возлагаемые на систему аппаратного отбора событий.

3.3.1 Задачи Первичного триггера СНД.

3.3.2 Задачи Вторичного триггера СНД.

ГЛАВА 4 СИСТЕМА ПЕРВИЧНОГО ТРИГГЕРА СНД.

4.1 Структура ПТ.

4.2 Первичный триггер дрейфовых камер.

4.2.1 Получение информации для ПТ.

4.2.2 Логика Треков.

4.2.2.1 Задачи, решаемые Логикой Треков.

4.2.2.2 Алгоритм поиска треков.

4.2.2.3 Устройство Логики треков.

4.2.3 Логика Слоев.

4.3 Первичный триггер калориметра.

4.4 Основные характеристики ПТ СНД.

4.5 Технические проблемы и решения.

ГЛАВА 5 ПРОЕКТ СИСТЕМЫ ВТОРИЧНОГО ТРИГГЕРА

5.1 Общая структура ВТ СНД.

5.2 Поиск кластеров в калориметре СНД.

5.2.1 Алгоритм подсчета кластеров.

5.2.2 Аппаратная реализация.

5.3 Система передачи данных от калориметра в крейт ВТ СНД.

5.3.1 ИВТ калориметра.

5.3.2 Плата чтения.

В настоящее время значительная часть экспериментальной информации в физике высоких энергий (ФВЭ) получается с помощью метода встречных пучков частиц. Большинство ведущих центров мира, занятых изучением элементарных частиц, проводят эксперименты на встречных пучках (или готовятся к проведению таких экспериментов). Сооружаются накопители, обладающие высокими светимостями и энергиями взаимодействующих частиц. Для экспериментов на этих накопителях требуются детекторы, представляющие собой уникальные, весом от тонн до тысяч тонн, комплексы разнообразных регистрирующих систем, служащих для идентификации и изучения свойств частиц - продуктов взаимодействия пучков.

Для обеспечения эффективной работы таких детекторов создаются не менее сложные электронные системы сбора данных (ССД), способные обрабатывать большие объёмы информации (от тысяч до миллионов измерительных каналов) с высокой интенсивностью (от тысяч до миллионов событий в секунду). Однако возможности компьютерной обработки данных не безграничны. В условиях, когда основная загрузка определяется фоновыми событиями, а доля полезных событий составляет лишь доли процента от полного потока, одним из важнейших компонентов системы сбора данных в детекторах физики высоких энергий является система предварительного аппаратного отбора событий.

В данной работе рассматривается решение проблемы отбора событий для Сферического Нейтрального детектора (СНД), работающего на электрон-позитронном накопителе ВЭПП-2М в ИЯФ СО РАН с 1995 года. Основные характеристики СНД с точки зрения системы отбора событий таковы:

• число каналов: -2000;

• время между столкновениями пучков: бОнсек (16МГц);

• загрузка детектора (или всех каналов): 1^-3x105 событий/секунду

ЮОч-ЗООкГц);

• интенсивность полезных событий: -20 событий/секунду 20Гц).

Заключение

Результат данной работы - система аппаратного отбора событий (триггер) для Сферического Нейтрального детектора, в неполном объёме начала работать с 1991 года, а в полном - с 1995 года; новые компоненты системы вводились в действие по мере готовности различных частей строящегося детектора. Основные характеристики триггера СНД следующие:

1. Мёртвое время - отсутствует (весь триггер работает в режиме логического конвейера с тактовой частотой 16 МГц, равной частоте столкновений пучков в накопителе ВЭПП-2М).

2. Полное время работы триггера - 800 нсек.

3. Эффективность отбора триггера к полезным событиям - «100%.

4. При загрузке от пучкового фона ~ 1 ООкГц в калориметре и >200кГц. в системе дрейфовых камер (ИЛИ всех проволочек) частота считывания данных в программный триггер после аппаратного составляет ~80 Гц, из которых -20 Гц - полезные события и -60 Гц - фоновые.

5.Потери «живого времени» системы сбора данных СНД составляют всего »10%, из них 4% - блокировки от накопителя ВЭПП-2М.

Использование программируемых масок для принятия решения триггера и программирование практически всех его аргументов позволяет строить достаточно гибкий триггер, работающий в меняющихся условиях эксперимента.

