501

10■談話室2015 年度 Open-It 活動報告
KEK 素粒子原子核研究所

内 田

名古屋大学大学院理学研究科

智 久

佐 野

uchida@post.kek.jp
東京大学大学院

織 井

祐 太

yuta@hepl.phys.nagoya-u.ac.jp
株式会社とめ研究所

安 里

石 塚

orii@km.icrr.u-tokyo.ac.jp

光ishitsuka@tome.jp

他 Open-It 世話人会
2016 年 4 月 28 日

1

はじめに

初学者が技術を習得するために参加する技術セミナーやトレーニングコース，習得した技術を用いて実際の実験で用Open-It は有志により運営されている計測システム技術のいる装置を開発する共同研究開発プロジェクト，開発中の専門家ネットワークです[1-6]。組織を超えた連携により計装置や開発した装置について議論する研究会など，初学者

測技術教育と開発を進めることで加速器科学とその周辺領から経験者まで活動できるプログラムを提供しています。

域に貢献することを目的にしています。

以下で 2015 年度のそれぞれの活動について報告します。

本文章では 2 節で 2015 年度の Open-It の活動内容を報告します（担当 内田，Open-It 世話人会１）。その後，連携開

2.2

技術教育

発プロジェクトを三つ，3 節では高輝度 LHC-ATLAS 実験

2 種類の技術教育プログラムを提供しています。初学者に向けたμ粒子検出器用 FPGA TDC 回路の開発（担当：向けの講義形式の技術セミナーと開発を行う際に必要にな佐野祐太），4 節でスーパーカミオカンデにおける近傍超新る専門技術を習得するための実習形式のトレーニングコー

星観測用 DAQ の開発（担当：織井安里），5 節で超伝導検スです。

出器 MKID 用アナログ・ボード（担当：石塚光）の開発を

1.

先端エレクトロニクス DAQ セミナー
初学者が基礎技術を習得するための講義形式の技術セ

紹介します。

ミナー。9 月に KEK つくばキャンパスで 5 日間開催

2

2015 年度 Open-It 活動報告（担当：内田）

2.1

Open-Itされました[7]。
2.

ASIC トレーニングコース

実験を遂行するために不可欠な計測技術の普及と研究開Application Specific Integrated Circuit(ASIC)の回路

発を連携により推進することで加速器科学とその周辺領域開発を行う際に必要になる開発ツールの使い方などをに貢献することを目的に活動しています。

習得する実習形式のトレーニングコース。9 月に名古屋大学，2 月に KEK つくばキャンパスでそれぞれ 3

目的を実現するために 3 つの事業：(1)技術を普及させる

日間開催されました[7]。

ための技術教育活動，(2)実験で用いる装置を共同で開発する研究開発プロジェクトの推進，(3)分野を超えて開発者が

3.

FPGA トレーニングコース

交流するための研究会の開催，を進めています。これらのField Programmable Gate Array (FPGA)を使う際に活動は独立ではなく一貫したプログラムとなっています。

必要になる開発ツールの使い方などを習得する実習形
式のトレーニングコース。8 月に名古屋大学，11 月にOpen-It 世話人会は活動に賛同する有志の方々により構成され活動内容や方向性などについて諸事の決定を行っています。構成員は以下の方々です（五十音順）：味村周平（阪大），阿部利徳（理研播磨），石徹白晃治（東北大），内田智久（KEK），窪秀利（京大），
小嶋健児(KEK)，東城順治（九大），戸本誠（名大），長坂康史（広工大），花垣和則（KEK/阪大），早戸良成（東大），房安貴弘（佐賀大），宮原正也（東工大），三輪浩司(東北大)。

１

大阪大学 RCNP，12 月に九州大学，2 月に東北大学でそれぞれ 2 日間開催されました[7]。
4.

