1 / 31

CMS – wyzwalanie na miony w oparciu o komory RPC

CMS – wyzwalanie na miony w oparciu o komory RPC. S eminarium Oddziału Fizyki i Astrofizyki Cząstek IFJ, 26 maja 2009. L arge H adron C ollider. CMS - C ompact M uon S olenoid. Całkowita waga : 12 500 t Średnica : 15 m Długość : 21.6 m Pole magnetyczne : 4 Tesla

sigourney-emerson
Download Presentation

CMS – wyzwalanie na miony w oparciu o komory RPC

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. CMS – wyzwalanie na miony w oparciu o komory RPC Seminarium Oddziału Fizyki i Astrofizyki Cząstek IFJ, 26 maja 2009

  2. Large Hadron Collider Karol Buńkowski, UW

  3. CMS - Compact Muon Solenoid Całkowita waga: 12 500 t Średnica: 15 m Długość: 21.6 m Pole magnetyczne: 4 Tesla Pokrycie w : 5.5 kalorymetr forward 2.1 system mionowy Karol Buńkowski, UW

  4. Dlaczego wyzwalanie w LHC? LHC 2  2875 paczek protonów, odległość między paczkami 7.5 m 1011protonów / paczka E = 7 TeVnaproton 40 milionów przecięć paczek /s ~ 20oddziaływań proton-proton co każde25 ns, W wyniku których powstają setki cząstek Odpowiedz detektora ~1 MBytedanych (skompresowanych)  4  1013 Bytes (40 000 GB) / s Strumień danych niemożliwy do zapisania Karol Buńkowski, UW

  5. Dlaczego wyzwalanie w LHC?(2) Większość ze zdarzeń jest nieinteresująca („klasyczna” fizyka) Sygnatura: niskiepędy poprzeczne (pT) Interesują nas Bardzo rzadkie zdarzenia w którychpowstały nowe ciężkie cząstki Rozpadają się one na wysokoenergetyczne obiekty: dżety hadronowe, leptony, fotony Sygnatura: wysokiepędy poprzeczne (pT) Karol Buńkowski, UW

  6. System wyzwalania („tryger”) zapisz odrzuć Ocenia wybrane, zgrubne dane z każdego zdarzenia i na ich podstawie decyduje czy: Zapisać zdarzenie do pamięci masowej Czy też je odrzucić Najważniejsze to nie zgubić interesujących przypadków = wysoka efektywność Oraz zapewnić, aby wyjściowa częstość przypadków nie przekraczała maksymalnej przepustowości systemu akwizycji danych Karol Buńkowski, UW

  7. System wyzwalania i akwizycji danych w CMS • Tryger pierwszego stopnia (Level 1) • Dedykowana elektronika • @ 40 MHz • Analizuje każde przecięcie paczek •  przetwarzanie potokowe; wypracowanie decyzji - 3.2 s, w tym ~2 s transmisja danych Wyjście ≤100 kHz Bufory odczytowe na 128 przypadków = 3.2 s • Tryger wyższego stopnia (HLT) • Farma ~1000 komputerów, wykonujących algorytmy selekcji przypadków – analiza danych w czasie rzeczywistym: • Stopniowa rekonstrukcja przypadku • Uwzględniona kinematyka i topologia przypadku • Informacje z trackera, pełny tracking • Redukcja przypadków ze 100 kHz do100 Hzzapisywanych na taśmach magnetycznych • Event Builder • switching network • (~512 FED512 BuilderUnits) • Całkowita przepustowość ok. 500 Gbit/s Karol Buńkowski, UW

  8. Tryger pierwszego stopnia (Level 1) Calorimeter Trigger Muon Trigger DAQ RPC hits CSC hits DT hits ECAL Trigger Primitives HCAL Trigger Primitives Podsystemy trygera: Identyfikuj, mierzą i sortują obiekty trygerowe Link system Segment finder Segment finder RegionalCalorimeterTrigger Track finder Pattern Comparator Track finder 40 MHz pipeline 4+4 m 4 m 4 m MIP+ISO bits GlobalCalorimeterTrigger Global Muon Trigger Algorytmy GT: cięcia uwzględniają lokalizacje i koincydencje obiektów 4 m e/, J, ET, HT, ETmiss Global Trigger Status L1A (trigger) TTC system TTS system ` 32 partitions Detectors Frontend Karol Buńkowski, UW Seminarium Oddziału Fizyki i Astrofizyki Cząstek IFJ, 26 maja 2009

