COMET Phase-I CDC用読み出し回路のファームウェア開発及び性能評価

大阪大学大学院 理学研究科 物理学専攻 久野研究室 博士前期課程2年

中沢 遊

2015年度 素粒子・原子核グループ 修論発表会 1

2016年 2月 10日 素粒子・原子核グループ 修論発表会

目次• イントロダクション • COMET Phase-I 概要 • 読み出しボード (RECBE)

• データ量削減機能 • 概要 • 動作試験

• 中性子対策 • 概要 • 中性子照射試験 • セットアップ • 測定結果

• まとめ

22015年度 素粒子・原子核グループ 修論発表会

イントロダクション

32015年度 素粒子・原子核グループ 修論発表会

COMET Phase-I目的 : 荷電レプトンフレーバー非保存現象の探索

Al 原子中のミューオン電子転換過程 @J-PARC (2018年) B.R.(µ -> eγ) ~ O(10

-54 ) @標準模型

110日間の測定で実験感度 (S.E.S.) ~ 3 × 10-15　(先行実験の100倍)

検出器 : Cylindrical Drift Chamber (CDC) & ストロー飛跡検出器

信号 : 105 MeV の単一エネルギーを持った電子

背景事象 : Decay In Orbit 電子 & ビーム由来の事象

CDC読み出しボード : Belle-IIで開発されたRECBE (104枚)

42015年度 素粒子・原子核グループ 修論発表会

Signal

DIO

DIOとシグナルの運動量分布

運動量 [MeV/c]

RECBE 52015年度 素粒子・原子核グループ 修論発表会

8ch/chip

8ch/chip

LEMO Connector

ASD

ADC

SFP slot

FPGA

CDCからの信号 48 ch/board

トリガー信号DAQ PC

時間分解能：1 ns以下 • CDCの位置分解能を制限しない

トリガーレート耐性 : ~180 kHz • 想定されるトリガーレートは60 kHz • 安全率を3とした

ガンマ線耐性 : ~0.2 kGy (110 days) • Belle-IIグループの調査に各素子において要求性能のを満たすことがわかっている

中性子線耐性 : ~1012 neutrons/cm

2

(110 days) • ファームウェアが破損する恐れがある • 破損した場合は取得データの信頼性が失われる

要求性能

本研究内容2015年度 素粒子・原子核グループ 修論発表会

データ量削減機能 • ファームウェアの改良 • 動作確認

中性子対策 • ファームウェアの改良 • 中性子照射試験　@TANDEM (神戸大学) • 中性子対策の評価

6

性能評価試験 • ASDの性能評価 • 電荷増幅率 • ノイズレベル • クロストーク

• COMET用RECBEの性能評価 • 時間分解能 : 1 ns以下 • トリガーレート耐性 : 180 kHz

赤字：発表内容

データ量削減機能

72015年度 素粒子・原子核グループ 修論発表会

概要：目的 82015年度 素粒子・原子核グループ 修論発表会

h1Entries 5552Mean 1.179RMS 0.8614

[keV])dep

(E10

log-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 40

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240h1

Entries 5552Mean 1.179RMS 0.8614

Deposit Energy

Deposit EnergyDeposit Energy

Noise TrackSignal Track5 keV Line

目的：背景事象によるデータの削減 • 信号電子と背景事象のエネルギー損失量の違い • ADC：時間毎のCDCからの入力電荷 • ADC積分値 (q) に対して閾値を設定してデータ選別

CDC内でのエネルギー損失量Geant4

log10 (E [keV])

from Chen

概要：ブロック図 92015年度 素粒子・原子核グループ 修論発表会

DAQ PC

破棄

i ch

Data Mode

No

qi = qi + ADCi

Yes

qi < qth

ADCi

Data Data Data全48ch

FPGAトリガー信号

Ring Buffer

：qに対する閾値qth

動作試験：セットアップ 102015年度 素粒子・原子核グループ 修論発表会

LV Power Supply

Downloader

Optical Media Convertor HUB

JTAG

LV Cable

Optical Fiber LAN

LAN

USB

LEMO LEMO

TEST IN

Clock Generator

Function Generator

RECBETRGCLK

LEMO

DAQ PC

トリガー 入力信号

周波数 10 kHz 10 kHz

遅延時間 500 ns 0 ns

High 0 mV 0 mV

Low -800 mV -200 mV

ファンクションジェネレータ

ASD内蔵の1pFのコンデンサーを通して電荷を入力している入力電荷(fC)=入力信号(mV) × 1(pF)

