Budapesti M¶szaki és Gazdaságtudományi Egyetem Villamosmérnöki és Informatikai Kar Irányítástechnika és Informatika Tanszék
Front-end áramkör fejlesztése a HPTD detektorhoz Diplomatervezés 1
Melegh Hunor Gergely M.Sc. Villamosmérnöki szak
Konzulensek:
Hamar Gerg® Fiatal kutató MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont Részecske és Mag zikai Intézet
Pilászy György Tudományos munkatárs Budapesti M¶szaki és Gazdaságtudományi Egyetem Irányítástechnika és Informatika Tanszék
Budapest, 2012. május 11.
Nyilatkozat
Alulírott Melegh Hunor Gergely szigorló hallgató kijelentem, hogy ezt a diplomatervet meg nem engedett segítség nélkül, saját magam készítettem, csak a megadott forrásokat (szakirodalom, eszközök, stb.) használtam fel. Minden olyan részt, melyet szó szerint, vagy azonos értelemben, de átfogalmazva más forrásból átvettem, egyértelm¶en, a forrás megadásával megjelöltem. Hozzájárulok, hogy a jelen munkám alapadatait (szerz®(k), cím, angol és magyar nyelv¶ tartalmi kivonat, készítés éve, konzulens(ek) neve) a BME-VIK nyilvánosan hozzáférhet® elektronikus formában, a munka teljes szövegét pedig az egyetem bels® hálózatán keresztül (vagy autentikált felhasználók számára) közzétegye. Kijelentem, hogy a benyújtott munka és annak elektronikus verziója megegyezik. A teljes szöveg közzététele dékáni engedéllyel titkosított diplomatervekre nem vonatkozik.
Melegh Hunor Gergely 2012. május 11.
1
Tartalomjegyzék
1. Bevezetés
3
1.1.
CERN European Organization for Nuclear Research . . . . . . . . . .
3
1.2.
ALICE kísérlet bemutatása
4
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.1.
Részecske zikai detektorok csoportosítása
. . . . . . . . . . .
5
1.2.2.
TPC detektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
1.2.3.
VHMPID detektorrendszer bemutatása . . . . . . . . . . . . .
7
1.2.4.
HPTD detektor felépítése és m¶ködése
7
. . . . . . . . . . . . .
2. ALICE Trigger és adatgy¶jt® rendszere 2.1.
2.2.
9
Trigger rendszer bemutatása . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
2.1.1.
. . . . . . . . . . . . .
9
Adatgy¶jt® rendszer bemutatása . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
Trigger rendszer hierarchikus felépítése
3. Rendszerterv
12
3.1.
Front-end áramkör rendszerterve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
3.2.
Kapcsolat a DDL és TTCrq áramkörökkel
15
. . . . . . . . . . . . . . .
4. Egyes részegységek kidolgozása
18
4.1.
Tápáramkör kialakítása
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.
Labor trigger rendszer megvalósítása
4.3.
FPGA bemutatása
18
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
4.3.1.
Sugárzás t¶résének mér®számai
4.3.2.
Egyes kísérletekre vonatkozó sugárterhelés
5. Összefoglalás
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21 22
23
2
1. fejezet
Bevezetés
1.1.
CERN European Organization for Nuclear Research
A CERN eredeti nevén
Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (Európai
Nukleáris Kutatási Tanács) jelenleg a világ legnagyobb részecske zikai kutatóintézete. A franciasvájci határon, Genf közelében fekv® kutatóközpontot 1954-ben alapították azzal a céllal, hogy az Európában folyó részecske zikai kutatásokat központosítsa. Az eredetileg 12 tagország által alapított együttm¶ködés mára 20 hivatalos nemzet és számos társintézet összefogásává alakult. Magyarország 1992 óta teljes tagként vesz részt a CERN-ben folyó fejlesztési és kutatási munkában. A CERN-ben jelenleg hat jelent®s részecskegyorsító rendszer üzemel [1], melyek a különböz® részecske zikai kísérletek számára szolgáltatott proton vagy nehézion nyalábon túl, egymás megtáplálására is szolgálnak. A protonokat elektromos tér segítségével gyorsítják. A megfelel® mágneses tér kialakításával a nyaláb a kijelölt pályán tartható, valamint szükség esetén fókuszálható. Azon kísérletek számára, melyek eredményeit proton-nyalábok ütköztetése révén szeretnénk meg gyelni, a protonokat kezdetben hidrogén atomok ionizációja révén állítják el®. A hidrogén ionok közvetlen a Linac2 lineáris gyorsítóban kerülnek, ahol els® lépésként 50 MeV energiára gyorsítódnak. Második lépésben egy segédgyorsítón keresztül növelik a nyaláb energiáját, majd a Proton Syncrotron (röviden PS, magyar nevén Proton Szinkrotron) gyorsítóba kerülnek. A PS gy¶r¶jében a csomagok a fény sebességének 99,9 %-ra gyorsítódnak (25 GeV). Következ® fázisban a Super Proton Syncrotron (röviden SPS, magyar nevén Szuper Proton Szinkrotron) gyorsító egy nagyságrenddel növeli a nyaláb energiáját (450 GeV). Utolsó lépésként a
3
FEJEZET 1.
BEVEZETÉS
4
felgyorsított csomagok az LHC gy¶r¶jébe kerülnek. Az LHC (Large Hadron Collider, avagy Nagy Hadronütköztet®) 27 km hosszú kerületével jelenleg a világ legnagyobb gyorsító gy¶r¶je. Itt a felgyorsított csomagok mintegy 7 TeV energiát érnek el. A CERN gyorsító rendszere egyaránt használható protonok, nehézionok, elektronok, és számos egyéb részecske gyorsítására. Nehézionok ütköztetése esetén el®ször ólomionokat injektálnak a rendszerbe, majd a Linac3 lineáris gyorsítóban 4.2 MeV energiára gyorsítják azokat. A segédgyorsító után a kezdeti forrástól függetlenül a csomagok útja mindkét esetben azonos. Az LHC gyorsító gy¶r¶jén belül két cs® kapott helyet, melyekben a nyalábok ellentétes irányba haladnak. A jelent®sebb kísérletek a kör mentén meghatározott pontokon helyezkednek el. Ezekben a pontokban a két pálya keresztezi egymást, ezzel lehet®séget biztosítva a nyalábok ütköztetésének. Az ellentétes irányba haladó, egyenként 7 TeV-os csomag energiája már elegend® ahhoz, hogy az ütközés következtében a proton elemi összetev®ire essen szét. A protonon belüli addig egységes rendszer így megsz¶nik, a protont felépít® kvarkok és gluonok kiszabadulnak, ezzel lehet®séget teremtve a részecskék és a közöttük fellép® kölcsönhatások vizsgálatára. Az interakciók eredményét komplex detektorrendszerekkel mérik, melyek a részecske zika egy-egy részterületére specializálódtak. Az LHC-n négy nagy kísérlet kapott helyett:
•
ATLAS (A Toroidal Lhc Apparatus) és CMS (Compact Muon Solenoid): a jelenleg elfogadott részecske zikai alapelmélet, a standard modell hiányzó részecskéjének, a Higgs bozonnak a keresése; valamint a standard modellen túlmutató új elméletek (szuperszimmetria, extra dimenziók, stb.) tesztelés.