  9. Tryger mionowy Identyfikacja mionów, zakładana efektywność >95% dla mionów o pT> 40 GeV Odpowiednio dokładny pomiar pędu i znaku mionów(po cięciu na ok. 25 GeV/c częstość trygera < 12.5 kHz) Niski poziom fałszywych trygerów i „duchów” Jednoznaczne przypisanie mionu do zdarzenia (przecięcia paczek) Trzy niezależne, redundantne podsystemy: DriftTube– beczka Cathode Strip Chambers– pokrywy RPC – beczka i pokrywy Rozpoznawanie śladów oparte na porównywaniu z wzorcami (Pattern Comparator PAC) Mniejsza rozdzielczość przestrzenna (2-4 cm w R-φ) Bardzo dobra rozdzielczość czasowa komór  pewne przypisanie znalezionego mionu do przecięcia paczek. Odporność na wysoką częstość • Dwa stopnie: • lokalne segmenty śladów w komorach • Track Finders (TF) – budowanie pełnych śladów, pomiar pędu poprzecznego mionu • dobra rozdzielczość przestrzenna i co za tym idzie pędowa • przy wyższej zajętości (docelowej świetlności LHC) możliwe niejednoznaczności pozycji lub czasu Global Muon Trigger – dopasowanie i scalanie mionów z trzech podsystemów Karol Buńkowski, UW

  10. Tryger mionowy L1 i HLT – efektowność i wyjściowa częstość HLT Przerwy między kołami Płaski rozkład pT5-100 GeV/c Świetlność 2 × 1033 cm−2s−1 || Level 1 – elektronika Level 2 – rekonstrukcja mionów tylko na podstawie systemu mionowego i obiektów Level 1; cięcia Level 3 – pełna rekonstrukcja z wykorzystaniem trackera, cięcia. W razie potrzeby wymaganie izolacji mionu. Karol Buńkowski, UW

  11. RPC PAC Muon Trigger System zaproponowany i zaprojektowany przez warszawską grupę CMS Współpraca: Komory: Włochy, CERN, Korea, Pakistan, Chiny, Bułgaria Elektronika: Polska (Warszawa), Finlandia, Włochy, Karol Buńkowski, UW

  12. isolator graphite - bakelite readout strips + + 2 mm -  HV HV RPC - Resistive Plate Chambers Detektor gazowy, zoptymalizowany do detekcji mionów w warunkach CMSu • Podwójna wnęka gazowa (szerokość: 2 mm) ze wspólnymi paskami odczytowymi • Napięcie zasilające ~9.5 kV • Komory pracują w ograniczonym modzie lawinowym: mniejsze wzmocnienie gazowe (~109 - 1010) + wzmacniacz elektroniczny • Paski odczytowe: szerokość: 0.5 – 4 cm, długość: 20 -100 cm • Mieszanka gazowa: 96.2% C2H2F4, 3.5% isoC4H10, 0.3% SF6 • Rozdzielczość czasowa~1 ns • Efektywność> 95% • Szum~5 Hz cm2(bakelit poolejowany) • Odporność na wysoką częstość cząstek (do 1000 Hz/cm2) Karol Buńkowski, UW

  13. Link Board Link Board Link Board Synchronization Unit & LMUX FEB FEB FEB FEB FEB FEB Tryger mionowy RPC PAC Detector Counting room Control & diagnostic LVDS cables Ghost Buster & Sorter Trigger Board GB & Sorter SYNCH. & LDMUX PAC Optic Links 90 m @ 1.6 GHz 1104fibers PAC 1232Link Boards in96Boxes, Steered byControl Boards To theGlobal Muon Trigger PAC Data Concentrator Card RMB To Data Acquisition 84Trigger Boards in12Trigger Crates Data transmission @ 320 MHz Resistive Plate Chambers Up to 6 layers of detectors. 480 chambers in barrel, 504inendcaps * Numbers of elements for the staged version of the system Karol Buńkowski, UW

  14. Złożoność systemu Detektor RPC: • 984 komory, kilkanaście typów różniących się kształtem i szczegółami konstrukcji • ~120 000 pasków– 1-bitowych kanałów elektronicznych Elektronika tryger PAC: • 12 typów płyt elektronicznych • ~1500 sztuk płyt elektronicznych • Kilometry kabli (elektrycznych i optycznych) • System synchroniczny, wszystkie układy pracują z tym samym zegarem 40 MHz • Elektronika oparta na programowalnych układach FPGA • Wszystkie płyty kontrolowane przez komputery – rozbudowana diagnostyka i monitoring; oprogramowanie sterujące Karol Buńkowski, UW