動作試験：結果 112015年度 素粒子・原子核グループ 修論発表会

No cutEntries 480000

q6800 7000 7200 7400 76000

500

1000

1500

2000

2500 No cutEntries 480000

全チャンネルのq値のヒストグラムCutValue=7300Entries 404147

q6800 7000 7200 7400 76000

500

1000

1500

2000

2500 CutValue=7300Entries 404147

CutValue=6900Entries 41123

q6800 7000 7200 7400 76000

500

1000

1500

2000

2500 CutValue=6900Entries 41123

動作試験結果 • CutValue：q値の閾値 • Entries：取得できたイベント数 • 閾値でヒストグラムが途切れている

データ量削減機能が正常に動作していることを確認できた

q q6800 7000 7200 7400 7600q6800 7000 7200 7400 7600 q6800 7000 7200 7400 7600

中性子対策

122015年度 素粒子・原子核グループ 修論発表会

概要 132015年度 素粒子・原子核グループ 修論発表会

• ファームウェアが中性子により破損 (Single Event Upset ; SEU)

• 自動修復マクロ (SEU Controller) の実装 • ハミングコードによるSEUの検出と修正が可能 • モジュラー演算を利用した独立検知機能 Cyclic Redundancy Check (CRC) • UnRecoverable Error (URE) : 修正不可能 • URE発生時はファームウェアの書き直し • UDP通信によりデータ読み出し可能

• 中性子試験照射試験の評価項目 1. SEU Controllerの動作確認 2. SEUの発生頻度 3. UREの発生頻度

Single Event Upset • 中性子と半導体原子の核反応による荷電粒子の生成 • 荷電粒子のドリフトにより生成した電子正孔対により論理反転 • 複数同時発生したSEU；Multi Bit Errors (MBE)

安部晋一郎（九州大学）修士論文

中性子SEU発生模式図

中性子照射試験：セットアップビーム : ~3 MeV 重陽子 標的 : Be (厚さ20 mm) 中性子強度 : (1.90 ~ 3.81) × 106 neutrons/cm2

( 標的からの距離 : 10 cm ) ( ビーム電流 : 1 microC/s )

TANDEM加速器 @神戸大学

14Year-end joint session 2015

ref. Nakanishi Hitoshi (Univ. of Tokyo) JPS 2015 autumn

TANDEM

中性子ビームライン

2 MeV中性子エネルギースペクトル

1 2 3 7 8 9 104 5 6En [Mev]

Be標的 重陽子 ビーム

RECBE 24 mm

中性子

FPGAPCB

ref：Neutrons from Thick Target Beryllium Reactions at 1.0 MeV to 3.0 MeV

(Tetsuo INADA, 1968)