•
LHCb (Large Hadron Collider-beauty) a standard modell paramétereinek precíziós vizsgálata, különösen az igen nehéz bájos kvark (beauty/bottom quark) meg gyelésén keresztül.
•
ALICE (A Large Ion Collider Experiment), melynek célja a protonokat és neutronokat felépít® kvarkok és a közöttük lév® kölcsönhatást közvetít® gluonok egy speciális állapotának vizsgálata, melyet kvark-gluon plazmának nevezünk.
1.2.
ALICE kísérlet bemutatása
Az ALICE (A Large Ion Collider Experiment) kísérlet alapvet®en az anyag egy speciális állapotának, a kvark-gluon plazmának vizsgálatára lett kialakítva, melyet
FEJEZET 1.
BEVEZETÉS
5
nehézionok ütköztetésén keresztül állítanak el®. Ahhoz, hogy a legkisebb elemi összetev®ket vizsgálhassuk, a világ legnagyobb gyorsítója mellett (LHC) hatalmas detektorok és azokat kiszolgáló adatgy¶jt® rendszerek szükségesek. Az ALICE [2] kísérletnek helyet adó mágnes a 16 m×16 m×26 m-es geometriájával, valamint a kísérlethez tartozó detektorokkal vett hozzávet®legesen 10000 tonnás össztömegével ugyanakkor csak egy kisebb rendszernek számít az LHC terminológiájában. Az ALICE mágnesén belül számos aldetektor foglal helyet, melyek felépítésük, geometriájuk és elhelyezkedésük alapján a kísérletben más-más szerepkörrel bírnak. A detektorok részletes bemutatása nem képezi tárgyát a szakdolgozatnak, ugyanakkor a teljesség igénye nélkül, a trigger és adatgy¶jt® rendszer kialakításában szerepet játszó detektorok ismertetése alapjául szolgál a kés®bbi id®zítések mögött rejl® zikai paraméterek megértésének.
1.1. ábra. Az ALICE kísérlet [2]
1.2.1. Részecske zikai detektorok csoportosítása A részecske zikai detektorok felépítésüket tekintve három kategóriába sorolhatóak: félvezet® technikán alapuló, gáztöltés¶ ill. szcintillációs elven m¶köd® berendezések. A szilícium alapú szenzorok a másik két kategóriánál kisebb geometriai mérettel rendelkeznek, sebességük és helyfelbontásuk nagyobb, ugyanakkor a gyártási költsé-
FEJEZET 1.
BEVEZETÉS
6
geik is magasabbak. Ezzel szemben a gáztöltés¶ detektorok viszonylag nagy méret¶ek, elvi m¶ködésükb®l fakadóan lassabbak ill. helyfelbontásuk szerényebb. Ugyanakkor áruk töredéke a félvezet® technológián alapuló detektorokénak. A harmadik csoportot képez® szcintillációs detektorok az azokat felépít® anyagon áthaladó részecske által felgerjesztett elektronok alapállapotba történ® visszatérése során meg gyelhet® fényemissziós eektusra alapoznak. Költség szempontjából az el®z® két típus közé sorolhatóak, helyfelbontásuk azonban a többi kategóriánál kisebb.
1.2.2. TPC detektor Az ALICE egyik f® detektora az ún. TPC (Time Projection Chamber, magyar nevén Id®kivetít® Kamra) a gáztöltés¶ detektorok osztályába sorolható. A 5,6 m átmér®j¶ és 5,4 m hosszú hengeres elrendezés a részecskék ionizáló hatását kihasználva lehet®vé teszi a részecskepályák három dimenziós rekonstrukcióját [2]. A keletkez® részecske impulzusa a statikus mágneses tér hatására elgörbült pályájának a görbületéb®l meghatározható. Az impulzus, valamint a leadott energiának ismeretében a TPC alkalmas a 3 GeV alatti részecskék pontos azonosítására. Az e fölötti tartományra azonban a leadott energia a különböz® típusú részecskék esetén túlságosan közeli értékeket vesz fel, melyek megfelel® pontossággal történ® elkülönítésére a TPC önmagában nem alkalmas. Az elvi m¶ködés a következ®: a detektoron áthaladó részecske ionizálás révén szabad elektronokat gerjeszt, melyek a berendezésben lév® statikus elektromos tér hatására a kamra térfogatában sodródni kezdenek. A kamra szélének közvetlen közelében egy speciálisan kialakított elrendezés révén (sokszálas proporcionális kamra, MWPC) a kezdeti elektronok felsokszorozódnak, ezzel már mérhet® jelet létrehozva. A kiolvasó elektródokat elérve a többlettöltés elektromos jelet formál, melyet leolvasva a detektor érzékeny felületér®l a részecske pályájának egy kétdimenziós vetített képét kapjuk. Amennyiben a kiolvasást egy meghatározott id®tartamon belül folyamatosan, rögzített lépésközzel végezzük, a vetített kép id®függvénye, valamint az elektromos tér ismerete alapján a háromdimenziós kép visszaállítható. A sodródás id®tartamát az elektromos tér nagysága, a tölt®gáz típusa és min®sége, ill. a detektor geometriája határozza meg. Az ALICE esetén az alkalmazott paraméterek mellett ez az érték 88 µs. A kés®bbiekben ez az érték a trigger rendszer id®zítéseinek kialakításában jelent®s szereppel bír (L2 trigger, mely a 2.1.1. fejezetben kerül bemutatásra).
FEJEZET 1.
7
BEVEZETÉS
1.2.3. VHMPID detektorrendszer bemutatása Az ALICE által kit¶zött célok eléréséhez szükségessé vált egy olyan detektor rendszer kialakítása, mely képes az 5 GeV <
pT < 25 GeV
transzverzális momen-
tummal rendelkez® részecskék azonosítására. E célt szolgáltatottak megvalósítani a VHMPID (Very High Momentum Particle Identi cation Detector, magyar nevén Nagyon Nagy Impulzusú Részecskéket Azonosító Detektor) és HPTD (High PT Trigger Detector, avagy Nagy Transzverzális Impulzusú részecskékre Érzékeny Detektor) detektorok. A fejlesztésében az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont két csoportja, az ALICEBP kollaboráció [3], valamint a Detektor zikai Kutatócsoport (rövid megnevezésén REGARD
1
csoport) [4] is részt vesznek.
