T2K実験におけるデータ収集システムについて
京都大学
村上 明
for T2K DAQ group

Tuesday, February 23, 2010

T2K実験の概要

始開験
実
月４年
9002

• 東海村(J-PARC)〜神岡間の長基線ニュートリノ振動実験• J-PARCでニュートリノを生成し、振動前のニュートリノをJ-PARCで、振動後をスーパーカミオカンデで測定。

• 物理目標• 世界初の電子ニュートリノ出現モード(v → v )の観測
• ミューニュートリノ消失モード(v → v )の精密測定µµ

Tuesday, February 23, 2010xe

T2K実験の検出器の概要
ビームモニター(陽子ビームモニター)
前置ニュートリノ検出器
振動前のニュートリノを観測 陽子ビームの強度, プロファイル, 位置をモニター
Main Ringv
スーパーカミオカンデ
振動後のニュートリノを観測

πµ

ターゲット

ビームモニター(ミューオンモニター)生成されたµのプロファイルをリアルタイムに測定
速い取り出し加速した陽子ビームを蹴りだすTuesday, February 23, 2010

P

J-PARC側でのビーム測定• キッカータイミングを元に生成したビームトリガーを各検出器の読み出How to generate beam trig
し機器が置かれる建屋に配布。同時にビーム番号も配布。

NU Beam trigger• 番号はイベント同期、オフライン時の解析に用いる。

NU2TS

Extraction
Maintrigger pa

Extraction energy

30 GeV(1st phase)
50 GeVAND(2ndphase)
6 bunches 581 nsec
58 nsec
RSuperperiodicity
3h9BT
RFclock
Number of bunches 8co
Rf frequency
1.67 - 1.72 MHzpattern
trigger signal
j 31.7(typical)
Transition FT: 0.25s
MR加速パターンMR pattern
Number of dipoles 96Rquadrupoles 216 (11 families)
Acc: 1.9s
Dwn: 1.2s
sextupoles 72 (3 families)
steerings 186
Number of cavities 4 in day-one
FB: 0.17s

D3

オプティカルケーブルBeam trigger& Spil #P

NU1

MUhat

Neutrino
Monitor

ネットワークケーブル

Tuesday, February 23, 2010

First extraction device

πµv~ 300 m

ターゲット

0m

118m

280m

J-PARC
Main RIng(MR)

1 Spill
Beam synchronized timing
Circumference
δt ~ 100nsec 1567.5 m
Repetition~ 0.3 Hz(stability ofrate
relative timing
InjectionenergyGeV
betweenthissignal and3 beam)

Kickertiming

P0P2

P3 P4

Three dispersion free straight sections of 11- Injection and collimator systems
3.52sec- Slow extractionSX)
to Hadron experimental Hall
-MA loaded rf cavities and Fast extractio

ビームモニターでのデータ習得• 配られたキッカータイミングに、各ビームモニターにビームが到達する時間と読み出し回路のディレイを考慮してトリガーを生成。

• Flash ADC (FADC) を用いて波形読み出しを行う。
!"#$%&'()%*+',"-)'./0• ビーム信号がFADCに到達するタイミングに合わせてゲートを開く。
Timing signal from MR

1234

Beam timing@ FADC of CT1

FADCof CT1

9533;<

Transit time from D3

1235
ConstToF

Delay1 µsec

Beam

9:33$(
Tuesday, February 23, 2010

Extracted bykicker magnet

Beam timing@ CT1

ビームモニターのデータ処理• 各ビームモニターでの測定データは各建屋で集められた後、最終的にNU1のDAQ制御PCに集められる。

• イベント毎のデータとしてマージ。全データに付随するスピル番号が一致しているかのチェック。

• マージデータをオンラインで処理し、ビームの状態を確認したり、ディスクに記録したりする。

NU2
制御PC

NU1
制御PC

Beam Data
Beam Data
Beam Data
Beam DataSpill# Spill#Spill#Spill#

NU1
DAQ制御

D3

Tuesday, February 23, 2010

TS
制御PC

Muon hat
制御PC

P

オプティカルケーブル

Beam
data

NU1

ネットワークケーブル

NU2

TS

MUhat

Neutrino
MonitorBeamdata

Beamdata

First extraction device

πµv~ 300 mターゲット0m

118m

280m

J-PARC
Main RIng(MR)