DAQ-MW トレーニングコース
DAQ-Middleware(DAQ-MW)技術[8,9]を用いて DAQ
ソフトウエアを開発するために必要な知識を習得する

502

11
実習形式のトレーニングコース。9 月に KEK つくば

回数が異なっていることが大きな理由です。たとえば FPGAキャンパスで 3 日間開催されました[7]。

トレーニングコースでは定員に達して締め切ることが多い

上記の教育プログラムの延べ参加者数は 2015 年度までのので受講者数は開催回数に依存してしまいます。この変動

6 年間で 1,156 名となりました。年平均で約 200 名です。図

している受講者数ですが，ASIC については 20 名/年，FPGA

2-１は Open-It 教育プログラム受講者数の開催年推移です。

については 100 名弱/年，DAQ-MW については 10 名/年程度付近を中心に変動しているように見えます。全体としての受講者数は減少していますが，約 200 名の若手が参加者していることは技術プログラムの必要性を示しています。
今後も技術の進歩に合わせて内容を更新しながら継続します。

2.3

共同研究開発Open-It では組織を超えて共同で装置の研究開発を進めています。この共同研究開発には二つの目的があります。一つ目は研究開発の効率化です。共同で研究開発された設計
資産は Open-It メンバー間で共有されています。装置を開図 2-1 教育プログラム受講者数年推移。

発する場合，他者が開発した回路の一部を再利用できることが珍しくありません。そのまま利用できなくても設計時

年毎の受講者合計数は 2012 年で最高になり，その後は減の参考になるため，開発を始めた若手にとって重要な資料

少しています。開始後数年は様々な学生や研究者が一斉にになっています。二つ目は若手の技術教育です。装置開発

受講したことで受講者数が増加し最高値に達しました。その未経験者または初心者が経験者の技術的支援を得ながらの後，徐々に修士課程学生が全参加者数に対する比率が大開発を自力で進める実践的な技術教育の場になっています。

きくなり減少しています。関連分野の修士課程学生数は決

今まで 82 のプロジェクトが進められ，そのうち 35 のプ

まっているので最終的にある値で安定すると予想します。

ロジェクトが終了しました。これらのプロジェクトで開発している装置の大部分は実際の実験に使用することが目的です。実際に開発した装置についての結果報告を学会で発表することが多いので，Open-It で進められている装置開発
活動の度合いを知る一つの指標として物理学会での Open-It
関連発表数が使えます（図 2-3）。

図 2-2

先端エレクトロニクス DAQ セミナー集合写真。

先端エレクトロニクス DAQ セミナーは 2014 年度に参加者数が減少しました。オムニバス形式の講義を採用し広範
囲にわたる内容でしたが，このことが受講者に講義内容を分かりにくくし講義の焦点がぼやけたと推察しました。そこで 2015 年度の講義内容をエレクトロニクス技術中心に戻しました。その結果，受講者数は 2014 年度と同数の 76 名