A VHMPID a kísérlet szempontjából a kijelölt energia tartományba es® ún. JET jelenség zikai vizsgálatára készült. A jelenség leírása alacsonyabb energiákon ismert és kísérletekkel alátámasztott, azonban az LHC energiákon csak részleteiben ismert. Az LHC-nél lehet®ség nyílik az ún. kvark-gluon plazma kísérleti meg gyelésére. Az ütközés során keletkez® JET-ek közvetetten (pl. plazmában történ® elnyel®désén keresztül) lehet®vé teszik a plazma tulajdonságainak meg gyelését. A VHMPID ALICE kísérletbe történ® beintegrálása így lehet®vé teszi a JET-eket kelt® részecskék meghatározását, a JET-eken belül el®forduló részecske típusok közötti korreláció pontos (nem statisztikai) leírását, a keletkez® JET párok közötti kapcsolatok meg gyelését és így közvetetten a kvark-gluon plazma tulajdonságainak vizsgálatát. A VHMPID tehát a részecske zika egy olyan területének vizsgálatát teszi majd lehet®vé, amelyr®l eddig csak elméleti sejtéseket tudtunk megfogalmazni.
1.2.4. HPTD detektor felépítése és m¶ködése Az 1.2.3. fejezetben bemutatott VHMPID (Very High Momentum Particle Identi cation Detector) az 5 GeV <
pT < 25 GeV
transzverzális impulzussal rendelkez® részecs-
kék vizsgálatára készül. A tipikus ütközési ráta az ALICE kísérletnél 8 kHz (ólomólom ionok ütköztetése esetén). Amennyiben a kísérletben keletkez® összes esemény adatait tárolni szeretnénk, az adatgy¶jt® rendszernek hozzávet®legesen 700 Gbyte/s adattárolási sebességet kellene megvalósítani. Jelenlegi technológiával 2-3 Gbyte/s kiírási sebesség mellet csupán 20-40 eseményt lehet letárolni másodpercenként. Ezért igen jelent®s szerepe van az események válogatásának, triggerelésének. A VHMPID számára érdekes ám ritka nagy impulzusú JET-es események feldúsításához egy megfelel® trigger rendszer kialakítása így elengedhetetlen. Mivel a jelenleg üzemel®, az
1 RMKI-ELTE
Gaseous Detectors Research and Development
FEJEZET 1.
BEVEZETÉS
8
ALICE kísérletben elhelyezked® detektorok nem alkalmasak az ilyen típusú részecskék megfelel® hatásfokkal történ® szelektálására, a döntés el®segítése érdekében a VHMPID közvetlen közelében a HPTD (High PT Trigger Detector, magyarul Nagy Transzverzális Impulzusú részecskékre Érzékeny Detektor) detektor kerül elhelyezésre. A HPTD feladata a kijelölt energiatartományba es® részecskék keletkezésének els® szint¶ meger®sítése. A HPTD detektor tehát adatgy¶jtés szempontjából egy sz¶r®ként viselkedik a kijelölt impulzus tartományban. A jóváhagyott események számának jelent®s csökkenése révén a VHMPID-t®l továbbítandó adat mennyisége mérsékl®dik, ezzel el®segítve a magas szint¶ adatgy¶jt® rendszer terhelésének csökkentését. Így a rendszer er®forrásait a kritikus feladatok ellátására lehet fordítani, mellyel a detektor valamint a kísérlet hatásfoka nagymértékben javul. A HPTD detektor feladatait három csoportba lehet besorolni:
•
Egy lehetséges esemény keletkezésének L0 szint¶ meger®sítése.
•
A nagyenergiás részecske detektoron történ® áthaladásának pontos pozíciójának meghatározása.
•
10 GeV feletti energiával rendelkez® részecskék esetén L1 trigger kérése.
A VHMPID és HPTD detektorok a gyártás és karbantartás szempontjából ke-
2 zelhet® méret¶ modulokból épülnek fel, melyek eektív felülete megközelít®leg 2 m . Így az ALICE mágnesén belül a detektor számára rendelkezésre álló felület lefedésének érdekében számos modul kerül majd beépítésre. A HPTD detektor egyetlen modulja négy, egymás alatt elhelyezett ún. közel katódú kamrából (Close Cathode Chamber, röviden CCC [5][6]) épül fel, melyet a REGARD csoport kutatói fejlesztettek ki. A CCC kamrák pozíció érzékeny gáztöltés¶ részecske zikai detektorok. A HPTD detektor kamráin áthaladó töltött részecske ionizáló eektusa révén annak pályájának, valamint a kamra síkjának metszéspontja meghatározható. Az egyes kamrákon megjelen® analóg feszültség jelek megformázását követ®en a pontos pozíció a kamrákról leolvasható. Több, egymással párhuzamosan elhelyezett kamra esetén az azonos eseményekhez tartozó koordináták összerendelhet®ek, ezzel a pálya 3D képe visszaállítható.
2. fejezet
ALICE Trigger és adatgy¶jt® rendszere
2.1.
Trigger rendszer bemutatása
Az ALICE detektorrendszerben egyetlen eseményhez (ólom-ólom) rendelhet® adat mérete kb. 90 MB. A másodpercenkénti 8000 interakció így 700 GB/s-os adatmentési sebességet követelne meg. Bár az adatgy¶jt® rendszer igen nagy adatátviteli kapacitással rendelkezik, ekkora méret¶ adatforgalmat nem képes teljes mértékben lekezelni. Éppen ezért az adatgy¶jt® rendszer fejleszt®i célszer¶nek tartották egy olyan trigger rendszer kialakítását, mely a kísérlet szempontjából érdekes események szelektálásával csökkenti az adatgy¶jt® és adattároló rendszer terhelését. A tervezés során f® szempont volt az adatgy¶jt® rendszerrel szemben támasztott követelmények hosszú távon történ® kielégítése. Ugyanakkor a folyamatosan fejl®d® és b®vül® kísérletek megkövetelik a rugalmas kialakítást.
2.1.1. Trigger rendszer hierarchikus felépítése Az egyes alkisérletek közelében kiépített trigger rendszer hierarchikus felépítés¶ [7]. A f®bb modulok megnevezései a következ®ek:
Központi Trigger Feldolgozó Egység (Central Trigger Processor (CTP))
Fel-
adata a trigger jelek fogadása és a feltételeknek megfelel®en azok továbbítása az LTU felé.
Trigger, Id®zítés és Órajel Egység (Trigger, Timing and Clock (TTC)) A trigger üzenetek továbbítása a front-end elektronika (röviden FEE) felé optikai
9
FEJEZET 2.
10
ALICE TRIGGER ÉS ADATGYJT RENDSZERE
adatátviteli csatornán.
Helyi Trigger Egység (Local Trigger Unit (LTU)) Az L0 trigger jel adása a frontend elektronika felé, valamint az FEE fel®l érkez® Busy jel lekezelése. A detektorok dinamikus viselkedése eltér® az egyes kísérleteknél, így többszint¶ trigger protokoll lett kialakítva. Az egyes szintek megnevezései, illetve a tipikus id®zítési paraméterek a következ®ek:
0. szint (Level0 (L0)) A késleltetés értéke kisebb 800 ns-nál. A zikai réteg csavart érpár, az üzenet formája impulzus.