RECBE設置位置

Unix time SEU counter CRC

中性子照射試験：動作確認 152015年度 素粒子・原子核グループ 修論発表会

UDP通信で読み出したレジスタの値SEU Controllerの動作確認

• SEU counterの数が時間とともに増加 • CRCの出力は常にゼロ • SEU ControllerによるSEU検知及び、修正を確認

（＊）1秒毎にUDP通信によりデータ読み出し

LV Power Supply

Downloader

Optical Media Convertor

JTAG

LV Cable

Optical Fiber LAN

USB

Clock Generator

RECBECLK

LEMO

DAQ PC

HUBLAN

Monitor PC

LAN

Control room

中性子照射試験：測定結果 162015年度 素粒子・原子核グループ 修論発表会

SEUの発生頻度 • SEUの発生回数とFPGAへ入射した中性子量が比例 • SEUと中性子量の総数からRate-1を計算

UREの発生頻度 • SEUとUREの発生回数がおよお比例 • SEUとUREの発生回数の比を求めた。

= 283 ± 19 SEUs/URE

SEUsURE

= (6.60±0.03)⇥104

233±15

The total UREs0 50 100 150 200 250

The

tota

l SEU

s

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

Run1

The total SEUs

The total UREs

The total SEUs0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000

The

tota

l neu

trons

0

2

4

6

8

10

12

14

1210×

Run1

The total SEUs

The total neutrons

SEUとFPGAへ入射した中性子量の関係

SEUとUREの発生回数の関係

Rate�1 = (1.41⇠2.83)⇥1013

(6.60±0.03)⇥104

= (2.12 ⇠ 4.25) ⇥ 10

8Neutrons/SEUs

File = 3DGeoPhaseI.dat COMET Phase-I SimPHITSv2.0 Date = 12:59 09-Jan-201

plotted by ANGEL 4.35 calculated by PHITS 2.80 50 100 150 200

0

50

100

150

200

YokeStainlessFeConcretePolyethyleneLeadConcreteMagnetAluminiumSiliconCarbonAcrylScintillator

RECBE

Al標的

CDCfrom Y. Yang (Kyushu Univ.)

Phase-IにおいてRECBEに入射する中性子流量 (PHITS)Neutron Energy [Mev] Neutron Flux [n/cm2/sec]

En < 0.1 5.89 × 104

0.1 < En < 5 2.95 × 104

5 < En < 10 8.03 × 102

En > 10 1.36 × 103

COMET Phase-Iにおける中性子量172015年度 素粒子・原子核グループ 修論発表会

ref. Abe Shinichiro (Kyushu Univ.) 61st JSAP meeting

COMET Phase-IにおけるSEUの発生頻度 (SEU Controllerがない場合での再ダウンロード頻度）

COMET Phase-IにおけるUREの発生頻度

⇥283 SEUs/URE

COMET Phase-IにおけるSEUの見積もり182015年度 素粒子・原子核グループ 修論発表会

中性子エネルギーとSEU反応断面積の関係 (PHITS)

さらなる中性子対策 • パラフィンによる遮蔽 -> 中性子量を10分の1 • ファームウェアの改良

• Triple Modular Redundancy • block RAM用自動修復機能

Rate�1= 4.94 ⇠ 9.91min/URE/104boards

Rate�1= 1.05 ⇠ 2.11 sec/SEU/104boards

まとめ

192015年度 素粒子・原子核グループ 修論発表会

まとめ 202015年度 素粒子・原子核グループ 修論発表会

COMET Phase-I 概要 Al原子中でのミューオン電子転換過程をS.E.S. 10-15で探索

高い運動分解能を要求する飛跡検出器 Cylindrical Drift Chamber

Belle-IIグループによって開発された読み出しボードRECBEの使用

本研究内容 データ量削減機能の実装及び、動作確認完了

SEU Controllerを実装したファームウェアでの中性子照射試験。 • SEU Controllerの動作確認完了。 • SEUの発生頻度：(2.12 ~ 4.25) ×１08 Neutrons/SEU • SEU vs URE：289 SEUs/URE

今後の課題 212015年度 素粒子・原子核グループ 修論発表会

1.さらなる中性子対策 • パラフィンによる遮蔽 • ファームウェアの改良 • Triple Modular Redundancy • blockRAM用自動修復機能

Backup

222015年度 素粒子・原子核グループ 修論発表会

イントロダクション

232015年度 素粒子・原子核グループ 修論発表会

ミューオン電子転換過程 242015年度 素粒子・原子核グループ 修論発表会

Decay In Orbit (DIO)Muon Capture

Al

µ-

µ-µ-

e-

νµνe

νµ

e-

µ� + N (A,Z) ! ⌫µ + N (A,Z � 1)

ミューオン電子転換過程

単一エネルギーを持つ

ミューオニック原子

1s軌道

（荷電レプトンフレーバー非保存）

（レプトンフレーバー保存）

（レプトンフレーバー保存）

荷電レプトンフレーバー非保存の分岐比標準模型 ：

標準模型を超える理論 ：O

�10�54

�

O�10�15

� 厳しく制限されている

ミューオン電子転換過程の発見は新物理を示唆する

CDC

Beam duct

3210

Stopping target

Return yoke

Superconducting coils

Shielding

Proton absorber

Trigger hodoscope

CDC inner wall CDC outer wall

Vacuum window

CDC endplate

300

unit : mm

1490.3

1577.3

496

835

900

197336

0

250

1610

864

Collimator

Cryostat

107.

5

127.