В результате усилий, направленных на то, чтобы сделать ПТ максимально эффективным, использование ВТ сделалось нецелесообразным, и он был исключён из системы сбора данных. В системе отбора событий СНД после аппаратного триггера с помощью программного ON-LINE триггера загрузка от фоновых событий подавляется в 3 раза, на ленту пишется ~40 событий в секунду, из которых ~20 Гц - полезные и ~20Гц - фоновые. Всё это вместе свидетельствует о высоких параметрах представленной в данной работе системы аппаратного отбора событий.

На защиту выносятся следующие результаты проделанной работы:

1. Разработан алгоритм поиска треков в системе дрейфовых камер с помощью логики на основе ОЗУ и ПЗУ. В 1997 году данный алгоритм был модернизирован для реализации с помощью программируемых логических микросхем фирмы ALTERA с целью повышения качества, гибкости и надёжности системы отбора событий.

2. Разработан алгоритм поиска кластеров в калориметре, имеющий 100%-ую точность и реализуемый с помощью простой логики. В мировой практике аналогичные алгоритмы или не имеют 100%-ой точности, или реализуются с помощью микропроцессоров.

3.Разработан алгоритм работы Вторичного триггера (ВТ) для СНД, основывающийся на последовательной обработке поступающей оцифрованной информации от различных систем детектора и применении программируемых масок от 64-х аргументов для принятия решения. Разработаны и проверены с помощью компьютерного моделирования алгоритмы работы всех модулей ВТ СНД.

4. Разработаны электронные схемы половины блоков ПТ СНД (13 видов блоков из 26-ти, с учётом модификаций) и настроено большинство модулей ПТ (59 плат 19-ти типов из 74-х плат 26-ти типов, с учётом модификаций и запасных модулей для оперативной замены).

5. Разработаны схемы всех блоков вт (15 видов блоков), изготовлены все печатные платы и настроен основной самый сложный блок -блок решения ВТ.

6. Создана система автоматизации диагностики неисправностей сложных модулей с входами ЭСЛ-уровня. Это необходимо по причине того, что невозможно вручную проверить блоки, имеющие до сотни параллельных входных сигналов, десятки выходных, работающие с частотой 16 МГц и состоящие из >100 микросхем.

7. При разработке алгоритмов работы сложных блоков написан комплекс программ моделирования.

8. Написан комплекс программ для полной проверки корректности работы каждого сложного модуля (программное тестирование каждого элемента блока и каждой связи между этими элементами методом подачи на блок программируемой комбинации входных сигналов, чтением состояния выходов и компьютерным анализом их соответствия) с автоматическим определением неисправной микросхемы. Первые из этих программ были написаны на языке Си для Электроники-60, следующие - на Си для РС и последние - на Си++. В настоящее время весь комплекс программ переписан на С++.

Автор выражает благодарность В.П.Дружинину за разработку физической концепции отбора событий (система параметров, список аргументов), явившейся ядром данной диссертации, и за контрольную проверку алгоритмов работы сложных модулей; Ю.В.Усову за разработку части первичного триггера, обрабатывающую информацию от калориметра, и за настройку аналоговой электроники системы ПТ; Д.А.Букину, Т.В.Димовой и С.В.Кошубе за интеграцию ПТ в систему сбора данных СНД и создание программного обеспечения для контроля и управления триггером в составе всего комплекса; а также всему коллективу сектора 3-12 и лаборатории 3-1 за помощь в реализации данной работы.

1. Бару С.Е. / Ядерная электроника: Учеб. пособие. // Новосибирск: Изд-во НГУ, 1995.

2. F.Bossi / The trigger and data acquisition system of the KLOE experiment // NIM, vol. A379, 1996, p.536.

3. P.Abreu et al. / Performance of the DELPHI detector // NIM, vol. A378, 1996, p.57.

4. I.J.D.MacGregor et al. / PiP a large solid angle scintillation telescope for detecting protons and pions // NIM, vol. A382, 1996, p.479.

5. I.Abt et al. / The HI detector at HERA // NIM, vol. A386, 1997, p.310.

6. R.Carlin, W.H.Smith, K.Tokushuku / The trigger of ZEUS, a flexible system for high bunch crossing rate collider // NIM, vol. A379, 1996, p.544.