1. szint (Level1 (L1)) A késleltetés értéke kisebb 6,1 µs-nál. Optikai link (50/125 µm multimódusú szál,
λ = 1310 nm,
késleltetés 4,9 ns/m), a részecskecsomagok
azonosítását tartalmazza.
2. szint (Level2 (L2)) A késleltetés értéke tipikusan 87,6 µs. Optikai link (50/125 µm multimódusú szál,
λ = 1310 nm,
késleltetés 4,9 ns/m), kódolt információt tar-
talmaz.
Magas szint¶ trigger (High Level Trigger (HLT)) A HLT feladata az eseményekhez tartozó adatokból a zikai eredmények (részecske pályák) szoftveres rekonstrukciója. A megfelel® események szelektálásával az adattároláshoz szükséges sávszélesség illetve er®forrás igény jelent®sen lecsökken.
2.2.
Adatgy¶jt® rendszer bemutatása
Az adatgy¶jt® rendszer feladata a detektorok által szolgáltatott adatok továbbítása az azokat rögzít® számítógépek felé. Az alacsony szint¶ adattovábbításban résztvev® egységek a 2.1. ábrán látható módon csatlakoznak egymáshoz [7] [8].
Front-End Electronika
DDL Intefész
DDL áramkör
PC
RORC Optikai adatátviteli csatornák
PCI busz
2.1. ábra. Az adatgy¶jt® rendszer fontosabb egységei
A detektorok közvetlen közelében elhelyezett front-end elektronika az eseményekhez tartozó bitfolyamot illetve az ahhoz kapcsolódó járulékos paramétereket
FEJEZET 2.
ALICE TRIGGER ÉS ADATGYJT RENDSZERE
11
az adatgy¶jt® rendszeren keresztül érkez® vezérl® parancsok alapján átadja az el®írt protokoll szerint a DDL (Detector Data Link) áramkörnek. A DDL és a front-end elektronika közvetlen a kísérlet közelében találhatóak. A DDL áramkör a beérkez® adatokat csomagokba szervezi, majd egy optikai csatornán továbbítja a következ® fokozat felé. A kommunikáció sorosan történik. Az adatokat az optikai szál túlsó végén az ún. RORC (Read-Out Receiver Card) áramkör fogadja. A RORC egység az adatfolyam vezérléséhez szükséges parancsokat egy dedikált optikai vonalon keresztül küldi a DDL áramkörnek. A RORC áramkör PCI buszon keresztül egy személyi számítógép buszrendszerére csatlakozik. A fogadott adatokat DMA (Direct Memory Access) segítségével a számítógép RAM memóriájába ideiglenesen letárolja, ahonnan az adatok végül az archiváló rendszerhez továbbítódnak, melynek részletes leírásától eltekintünk.
3. fejezet
Rendszerterv
A front-end áramkör feladata egy interfész felület megvalósítása a detektor, valamint a magas szint¶ adatgy¶jt® rendszer között. Ehhez a következ® funkciók megvalósítása elengedhetetlen:
•
az alacsony szint¶, detektor oldali kommunikáció megvalósítása,
•
az adatgy¶jtés vezérlése,
•
az adatok továbbítása a magas szint¶ adatgy¶jt® rendszer felé és
•
az érkez® trigger jelek fogadása és lekezelése.
A FEE elvi elrendezése a 3.1. ábrán látható. A kísérlet közvetlen közelében elhelyezett front-end elektronika egy-egy VHMPID, valamint HPTD modul esetén párhuzamosan kapcsolódik a HPTD detektor érzékeny kamráihoz. A párhuzamos adatkiolvasás lehet®vé teszi a digitális jelek mozgó ablakos algoritmussal történ® el®feldolgozását. A kiolvasás sebességének elvi határa így a tisztán soros adatátvitellel elérhet® érték négyszeresére növekszik. Ugyanakkor a megvalósítás er®forrásigénye töredéke a tisztán párhuzamos megoldásénak. Az alacsony szint¶ L0 trigger jel kérése id®kritikus m¶velet, ezért a jeleken végzend® logikai m¶veletek (koincidencia) elkülönített kiértékelését tartottuk célszer¶nek. Az ALICE detektorrendszerbe integrált kísérlet esetén az L0 jel kérését a
Coincidence Unit, magya-
front-end elektronikától függetlenül, egy dedikált egység (
rul Koincidencia Egység) fogja megvalósítani. Így a CCC kamrák elvi m¶ködéséb®l fakadó késleltetéshez az elektronika minimális járulékos holtid®vel járul hozzá. Ugyanakkor a kialakítás kifejezett el®nye az alacsony szint¶ trigger logika rugalmas kialakítása, melynek er®forrás igényét a fejlesztés kés®bbi fázisában a detektor egységek méretéhez lehet igazítani.
12
FEJEZET 3.
13
RENDSZERTERV
Trigger rendszer CTP
L0 kérés L0
HPTD
LTU
Foglalt
TTC
Lx
TR11 TR12 Detektor
Koinc. egység
SE impulzus
2 TR21 TR22
Front-end Elektronika
DDL modul
Adatgyűjtő rendszer
Detektor
2
Órajel D_Adat_busz_1 D_Adat_busz_2
3.1. ábra. A Front-end áramkör (FEE) rendszer szint¶ elrendezése
3.1.
Front-end áramkör rendszerterve
Az egyes részfeladatokat különböz® alrendszerek valósítják meg. A front-end áramkör funkcionális felépítése a 3.2. ábrán látható. Az egyes részegységek megnevezései és feladatai a következ®ek:
Bemeneti puer (Input Buer) A detektor oldalról érkez® digitális adatvonalak hullámimpedanciás lezárását, valamint a jelek leválasztását és megformálását valósítja meg.
Kimeneti puer (Output Buer) A HPTD detektor egyes CCC kamrái közötti távolság a 80-100 cm értéket is elérheti. A vezérl®jelek zikai rétegét megvalósító adatvonalak meghajtására külön áramköri modulok kerülnek elhelyezésre.
Labor Trigger Rendszer (Labor Trigger Unit) A tesztmérések során küls® egység által generált TTL szint¶ trigger jel alapján el®állítja az L0_Local_Request jelet. Így az alrendszer lehet®vé teszi a végs® kísérleti elrendezést®l függetlenül, a fejlesztés egyes fázisaiban kivitelezett mérések elvégzését. Ilyen esetekben az id®kritikus id®zítések megvalósítása szintén a Labor Trigger Rendszer feladata.
Galvanikus leválasztás (Galvanic Isolation) A gáztöltés¶ detektorok beleértve a CCC kamrákat nagyfeszültségen üzemelnek. Így a front-end áramkör köz-
FEJEZET 3.