5

Signal

DIO

COMETで予想される電子の運動量分布

Cylindrical Drift Chamber 252015年度 素粒子・原子核グループ 修論発表会

運動量 [MeV/c]

DIOとシグナルを識別できる高い運動量分解の要求

ミューオン

CDC A. サイズ • 内径：496 mm • 外径：835 mm

B. ワイヤー • センス : ø25 µm W plated Au • フィールド : ø126 µm Al

C. ガス : Heベースの混合ガス（未決定） • 90%He - 10%iC4H10 • 50%He - 50%C2H6

D. 運動量分解能 : 200 keV/c

E. データ読み出し回路 : 104 RECBE • Belle-IIグループが開発 • 中国のIHEPにて大量生産を完了

単位構造

16 mm

RECBE Belle-II RECBEからの変更点

1. Aurora通信用ソケット：排除 2. 基本クロック：125MHz → 120MHz

262015年度 素粒子・原子核グループ 修論発表会

8ch/chip

8ch/chip

Test in

JTAG

Clock in

LEMO Connector

LVDS

Trigger in

For the detector 48ch/board

ASD

ADC

Power

SFP slot

ASD • Amp shaper Discriminator • 8 ch/chip

ADC (AD9212) • 8 ch/chip • 2 Vp-pを10 bit分解能でデジタル化 • 30 Msps

FPGA (Virtex-5 XC5VLX155T) • KEKの内田准教授が作成したファームウェアを最適化

RJ-45 (JTAG, LVDS) • LVDS

• 共通動作クロック(40 MHz)の付与

• トリガー信号の入力 • JTAG

• ファームウェアのダウンロード

FPGA

RECBEの取り付け位置 272015年度 素粒子・原子核グループ 修論発表会

RECBE

CDC1st2nd3rd4th5th6th

RECBE

992 mm

1670 mm

RECBE : ブロック図 282015年度 素粒子・原子核グループ 修論発表会

アナログ出力

デジタル出力Vth

ASD ADC

30 MspsCDC Sigs.Ring Buffer

TDC ~1.04 ns (=960 MHz)

Signal time&

Trigger TimeTrigger

DAQ PC

FPGA

（＊）240 MHzの動作クロックを4倍過サンプリング

Rawモード • 全チャンネルのADC、TDC値を時系列に全て転送する

• 波形解析が可能 • データ量が多い • 評価試験、エンジニアリングランで使用

Suppressモード • ヒットのあるチャンネルのみデータを転送する

• ADCの積分値 • TDC値のうち早いものを2つ

• 波形解析が不可能 • データ量が少ない • 物理測定時に使用

データフォーマット

RECBE : データフォーマット 292015年度 素粒子・原子核グループ 修論発表会

Data Name

Header (12 Bytes) Mode, Board_ID, Send_No., TRG_time, Length, TRG_No.,

Event Data

Hit Ch# Data

Header Ch ID (8 bits) Length (8 bits)Count Over Threshold (16 bits)

ADＣ (q) Summed ADC Value (16 bits)

TDCTDC Hit 0 (16 bits)(TDC Hit 1 (16 bits))

Next Hit Ch#

…

Data Name

Header (12 Bytes) Mode, Board_ID, Send_No., TRG_time, Length, TRG_No.,

Event Data

Sample clock #

ADC

ADC CH0 (16 bits)ADC CH1 (16 bits)

…ADC CH47 (16 bits)

TDC

Hit Flag (1 bit) TDC CH0 (15 bits)Hit Flag (1 bit) TDC CH1 (15 bits)

…Hit Flag (1 bit) TDC CH47 (15 bits)

Next Sample

…

Rawモード • 全チャンネルのADC、TDC値を時系列に全て転送する

• 波形解析が可能 • データ量が多い • 評価試験、エンジニアリングランで使用

Suppressモード • ヒットのあるチャンネルのみデータを転送する。

• データ取得時間窓に対して、ADCの閾値を超えたサンプリング数

• ADCの積分値 • TDC値のうち早いものを2つ

• 波形解析が不可能 • データ量が少ない • 物理測定時に使用

RECBE：Data Flow 302015年度 素粒子・原子核グループ 修論発表会

ASD I/FADC I/F

TDCRing Buffer

Event Buffer RAW

PROC (Suppress)

SiTCP

FPGA Virtex-5 XC5VLX155T

ADC デジタル出力(ASD)