図 2-3 物理学会での発表数の年推移。

になりました（図 2-2）。アンケート結果によると受講者に好評だったことが分かります。今後もこの方針で進め受講

Open-It 関連発表は物理学会以外でも行われていますが，こ者の希望を反映させた内容で開催します。

のグラフには含まれていません。発表数は本年度春の大会

各トレーニングコースの受講者数は年々変動していますで若干減少したものの，活動が始まって以来増加傾向が続が，受講者数が多い年は開催回数も増えていますので開催

いています。秋の発表数が春の発表数に対して少ない理由

503

12
は

の

が

に開発を

をまとめた後ののでの発ラフから Open-It の

す。この
その周

に

めることが
が

いため

幅

なるからで

動が確実に

速

い

が

究セン

と

ー(RCNP)の
を

する

を

度は

研

に RCNP で 39

け，7

の

えて開

されました 図 2-4 [14]。2016

度は

ャン

スで

て開

KEK

していることが分かります。

しています。

速

実験に

を

定です。

2.4
を

求する実験

であり研

2.5

すいといえます。実しい動です。Open-It のにれています。今後もにとって装置は究対ではありま。このことから装置開発で

が発

しに

力

験対

が

いので

き

なっていても装置のはていることは

を

的には

も

ル

ま

を

し

が

ありま

用

対

の

開発

ら

分

分

，通

の研究

する機

な

Open-It に

する

したら

お

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ント

機能

の

は研究

の

が

と

を

めている

た

研究

と

計測システ

研究

を

メン

[10]が

する

を

は

は Open-It

研究の[11-13]です。

の強化を目的に設され，Open-It

動の目をっています。

るだけでな
まで

のみで

開
な

に

な発

で

すい

に開発を

囲

す

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の

速

見な ありまださい。Open-It Web

メールな

で

まで

ー

の

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していただける

動をしていただいてい
クトで

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の

プロ ラ

の

，Open-It

，

各分

の

様に

速

研究機構の機構長をはじめとするス

速
ー

解して

に開発プロ

の

を

いたします。この動

けています。高ネル

いたします。ASIC 開発
システ

ンス

設計

社，シ

動は

研究セン

プシス

ッフの

ーを通し

社の

力を得て行

れて

います。

が

が作られているの

している

により

ー

要

画から実

となっています。

を行いで結果として実を強化する

えたりですが確実

します。

様に

間の

されており

な

験できる

とは

を

すことが

っ

動について メント

かにとして装置開発にしています。

時間で成果を

動の成果はすることを目的に 動を めます。

後に Open-It の
る

の

の

は

いです。

なる

。そこで，その様な

にした研究

が

なって

間の

の

な

が

に

ことではあり

の装置開発
開

対

ー

されるため分

がありま

装置開発な

とその周

，実験

，検
能性と

で分けられて開間がえしていることは。このように，高いいにもかか的に同じ，また

。

する
が

動

力向上

されています。

3

LHC-ATLAS
用 FPGA TDC の

験に向けた
開発
3.1

に

2026

定の高輝度 LHC では，LHC の

開

陽子

34

密測定およ
のある

に

。陽子陽子

だけでな

度も

き

なるため，

がより

要な

を

研究は，高

を

ッ

5

の陽子

ス

子の精
度の

のない
時に

の

成

するトリガー

う。

動量の

トリガーの

し，

10 cm s )を実

度(5

により，

-2 -1

子を

を

を目的とする。これまで

する

子

子の精密

動

量測定のために用いられてきた MDT (Monitored Drift
Tube) 検
度で
図

計測システ

研究

開

時の

を

子の

に導入し，200を導入することで，解能が向上し，トリガーによる
計測システ
究

です。

い研究

研究
分

間の開発

となっておりいます。

は計測システ

，研究

回
，

に

を

た研

を知ることができる数
50

度の
に

え

な

数となって
の

と

するが実

m の精

置を測定するトリガー回路を構[15]。 MDT 検。

たにトリガーには 20GeV 以下の動量

する

動量測定の分
20GeV を通動量を持つ子を 50%できる。
MDT 検をトリガーに導入するためには，精密測定用の TDC にえ，トリガーに化した TDC を

動量
たに

504

13

導入する必要がある。そのために，要求時間分解能 500 ps (精フラッシュメモリベース IGLOO2 FPGA (Microsemi 社) に

密測定用)と 10 ns (トリガー用)の MDT ドリフト時間測定

TDC 回路を実装し，性能評価を行った。

を 同 時 に 行 う 24 チ ャ ン ネ ル TDC 回 路 を FPGA

Kintex-7 FPGA での開発で得た知見をもとに D フリップ

(Field-Programmable Gate Array) 上に構成し，動作検証を

フロップの配置制御を行うことで，全 24 チャンネルで精行った。

密測定用とトリガー用 TDC が十分な時間計測線形性を持Gつことを示し，時間分解能が要求を満たすことを実証した(図3.2

Kintex-7 FPGA を用いた TDC の開発

3-2)。また，この TDC の消費電力シミュレーション結果は，*-y.#DvltCMOS  28 nm y SRAMG(Static Random Access Memory) u "  k   U\^_[`JMG

ASIC で構成された従来の TDC 回路とほぼ同じ数百 mW となった。

8rqcjy RWSO z VTPJOYVOXG Fu( uA4@y

time resolution [ps]RWSOG HZ\]\^`G ,IG 'etYQP ?;:l7=
'5hdB

>1x8fjvhcG

G /$' YQPG y 3-x+ncG )h NKa
osoq L sy 320 MHz 'ejvu}

1/(320 MHzb4) = 780 ps %kpc4 yA4@x{~sih&mvC:$y4v97h

320
300
280
260
240
220
200

l

A4h3k 4 sy D 

exEptA6njvu

A4@y{~siG 200 ps |ug~qc2!vltw4stime resolution [ns]tl|fh

340

C970 250 ps y/$' TDC "uijv<

0

5

10

15

20

25
channel

0

5

10

15

20

25
channel

3.57
3.56
3.55
3.54
3.53

lqcG

3.52

160 MHz

3.51

24 チャンネル

40 MHz

!
90°
 !
180°
270°
320 MHzPLL

!