14
RENDSZERTERV
Adat
Trigger SE imp. Órajel
Kimeneti puffer
Bemeneti puffer Trigger Adat Labor trigger
DC/DC
Órajel
SE impulzus
Nagy sebességű galvanikus leválasztás Adat
Trigger
Órajel
Mintázat keresés Vezérlés_Lx
Lx trigger interf. Adat_Lx
Tápegység
FPGA
Kétportos memória Lx kontroller
DDL kontroller
Adat_DDL
Monitor egység
JTAG
Vezérlés_DDL
DDL Interfész puffer
3.2. ábra. A Frontend áramkör funkcionális rendszerterve
ponti vezérlését végz® FPGA, valamint a külvilággal kapcsolatot tartó DDL [8] és TTCrq [9] áramkörök védelme elengedhetetlen. Ezért az id®kritikus jelekt®l eltekintve (Labor Trigger Egység valamint a detektor oldali kimeneti és bemeneti meghajtó áramkörök) a detektorral kapcsolatban lév® kommunikációs vonalak galvanikusan leválasztásra kerülnek.
Lx Trigger Interfész (Lx Trigger Interface) Feladata a TTC és LTU fel®l érkez®, jóváhagyott trigger információk fogadása. L0 trigger esetén a detektor adatainak kiolvasása, L1 trigger esetén az adatok id®bélyeggel történ® ellátása, L2 trigger esetén az adatok továbbítása a magas szint¶ adatgy¶jt® és adattároló rendszer felé.
Helyi Monitor Interfész (Local Monitor Interface) A fejlesztés során, a m¶ködés felügyeletéhez használható kommunikációs interfész, mely szabványos protokollon keresztül teszi lehet®vé a berendezés viselkedésének meg gyelését.
FPGA (Field Programmable Gate Array)
A berendezés vezérlését végz® logikai
FEJEZET 3.
15
RENDSZERTERV
egység, melynek feladata az alapvet® adatgy¶jtési funkciók megvalósítása és az ehhez kapcsolódó küls® és bels® jelek lekezelése. Az FPGA-ban a következ® funkciók kerülnek megvalósításra.
•
Alacsony szint¶ mozgó ablakos mintázat keresés az eseményekhez tartozó bitfolyamon.
•
Az adatok átmeneti tárolása. Az ütközési rátának megfelel®en kb. 20 esemény rövidtávú tárolásának megvalósítása.
3.2.
•
A DDL áramkör felé kommunikációs interfész biztosítása.
•
A központi trigger rendszer fel®l érkez® trigger jelek lekezelése.
Kapcsolat a DDL és TTCrq áramkörökkel
A front-end elektronika feladatai között kiemelked® jelent®séggel bír mind az adatgy¶jt® rendszer felé nyújtott interfész megvalósítása, mind pedig a trigger rendszerhez történ® csatlakozási felület implementálása. El®bbi a DDL [8] áramkörön keresztül történik, utóbbi a TTCrq [9] áramkör jeleinek lekezelését jelenti. A DDL áramkörhöz történ® csatlakozás párhuzamos felületen keresztül történik. Az elrendezés elvi vázlatát, valamint az egyes jelek megnevezései a 3.3. ábrán láthatóak. A jelek funkciójuk alapján két csoportba sorolhatóak: vezérlési feladatokat ellátó vonalak és adatátvitelhez kapcsolódó vezetékek. Az egyes jelek részletes leírása a következ®:
Adatbusz(0:31) (Data[0:31])
32 bites kétirányú adatvonal. A vonalra tri-state
meghajtó áramkör csatlakozik.
Vezérlés (Control) Kijelöli az adatvonalon lév® szó értelmezési módját, mely lehet státusz szó, vezérlési parancs vagy adat.
Adatátvitel engedély (Transfer Enable) Engedélyezi az adatátvitelt a front-end elektronika valamint a DDL áramkör között. Amennyiben a DDL nem képes továbbítani a megfelel® sebességgel a fogadott információt, felfüggeszti a további adatok fogadását.
Adatátvitel irány (Direction) Kijelöli a kommunikáció irányát. Adatbusz engedély (Bus Enable) engedélyezésére szolgál.
A kétirányú vonalak meghajtó áramköreinek
FEJEZET 3.
16
RENDSZERTERV
Adatcsatorna megtelt (Link Full) Átmeneti adatfeltorlódás esetén felfüggeszti a további adatok fogadását.
Foglalt (Busy)
Ezen vonal segítségével jelezheti a front-end áramkör, hogy nem
képes több adatot fogadni.
FEE órajel (FEE Clock) Az adatok ütemezését végz® órajel. Az adatok továbbítása felfutó élre történik.
3.3V és földpotenciál (3V3, GND) A DDL áramkör tápellátására szolgáló vezetékek. A DDL áramkörrel történ® kommunikáció megvalósításához a vezérl® jelek hatékony kezelése szükséges. Az adatvonalak irányát és a meghajtó áramkörök engedélyezését a DDL áramkör végzi, ugyanakkor az adatátvitel órajellel történ® ütemezése a front-end elektronika feladata. Az elrendezés lehet®vé teszi a különböz® kísérletek által szolgáltatott adatfolyam eltér® sebességeihez történ® illesztését. Az adatfolyam felfüggesztésének kezdeményezésére mindkét áramkör egy-egy dedikált vonallal rendelkezik.
Adat[31:0] Vezérlés Adatátvitel eng.
DDL interfész puffer (FEE)
Adatátvitel irány Busz eng. Adatcsat. megtelt
DDL modul
Foglalt FEE órajel 3.3V Föld
Detector Data Link) zikai interfésze front-end oldalon
3.3. ábra. A DDL (
A TTCrq áramkör egy speciális, a CERN-ben kifejlesztett ASIC integrált áramkörön alapul (TTCrx), mely kifejezetten az id®zítés kritikus trigger jelek fogadására készült. Az ASIC technológia el®nye, hogy robusztusan viselkedik a sugárzással szemben. A TTCrq kártya optikai vonalon csatlakozik a TTCex modulhoz. A csatornán érkez® analóg jelek a jelformálást követ®en a TTCrx áramkör bemeneteire kerülnek. A tokon belül megtörténik a demoduláció és a jelek értelmezése. A TTCrq feladata a 2.1.1. fejezetben bemutatott L1 és L2 szint¶ trigger jelek
Bunch
fogadása, az LHC gy¶r¶jében kering® csomagok sorszámmal történ® ellátása (
FEJEZET 3.
Crossing),
17
RENDSZERTERV
az L1 szinten jóváhagyott események indexelése, valamint az LHC köz-
ponti kb. 40 MHz-es referencia szinkronizációs órajelének szétosztása a kísérletek számára. A TTCrq áramkörön keresztül lehet®ség van a detektorok m¶ködéséhez kapcsolódó vezérl® jelek fogadására is. Így a TTCrq áramkör egyetlen nyomtatott huzalozású lemezen valósítja meg az id®kritikus trigger funkciók fogadását és dekódolását. A felhasználó precíziós tüskesoron keresztül kapcsolódhat az egységhez ahol a dekódolt információk fogadására többnyire párhuzamos buszokon keresztül van lehet®ség.