7. M.Bowden, J.Carrel, J.Dorenbosch, V.S.Kappor / A 40 Gbyte/s readout system for large collider detectors // NIM, vol. A365, 1995, p.l58.

8. J.Richard Hubbard / The ATLAS trigger/DAQ system // NIM, vol. A360, 1995, p.331.

9. Peter Clark / The L2 trigger for the ATLAS detector at the LHC // NIM, vol. A368, 1995, p.175.

10. Speranza Falciano / The ATLAS Level-1 and Level-2 trigger // NIM, vol. A384, 1996, p.138.

11. W.H.Smith et al. / The ZEUS calorimeter first level trigger // NIM, vol. A355, 1995, p.278.

12. N.Ujiie et al. / Muon trigger system in the TOPAZ detector // NIM, vol. A371, 1996, p.421.

13. M.Adamovich et al. / WA92: a fixed target experiment to trigger on and identify beauty particle decays // NIM, vol. A379, 1996, p.252.

14. D.S.Bailey et al. / The design and performance of the ZEUS Central Tracking Detector Z-by-timing system // NIM, vol. A396, 1997, p.320.

15. V.Bocci et al. / Architecture and performance of the DELPHI trigger system //NIM, vol. A362, 1995, p.361.

16. M.Medinnis / HERA-B triggering // NIM, vol. A368,1995, p.161.

17. Верхотуров B.H. и др. / Автоматизация экспериментальных исследований на основе микро-ЭВМ и аппаратуры КАМАК // Автоматизация научных исследований, под ред. Свешникова А.Г. М. : Изд-во МГУ, 1984, с.75.

18. Wade D.Peterson / The VMEbus Handbook (Third Edition) // VFEA, USA, 1993.

19. Бражский A.B., Матвеев М.Ю., Рыбаков В.Г. / Схемы реализации протокола обмена данными управляющего прибора системы ФАСТБАС // ПТЭ., 1985 № 2, с.99.

20. Братский А.А., Матвеев М.Ю., Рыбаков В.Г. / Схемы реализации протокола обмена данными исполняющего прибора системы ФАСТБАС // ПТЭ., 1985 № 2, с.93.

21. VXIbus Specification (Revision: 1.3) // VMEbus International Trade Association (VITA), July 14, 1989.

22. Басиладзе С.Г. / Стандарт Мультибас II и перспективы его применения в аппаратуре автоматизации эксперимента (обзор) // ПТЭ., 1985 -№ 4, с.7.

23. NIM, vol. А362,1995, р.349.

24. K.Ohska, КЕК Electronics Group / VME as a front-end electronics system in high energy physics experiment // Proc. of symp. "Data Acquisition and Processing for Next Generation Experiments", March 1989, KEK, Tsukuba

25. Виноградов В.И. / Методика построения современных модульных систем (ЕВРОБАС, ЕЗС, ФАСТБАС и др.) // Сб. тр. III Всесоюз. симпоз. по пробл. модул.информ.-вычисл.систем (16-18 февр.1982 г.), М., 1983, с.12.

26. Грибовский Г.А. и др. / Перспективные стандарты на мультипроцессорные модульные электронные системы для автоматизации научных исследований // М., Препринт ИАЭ № ИАЭ-3835/16, 1983, с. 50.

27. Borrill P.L. / Objective comparison of 32-bit buses (VME, Futurebus, Multibus II, Nubus and Fastbus // Microprocessors & Microsystems, 1986, Vol. 10, №2, p. 94.

28. Koehle, Christopher / BTL™ (Backplane Transciever Logic) integrated solutions to Futurebus+ // Buscon Conference Proceedings, October 16, 1990, p.39.

29. Borer K, . Velikzhanin Y.S. et al. / Readout electronics development for the ATLAS silicon tracker // NIM, 1995 -Vol A3 60 (№l,2),p.l93.

30. C.Barlag, L.Carlen, K.ElChenawo / A16 channel VLSI chip, containing charge amplifier and analog to digital converter, for readout of highly granular particle detectors // NIM, vol. A406, 1998, p.299.

31. K.Abe et al. / Design and performance of the SLD Vertex detector: a 307 Mpixel tracking system // NIM, vol. A400, 1997, p.287.