320 MHz

40 MHz !

 :!6!ns!

0° :!100!μs!

14!!

図 3-2 IGLOO2 FPGA に実装した TDC の各チャンネルの時間分解能。上:精密測定用 TDC，下:トリガー用 TDC。

〜1 Gbps

160 MHz

40 MHz, 160 MHz, 320 MHz ×4

G

3.4

IGLOO2 FPGA 放射線耐性試験に向けて

IGLOO2 FPGA の放射線耐性試験を目的として，テス

図 3-1 精密測定用 TDC のブロック図。G

トボードを製作した(図 3-3)。高速通信に用いる SFP+(Small

G

トリガー用 TDC は，80 MHz クロックを用いて，刻み幅

Form-factor Pluggable +) を装備することで，高速通信機

1/(80 MHz) = 12.5 ns で設計した。測定された時間分解能能の検証を行える仕様にした。また，陽子線照射の影響をは，刻み幅 12.5 ns に対する量子化誤差と無矛盾である 3.6 ns

切り分けるために，FPGA 以外の素子を，FPGA から離しとなった。これにより，要求を満たす TDC 回路を Kintex-7て設置した。今後，ガンマ線，陽子線照射試験を行う計画

FPGA で構成できることを実証した。

である。

さらに，精密測定用 TDC 回路が Kintex-7 FPGA の限界動G

作周波数(933 MHz)に近い 880 MHz を用いた刻み幅 1/(880MHzb4) = 0.28 ns で十分に同期して動作し，温度-10℃から 60℃の範囲で時間計測性能の変化が小さいことも確かめた。この測定により，より強い動作保証を得ることができた [16]。
G
G

3.3

IGLOO2 FPGA を用いた TDC 動作試験

研 究 の 第 二 段 階 と し て ， CMOS プ ロ セ ス に お け る
MOSFET ゲート長は 65 nm だが，高輝度 LHC-ATLAS 実
験に対して十分な高放射線耐性と低消費電力が期待される，

図 3-3

IGLOO2 FPGA 放射線耐性試験に向けたテストボード。

505

14

4

プロジェクト紹介： ー ー
に
超
測用
の開発（
大 ）

その
光

にはいまだ不観測によってを

による観測がの様子をなが多い。多くの超新星がノの観測に適したノイベントの観測が期
の2

までの

の
しにく
ノ

間に 3000

きく上回り，爆発録できない。この超新星ニュート

され，超新星爆発ニュート

爆発のため，17 nsec

さい。ただし，超新星sum)。60-kHz sum は常時

機から読み出してデ記録されるが，60-MHz sum は
を

ーの 30

の高いデータをングバッファ

に用いて常に最新のものをーが入力されたとき，ト

後までのデータを記録してこれをさらに，超新星爆発による幅なイベント数増

される時間帯で QBEE 上のバッファがあ

イベントの観測が

される。し

定期に

能力

後のデータのうち 20%に対しか記するための新たな DAQ シスををすることにした。この制
された

，

続

で SK の光電子増される光電子数(PMT)の数にさいので，1 光電子~1 hit/PMT として検出器

hit 数からイベント数とエネルギーのが求められる。

に光を検出した PMT の数を記録するものとした。このときシステムのうデータ量は常時一定となる。

に電には QBEE の VETO

合，17 µsec の間 QTC からのデータを TDC にには

超新星用のシ
幅なイベント数がみられたときにはメインのデータの制分多く，超新星爆発の
SN ト

ーという

能性が高いとーの量から間引き量を

TDC

veto

める。ロジックボードは SNを定，適れは図 4-1 のようになっている。PMT24をするフロントエンドボード(QBEE)は 17 nsecののあった PMT の数を LVDS で出力する機能があり，この出力をードウェアに読みだしてし合わせる。1 つのモジュールで QBEE 10 枚分，PMT 240
hit 数を読みだして FPGA で

続

な間

し，

で QBEE のQBEE が同期しる。これにより，

ノのエネルギーに測定できるようになる。

要。

データの
とに，

を

と，

数と持続時間からイベントレートを

このの分できるときにを生成し，12 モジュール部で 4 つのロジックボードにトシステム

るシステムを導入する。17 µsec の hit 数がをてデータを間引き，超新星ニュート

図 4-1 システムのが入力ステムで 17 µsec 間の hit 数をモニタしてべて部のれてデータが不・時間の増そこでシステムは一定時間てられることをが期記録するために，メイン DAQ のデータを間引く制

