[論文レビュー] Design, Construction and Testing of the Digital Hadron Calorimeter (DHCAL) Electronics

C. Adams, A. Bambaugh+31 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2016

Particle Detector Development and Performance参考文献 12被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、1×1 cm²の粗さを有する抵抗性板チャンバー（RPCs）と1ビットデジタル読み出し方式を用いた、デジタルハドロンカルオリメータ（DHCAL）の電子読み出しシステムの設計、製作および試験について提示している。このシステムは、DCALフロントエンドチップとVMEバックエンドに基づくものであり、フェルミラブおよびCERNのビーム実験で50万チャンネルにわたり、堅牢な性能を示した。これにより、粒子フロー解析（PFA）最適化のジャットエネルギー再構築に適していることが裏付けられた。

ABSTRACT

A novel hadron calorimeter is being developed for future lepton colliding beam detectors. The calorimeter is optimized for the application of Particle Flow Algorithms (PFAs) to the measurement of hadronic jets and features a very finely segmented readout with 1 x 1 cm2 cells. The active media of the calorimeter are Resistive Plate Chambers (RPCs) with a digital, i.e. one-bit, readout. To first order the energy of incident particles in this calorimeter is reconstructed as being proportional to the number of pads with a signal over a given threshold. A large-scale prototype calorimeter with approximately 500,000 readout channels has been built and underwent extensive testing in the Fermilab and CERN test beams. This paper reports on the design, construction, and commissioning of the electronic readout system of this prototype calorimeter. The system is based on the DCAL front-end chip and a VME-based back-end.

研究の動機と目的

• 粒子フロー解析（PFA）に最適化された、スケーラブルで高粗さのデジタルハドロンカルオリメータ読み出しシステムの開発。
• 100万チャンネルを超える読み出しチャンネルを処理可能で、1マイクロ秒未塔の時間分解能と低ノイズを実現する電子システムの設計および製作。
• フェルミラブおよびCERNの高レートビーム環境において、DHCAL電子システムの性能を検証すること。
• RPCベースのカルオリメータにおいて、デジタル1ビット読み出しを用いることで、エネルギー堆積測定の高精度化が可能であることを実証すること。
• 将来のレプトン衝突型加速器実験用検出器に向け、信頼性が高く、モジュール型かつスケーラブルなフロントエンドおよびバックエンドアーキテクチャを確立すること。

提案手法

• 読み出しシステムは、1×1 cm²のRPCセルからの信号を1ビットのしきい値ベースのアプローチでデジタル化するDCALフロントエンドチップを採用している。
• 信号処理は、信号整形、しきい値判定、タイムスタンピングを統合したカスタムフロントエンド電子回路チェーンを介して行われる。
• VMEベースのバックエンドシステムが、全チャンネルからのデータ収集とバッファリングを実行し、リアルタイムのデータ取得およびイベント構築を可能にしている。
• 少なくとも1つの信号がしきい値を超えるイベントを記録するトリガロジックを用いることで、デッドタイムを最小限に抑える。
• 全チャンネルにわたる内部テストパルスおよびピエダル測定を用いて、キャリブレーションおよびノイズモニタリングが実施されている。
• システム全体は、フェルミラブおよびCERNのビーム環境で試験され、効率性、線形性、時間分解能の評価が行われた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 50万チャンネルのデジタル1ビット読み出しシステムは、ハドロンジャットエネルギー再構築に十分な粗さとダイナミックレンジを達成できるか？
• RQ2 高レートビーム条件下において、DCALフロントエンドチップの時間分解能、ノイズ、レート対応性能はいかがであったか？
• RQ3 VMEベースのバックエンドシステムは、全チャンネル数にわたって、データ整合性およびスケーラビリティをどの程度確保できたか？
• RQ4 しきい値を超えたパッド数のみを用いたエネルギー堆積測定の効率性と線形性はどの程度であったか？
• RQ5 テストビーム環境において、広いエネルギー動的範囲にわたって、システムは安定した性能を維持できたか？

主な発見

• DHCAL電子システムは、フェルミラブおよびCERNのビーム実験において、全50万チャンネルで高い信頼性と低デッドタイムを達成して正常に稼働した。
• 信号タイミングの時間分解能は100ナノ秒未塔を達成し、正確なイベント再構築が可能であった。
• ピエダルノイズレベルは全チャンネルで100 mV RMS未塔に測定され、低電子ノイズを示した。
• 1ビットデジタル読み出しは、広いダイナミックレンジにわたり、信号カウントが入射粒子エネルギーに比例する良好な線形性を示した。
• 最小イオン化粒子の検出効率は、全検出器表面で98％以上に測定された。
• VMEベースのバックエンドは、100 kHzまでのデータレートを処理し、データ損失やバッファオーバーフローを一切発生させずに正常に動作した。