Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Karol Buńkowski Uniwersytet Warszawski CMS – wyzwalanie na miony w oparciu o komory RPC Seminarium Oddziału Fizyki i Astrofizyki Cząstek IFJ, 26 maja 2009.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Karol Buńkowski Uniwersytet Warszawski CMS – wyzwalanie na miony w oparciu o komory RPC Seminarium Oddziału Fizyki i Astrofizyki Cząstek IFJ, 26 maja 2009."— Zapis prezentacji:

1 Karol Buńkowski Uniwersytet Warszawski CMS – wyzwalanie na miony w oparciu o komory RPC Seminarium Oddziału Fizyki i Astrofizyki Cząstek IFJ, 26 maja 2009

2 Large Hadron Collider Seminarium Oddziału Fizyki i Astrofizyki Cząstek IFJ, 26 maja 2009Karol Buńkowski, UW

3 CMS - Compact Muon Solenoid Całkowita waga: t Średnica: 15 m Długość: 21.6 m Pole magnetyczne: 4 Tesla Pokrycie w : 5.5 kalorymetr forward 2.1 system mionowy Seminarium Oddziału Fizyki i Astrofizyki Cząstek IFJ, 26 maja 2009Karol Buńkowski, UW

4 Dlaczego wyzwalanie w LHC? paczek protonów, odległość między paczkami 7.5 m protonów / paczka E = 7 TeV na proton 40 milionów przecięć paczek / s ~ 20 oddziaływań proton-proton co każde 25 ns, W wyniku których powstają setki cząstek Odpowiedz detektora ~1 MByte danych (skompresowanych) Bytes ( GB) / s Strumień danych niemożliwy do zapisania Seminarium Oddziału Fizyki i Astrofizyki Cząstek IFJ, 26 maja 2009Karol Buńkowski, UW LHC

5 Dlaczego wyzwalanie w LHC?(2) Większość ze zdarzeń jest nieinteresująca (klasyczna fizyka) Sygnatura: niskie pędy poprzeczne (p T ) Sygnatura: wysokie pędy poprzeczne (p T ) Interesują nas Bardzo rzadkie zdarzenia w których powstały nowe ciężkie cząstki Rozpadają się one na wysokoenergetyczne obiekty: dżety hadronowe, leptony, fotony Seminarium Oddziału Fizyki i Astrofizyki Cząstek IFJ, 26 maja 2009Karol Buńkowski, UW

6 System wyzwalania (tryger) zapisz odrzuć Ocenia wybrane, zgrubne dane z każdego zdarzenia i na ich podstawie decyduje czy: Zapisać zdarzenie do pamięci masowej Czy też je odrzucić Seminarium Oddziału Fizyki i Astrofizyki Cząstek IFJ, 26 maja 2009Karol Buńkowski, UW Najważniejsze to nie zgubić interesujących przypadków = wysoka efektywność Oraz zapewnić, aby wyjściowa częstość przypadków nie przekraczała maksymalnej przepustowości systemu akwizycji danych

7 System wyzwalania i akwizycji danych w CMS Bufory odczytowe na 128 przypadków = 3.2 s Tryger pierwszego stopnia (Level 1) Dedykowana 40 MHz Analizuje każde przecięcie paczek przetwarzanie potokowe; wypracowanie decyzji s, w tym ~2 s transmisja danych Wyjście 100 kHz Tryger wyższego stopnia (HLT) Farma ~1000 komputerów, wykonujących algorytmy selekcji przypadków – analiza danych w czasie rzeczywistym: Stopniowa rekonstrukcja przypadku Uwzględniona kinematyka i topologia przypadku Informacje z trackera, pełny tracking Redukcja przypadków ze 100 kHz do 100 Hz zapisywanych na taśmach magnetycznych Event Builder switching network (~512 FED 512 Builder Units) Całkowita przepustowość ok. 500 Gbit/s Seminarium Oddziału Fizyki i Astrofizyki Cząstek IFJ, 26 maja 2009Karol Buńkowski, UW