らないという機能を用いる。

ノの 1 イベントで

機から

読み出す。

し，ベテル

システム(DAQ)の

スクにモジュールに搭載した 4GB

にある星の

光年

す

位で得られたデータも記録する(60-MHz

き込み，超新星爆発検出のトされる。観測されるイ分

後 1 分間についてはより

チェレンコフ

の

分

ノ

と期

のメモ

テムを開発することとなった。

は 100

らつきは 30の 1 イベント(~120hits)よりものかしこの量は現在のデータ

4.2

な

カンデ(SK)は分の 1 で増

ギウス，アンタレスなどの数

を

の

り，

をとってもダークノイズによる PMT の hit 数の(10 kpc)での超新星爆発では 8000

検出器で，

合，10

だが，

ることができるニュート

たれている。スーパーカミ

超新星ニュート

ベント数はえて爆発する現得ることはできない。そこで光より

く，星のよりニュートをされているが，爆発時のコアを17 µsec の間の hit 数(60-kHz sum)を記録する。これだけの4.1 開発の超新星爆発は重い星がらすため，通常は 1024 周期分のるデータ量を

する。デ

スクに

分の
す

図 4-2

超新星観測用モジュール(2 枚一組で設)。

実際のモジュール(図 4-2)は FPGA(vertex5), DDR-2 DIMM
スロット, 2の Ethernet を備えており，2013 年 3 月ま

でに開発およ

生

を

した。開発

が必要になったため，回路の，高性能の FPGA

幅な変更

，また必要な電506

15

力が増えてレギューレータを変更が必要となったが，無事

み出し線で 100 素子を同時に読み出す。

完成した。
モジュールのファームウェア開発は FPGA の容量に対し5.3

アナログ・ボードの仕様策定と製作

GroundBIRD 実験の MKID 読み出しに対する要求は，主て必要な機能が多く，タイミング制約を正しく行わなければならず，マップ生成の条件指定などに時間がかかったが，に次の 3 つである：

2014 年 9 月に SK にインストールし，コミッショニングラ

1.

1 枚のアナログ・ボードで 100 素子同時読み出しンを始めた。その後，メインの DAQ から得られるデータ

2.

1 チャンネルあたりのノイズレベルは < 10-5 radと，60-kHz sum, 60-MHz sum 間の同期を行い，現在は

3.

60-kHz sum のデータを常時一週間分記録している。超新星

長時間連続稼働で安定した読み出し
これらを実現するために，アナログ・ボードの仕様は次爆発が起きていない間のデータは随時削除している。また，のように定義した：

データの間引きシステムは，誤動作がメイン DAQ のデー

1.

1 枚のボードが持つ帯域は 200 MHz

タを失わせることにつながるため，慎重にファームウェア

2.

ADC，DAC の分解能はそれぞれ 14-bits，16-bitsを準備しており，この夏の稼動開始を目指している。

3.

外部冷却ファン不要の基板発熱量 ó 省電力策定した仕様をもとに製作したアナログ・ボードを図 5-2

5 プロジェクト紹介：超伝導検出器 MKID
用アナログ・ボードの開発（KEK，総研大）に示す。ここでは紙面の都合，詳細は省くが，1.から 3.す

5.1

参考文献[19]を参照）。

はじめにべての項目を満すことを確認した（製作と評価の詳細は，

私たちは，宇宙マイクロ波背景放射偏光観測実験
GroundBIRD[17]に搭載する超伝導検出器 Microwave Kinetic Inductance Detector（MKID）[18]のフロントエンドとなるアナログ・ボードの開発を行った。GroundBIRD 実
験に最適化するために，できるだけシンプルで低コスト（デバックなどの開発コストも含む）なものを目指し，結果として，高い汎用性と利便性を有するアナログ・ボードを作製することに成功した。

5.2

超伝導検出器 MKIDMKID は図 5-1 に示すような，アンテナと超伝導共振器，
読み出し線からなる光検出器である。共振器はそれぞれ固有の共振周波数 ω = 1/ LC（ L：共振器のインダクタンス，

