The Development Of DAQ System For J-PARC K O TO Experiment Yasuyuki - PowerPoint PPT Presentation

The Development Of DAQ System For J-PARC K O TO Experiment Yasuyuki Sugiyama D1@Yamanaka Taku Lab. Year End report meeting 2010/12/19(Mon) 1 2011 年 12 月 19 日月曜日 1

Contents • KOTO Experiment • Trigger/Data Acquisition(DAQ) system for KOTO experiment • Current Status 2 2011 年 12 月 19 日月曜日 2

d T ν K O KOTO Experiment s ν CsI Calorimeter calorimeter measures the KOTO Detector • Experiment for searching K meson rare decay mode: the K 0 L → π 0 νν deca of 576 pure CsI crystals. • Detect γ from π 0 decay by CsI calorimeter. → Make trigger by signal from CsI calorimeter. • Store all waveform information by Flash ADC ~3600 channel • Can acquire timing and energy information. 3 2011 年 12 月 19 日月曜日 3

エネルギーに相当する信号に対し、 極ベッセルフィルターに通して を用い Bessel filter • record the output from the Bessel filter w/ 125MHz FADC 100ns 100ns 図 左図がオシロスコープで取得した カロリメータの からの信号であ る。この出力信号を で記録 章 すると右の図のようになる。 極ベッセルフィルターを用いた場合の時間分解能と二重パルスの分解能については、 シカゴ大の と が変換後の波形を用いてシュミレーショ ンによる調査を行った。その結果、 でデジタル化を行った場合、 以上の 極ベッセルフィルターと 以下の時間分解能が得られることがわかってい 実験のためのデータ収集システム 第 結晶の信号に対して ボードを用いる。これは、 FPGA 10 pole Bessel Filter 14bit 125MHz FADC 参照）によって、各トリガー判断の段階での最大 ハードウェアの性能（詳しくは付録 トリガー判断自体はデッドタイムが無視できるが、実際のデータ転送や保存に用いる 各トリガー段階における最大データ取得レート めにより正確な時間情報が必要となるからである。 が入射して二重パルスが起きやすく、二重パルスの分離のた では高いレートで の た場合の時間分解能に関しては、 フィルターは用いず、サンプリング周波数 などの検出器に対しては、波形変換 トでの反応が予想される 信号の波形に合わせて素子の組み合わせを最適化して用いる。これに対し、比較的高レー 結晶でなく他の物質を検出媒体として用いる場合には、その ボードを用いる。 の カロリメータやその他ほとんどの検出器にはこのサンプリング周波数 われたテスト実験で得たデータを用いて、大阪大学の岩井瑛人氏が解析を行っている。 月に東北大学電子光理学研究センターにて行 年 る。実際の Waveform readout by Flash ADC • Requirement • Deal with High hit rate comes from High Intensity Beam • Time resolution <1ns Data to Lv1/2 trigger board • Distinguish overlapped signal. Control Signal • 14bit Energy resolution for1MeV~1GeV Analog Signal x 8 • Digitize the signal from all detector and store waveform by Flash ADC • Use 125MHz Flash ADC by stretching waveform Analog with 10 pole Bessel Filter Signal x 8 • Use 500MHz FADC for the detector near the beam. • Use pipeline buffer to reduce dead time. 1600 Waveform Flash ADC count 1400 14bit 10pole 1200 125MHz Bessel 1000 Flash FIlter 800 ADC 600 40ns PMT signal 400 0 100 200 300 400 4 Time[ns] 2011 年 12 月 19 日月曜日 4

① ④ ② ③ ⑤ The Data Flow Of KOTO DAQ System Detector 1.Digitization by Flash ADC Signal 2.Online Trigger decision using the Lv1 trigger energy of CsI Calorimeter. decision Total （ Lv1trigger ） Master Control/ Energy Flash Sum ADC Lv1 trigger module 3.Data readout from FlashADC to Lv2 Lv1 trigger trigger module, Lv2Trigger Data decision. Lv2 trigger/ Lv2 trigger Lv2 trigger/ (Counting γ cluster etc...) readout module decision readout module 4.Data transfer using Gigabit Ethernet. Data data storage Data 5.Event building, Lv3 Trigger PC farm @KEK decision 、 Data storing. Lv3 trigger decision 5 2011 年 12 月 19 日月曜日 5