32. W.J.Haynes et al. / The HI silicon tracker data acquisition system // NIM, vol. A403, 1998, p.313.

33. V.Arbet-Engels et al. / Analogue optical links for the CMS tracker readout system //NIM, vol. A409, 1998, p.636.

34. N.Koch et al. / The ARGUS vertex trigger // NIM, vol. A373, 1996, p.387.

35. M.Andlinger et al. / Pattern Comparator Trigger (PACT) for the muon system of the CMS experiment // NIM, vol. A370, 1996, p.389.

36. H.Itterbeck, J.Tutas / Application of a fast trigger system to the backward drift chamber of HI //NIM, vol. A394, 1997, p.57.

37. T.Ahmed et al. / A pipelined first-level trigger for the HI forward-muon spectrometer // NIM, vol. A364, 1995, p.456.

38. K.Abe et al. / Beam tests of the prototype level-1 trigger system and drift tubes with field-shapers proposed for the SDC barrel muon system //NIM, vol. A366, 1995, p.310.

39. M.DeGiorgi et al. / Efficiency studies of the front-end trigger device of the muon drift tubes for the CMS detector at LHC // NIM, vol. A398, 1997, p.202.

40. A.N.Skrinsky // Proc. of Workshop on physics and detectors for DAONE, Frascati, Italy, April 4-7, 1995, p.3.

41. G.M.Tumaikin // Proc. of the 10th Internat. Conf. on high energy particle accelerators, Serpukhov, 1977, vol.1, p.443.

42. S.I.Dolinsky et al. // Phys. Rep., № 202, 1991, p. 161.

43. M.D.Minakov et al. // Instrum. Exp. Tech., № 23, 1981, p.868.

44. Y.B.Golubev et al. // Instrum. Exp. Tech., № 24, 1982, p. 1373.

45. V.B.Golubev et al. //NIM, № 227, 1984, p.467.

46. В.В.Анашин и др. // Препринт ИЯФ № 84-114, 1984.

47. Г.А.Аксенов и др. //Препринт ИЯФ № 85-118, 1985.

48. R.R.Akhmetshin et al. / Measurement of ф meson parameters with CMD-2 detector at VEPP-2M collider // Preprint BudkerlNP 95-35, Novosibirsk, 1995.

49. В.М.Аульченко и др. / СНД Сферический Нейтральный детектор для ВЭПП-2М // Препринт ИЯФ № 87-36, 1987.

50. V.М.А ulchепко, . Y.S. Velikzhanin et al. / Beginning of the experiments with SND detector at e+e~ collider VEPP-2M//Preprint BudkerlNP 95-56, Novosibirsk, 1995.

51. V.M.Aulchenko,. Y.S.Velikzhanin et al. /SND-detectorfor VEPP-2M and ф-factory // Proc. of Workshop on physics and detectors for DA0NE, Frascati, Italy, April 9+12,1991,p.605.

52. V.M.Aulchenko, . Y.S. Velikzhanin et al. / Beginning of the experiments with SND detector at e+e~ collider VEPP-2M., // Proc. of the 6th Int. Conf. on Hadron Spectroscopy, Manchester, UK, July 10+14,1995,p.295.

53. M.N.Achasov,. Y.S.Velikzhanin et al. /Experiments with the SND detector at the e+e~ collider VEPP-2M in Novosibirsk//Proc. of the 7th Int. Conf. on Hadron Spectroscopy, Brookhaven (BNL), USA, August 25+30,1997, p.26.

54. M.NAchasov, . Y.S. Velikzhanin et al. / Experiment at VEPP-2M with SND detector //Preprint BudkerlNP 98-65, Novosibirsk, 1998.

55. В.М.Аульченко, . Ю. С.Великжаини и др. / Сферический Нейтральный детектор (СНД) для электрон-позитронного накопителя ВЭПП-2М//Препринт ИЯФ № 99-16,1999.

56. M.N.Achasov,. Y.S. Velikzhanin et al. / Status of the experiments with SND detector at e+e~ collider VEPP-2M in Novosibirsk // Preprint BudkerlNP 96-47, Novosibirsk, 1996.

57. M.N. Achasov,. Y.S.Velikzhanin et al. /First physical results from SND detector at VEPP-2M // Preprint BudkerlNP 97-78, Novosibirsk, 1997.