C ：共振器と読み出し線の結合で生じるキャパシタンス）

図 5-2 製作したアナログ・ボード「RHEA」。

を持ち，共振器の長さを変えて共振周波数を設定する。

€

€

€

5.4

読み出し試験とノイズ測定

開発したアナログ・ボードを GroundBIRD 実験の読み出
しシステムに組み込んで，実際の MKID 使って行った読み出し試験の結果を図 5-3 に示す。MKID の共振状態の変化（振幅と位相の変化）が検出できることを確認した。また，
DAC 出力を検出器に通さず ADC に入力して，読み出しシ
ステムのノイズレベルの測定も行った。図 5-4 に示すように，1 チャンネルあたりのノイズレベル < 10-5 rad を達成
していることを確認した。
図 5-1 MKID の写真（左）と等価回路（右）。

異なる共振周波数を持つ MKID を一対の読み出し線の上にカップルすることで多素子を一気に読み出すこと（多重読み出し化）ができる。GroundBIRD 実験では，一対の読

507

16

[5] 内田智久, 他 Open-It 世話人会, 高エネルギーニュース
32-3, 165 (2013).
[6] 内田智久, 坂下健, 榎本良治, 他 Open-It 世話人会, 高エネルギーニュース 33-4, 279 (2014).
[7]

Open-ItWeb

教 育 ・ 連 携 ペ ー ジ ，

http://openit.kek.jp/training.
[8] DAQ-MW Web サイト，http://daqmw.kek.jp/.
[9] 長坂康史，千代浩司，技術総合誌「OHM」Headline
Review, pp.6-7, 2011 年 9 月号.
[10] Open-It

若

手

の

会

Web

サ

イ

ト

，

http://openit.kek.jp/training/wakatetop.
[11] 石島直樹，石徹白晃治，庄子正剛，高エネルギーニュー
図 5-3 MKID を 250 mK 以下に冷却して行った読み出し試験。アンテナに光があたっていないとき（実線）と光を受けたとき（点線）で振幅（上）と位相（下）が変化している様子が確認できる。

ス 32-3，211 (2013).
[12] 大石航，織井安里，高エネルギーニュース 33-3，211(2014).
[13] 前田剛，山本康嵩，高エネルギーニュース 34-3，224(2015).
[14] 計 測 シ ス テ ム 研 究 会 @RCNP Web ペ ー ジ ，
http://openit.kek.jp/workshop/2015/dsys/main.
[15] ATLAS collaboration, ATLAS Phase-II Upgrade
Scoping Document, CERN-LHCC-2015-020 (2015)[LHCC-G-166].
[16] Y. Sano et al 2016 JINST 11 C03053.

図 5-4 読み出しシステムのノイズレベル（位相読み出し）。128 素子同時読み出しにおいて，GroundBIRD 実験の要求値 < 10­5 radを達成した。

[17] S. Oguri et al., J. Low Temp. Phys. 176, 691-697(2014).
[18] P. K. Day et al, Nature 425, 817-821 (2003).

5.5

まとめ

私たちは，超伝導検出器 MKID の読み出しに用いるアナ
ログ・ボードを開発した。製作したアナログ・ボードは，すべての仕様項目を満足し，実際の MKID を使った読み出
し試験で共振状態の変化を検出することに成功した。さらに，読み出しシステムのノイズレベルに対する目標も達成
し，現在は長期にわたる CMB 偏光観測へ向けて，デッド
タイムなしに 100 素子同時読み出し可能な FPGA のマルチ・チャンネル・ロジックの開発を行っている。
最後に，本開発は Open-It のプロジェクトとして，池野正弘さんや内田智久さんをはじめ，多くの方々の支援と協力をいただきました。エレキ開発初心者である筆者に，的確な知識と丁寧な指導を頂きましたことに感謝いたします。

参考文献[1] Open-It Web サイト，http://openit.kek.jp/[2] 田中真伸，高エネルギーニュース 29-3, 151 (2010).
[3] 田中真伸，日本物理学会誌 66-4, 290 (2011).
[4] 内田智久, 浦義博, 本多良太郎, 山口貴弘, 高エネル
ギーニュース 30-3, 222 (2011).

[19] 石塚光, 総研大修士論文 (2015).