Csillapítás
TTCex
TTCrq
Optikai kábel
L0
LX trigger interfész (FEE)
Foglalt
LTU
Trigger, Timing and Clock) zikai interfésze front-end oldalon
3.4. ábra. A TTCrq (
4. fejezet
Egyes részegységek kidolgozása
4.1.
Tápáramkör kialakítása
Az egységen elhelyezett tápáramkör feladata a front-end áramkör m¶ködéséhez szükséges villamos energia biztosítása, valamint a DDL ill. TTCrq áramkörök üzemi fogyasztásának fedezése. A többszint¶ tápegység elvi kialakítása a 4.1. ábrán látható. A hierarchikus felépítés¶ kapcsolás lehet®vé teszi a teljes elektronika egyetlen kb. 743 V DC feszültséggel történ® megtáplálását. DDL_3V3
LDO 3V3 Táp be/ki
+12V Si biztos.
Kapcs. +
Kapcsoló üzemű átalakító
D5V
3V3
LDO 3V3
+
Föld Föld
Föld
+
Kapcsoló üzemű átalakító
L
1V5
+ Föld
Föld
4.1. ábra. A tápáramkör elvi felépítése
multifuse) biz-
Közvetlen a bemeneti oldalon egy félvezet® technológián alapuló (
tosíték került elhelyezésre, melynek feladata az elektromos hibákból fakadó hosszú távú túláram leszabályozása. A polaritás védelem szintén itt valósítottuk meg egy dióda segítségével. A tesztmérések során az eszköz tápellátása egy manuális kapcsoló segítségével leválasztható. A kapcsoló a védelmi fokozat mögött kapott helyet,
18
FEJEZET 4.
EGYES RÉSZEGYSÉGEK KIDOLGOZÁSA
19
ezzel megakadályozva a polaritás felcseréléséb®l fakadó tranziensek érzékeny áramkörökre történ® továbbterjedését. A lineáris feszültségszabályozók alkalmazásánál a sz¶k keresztmetszetet a stabilizátorok által disszipált energia fels® korlátja adja. A jó hatásfok érdekében 45 V-ot meghaladó ki- és bemeneti feszültség különbség esetén az átereszt® tranzisztoros technikán alapuló megoldások háttérbe szorulnak és a kapcsolóüzem¶ eszközök kerülnek el®térbe. Ezért a tápfeszültség tipikus 12 V-os üzemi értéke mellett az egyes áramköri egységek számára szükséges 5 V, valamint az FPGA magját megtápláló 1.5 V egy-egy kapcsoló üzem¶ tápegység (
Step-Down
DC-DC Converter) segítségével lettek el®állítva. Az így el®állított 5 V-ból már a lineáris stabilizátorok (LDO - Low-Dropout Regulator) állítják el® a 3.3 V-os feszültség szintet. A teljesítmény elosztása érdekében a DDL áramkör egy külön stabilizátoron keresztül kerül megtáplálásra. Az egyes szabályozó elemek be- és kimenetén a digitális áramkörök nagyfrekvenciás kapcsolási tranzienséb®l fakadó pillanatszer¶ áramfelvétel növekedésének fedezéséhez szükséges energiát a megfelel® sz¶r® kondenzátorok biztosítják. Az FPGA magját tápláló 1.5 V esetén ezen felül egy LC-sz¶r® is elhelyezésre került.
4.2.
Labor trigger rendszer megvalósítása
A labor trigger rendszer feladata a tesztmérések során az ALICE trigger rendszerét®l függetlenül el®állított küls® bemeneti impulzusokból egy jól de niált jelzés el®állítása. A fokozat elvi felépítése a 4.2. ábrán látható.
Esemény megszakítás
Foglalt
Trigger
Retesz
Impulzus ~1000ns
Kész
Reszet
SE impulzus Jelform.
4.2. ábra. A trigger rendszer elvi felépítése
Az áramkör egy jól de niált bemeneti impulzust fogad, mely a trigger szekvencia indítását teszi lehet®vé. A kiolvasási m¶velet alatt az esetleges további trigger eseményeket gyelmen kívül hagyjuk. Ennek megvalósítását egy, a bemeneti vonalat
FEJEZET 4.
EGYES RÉSZEGYSÉGEK KIDOLGOZÁSA
20
blokkoló kapcsolás végzi. A trigger jel késleltetését és megformálását követ®en az adatgy¶jtést irányító FPGA vezérlést kap az adatkiolvasás megkezdésére. Mivel a labor trigger fokozat feladata pontos id®zítéseket is tartalmaz, ezért a detektoroktól érkez® bemeneti jelekhez a lehet® legközelebb került elhelyezésre. Így ezen részegység a galvanikus leválasztás szempontjából a nagyfeszültség¶ oldalon kapott helyet, ezzel minimalizálva a leválasztó elemek járulékos késleltetését.
4.3.
FPGA bemutatása
Az FPGA (
Field Programmable Gate Array) kiválasztása kulcsfontosságú kérdés-
kör a HPTD detektor életciklusának tekintetében. Az ALICE kísérletben elhelyezett, a nyalábtól mindössze pár méter távolságra lév® elektronikák fokozott sugárterhelésnek vannak kitéve [10] [11] [12]. A nem hétköznapi környezet az elektronikai alkatrészeket fokozottan igénybe veszi, mely id®vel öregedéshez és tönkremenetelhez vezethet. Azonban nem csupán hosszú távú meghibásodás léphet fel. A sugárveszélyes területen m¶köd® érzékeny analóg alkatrészek kimeneti jelei m¶ködés közben er®sen zajjal terheltté válhatnak, digitális komponensek esetén akár a logikai érték megváltozása is bekövetkezhet. Az olyan érzékeny területeken, ahol mindössze egy-egy bit logikai értékének megváltozására a teljes berendezés helyesen történ® m¶ködése kérdésessé válhat, fokozott kritériumok megfogalmazása válik szükségessé. Ilyen terület a berendezések m¶ködtetését végz® processzorok program memóriája, vagy az FPGA áramkörök bels® hálózatát tároló kon gurációs memóriacellák. Az alacsony szint¶ adatgy¶jtés vezérlését a front-end elektronikán elhelyezett FPGA áramkör végzi. A prototípus eszköz esetén így fontos szempont a kritikus komponensek sugárzás állóságának vizsgálata. Ugyanakkor nem célunk a teljes berendezés, sugár terhelt környezetre történ® felkészítése. Logikailag helyesnek tartottuk azt a megközelítést, miszerint a piacon elérhet® alkatrészek között a fejlesztés teljes szakaszát végigkísér® alkatrészcsalád kiválasztása alapvet®en meghatározza a végs® berendezés megbízhatóságát. Így a front-end elektronika egyik legkritikusabb alkatrészének, a folyamat vezérlését végz® FPGA áramkör kiválasztásának esetén a következ® elvárásokat fogalmaztuk meg:
•
Az eszközcsalád rendelkezzen sugár terhelt környezetbe szánt komponenssel.
