RHIC-sPHENIX実験における中間飛跡検出器INTT用高密度ケーブル
Bus-extenderの品質評価と改善
2020 / 02 / 21
奈良女子大学 高エネルギー物理学研究室
森田 美羽

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目次
◆研究背景と目的◆Bus-extenderの品質評価◆Bus-extenderの測定結果◆まとめ
2020/2/21

卒業研究発表 : 森田美羽

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研究背景と目的• sPHENIX実験• 中間飛跡検出器INTT• Bus-extender• 卒業研究概要

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sPHENIX実験

4• 米国ブルックヘブン国立研究所 (BNL)
重イオン衝突型加速器 RHIC(Relativistic Heavy Ion Collider)での実験• 2000年～2016年まで稼働していたPHENIX実験を高度化
2023年から稼働予定• QGPでの輸送係数の温度依存性とデバイ遮蔽長を決定するためにジェット、ウプシロンを測定することを目的としている

クォークグルーオンプラズマ (Quark-Gluon Plasma, QGP) とは高温・高密度状態において存在すると予想されているクォーク及びグルーオンからなるプラズマ状態のこと
QGPはビッグバン後の初期宇宙で実現していると考えられている

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中間飛跡検出器INTT

5• INTermediate Tracker＝中間飛跡検出器• sPHENIX実験で使用される3つの飛跡検出器のうちの1つ• 樽状の2層構造のストリップ型シリコンセンサー• ビームパイプから6~12cmに位置する• 時間分解能が高く、飛跡再構成などにおいて重要な役割を担う

TPC

INTT
MAPS

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Bus-extender

6• 長尺FPC(Flexible Printed Circuits)
尺 : 120cm × 5cm (長さ×幅)
密度 : 140µm × 62ペアの配線数
速度 : 200MbpsのLVDS(差動インピーダンス100Ω)• サブストレートに液晶ポリマー(LCP)を採用
ポリミドに比べて伝送率が高い• 場所を取らないで狭い領域を這うように入れることができる柔らかい配線を実現

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卒業研究概要

7【研究目的】✓ Bus-extenderのデータ伝送能力を調べる✓ Bus-extenderを使用することによる問題を明らかにし改善を図る✓ 読み出しシステムの動作を理解する【方法】✓ テストパルスによるノイズとデータ伝送効率を評価✓ テストパルスを使ってゲイン値と測定値の関係を調べる

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8Bus-extenderの品質評価• テストベンチのセットアップ• テストパルスによるデータ収集• キャリブレーションテスト(Ⅰ)• キャリブレーションテスト(Ⅱ)• ノイズ評価
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テストベンチのセットアップ• Silicon Sensor

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FPHX chip

荷電粒子を測定する、78×16000×320 µm3• FPHX chip(読み出しチップ)
HDI

アナログ信号をデジタルに変換してROCに送信するセンサー当たり26chipあり、それぞれに128chずつある• Bus-extender• ROC(読み出し基板)
テストパルスを生成しFPHX chipに送る
FPHX chipから送られたデジタル信号を後段へ送る• FEM,FEM-IB, PC
ROCから送られたデジタル信号をPCで保存

make test pulse

test pulse

Silicon Sensor
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FPHX chipBus-extender

ROC
digital signal 1110101

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FEM
FEM-IBPC

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テストパルスによるデータ収集
順序

目的
テストパルスを発生させてFPHX chipの反応を観測し、ノイズとデータ伝送効率を評価する

1. テストパルスがBus-extenderを通ってFPHX chipに送られる

2. FPHX chipでテストパルスがデジタル信号に直されて方法

Bus-extenderを通りROCへ集積される

1~64の波高(amplitude)のテストパルスを各chip、各channelにそれぞれ10個ずつ入力する

キャリブレーションテスト
make test pulse
test pulse

Silicon Sensor

FPHX chipBus-extender

ROC
digital signal 1110101

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FEM
FEM-IBPC

キャリブレーションテスト(Ⅰ)

11DACThreshold

Voltage[mv]DAC 020290

DAC 125310

DAC 230330

DAC 335350• ばらつきはあるものの全chでamplitude=26付近からの応答がある

DAC 440370

DAC 545390• 出力の値adcと入力の値amplitudeに正の相関関係がある

DAC 650410

DAC 755430

結果 (Bus-extenderなし)• amplitude=26付近からテストパルスの応答がある• テストパルスはamplitudeが1~64で送られているため閾値の設定が作動していることを確認することができた

変換式
Voltage = DAC Threshold * 4 +210

1chip-全ch

amplitude
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1chip-全ch

adc

countschannel

1chip-1ch

閾値設定amplitude

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amplitudeキャリブレーションテスト(Ⅱ)
chip1channel-amplitude

chip13

chip26chip14chip1

12

adc-amplitude

chip13

chip14

chip262020/2/21

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ノイズ評価13

結果 (Bus-extenderなし)
1chip-1ch

counts

緩やかさの幅からノイズの影響を見積もる
amplitude

全chip-全ch

Fit関数からσの算出

counts※[p0], [p1], [p2]はパラメータ[p2] = σエラー関数 : erf(x)2020/2/21

Threshold

Voltage[mv]