58. D.A.Bukin et al. / Scintillation counter with WLS fiber readout // NIM, vol. A384, 1997, p.360.

59. В.М.Аульченко, Б.О.Байбусинов, В.М.Титов / Информационные платы ТП, AT и Т2А системы сбора данных КЛЮКВА // Препринт ИЯФ № 88-22, 1988.

60. A.D.Bukin, . Y.S. Velikzhanin et al / Calorimeter of a Spherical Neutral detector//Phys. Atom. Nucl., №11,1993,p.l494.

61. А.Д.Букин, . Ю.С.Велшжанин и dp. / Калориметр сферического нейтрального детектора // Ядерная Физика, 1993, т. 56, вып. 11, с. 75.

62. V.V.Anashin, et al. / Vacuum photodetectors for e+e" collider detectors in BINP // Proceedings of the 6th Int. Conf. INST96, Novosibirsk, Russia, February 29 -s- March 6, 1996, NIM, vol. A3 79 (1996), p. 522.

63. В.М.Аульченко и др. / Информационная плата А32 системы сбора данных КЛЮКВА // Препринт ИЯФ № 88-30, 1988.

64. Б.О.Байбусинов, В.П.Дружинин, Ю.В.Усов / Электроника системы сцинтилляционных счётчиков детектора СНД // Препринт ИЯФ № 91-96, 1991.

65. M.N.Achasov,. Y.S.Velikzhanin et al. /Experimental study of the decay <fi->r¡y in multiphoton final state // JETP Lett., №68, 1998, p.573.

66. M.N.Achasov,. Y.S. Velikzhanin et al. / Upper limit on the jj-^t^ti0 decay//Phys. Lett. №B425,1998, p.388.

67. V.M.Aulchenko, . Y.S. Velikzhanin et al. / First observation of ф(1020)->л° / у decay //Phys. Lett. № B440,1998,p.442.

68. M.N.Achasov, . Y.S. Velikzhanin et al. / Observation of the decay ф—хот^ //Phys.Lett. MB449,1999, p. 122.

69. A.D.Bukin et al./ Experimental Data Management System for SND Experiment // Proc. of the Int. Conf. on Computing in High Energy Physics, Berlin, Germany, April 7+11, 1997.

70. V.M.Aulchenko et al. // NIM, vol. A409, 1998, p.639.

71. С.Е.Бару и др. / Служебные блоки системы сбора данных КЛЮКВА // Препринт ИЯФ № 88-26, 1988.

72. В.М.Аульченко, С.Е.Бару, Г.А.Савинов / Электроника новых детекторов ИЯФ // Препринт ИЯФ № 88-29, 1988.

73. M.N. Achasov et al. / Energy calibration of the Nal(Tl) calorimeter of the SND detector using eV eV events // NIM, vol. A411, 1998, p.337.

74. M.N.Achasov et al. / Energy calibration of the Nal(Tl) calorimeter of the SND detector using cosmic muons // NIM, vol. A401, 1997, p.179.

75. Великжанип Ю.С. и др. / Триггер детектора СНД для накопителя ВЭПП-2М // Модульные информационно-вычислительные системы: VII Всесоюзный симпозиум: Тез. докл. Новосибирск, 1989, с. 152.96

76. Д.А.Букин, . Ю.С.Великжанин и др. / Первичный триггер детектора СНД на ВЭПП-2М // Препринт ИЯФ № 98-29, 1998.

77. Ю.С.Великжанин и др. / Вторичный триггер для СНД // Препринт ИЯФ № 93-100, 1993.

78. Блоки, выполненные в стандарте КАМАК // информационный материал, ИЯФ, 1985.

79. Д.А.Букин, . Ю.С.Великжанин и др. / Логика Треков (трековый процессор) для СНД // Препринт ИЯФ № 98-15, 1998.

80. D.A.Bukin, . Y.S.Velikzhanin et.al. / The SND calorimeter first level trigger // Proc. of the 6th Int. Conf. on Instrumentation for experiments at e+e~ colliders, Novosibirsk, Russia, 29 February ^ 6 March 1996; NIM, vol A379,1996, p.545.

81. Э.Л.Неханевич, M.B.Ясенев / Интерфейсы для простой локальной сети // Препринт ИЯФ № 88-160, 1988.