SFP

8 µs

RECBE : ガンマ線耐性 312015年度 素粒子・原子核グループ 修論発表会

FPGA : 8.8 kGy以上 SFP slot : 0.3 kGy

Voltage regulator : 1.0 kGy

Belle-II 調べ

ref: Radiation tolerance of readout electronics for Belle-IITopical workshop on electronics for particle physics 2011

データ量削減機能

322015年度 素粒子・原子核グループ 修論発表会

CDCのデータ削減効率 332015年度 素粒子・原子核グループ 修論発表会

Q Threshold [keV]0 2 4 6 8 10

Effic

ienc

y

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Signal / NoiseSignalNoise

Signal/Noise取得可能イベント量

CDCのヒット占有率 342015年度 素粒子・原子核グループ 修論発表会

LayerID0 2 4 6 8 10 12 14 16 180

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25Total

From Beam Particles

From Stopped Muons

Noise Occupancy in CDC

CDCのヒットマップ 352015年度 素粒子・原子核グループ 修論発表会

Geant4でシミュレートしたCDCのヒットマップ青色：ガンマ線 水色：陽子 赤色：電子

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

#28: Triggered @ 1026.49 ns, Ngood = (55,55), Nnoise = (394,274)#28: Triggered @ 1026.49 ns, Ngood = (55,55), Nnoise = (394,274)

[cm]

[cm] CDC外壁

CDC外壁

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

#28: Triggered @ 1026.49 ns, Ngood = (55,55), Nnoise = (394,274)#28: Triggered @ 1026.49 ns, Ngood = (55,55), Nnoise = (394,274)

[cm][cm] CDC外壁

CDC外壁

5 keV CutNo Cut

中性子対策

362015年度 素粒子・原子核グループ 修論発表会

UREの発生条件 372015年度 素粒子・原子核グループ 修論発表会

自動的に検出モードへ切り替わる MBEの発生 SEU ControllerのBusy信号の継続した出力 SEUが修正されずに残る 通信ができなくなる

SEU Controller 382015年度 素粒子・原子核グループ 修論発表会

• Internal Configuration Access Point ；ICAP • Configuration RAMの情報を読み書き可能

• Error Correction Code；ECC • ハミングコードを利用しエラー検出 • エラーが１つの場合、位置検出可能

• Cyclic Redundancy Checking (CRC) • モジュラー演算を利用した独立エラー検出

BRAM (メモリ)

ICAP

ECCエラー情報

修正

修正後のビット情報

修正前のビット情報

エラー検知

CRC CRC エラー検知

SEU Controller

CRAM

読み 書き

自動修復機能のブロック図 392015年度 素粒子・原子核グループ 修論発表会

モード選択 状態

初期化情報

エラー修正中(Busy)

SEU検知

MBE検知

CRCエラー検知

SEU Controller

Regi.

CounterClock

Counter

Regi. DAQ PC

60 MHz

中性子照射試験：中性子量 40Year-end joint session 2015

3.0 MeVの重陽子をBe標的に照射した場合に発生する中性子量

ref : Yubin Zuo, et al., Phys Procedia 60 (2014) 220 - 227 “Neutron yields of thick Be target bombarded with low energy deuterons”

重陽子エネルギー [MeV]

中性子発生量 [n/sr/µC]

10 cm離れた位置での1 cm2 = 100 sr

中性子照射試験：セットアップ

Neutron

RECBE

Be Target

Deuteron

(✳) In this test, we assumed the uniform beam at Virtex-5

412015年度 素粒子・原子核グループ 修論発表会

中性子照射試験：セットアップ 422015年度 素粒子・原子核グループ 修論発表会

RECBE

Be標的

重陽子ビーム中性子

中性子照射試験：測定結果 432015年度 素粒子・原子核グループ 修論発表会

測定 角度 [º]

距離 [mm]

測定時間 [sec] 中性子量 SEU MBE URE SEU/

MBESEU/URE

Neutron/SEU/Virtex5

1 180 24 26353 1.40E+13 66039 153 233 431.1 290.7 2.12E+08

中性子照射試験：臨界電荷量442015年度 素粒子・原子核グループ 修論発表会

Lcrit：SEUが起こる臨界電荷量を表す値

計算では最悪のパターンを想定 Lcrit = 0