  15. TriggerBoard • Najbardziej złożona płyta w systemie: • wejście: 18 linków optycznych @ 1.6 GHz, strumień danych ~17 Gbitów/s • dystrybucja danych po płycie z częstością 320 MHz • 12 warstw, w tym dwie specjalne warstwy ceramiczne • mieści m.in.: • 4 chipy PAC wykonujące algorytm trygera, • chip GBS sortujący znalezione miony • chip RMB odpowiedziały za akwizycje danych Karol Buńkowski, UW

  16. TechnologiaFPGA Field Programmable Gate Array– chip z w pełni konfigurowalną logiką logic functions generator – 16 bit memory Carry and control logic, gates, MUX, etc. Synchronization to clock Look -up Table Flip-Flop Programmable interconnection lines Block RAM Input-output logic Logika jest tworzona w dedykowanych językach, np. VHDL (Very High Speed Integrated Circuits Hardware Description Language). Kompilowana dedykowanym oprogramowaniem • Np. AlteraStratix II (EP2S90F1020C3, ~2005 rok), użyty jako PAC: • 72768 LUTs • 4.5M bitów pamięci RAM • 902pinów • bloki DSP (Digital Signal Processing), układy mnożące Karol Buńkowski, UW

  17. Przegląd zadań i problemów • Komory: projektowanie, produkcja, testowanie, instalacja, uruchamianie • Elektronika: projektowanie, testowanie, produkcja, instalacja, integracja • Testy odporności radiacyjnej układów elektronicznych • Rozwój i testowaniefirmware’u dla układów FPGA • Zintegrowane z elektroniką oprogramowanie do konfiguracji, kontroli, monitoringu i diagnostyki systemu: • Rozproszony, wielowątkowy system komputerowy; dedykowany software oparty na oprogramowaniu rozwijanym przez CMS, • Umożliwia monitoring trygeraw czasie rzeczywistym oraz zaawansowane procedury testowe, • Bazy danych: struktura detektora i elektroniki, dane konfiguracyjne, dane o stanie systemu. • Synchronizacja systemu (przypisanie danych do właściwego przecięcia, synchronizacja danych podczas transmisji) • Rozwój i optymalizacja algorytmów trygera • Symulacja systemu, analizy jakości działania • Akwizycja danych, analizy offline (jakość komór i trygera) Karol Buńkowski, UW

  18. 3/4 Algorytm trygera: Pattern Comparator (PAC) Sygnały z komór są porównywane do predefiniowanych wzorców torów mionów. Wzorce odpowiadają mionom o rożnym pT Mion – koincydencja czasowasygnałów z kilku warstw komór, z pasków pasujących do (przynajmniej jednego) wzorca. • Komory tworzą 6(beczka) lub 4 (pokrywy) warstwy otaczające punkt oddziaływania. 1152 pasków w każdej warstwiejeden pasek = 0.3125˚ PłaszczyznyRPC • Wymagana liczba „zapalonych” płaszczyzn: • Beczka: 6/6lub 5/6lub4/6 lub3/4 wewnętrznych płaszczyzny • pokrywy: 4/4 or 3/4 • Liczba „zapalonych” płaszczyzn daje „jakość” rekonstrukcji śladu. „Jakość” jest używana przy sortowaniu i śladów i „zabijaniu duchów” paski Wzorzec – zestaw bramek AND o wejściach podłączonych do odpowiednich pasków Karol Buńkowski, UW

  19. Implementacja PACa w układach FPGA Aby obsłużyć cały detektor potrzeba 300chipów PAC (stosunkowo dużych układów FPGA). Każdy analizuje max 576 pasków i zawiera 3 000 – 14 000 wzorców (duża liczba wzorców dla niskiego pT). Wzorce są na stałe wkompilowane w firmware. Ponieważ każdy PAC zawiera inne wzorce, każdy jest kompilowany oddzielnie (~godzina/PAC) Wzorce są generowane na podstawie symulacji mionów w CMSie. Zaawansowane algorytmy wybierania wzorców tak aby osiągnąć możliwie najlepsza efektywność i czystość trygera, minimalizując jednocześnie liczbę wzorców (wzorce muszą się zmieścić w używanych chipach FPGA) Karol Buńkowski, UW