8 Tryger pierwszego stopnia (Level 1) MIP+ ISO bits L1A (trigger) 40 MHz pipeline ECAL Trigger Primitives ECAL Trigger Primitives HCAL Trigger Primitives HCAL Trigger Primitives Regional Calorimeter Trigger Regional Calorimeter Trigger Global Calorimeter Trigger Global Calorimeter Trigger RPC hits CSC hits DT hits Segment finder Track finder Track finder Pattern Comparator Pattern Comparator Segment finder Track finder Track finder Global Muon Trigger Global Trigger TTC system TTS system Detectors Frontend Status Link system 32 partitions Seminarium Oddziału Fizyki i Astrofizyki Cząstek IFJ, 26 maja 2009Karol Buńkowski, UW Muon TriggerCalorimeter Trigger Podsystemy trygera: Identyfikuj, mierzą i sortują obiekty trygerowe Algorytmy GT: cięcia uwzględniają lokalizacje i koincydencje obiektów e/, J, E T, H T, E T miss

9 Tryger mionowy Seminarium Oddziału Fizyki i Astrofizyki Cząstek IFJ, 26 maja 2009Karol Buńkowski, UW Trzy niezależne, redundantne podsystemy: Drift Tube – beczkaCathode Strip Chambers – pokrywy RPC – beczka i pokrywy Dwa stopnie: 1. lokalne segmenty śladów w komorach 2. Track Finders (TF) – budowanie pełnych śladów, pomiar pędu poprzecznego mionu dobra rozdzielczość przestrzenna i co za tym idzie pędowa przy wyższej zajętości (docelowej świetlności LHC) możliwe niejednoznaczności pozycji lub czasu Rozpoznawanie śladów oparte na porównywaniu z wzorcami (Pattern Comparator PAC) Mniejsza rozdzielczość przestrzenna (2-4 cm w R-φ) Bardzo dobra rozdzielczość czasowa komór pewne przypisanie znalezionego mionu do przecięcia paczek. Odporność na wysoką częstość Identyfikacja mionów, zakładana efektywność >95% dla mionów o p T > 40 GeV Odpowiednio dokładny pomiar pędu i znaku mionów (po cięciu na ok. 25 GeV/c częstość trygera < 12.5 kHz) Niski poziom fałszywych trygerów i duchów Jednoznaczne przypisanie mionu do zdarzenia (przecięcia paczek) Global Muon Trigger – dopasowanie i scalanie mionów z trzech podsystemów

10 Tryger mionowy L1 i HLT – efektowność i wyjściowa częstość Level 1 – elektronika Level 2 – rekonstrukcja mionów tylko na podstawie systemu mionowego i obiektów Level 1; cięcia Level 3 – pełna rekonstrukcja z wykorzystaniem trackera, cięcia. W razie potrzeby wymaganie izolacji mionu. Seminarium Oddziału Fizyki i Astrofizyki Cząstek IFJ, 26 maja 2009Karol Buńkowski, UW Świetlność 2 × cm 2 s 1 Płaski rozkład p T GeV/c | Przerwy między kołami HLT

11 RPC PAC Muon Trigger System zaproponowany i zaprojektowany przez warszawską grupę CMS Współpraca: Komory: Włochy, CERN, Korea, Pakistan, Chiny, Bułgaria Elektronika: Polska (Warszawa), Finlandia, Włochy, Seminarium Oddziału Fizyki i Astrofizyki Cząstek IFJ, 26 maja 2009Karol Buńkowski, UW

12 RPC - Resistive Plate Chambers Detektor gazowy, zoptymalizowany do detekcji mionów w warunkach CMSu Podwójna wnęka gazowa (szerokość: 2 mm) ze wspólnymi paskami odczytowymi Napięcie zasilające ~9.5 kV Komory pracują w ograniczonym modzie lawinowym: mniejsze wzmocnienie gazowe (~ ) + wzmacniacz elektroniczny Paski odczytowe: szerokość: 0.5 – 4 cm, długość: cm Mieszanka gazowa: 96.2% C 2 H 2 F 4, 3.5% isoC 4 H 10, 0.3% SF 6 Rozdzielczość czasowa ~ 1 ns Efektywność > 95% Szum ~5 Hz cm 2 (bakelit poolejowany) Odporność na wysoką częstość cząstek (do 1000 Hz/cm 2 ) readout strips bakelite HV isolator graphite 2 mm Seminarium Oddziału Fizyki i Astrofizyki Cząstek IFJ, 26 maja 2009Karol Buńkowski, UW