Merge
Spill#check1 shot
beam info

Spill # check
lower 3 bit of the 16 bit spill#for SSEM,BLM,MUMON,Horn-CT
is used as a tag# among COPPERs

beam trigger

tag#tag#tag#

FINNESS# 2
FINNESS# 47766
55
4433221100

309140 309160 309180 309200 309220 309240

トリガー数
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トリガー番号(下位3bit)

トリガー番号(下位3bit)

FINNESS# 3

to EB

FADC

トリガー番号の正しい受け渡し
トリガーに応じて増加

FINNESS# 1

to EB

FADC

ethernet

TS01

FINNESS

bit3/CPU

COPPER

COPPER

16 bit spill#from TRG

I/O module

tag#COPPER

MU01

VME bus16 bit data

3bitI/O modulebuilt inaTRG
VME board(LTC)
countsLTC
the numberofnewmoduletriggerevent#)(spill#)(countVME bus (J0)for ESM,CT

16 bit spill#from TRG

FINNESSFINNESS# 1
トリガー番号の間違った受け渡し
FINNESS# 2
FINNESS# 3
トリガーと無相関

77
66
55
44
33
22
1100200 220 240 260 280 300 320 340 360

トリガー数

Spill # check
COPPER Gate start forsent to PC

data-taking
beam signal~ 150

Pulse for datapulling from FADC

> 80 nsec• データを吸い出す：Pulse width > 50
• スピル番号の読み出し：Pulse width > 80
• データを正しく読み出していても、スピル番号が正しく読めていなかった。

• パルスの幅を変えることで改善した。
Tuesday, February 23, 2010

T2K
J-PARC
SK側でのデータ取得
実験はノ振動の効果を見る。スーパーカミオカンデでは T2K ビームによるニュートリノ観測• GPS衛星からの時間情報を用いて、キッカータイミングを正確に測る。
ニュートリノ観測など他の観測のためのデータも取り続けられている。その中から T• J-PARCでキッカータイミングを測った時計と同じ絶対時間の時計をり出した陽子ビーム由来のニュートリノイベントのデータを選択的に記録するためにSKでも使用。 カンデに T2K ニュートリノビームが到達する時刻の把握が必須である。スーパーカミはセルフトリガーで、光量とその測定時刻を記録しているため、T2K ニュートリノビ• キッカー時刻を元に算出したSKでのビーム到達時刻の前後500nsecを•分かれば、その前後の PMT ヒットの情報を T2K イベントとして記録すれば良い。T
T2Kイベントとして記録。
ノビームの前後 500 µsec 以内の PMT ヒットを T2K イベントとして記録している (図ビームに付けた番号(スピル番号)も同時に送る。

SKAtm-Q
eventsselection
selection + Tdiff cut
Timing distribution using GPS

04030で生成したニュートリノをスーパーカミオカンデで測定するこ

r500Psec

GPSTspill TOF=0.83msec!"#$%&'(#)%*%+,-

SK'34#567#8,-./0&1(p.e. , time)9/:;< !!"#$%&'()*#+#,-./0&12

TSKDecay electron cut.

