[論文レビュー] Operational experience and evolution of the ATLAS Tile Hadronic Calorimeter Read-Out Drivers

A. Valero|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 9被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、LHCラン1からラン2にかけてのATLASタイル・カリメータ読出しドライバ（RODs）の運用的進化およびハードウェア／ファームウェareのアップグレードを詳述しており、リアルタイム信号処理、データ圧縮、同期化に焦点を当てている。RODsは9U VMEボードにDSPベースの処理ユニットを搭載し、増加する光度とトリガー率に応じてアップグレードされた。最適フィルタリングの最適化とシステム帯域幅の向上により、ラン2では94％のデータ取得効率と0.4％未満のデータ品質損失を達成した。

ABSTRACT

TileCal is the central hadronic calorimeter of the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider (LHC). It is a sampling detector where scintillating tiles are embedded in steel absorber plates. The tiles are grouped forming cells, which are read-out on both sides by photomultiplier tubes (PMTs). The PMT digital samples are transmitted to the Read-Out Drivers (ROD) located in the back-end system for the events accepted by the Level 1 trigger system. The ROD is the core element of the back-end electronics and it represents the interface between the front-end electronics and the ATLAS overall Data AcQuisition (DAQ) system. It is responsible for energy and time reconstruction, trigger and data synchronization, busy handling, data integrity checking and lossless data compression. The TileCal ROD is a standard 9U VME board equipped with DSP based Processing Units mezzanine cards. A total of 32 ROD modules are required to read-out the entire TileCal detector. Each ROD module has to process the data from up to 360 PMTs in real time in less than 10 microseconds. The commissioning of the RODs was completed in 2008 before the first LHC collisions. Since then, several hardware and firmware updates have been implemented to accommodate the RODs to the evolving ATLAS Trigger and DAQ conditions adjusted to follow the LHC parameters. The initial ROD system, the different updates implemented and the operational experience during the LHC Run 1 and Run 2 are presented.

研究の動機と目的

• LHCの光度とトリガー率の増加に伴っても、ATLASタイル・カリメータにおける高いデータ取得効率とデータ品質効率を維持すること。
• 進化するLHC環境下で、PMTパルス再構築における信号の重ね合わせ（pileup）とノイズ歪みの課題に対処すること。
• ラン2におけるインスタント光度の上昇に対応するため、RODシステムの処理能力と出力帯域幅を向上させること。
• 時刻ずれによる重ね合わせが原因で生じる最適フィルタリングアルゴリズムにおける負のエネルギー再構築を解消すること。
• 最小限の変更でラン3およびハイ・リタニティ・LHC時代へのシームレスな運用を可能にするようRODシステムを準備すること。

提案手法

• RODsは9U VMEボード上に搭載されたDSPベースの処理ユニットを用い、360チャンネル分のPMT信号のエネルギーおよび時間再構築を10 µs以内でリアルタイムに実行する。
• 最適フィルタリング（OF）法は、既知のパルス波形、ノイズモデル、重ね合わせ状態を前提に事前計算された重みを用いたデジタルサンプルの線形結合により、パルス振幅と位相を計算する。
• 2種類のOFバリアントが使用されている：OF1はフィルタリング前にピードを差し引くが、OF2は共通モードノイズをキャンセルするための合計重みがゼロとなるように設定されるが、負のエネルギー出力を引き起こすリスクがある。
• 反復的OFバリアントは、宇宙線ランなどの非同期トリガー状態でも性能を向上させる。
• システムは可変深度のエラスティックバッファとビジー・ボイド信号を採用し、バッファオーバーフローとデータ損失を防止する。
• データ整合性はオンボードチェックにより保証され、High-speed Optical Link for ATLAS（HOLA）カードを介した送信前に無損失圧縮が適用される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ラン1およびラン2の間、LHCの光度とトリガー率の増加に伴って、RODシステムはどのようにリアルタイム処理性能を維持できるか？
• RQ2 高密度な重ね合わせ状態下でOF2フィルタリング法に生じる主な制限要因は何か。また、それらはどのように緩和できるか？
• RQ3 RODシステムのハードウェアおよびファームウェアのアップグレードは、高占有度状態下でのデータ取得効率とデータ品質にどのように寄与するか？
• RQ4 動的でセル別最適化重みのキャリブレーションは、変化する検出器環境下でも再構築精度を維持するために果たす役割は何か？
• RQ5 現在のRODアーキテクチャは、大幅な再設計なしにハイ・リタニティ・LHC（HL-LHC）の要件をどの程度満たせるか？

主な発見

• RODシステムはLHCラン1中に正常に稼働し、データ取得効率は約95％を記録したが、主にフロントエンド電源の故障が制限要因であった。
• ラン1におけるタイルカリメータのデータ品質効率は98.7％に達し、信号再構築と整合性チェックの堅牢性が裏付けられた。
• ラン2では、アップグレードされたRODシステムにより、全体のデータ取得効率が94％、データ品質損失は0.4％未満に抑えられた。これはピーク光度が2倍ノーマルの状態でも達成された。
• OF2からOF1への置き換えにより、時刻ずれによる重ね合わせが原因の負のエネルギー再構築が解消され、ハイレベルトリガーアルゴリズムの安定性が向上した。
• セル別最適フィルタ重みの導入により、位置依存の重ね合わせノイズを反映させたことで、高占有度状態下での再構築精度が顕著に向上した。
• 各モジュールに二重の処理ユニットと二重のHOLAカードを搭載したアップグレードにより、処理能力と出力帯域幅が2倍に拡大され、ラン2の要件を満たした。