•
A fejlesztések során elérhet® legyen a végs® alkatrészhez hasonló, közel azonos tulajdonságokkal rendelkez® ipari környezetre szánt helyettesít® alkatrész.
FEJEZET 4.
•
21
EGYES RÉSZEGYSÉGEK KIDOLGOZÁSA
Az eszközcsaládon belül az er®forrásokat illet®en széles választék álljon rendelkezésre.
•
A gyártó az iparban elismert szerepl® legyen.
•
A kiválasztott eszközcsalád rendelkezzen az elkövetkez® 46 évre gyártói támogatással, ill. az alkatrész utánpótlás folyamatos legyen.
A fent megfogalmazott pontokra alapozva els®ként a legérzékenyebb terület mentén osztályoztuk az egyes termékeket. A kon gurációt tároló memória alapján három f®bb FPGA típus kerül el®térbe: SRAM alapú eszközök, FLASH technológiával készül® alkatrészek és ANTIFUSE memóriával rendelkez® termékek.
4.3.1. Sugárzás t¶résének mér®számai Teljes Ionizációs Dózis (Total Ionazing Dose (TID)) Az anyagban ionizáló sugárzás által leadott összenergia, mely el®segíti az elektronikus alkatrészek hosszútávú tönkremenetelét. A TID egy integrális mennyiség, így az alkatrész teljes élettartalmára szokás vonatkoztatni. Ugyanakkor önmagában még nem teljes érték¶ jellemz®, hiszen az energia id®beli eloszlásáról nem tartalmaz semmilyen információt. Mértékegysége [rad] vagy [gray vagy Gy], ahol 100 rad = 1 Gy. De níció alapján 1 Gy = 1
J . kg
Lineáris Energia Átadás (Linear Energy Transfer (LET))
A részecske által az
anyagban megtett egységnyi úthossz alatt leadott energiának mér®száma. Az értéket er®sen befolyásolja az anyag s¶r¶sége. Mértékegysége [
MeVcm2 ]. mg
Részecske uxus (Particle Flux (PF)) Az egységnyi felületen egységnyi id® alatt áthaladó részecskék száma. A uxus tehát a részecskék felületi és id®beli s¶r¶ségét jellemzi, mely információt a TID-vel kiegészítve az alkatrész öregedésére vonatkozó megkötésekre már el®zetes becslés adható.
Egyszeri Hibaesemény (Single Event Upset (SEU)) Amennyiben egy memóriacella közelében áthaladó részecske által gerjesztett töltéshordozók felhalmozódnak, a cellában tárolt logikai érték megváltozhat. Így a memória terület frissítése esetén már az új érték kerül rögzítésre. A SEU tehát általában nem zikai, hanem logikai hibát generál. Adatmemória esetén az adat hihet®ségét befolyásolja. Digitális rendszerek esetén a kritikus pont a rendszert m¶ködtet® kódot tartalmazó terület sérülése, mely során a m¶ködés instabillá is válhat.
FEJEZET 4.
22
EGYES RÉSZEGYSÉGEK KIDOLGOZÁSA
Ez processzorok esetén a program memória, FPGA-t tartalmazó alkalmazások esetén a kon gurációt tároló cellák tartalmának sérülése esetén fordulhat el®.
Egyszeri Felütközés (Single Event Latch Up (SEL)) A félvezet® technikán alapú elektronikus eszközök bels® felépítéséb®l adódóan parazita PN átmenetek is megjelennek, melyek bizonyos körülmények hatására normál aktív tartományba kerülhetnek. Egy-egy nagy energiás részecske az eszközön áthaladva ionizáláson keresztül többlet és kisebbségi töltéshordozókat generálhat, mely elegend® lehet a félvezet® átmenet kinyitásához. Az aktív állapotba került komponens révén a fogyasztás megn®. Amennyiben az alkatrész tervez®i nem biztosítottak megfelel® áram védelmet, ez akár a parciális energias¶r¶ség megnövekedése miatt az eszköz tönkremeneteléhez is vezethet. Áramkorlátozás esetén a jelenség maradandó hibát nem okoz, de az eszköz átmenetileg m¶ködésképtelenné válik. A tápforrás megszüntetését követ®en az áramút megszakad, így az alkatrész karakterisztikája ismét az üzemi tartományba kerül. A SEL tipikus jelenség a CMOS technológián alapú eszközöknél, ahol mindkét tranzisztor nyítását követ®en közvetlen áramút jelenik meg a táp és a földsík között.
4.3.2. Egyes kísérletekre vonatkozó sugárterhelés A jelenleg üzemel® rendszerrel szemben támasztott követelményeket a 4.1. táb-
1
lázat foglalja össze.
Φneutron
Φhadron
1 MeV ekv.
1 MeV ekv.
[rad]
2 [n/cm ]
2 [n/cm ]
TPC (bels® oldal)
1600
1,4·10
11
1,5·10
11
TPC (küls® oldal)
220
4,4·10
10
4,5·10
10
TRD
180
2,5·10
10
2,6·10
10
TOF
120
1,9·10
10
2,0·10
10
50
1,7·10
10
1,7·10
10
∗
1,7·10
10∗
1,7·10
10∗
Detektor
HMPID VHMPID
∗
TID
50
4.1. táblázat. A 10 évre integrált sugárterhelés az egyes aldetektoroknál [11]
1 Az
eredeti [11] forrásban a VHMPID-re vonatkozó adatok nem szerepeltek. A VHMPID hoz-
závet®legesen azonos távolságra lesz elhelyezve, mint a HMPID detektor, így az elektronikákkal szemben támasztott követelmények is megegyeznek.
5. fejezet
Összefoglalás
A CERN (European Organisation for Nuclear Research) a részecske zika területén a világ egyik legelismertebb kutatóintézete. Nevét nem csupán az internet (World Wide Web, röviden WWW) feltalálásának köszönheti, a gen székhely¶ szervezetszámos elmélet kísérleti alátámasztásának adott eddig otthont. A CERN-ben üzemel® LHC (Large Hadron Collider) 27 km-es kerületével jelenleg a világ legnagyobb részecskegyorsítója. A protoncsomagok LHC energiákon történ® ütköztetésével olyan zikai jelenségek vizsgálatára adódik lehet®ség, mint a Standard-modell hiányzó elemének, a Higgs bozonnak behatárolása vagy a világegyetem kezdeti állapotát leíró anyagnak, az ún. kvark-gluon plazmának meg gyelése. A másodperc tört része alatt lezajló zikai jelenségeket komplex detektor rendszerek mérik. Az ALICE (A Large Hadron Collider Experiment) egyik a négy nagy kísérlet közül, mely kifejezetten a nehézionok ütköztetése révén el®állított kvarkgluon plazma vizsgálatára lett kifejlesztve. Az LHC energiákon történ® mérések igényt támasztottak egy olyan detektor kísérletbe történ® beintegrálására, mely képes az 5 GeV <
pT < 25 GeV
transzver-
zális momentummal rendelkez® részecskék pontos azonosítására. E célt szolgáltatottak megvalósítani a VHMPID (Very High Momentum Particle Identi cation Detector) és HPTD (High PT Trigger Detector) detektorok, melyek fejlesztésében az MTA Wigner Fizikai Kutatóintézet kutatócsoportjai is részt vesznek. A VHMPID és HPTD detektorok így a részecske zika egy olyan területének vizsgálatát teszik lehet®vé, mely új, eddig nem ismert eredményekkel b®vítheti a világról alkotott elképzeléseinket. A HPTD detektor ALICE kísérletbe történ® integrálásához elengedhetetlen egy olyan áramkör kifejlesztése, mely képes az alacsony szint¶ adatgy¶jtés funkciók ellátására illetve a magas szint¶ adatgy¶jt® rendszer felé egy interfész felület biztosí-
23
FEJEZET 5.