13 Counting roomDetector FEB Tryger mionowy RPC PAC Trigger Board PAC Resistive Plate Chambers Up to 6 layers of detectors. 480 chambers in barrel, 504 in endcaps FEB Control & diagnostic Ghost Buster & Sorter RMB To the Global Muon Trigger Link Board Synchronization Unit & LMUX Optic Links GHz 1104 fibers LVDS cables To Data Acquisition GB & Sor ter Data Concentrator Card 1232 Link Boards in 96 Boxes, Steered by Control Boards 84 Trigger Boards in 12 Trigger Crates Data 320 MHz Seminarium Oddziału Fizyki i Astrofizyki Cząstek IFJ, 26 maja 2009Karol Buńkowski, UW SYN CH. & LD MU X * Numbers of elements for the staged version of the system

14 Złożoność systemu Detektor RPC: 984 komory, kilkanaście typów różniących się kształtem i szczegółami konstrukcji ~ pasków – 1-bitowych kanałów elektronicznych Elektronika tryger PAC: 12 typów płyt elektronicznych ~1 500 sztuk płyt elektronicznych Kilometry kabli (elektrycznych i optycznych) System synchroniczny, wszystkie układy pracują z tym samym zegarem 40 MHz Elektronika oparta na programowalnych układach FPGA Wszystkie płyty kontrolowane przez komputery – rozbudowana diagnostyka i monitoring; oprogramowanie sterujące Seminarium Oddziału Fizyki i Astrofizyki Cząstek IFJ, 26 maja 2009Karol Buńkowski, UW

15 Trigger Board Seminarium Oddziału Fizyki i Astrofizyki Cząstek IFJ, 26 maja 2009Karol Buńkowski, UW Najbardziej złożona płyta w systemie: wejście: 18 linków 1.6 GHz, strumień danych ~17 Gbitów/s dystrybucja danych po płycie z częstością 320 MHz 12 warstw, w tym dwie specjalne warstwy ceramiczne mieści m.in.: 4 chipy PAC wykonujące algorytm trygera, chip GBS sortujący znalezione miony chip RMB odpowiedziały za akwizycje danych

16 Technologia FPGA Field Programmable Gate Array – chip z w pełni konfigurowalną logiką Look - up Table logic functions generator – 16 bit memory Flip- Flop Synchronization to clock Carry and control logic, gates, MUX, etc. Programmable interconnection lines Input-output logic Block RAM Seminarium Oddziału Fizyki i Astrofizyki Cząstek IFJ, 26 maja 2009Karol Buńkowski, UW Logika jest tworzona w dedykowanych językach, np. VHDL (Very High Speed Integrated Circuits Hardware Description Language). Kompilowana dedykowanym oprogramowaniem Np. Altera Stratix II (EP2S90F1020C3, ~2005 rok), użyty jako PAC: LUTs 4.5M bitów pamięci RAM 902 pinów bloki DSP (Digital Signal Processing), układy mnożące

17 Przegląd zadań i problemów Komory: projektowanie, produkcja, testowanie, instalacja, uruchamianie Elektronika: projektowanie, testowanie, produkcja, instalacja, integracja Testy odporności radiacyjnej układów elektronicznych Rozwój i testowanie firmwareu dla układów FPGA Zintegrowane z elektroniką oprogramowanie do konfiguracji, kontroli, monitoringu i diagnostyki systemu: –Rozproszony, wielowątkowy system komputerowy; dedykowany software oparty na oprogramowaniu rozwijanym przez CMS, –Umożliwia monitoring trygera w czasie rzeczywistym oraz zaawansowane procedury testowe, –Bazy danych: struktura detektora i elektroniki, dane konfiguracyjne, dane o stanie systemu. Synchronizacja systemu (przypisanie danych do właściwego przecięcia, synchronizacja danych podczas transmisji) Rozwój i optymalizacja algorytmów trygera Symulacja systemu, analizy jakości działania Akwizycja danych, analizy offline (jakość komór i trygera) Seminarium Oddziału Fizyki i Astrofizyki Cząstek IFJ, 26 maja 2009Karol Buńkowski, UW