DAC 0

20290

DAC 125310

DAC 230330

DAC 335350

DAC 440370

DAC 545390

DAC 650410DAC 755430

電圧値[mV]=2.81×波高[ampl]より1σの平均値3.382 amplはFit関数 : f(x) = [p0] × erf( ( x - [p1] ) / [p2] ) + 10

amplitude

DAC

2 𝑥 −𝑡 2erf 𝑥 =
න 𝑒𝑑𝑡
𝜋 0
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2.81𝑚𝑉× 3.38 𝑎𝑚𝑝𝑙 = 9.50 𝑚𝑉𝑎𝑚𝑝𝑙

DAC 0の閾値290mVから現在推測されるオフセットの190mVを引いて比較すると9.50 𝑚𝑉= 0.095
100 𝑚𝑉
よって、σはDAC 0の閾値設定の約1/10であることがわかった

14Bus-extenderの測定結果• ノイズ評価(Ⅰ)• ノイズ評価(Ⅱ)• テストパルス• オシロスコープでの観測• ゲイン値
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15counts

Bus-extenderありでは、なしと同様に応答している
chipと、応答回数にかなりばらつきがあるchipが存在する
amplitude

counts

ノイズ評価(Ⅰ)↑Bus-extenderなし↓Bus-extenderあり

amplitude

amplitude
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Bus-extenderありではピーク位置が二つあることがわかる

countscountscounts• σ分布を確認するとamplitude

amplitude
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16Bus-extenderなしではどのchipでもamplitude=20付近から応答し始めるのに対しありではchip1~5, 14~18とchip6~13, 19~26で異なっていることがわかる

countsamplitude

ノイズ評価(Ⅱ)↑Bus-extenderなし↓Bus-extenderあり

amplitude

countsamplitude

countschip

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amplitude

amplitude

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chip1~5, 14~18
平均値 = 3.617• 二つ目のピーク位置
chip6~13, 19~26
平均値 = 10.51

countschip• 一つ目のピーク位置

amplitudeテストパルス

17time********************************************************************* Row * event * chip_id * chan_id * ampl * time ********************************************************************** 23165 * 23165 *
13 *
1*
50 *
120 *
* 23166 * 23166 *
4*
1*
50 *
120 *
* 23167 * 23167 *5*1*
50 *120 ** 23168 * 23168 *6*
1*50 *
120 ** 23169 * 23169 *8*
1*50 *120 ** 23170 * 23170 *9*1*50 *
120 ** 23171 * 23171 *1*
1*50 *
120 ** 23172 * 23172 *2*
1*50 *
120 ** 23173 * 23173 *3*
1*50 *
120 ** 23174 * 23174 *10 *1*50 *
120 ** 23175 * 23175 *11 *1*50 *
120 ** 23176 * 23176 *12 *1*50 *
120 *********************************************************************** Row * event * chip_id * chan_id * ampl * time *********************************************************************** 23177 * 23177 *
13 *
1*
50 *
121 *
* 23178 * 23178 *
4*
1*
50 *
121 *
* 23179 * 23179 *
5*
1*
50 *
121 *
* 23180 * 23180 *
6*
1*
50 *
121 *
* 23181 * 23181 *
8*
1*
50 *
121 *
* 23182 * 23182 *9*
1*50 *
121 ** 23183 * 23183 *1*
1*50 *
121 ** 23184 * 23184 *2*
1*50 *
121 ** 23185 * 23185 *3*
1*50 *
121 ** 23186 * 23186 *
10 *
1*
50 *
121 *
* 23187 * 23187 *11 *1*50 *
121 ** 23188 * 23188 *
12 *
1*
50 *
121 *

event

【問題点】
• 13chip分送信されるはずが12chip分しか送信されていない• 1time分ずれてまったく同じテストパルスが検出されている
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オシロスコープでの観測

18Bus-extender←なし あり→voltagevoltage• オシロスコープで測定したデジ•timeBus-extenderありとなしでおおよその波高を測定したところあり : 2.24
なし : 2.9という結果になったなしを基準として比較をすると
Bus-extenderありでは77.2%の高さであることがわかった

voltagevoltagetime

Bus-extender←なし あり→timetime
test pulse

Silicon Sensor

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タル波形を重ね合わせ、アイダ
イアグラムを作成したグラフから幅や時間、波高にばらつきがあることがわかる

FPHX chip

oscilloscopeBus-extendermake test pulse

ROC

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FEM
FEM-IBPC

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ゲイン値
adc vs amplitude
DAC

Value

Voltage[mv]DAC 020290

DAC 125310

DAC 230330

DAC 335350

DAC 440370

DAC 545390

DAC 650410

DAC 755430

ゲイン値番号

これまで

今回• 宇宙線測定からゲイン値の設定を誤って解釈

GSel=0GSel=1
GSel=2
GSel=3
GSel=4
GSel=5
GSel=6
GSel=746
50606785100150200200150
1008567605046

していたことがわかり、テストパルスでも同様の結果を確認することができた

2020/2/21【問題点】• ゲイン値の設定を変更することでオフセットの値も変わっているように推測できる
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まとめ
• まとめ
• Back Up

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まとめ21✓ Bus-extenderのデータ伝送能力を調べることができた✓ Bus-extenderありなしでノイズ評価を比較✓ Eyediagramから波高の伝送効率を確認✓ 読み出しシステムの動作を理解できた✓ ゲイン値について解釈を改めた

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Back Up

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参考文献

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• 2018年度4回生卒研発表スライド.pdf• https://wiki.bnl.gov/sPHENIX/index.php/SPHENIX• https://www.sphenix.bnl.gov/web/• https://ja.wikipedia.org/wiki/クォークグルーオンプラズマ• https://www.jaea.go.jp/02/press2017/p18010901/

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