  20. Link Boards Trigger Crates Data processing Trigger algorithm Transmission Transmission Transmission Control Diagnostic Control Diagnostic DAQ DQM HLT CCU VME DB On-line Software System diagnostyki i monitoringu • W firmwarze każdego układu FPGA zaimplementowano obok algorytmów trygera rozbudowaną warstwę diagnostyczną: • moduły odczytu diagnostycznego – podglądanie danych płynących przez system • generatory pulsów testowych • wielokanałowe liczniki i histogramy pozwalające mierzyć częstość sygnałów z komór i częstość mionów • Moduły weryfikujące poprawność transmisji + liczniki błędów • Sterowane, odczytywane i analizowane przez software Detector • Zastosowane w testowaniu systemu: • Testy implementacji algorytmów (porównywanie z emulatorem) • Testy poprawności podłączeń kabli • Testowanie prototypów, debugowanie, itd.. Karol Buńkowski, UW

  21. Monitoring online Monitoring statusu elektroniki: periodyczny odczyt rejestrów informujących czy układy elektroniczne działają poprawnie, sprawdzanie wartości liczników błędów transmisji Monitoring działania komór RPC na podstawie wielokanałowych liczników z LB Częstość sygnałów czas paski Częstość mionów Monitoring trygera – częstość 4 wyjściowych mionów (beczka) Karol Buńkowski, UW

  22. Synchronizacja systemu trygera Czyli „Zsynchronizujmy zegarki” Czyli Problem jednoczesności zdarzeń w praktyce Karol Buńkowski, UW

  23. Synchronizacja systemu trygera (1) 14m = 42ns 4.2m = 14ns Różnice w czasie lotu mionów do różnych komór > 25 ns • Jeszcze większe różnice w czasie propagacji sygnałów z komór do Link Board-ów(od 33 do 107 ns) • A przecież w PACach chcemy mieć koincydencję sygnałów w 25 ns! Karol Buńkowski, UW

  24. Synchronizacja systemu trygera (2) Sygnał wyjściowy LB1 opóźnienie 25ns Czas propagacji Czas lotu LB2 LB3 zderzenie czas Cel: na wyjściu wszystkich LB sygnały pochodzące z tego samego przecięcia pojawiają się dokładnie w tym samym momencie (25 ns). • Optymalną pozycję okienek i opóźnienia dla danychmożna obliczyć dla każdego LB z: • Czasu lotu mionu do komory • Czasu propagacji sygnałów po kablach z RPC do LB: • winOpeni = (timin + iTTC+ offset) % 25 ns • didata = a – int[(timin + offset)/25ns] + bi - (1*) + ciwin+ (2SM) • następnie poprawić na podstawie analizy zebranych danych W Link Boardach sygnały z pasków są najpierw synchronizowane do zegara 40 MHz („kwantyzacja czasowa”) przy pomocy „okienka synchronizacyjnego. Następnie dodatkowo opóźniane o całkowitą liczbę taktów zegara. Karol Buńkowski, UW

  25. Synchronizacja systemu trygera (3) • Jak wyznaczyć „ten sam moment”? dystrybuowane do wszystkich płyt z jednego miejsca (system TTC podłączony do LHC). Transmisja LB – TB - kompensacja różnic w długości światłowodów: Dane transmitowane do TB są oznaczane na LB numerem przecięcia. Na TB dane są opóźniane tak, aby numer przecięcia otrzymany z danymi pasował do lokalnego numeru na TB • „Układem odniesienia” jest zegar 40 MHz, synchroniczny z wiązką. • Początek układu wyznacza sygnał startujący odliczanie przecięć (czyli taktów zegara). Na odbiornikach odpowiednio opóźniany, aby skompensować różnice w długościach światłowodów Karol Buńkowski, UW

  26. Synchronizacja sygnałów RPC- miony kosmiczne Sygnały ze wszystkich komór jednego koła Tryger Dane za wcześnie Dane za późno BX sygnału z komory względem trygera Karol Buńkowski, UW

  27. Wrzesień 2008 – miony z „beamdump” widziane w systemie RPC Karol Buńkowski, UW

  28. Wrzesień 2008 – miony z „beamdump” widziane w systemie RPC (2) Liczba sygnałów z komór RPC z jednego koła BX= -3 numer koła Karol Buńkowski, UW

  29. Wrzesień 2008 – miony z „beamdump” widziane w systemie RPC (2) Liczba sygnałów z komór RPC z jednego koła BX= -2 25 ns później ENDCAP BARREL numer koła Odległość między kołami -1 i 17.5 m = c·25ns Karol Buńkowski, UW

  30. Backup Karol Buńkowski, UW

  31. Segmentacja w , Karol Buńkowski, UW

More Related