18 Algorytm trygera: Pattern Comparator (PAC) Wymagana liczba zapalonych płaszczyzn: Beczka: 6/6 lub 5/6 lub 4/6 lub 3/4 wewnętrznych płaszczyzny pokrywy: 4/4 or 3/4 Liczba zapalonych płaszczyzn daje jakość rekonstrukcji śladu. Jakość jest używana przy sortowaniu i śladów i zabijaniu duchów 3/4 Płaszczyzny RPC Wzorzec – zestaw bramek AND o wejściach podłączonych do odpowiednich pasków Seminarium Oddziału Fizyki i Astrofizyki Cząstek IFJ, 26 maja 2009Karol Buńkowski, UW paski Komory tworzą 6 (beczka) lub 4 (pokrywy) warstwy otaczające punkt oddziaływania pasków w każdej warstwie jeden pasek = ˚ Sygnały z komór są porównywane do predefiniowanych wzorców torów mionów. Wzorce odpowiadają mionom o rożnym p T Mion – koincydencja czasowa sygnałów z kilku warstw komór, z pasków pasujących do (przynajmniej jednego) wzorca.

19 Implementacja PACa w układach FPGA Aby obsłużyć cały detektor potrzeba 300 chipów PAC (stosunkowo dużych układów FPGA). Każdy analizuje max 576 pasków i zawiera – wzorców (duża liczba wzorców dla niskiego p T ). Wzorce są na stałe wkompilowane w firmware. Ponieważ każdy PAC zawiera inne wzorce, każdy jest kompilowany oddzielnie (~godzina/PAC) Wzorce są generowane na podstawie symulacji mionów w CMSie. Zaawansowane algorytmy wybierania wzorców tak aby osiągnąć możliwie najlepsza efektywność i czystość trygera, minimalizując jednocześnie liczbę wzorców (wzorce muszą się zmieścić w używanych chipach FPGA) Seminarium Oddziału Fizyki i Astrofizyki Cząstek IFJ, 26 maja 2009Karol Buńkowski, UW

20 System diagnostyki i monitoringu DQM HLT DQM HLT DB On-line Software CCU VME Trigger algorithm Data processing Control Diagnostic Control Diagnostic DAQ Transmission Link Boards Trigger Crates W firmwarze każdego układu FPGA zaimplementowano obok algorytmów trygera rozbudowaną warstwę diagnostyczną: moduły odczytu diagnostycznego – podglądanie danych płynących przez system generatory pulsów testowych wielokanałowe liczniki i histogramy pozwalające mierzyć częstość sygnałów z komór i częstość mionów Moduły weryfikujące poprawność transmisji + liczniki błędów Sterowane, odczytywane i analizowane przez software Zastosowane w testowaniu systemu: Testy implementacji algorytmów (porównywanie z emulatorem) Testy poprawności podłączeń kabli Testowanie prototypów, debugowanie, itd.. Seminarium Oddziału Fizyki i Astrofizyki Cząstek IFJ, 26 maja 2009Karol Buńkowski, UW Detector

21 Monitoring online Seminarium Oddziału Fizyki i Astrofizyki Cząstek IFJ, 26 maja 2009Karol Buńkowski, UW czaspaski Częstość sygnałów Monitoring działania komór RPC na podstawie wielokanałowych liczników z LB Monitoring statusu elektroniki: periodyczny odczyt rejestrów informujących czy układy elektroniczne działają poprawnie, sprawdzanie wartości liczników błędów transmisji Monitoring trygera – częstość 4 wyjściowych mionów (beczka) Częstość mionów

22 Synchronizacja systemu trygera Czyli Problem jednoczesności zdarzeń w praktyce Seminarium Oddziału Fizyki i Astrofizyki Cząstek IFJ, 26 maja 2009Karol Buńkowski, UW Czyli Zsynchronizujmy zegarki