./0012$3

t20MeV Deposited Energy

2

No Activity in Outer Detector

0

Tuesday, February 23, 2010&'45$%(2%!67%$8$9'2'"#$

GPSシステム• GPS衛星からGPS受信機に対して、1秒ごとにパルス信号(1PPS)とその時の時刻(Unix時間)、位置などの情報が配られる。

• LTCモジュールを用いて、秒以下の時間を正確に測定する。
• LTCモジュール：ある周波数(100MHz)で動作するカウンター。
外部信号が入った際のクロック数を記録する。

• 1PPS信号とキッカータイミングをLTCモジュールに入れ、キッカータイミングの時刻を正確に測定する。
GPSTimeinfo

Spill# Nbeam timing

#N
1PPS

1PPS

#N+1
1PPS

Spill# N+1
Trg_time

1PPS
1 sec

slow data・timeday
TimeofStamp
VME-bus・satellite status

GPS receiver・navigation data)
1PPS

Beam
kickerTriggertimingTuesday, February 23, 2010

LTC
CounterLTC
count#LTC
Unix time
LTC

LTC

Unix time LTC
LTC

GPSシステムの安定性• 現在まで、システムが突然止まるといった動作不良はなし。
• 測定したキッカータイミングの時刻のモジュール毎の差を計算した。
• TT, Mot : GPS受信機1,2 Rub : 原子時計
Diff of Trigger time : Mot-TT

Mot - TT
310hist[0]Entries 6934
Mean-74.82

RMS

11.7

Diff of Trigger time : Rub-TT

Rub - TT

hist[1]
Entries

6934

Mean-89.96

RMS

6.358

Mean : -90
RMS : 6.4

6934

Mean-14.98

RMS

11.55

Mean : -15
RMS : 12102

310-500-400 -300-200 -100 0 100 200 300 400 500
Diff : Rub-TT [nsec]-500 -400-300 -200 -100 0 100 200 300 400 500
Diff : Rub-Mot [nsec]

10• RMSで10 nsec 程度と非常に安定している。
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Entries

10102-500-400-300 -200-100 0 100 200 300 400 500
Diff : Mot-TT [nsec]

Rub - Mot

hist[2]

3

Mean : -75
RMS : 1210

Diff of Trigger time : Rub-Mot

GPSシステムの安定性• 長期間(半年程度)の間でのキッカータイミングの時間差を測定した。
• GPS受信機１の平均値が100nsec程度シフトする現象がみられた。
• 測定時間の安定性は変化なし。
• 現在調査中(電源リセット、温度依存性、etc)
Diff trigger time [nsec]!"#$%&' ()' *"+,-#%./' -0' 1",,&%' 2&,3&&4' ,5&' 6%$&6"/&' .47' 8-,-%-9.
図 3.17 K2K の時の 1st, 2ndGPS 受信機で測定したトリガー時間の差のヒストグラム (1998 年頃のデータ)[10]。図 3.16 の一番左のプロットに相当する。

"($%

~８ヶ月間

"#$%
"$$%
&$%

0?=%!%BB%'$%

C5D%!%BB%($%

C5D%!%0?=%

#$%
$%
!#$%
!($%!'$%!&$%!"$$%

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図 3.18.*A:<*$.%#)*>?@*$.%""*>?@*$.%#&*;<=*$.%"(*;<=*$.%/$*9:,*$.%"'*9:,*$.%#*9:,*$.%".*+58*$.%)*+58*$.%##*457*$.%&*457*$.%#(*456*$.%"$*456*$.%#3*012*$.%"/*012*$.%#.*+,-*$.%")*+,-*$.%!"#$%GPS 受信機 1 と 2 のトリガー時間差 (Mot-TT, 青色)、GPS 受信機 1 と原子時計のトリガー時

まとめ• T2K実験では2009年4月から開始に合わせて、データ取得を開始した。
• 標的から最大295km離れた検出器において、ビームの蹴りだしに合わせたデータ取得を行わなければならない。

• タイミング信号が配れるJ-PARC内はタイミング信号とビーム番号を配り、イベント同期を保証。

• Super-Kamiokandeでのデータ取得は蹴りだしタイミングの時刻を元に行う。

• GPSシステムは一部問題があるものの、時間測定には支障なし。
• 2010年からの物理ランでのデータ取得に対して準備万端。

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