Sum up energy information for 16 channel in each 8ns ・ ・ + + Energy sum for 16 channel (for 1module) ① Waveform Degitization Using FADC Spill gate Detector • Digitize the signal from detectors in each Signal 8ns Master Flash Gate Control, Digitization ADC Clock Lv1 trigger • Store waveform information for 4 μ s in pipeline buffer. Energy Sum Pipeline Sum Buffer • Sum up the energy in each module and send it to Trigger system Flash ADC 6 2011 年 12 月 19 日月曜日 6

for 16 channel in each 8ns + Sum up energy information ・ + ・ Energy sum for 16 channel (for 1module) ② Lv1 Trigger Decision • Receive Energy information from All FADC modules using Optical link. Spill gate Detector • Calculate Total energy of CsI Signal Calorimeter and Master Flash Gate, Control, Make Lv1 Trigger decision Digitization ADC Clock Lv1 trigger • Compare Calorimeter energy with Sum Sum Energy threshold Pipeline Total event Sum Buffer data Energy, • Take event data from Pipeline buffer. Trigger Trigger Trigger System Receive Energy Threshold and Sum UP for ALL module Flash ADC Trigger timing 7 2011 年 12 月 19 日月曜日 7

Read Out By Lv2 Trigger Module With ③ Optical Link ④ Ethernet Spill gate Detector Signal • Readout event data from Flash ADC using Master Optical link, and store it into onboard memory Flash Gate, Control, Digtization ADC in Lv2 trigger module. Clock Lv1 trigger SumEt • Making Lv2 Trigger decision using Sum Pipeline Energy event waveform information. Sum Energy, Buffer data Sum Trigger Trigger • Switch two onboard memory in every spill to Readout Clock maximize performance. Readout, Lv2 trigger event event data data Change • Send event data to PC farm using Gigabit Memory Memory Ethernet. Readout PC farm 8 2011 年 12 月 19 日月曜日 8

計算 ⑤ Event Building Spill gate Detector • Lv2 trigger module sends its data which is part of event data. Signal Master Flash Gate, Control, Digitization • PC farm build the event with data from all ADC Clock Lv1 trigger Lv2 trigger modules. SumEt SumEt Pipeline event • PC farm process the event data SumEt 計算 , Buffer data Trigger Trigger • Online monitoring Readout Clock Readout, Lv2 trigger • Data compression event event data data Change Memory Memory Readout • Lv3 trigger with online event analysis. KEK PC farm Event Building Record to • And send event data to Storage at KEK HPSS Level 3 trigger 9 2011 年 12 月 19 日月曜日 9

Event Building • Use Network Switch and MAC address of PC Farm Nodes for Event building • Lv2 trigger board changes the “Destination MAC address of PC nodes” for each event. • Network switch sort the ethernet packet of event into one PC nodes node1 node2 node3 Ethernet Switch Lv2 trigger module PC farm nodes 10 2011 年 12 月 19 日月曜日 10

Event Building • Use Network Switch and MAC address of PC Farm Nodes for Event building • Lv2 trigger board changes the “Destination MAC address of PC nodes” for each event. • Network switch sort the ethernet packet of event into one PC nodes Event1 node1 node2 node3 Ethernet Switch Lv2 trigger module PC farm nodes 10 2011 年 12 月 19 日月曜日 10

Event Building • Use Network Switch and MAC address of PC Farm Nodes for Event building • Lv2 trigger board changes the “Destination MAC address of PC nodes” for each event. • Network switch sort the ethernet packet of event into one PC nodes Event1 node1 Event2 node2 node3 Ethernet Switch Lv2 trigger module PC farm nodes 10 2011 年 12 月 19 日月曜日 10

・ ・ ・ ・ ・ ・ Event Building • Use Network Switch and MAC address of PC Farm Nodes for Event building • Lv2 trigger board changes the “Destination MAC address of PC nodes” for each event. • Network switch sort the ethernet packet of event into one PC nodes Event1 node1 Event2 node2 Event3 node3 Ethernet Switch Lv2 trigger module PC farm nodes 10 2011 年 12 月 19 日月曜日 10

Data Processing In PC Farm • Lv3 framework consists of 3 software modules in PC. • Receiver: Receive network packet from Lv2 trigger module. • Processor: Sort packets/Build events/Event Selection(Lv3 trigger)/ Data compressoion • Store: Store data to file. • Using queue system to manage tasks. • Each module send event data to queue after its task. • Next module start its task if event queued to its queue. Process Store Queue Receive Queue 11 2011 年 12 月 19 日月曜日 11