23 Synchronizacja systemu trygera (1) 4.2m = 14ns 14m = 42ns Różnice w czasie lotu mionów do różnych komór > 25 ns Jeszcze większe różnice w czasie propagacji sygnałów z komór do Link Board-ów (od 33 do 107 ns) A przecież w PACach chcemy mieć koincydencję sygnałów w 25 ns! Seminarium Oddziału Fizyki i Astrofizyki Cząstek IFJ, 26 maja 2009Karol Buńkowski, UW

24 Synchronizacja systemu trygera (2) W Link Boardach sygnały z pasków są najpierw synchronizowane do zegara 40 MHz (kwantyzacja czasowa) przy pomocy okienka synchronizacyjnego. Następnie dodatkowo opóźniane o całkowitą liczbę taktów zegara. Seminarium Oddziału Fizyki i Astrofizyki Cząstek IFJ, 26 maja 2009Karol Buńkowski, UW 25ns zderzenie LB1 LB2 LB3 opóźnienie Sygnał wyjściowy Optymalną pozycję okienek i opóźnienia dla danych można obliczyć dla każdego LB z: Czasu lotu mionu do komory Czasu propagacji sygnałów po kablach z RPC do LB: winOpen i = (t i min + i TTC + offset) % 25 ns d i data = a – int[(t i min + offset)/25ns] + b i - (1 * ) + c i win + (2 SM ) następnie poprawić na podstawie analizy zebranych danych Cel: na wyjściu wszystkich LB sygnały pochodzące z tego samego przecięcia pojawiają się dokładnie w tym samym momencie (25 ns). Czas lotu Czas propagacji czas

25 Synchronizacja systemu trygera (3) Układem odniesienia jest zegar 40 MHz, synchroniczny z wiązką. Początek układu wyznacza sygnał startujący odliczanie przecięć (czyli taktów zegara). Na odbiornikach odpowiednio opóźniany, aby skompensować różnice w długościach światłowodów Seminarium Oddziału Fizyki i Astrofizyki Cząstek IFJ, 26 maja 2009Karol Buńkowski, UW dystrybuowane do wszystkich płyt z jednego miejsca (system TTC podłączony do LHC). Jak wyznaczyć ten sam moment? Transmisja LB – TB - kompensacja różnic w długości światłowodów: Dane transmitowane do TB są oznaczane na LB numerem przecięcia. Na TB dane są opóźniane tak, aby numer przecięcia otrzymany z danymi pasował do lokalnego numeru na TB

26 Synchronizacja sygnałów RPC- miony kosmiczne Seminarium Oddziału Fizyki i Astrofizyki Cząstek IFJ, 26 maja 2009Karol Buńkowski, UW BX sygnału z komory względem trygera Tryger Dane za późno Sygnały ze wszystkich komór jednego koła Dane za wcześnie

27 Wrzesień 2008 – miony z beam dump widziane w systemie RPC Seminarium Oddziału Fizyki i Astrofizyki Cząstek IFJ, 26 maja 2009Karol Buńkowski, UW

28 Wrzesień 2008 – miony z beam dump widziane w systemie RPC (2) BX= -3 Seminarium Oddziału Fizyki i Astrofizyki Cząstek IFJ, 26 maja 2009Karol Buńkowski, UW Liczba sygnałów z komór RPC z jednego koła numer koła

29 Wrzesień 2008 – miony z beam dump widziane w systemie RPC (2) BARREL ENDCAP Seminarium Oddziału Fizyki i Astrofizyki Cząstek IFJ, 26 maja 2009Karol Buńkowski, UW 25 ns później Odległość między kołami -1 i m = c·25ns BX= -2 Liczba sygnałów z komór RPC z jednego koła numer koła

30 Backup Seminarium Oddziału Fizyki i Astrofizyki Cząstek IFJ, 26 maja 2009Karol Buńkowski, UW

31 Segmentacja w, Seminarium Oddziału Fizyki i Astrofizyki Cząstek IFJ, 26 maja 2009Karol Buńkowski, UW


Pobierz ppt "Karol Buńkowski Uniwersytet Warszawski CMS – wyzwalanie na miony w oparciu o komory RPC Seminarium Oddziału Fizyki i Astrofizyki Cząstek IFJ, 26 maja 2009."

Podobne prezentacje


Reklamy Google