[논문 리뷰] A DAQ System for Linear Collider TPC Prototypes based on the ALEPH TPC Electronics

M. Ball, N. Ghodbane외 2명|ArXiv.org|2004. 07. 22.

Particle Detector Development and Performance참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 CERN의 LEP 실험에서 사용된 ALEPH TPC 전자기기의 재사용을 바탕으로, 선형 컬리더 TPC용 저비용 프로토타입 DAQ 시스템을 제시한다. 이 시스템은 FASTBUS 및 VME 기반 하드웨어를 사용하며, FADC 디지털화를 통해 12.5 MHz에서 작동하여 최대 512개의 타임 슬라이스(41 μs의 깊이) 이벤트 저장이 가능하고, TCP를 통해 LCIO 호환 데이터 라이터로 데이터 전송하여 선형 컬리더 I/O 형식으로 지속 저장할 수 있다. 이 시스템은 TPC 프로토타입의 중간 수준 R&D 테스트를 위해 개발 과정의 부담을 최소화한다.

ABSTRACT

Within the international studies of a high energy linear electron positron collider, several groups are developing and testing prototypes for a Linear Collider TPC. This detector is planned to be used as a central part in the tracking system of a detector at such a machine. In this note we describe a DAQ system, which has been developed for the use in tests of TPC prototypes. It is based on electronics used at the ALEPH experiment at CERN.

연구 동기 및 목표

• 선형 컬리더의 R&D 단계에서 TPC 프로토타입을 테스트하기 위한 비용 효율적이고 기능적인 DAQ 시스템을 개발하기 위해.
• 기존에 검증된 ALEPH TPC 전자기기 하드웨어를 활용하여 R&D 노력과 비용을 최소화하기 위해.
• 중간 성능 요구사항을 가진 TPC 프로토타입에 대해 신뢰성 있는 데이터 수집 및 저장을 가능하게 하기 위해.
• 미래의 충돌기 실험에서 표준화된 데이터 처리를 위해 LCIO 데이터 모델과의 통합을 지원하기 위해.

제안 방법

• 시스템은 TPD6821 FADC 모듈과 VME 기반 CPU(FIC 8234)를 사용한 수정된 FASTBUS 크레이트를 사용하여 제어 및 데이터 수집을 수행한다.
• TPC 패드에서 온 신호는 전하 적분 회로(2 μs 시간 상수)로 사전 증폭되어 디지털화 전에 가우시안 펄스로 형상화된다.
• 8비트 FADC가 12.5 MHz에서 신호를 샘플링하여 메모리 뱅크에 최대 4개의 이벤트(각각 512개의 타임 슬라이스)를 저장한다.
• TCP 기반 프로토콜을 사용하여 DAQ에서 클라이언트로 데이터를 전송하며, 제어 문자 갈등을 방지하기 위해 7비트 페이로드의 MSB를 1로 설정한다.
• 사용자 정의 LCIO 클라이언트가 TPCHitImpl 및 TPCPulse 클래스를 사용하여 FADC 펄스 스펙트럼을 저장하는 LCIO 형식으로 디스크에 데이터를 기록한다.
• 런 파rameter(예: 카르바이드 전압, 자기장)는 LCIO 런 헤더에 저장되며, 파일은 매 1000개의 이벤트마다 분할되며 날짜와 일련번호 기반의 이름을 갖는다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존의 ALEPH TPC 전자기기를 선형 컬리더 TPC 프로토타입의 R&D에 효과적으로 재사용할 수 있는가?
• RQ2 노후된 LEP 시대 전자기기를 사용할 경우 중간 수준의 TPC 테스트에 대해 어느 정도의 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ3 FADC 기반 TPC 리더아웃에서 유입된 데이터를 향후 충돌기 실험을 위해 표준 형식으로 신뢰성 있게 전송하고 저장할 수 있는가?
• RQ4 이 시스템은 풀 펄스 스펙트럼과 이벤트 경계를 포함한 유연한 데이터 기록을 어느 정도 지원하는가?

주요 결과

• DAQ 시스템은 12.5 MHz의 샘플링 속도와 8비트 해상도를 확보하여 TPC 시스템의 프로토타이핑 및 중간 수준 테스트에 충분하다.
• 이벤트 메모리 깊이는 512개의 타임 슬라이스(약 41 μs)로 제한되며, TESLA TDR의 요구사항인 1 ms보다 낮다.
• LCIO 형식에서 TPCPulse 클래스를 사용하여 FADC 펄스 스펙트럼을 성공적으로 저장하여 시간 및 전하 샘플링 데이터에 대한 완전한 액세스를 가능하게 한다.
• 제어 문자 갈등을 방지하기 위해 MSB가 1로 설정된 7비트 TCP 프로토콜을 사용하여 데이터를 전송하며, 이벤트 시작과 종료를 각각 'a'와 'e'로 표시한다.
• 매 1000개의 이벤트마다 동적 파일 분할이 가능하며, 파일명 형식은 prefix.YYYYMMDD.XXX.slcio이며, XXX는 일련번호이다.
• 이 시스템은 낮은 수집 속도, 높은 전력 소모 및 낮은 패키지 밀도로 인해 최종 LC TPC 구현에는 적합하지 않지만, R&D 프로토타입으로서는 매우 유용하다.