ÖSSZEFOGLALÁS
24
tására. Szakdolgozatom egy olyan áramkör kifejlesztésére irányul, mely képes ellátni ezen funkciókat. Dolgozatom els® fejezetében bemutattam a részecskék gyorsításának mechanizmusát illetve összefoglaltam az LHC mentén elhelyezked® detektorok célkit¶zéseit. Ezután bemutatásra került az ALICE kísérlet. Külön kiemeltem a front-end elektronika szempontjából releváns TPC, VHMPID és HPTD detektorok felépítését és m¶ködését. A második fejezetben ismertetésre kerültek a trigger és adatgy¶jt® rendszer fontosabb egységei. Az egyes elemek bemutatását a front-end elektronika szemszögéb®l végeztem. A harmadik fejezetben az adatgy¶jtési láncban egység szinten elhelyezésre került a front-end elektronika, majd egy rendszerterv felállítása mellett döntöttem, mely képes hidat alkotni a HPTD detektor, valamint a trigger és adatgy¶jt® rendszer között. A negyedik fejezet a fejlesztés jelenlegi fázisában mutatja be az egyes részegységek kidolgozását. A szakdolgozatom során eddig elért eredmények biztatóak, a rendszer szinten megalkotott áramkör képes lesz ellátni a célul kit¶zött feladatokat.
Jelölések és rövidítések
CERN
European Organization for Nuclear Research
LHC
Large Hadron Collider
PS
Proton Syncrotron
SPS
Super Proton Syncrotron
ATLAS
A Large Ion Collider Experiment
CMS
Compact Muon Solenoid
LHCb
Large Hadron Collider-beauty
ALICE
A Large Hadron Collider Experiment
TPC
Time Projection Chamber
pT
Transvers Momentum
VHMPID
Very High Momentum Particle Identi cation Detector
HPTD
High
ALICEBP
ALICEBudapest kollaboráció
REGARD
RMKI-ELTE Gaseous Detector Research and Develop-
PT
Trigger Detector
ment JET CCC
Close Cathode Chambers
CTP
Central Trigger Processor
TTC
Trigger, Timing and Clock
LTU
Local Trigger Unit
L0
Level 0 Trigger
L1
Level 1 Trigger
L2
Level 2 Trigger
HLT
High Level Trigger
25
FEJEZET 5.
ÖSSZEFOGLALÁS
DDL
Detector Data Link
RORC
Read-Out Receiver Card
FEE
Front-End Electronics
DMA
Direct Memory Acces
RAM
Random Access Memory
FPGA
Field Programmable Gate Array
TTCrq
Trigger, Timing and Clock receiver and QLL
GND
Ground
ASIC
Application Speci c Integrated Circuit
LDO
Low-Dropout Regulator
TID
Total Ionizing Dose
LET
Linear Energy Transfer
PF
Particle Flux
SEU
Single Event Upset
SEL
Single Event Latch Up
26
Irodalomjegyzék
[1] CERN Accelerator Complex,
http://public.web.cern.ch/public/en/
research/AccelComplex-en.html,
2012. 04. 01., 17:34
[2] C. Fabjan, J. Schukraft, The story of ALICE: Building the dedicated heavy ion detector at LHC,
The Large Hadron Collider: A marvel technology, EPFL-
Press Lausanne, Switzerland, 2009. [3] ALICEBudapest
csoport
hivatalos
weblapja,
http://alice.kfki.hu,
2012. 03. 31., 18:41 [4] REGARD (RMKIELTE Gaseous detector Research and Development) csoport weblapja,
http://regard.kfki.hu,
2012. 04. 03., 22:31
[5] D. Varga, G. Hamar, G. Kiss, Asymmetric Multi-Wire Proportional Chamber with reduced requirements to mechanical precision,
Nuclear Instruments and
Methods in Physics Research A, pp. 163167., May, 2011. [6] Kiss Gábor,
Sokszálas proporcionális kamrák fejlesztése részecske zikai detek-
torokhoz, Eötvös Loránd Tudományegyetem, Budapest, 2010. [7] ALICE Collaboration, Trigger, Data Acquisition, High Level Trigger, Control System Technical Design Report, Alice Technical Design Report, ALICE-DOC2004-001 v.2, 2004. [8] György Rubin, Csaba Soós, Hardware guide for front-end designers/ALICE detector data link vers. 2.4, ALICE Internal note/DAQ, 2007. [9] P. Moreira, TTCrq manual, 2005.,
http://proj-qpll.web.cern.ch/proj-qpll/images/manualTTCrq.pdf, 2012. 05. 14., 10:05 [10] E. Dénes, A. Fenyvesi, A. Hirn, A. Kerék, T. Kiss, J. Molnár, D. Novák, C. Soós, ALICE DDL Radiation Tolerance Tests for the FPGA Con guration Loss,
27
28
IRODALOMJEGYZÉK
2004.,
http://alice-proj-ddl.web.cern.ch/alice-proj-ddl/radtol/doc/ DDLRadtolTests_LECC2004.pdf,
2012. 04. 22., 13:28
[11] E. Dénes, A. Fenyvesi, A. Hirn, A. Kerék, T. Kiss, J. Molnár, D. Novák, C. Soós, T. Tölyhi, P. VandeVyvre, Radiation Tolerant Source Interface Unit for the ALICE Experiment, 2005.,
http://alice-proj-ddl.web.cern.ch/alice-proj-ddl/radtol/doc/ DDLRadtolTests_LECC2004.pdf,
2012. 04. 22., 13:29
[12] E. Dénes, A. Fenyvesi, E. Futó, A. Kerék, T. Kiss, J. Molnár, D. Novák, C. Soós, T. Tölyhi, P. VandeVyvre, Radiation Tolerance Quali cation Tests of the Final Source Interface Unit for the ALICE Experiment, 2006.,
http://alice-proj-ddl.web.cern.ch/alice-proj-ddl/radtol/doc/ LECC2006_AliceRadtolArticle.pdf,
2012. 04. 22., 13:30
