修士論文

  実験ミューオン検出器用
データ読出システムの開発
東京大学大学院理学系研究科物理学専攻


佐藤 構二

 年  月
概 要
欧州原子核研究機構  において、大型陽子・陽子衝突型加速器による実験  実
年にスタートすることが予定されている。この  実験のなかで、
粒子、
験 が 
超対称性粒子の探索、 メソンの崩壊における  非保存およびトップ・クォークの性質の精密測定などを目的として、 検出器が現在建設準備中である。この  実験では、高頻度のバックグラウンド・イベントのなかから重要なイベントを選びだすために、ミューオンの検出およびそのデータ読み出しが重要な課題となる。ミューオン・トリガー・チェンバー
ではヒット・レートがそれほど高くはないので、データを圧縮して読み出すのが効率的であり、本論文ではこの読み出しシステムの設計について述べる。また、エンドキャップ部ミューオン・
トリガー・チェンバーの読み出しシステムでは、大部分の重要な回路を  で実現することを予定している。この準備として、 読み出し用  を試作した。

目次 実験 加速器実験 実験で期待されている物理

標準 
粒子の探索
 超対称性 
粒子の探索 超対称性粒子の探索 検出器
ミューオン検出器 実験のト リガー の方針 実験のトリガーの方針
トリガー・スキーム   トリガー条件 実験の  の方針
エンド キャップ・ミューオン・トリガー条件
 のデータ読み出しの概要








読み出しシステムの設計
データ集積方法の選択
データの特徴データの形式 リンクの通信プロトコル
スレーブ・ボードスター・スイッチ
デランド マイザのサイズ
シミュレーションの仮定 シミュレーションの方法 シミュレーションの結果
   によるシミュレーション  言語と  記述
 スレーブ・ボード の読み出し回路 スター・スイッチのシークエンサ    シミュレーションの結論と今後の予定














































 読み出し用  の試作 デバイスの選定
 プロセスの選定
 設計の工程
 仕様 記述 サンプル 



















動作試験のセットアップ
動作試験の結果

タイミング・チャート
 システムの検出効率 問題点の検討 シフト・レジスタの動作
まとめ


 まとめと今後の予定

読み出しシステムの  ソース・コード
 スレーブ・ボード の読み出し回路の   ソース・コード
 スター・スイッチのシークエンサの   ソース・コード

   読み出し用  の  ソース・コード







 実験 加速器実験

欧州原子核研究機構  !" において、 年の実験開始にむけて大型陽子・陽子衝突型加速器 " の建設が進行中である。この  加速器は、陽子・陽子衝突の加速器であり、現在稼働中の加速器のエネルギーを超える # 領域における素粒子物理の探索を可能にするものである。
このエネルギー領域では、
粒子、超対称性粒子の探索、現在までに知られていない相互作用の発見など 、素粒子物理の根源的な理解の鍵となる研究が期待されている。また、一方では、$ メ
ソンの崩壊における % 非保存やトップ・クオークの性質の精密測定も可能になる。
 加速器の主要なパラメータは表 のようになっている。
衝突粒子

陽子・陽子

#

陽子エネルギー
ルミノシティー 低ルミノシティー運転時"
ルミノシティー 高ルミノシティー運転時"
バンチ・クロッシング・レート
陽子・陽子衝突レート
バンチ・クロッシングあたりのイベント数
ビームの寿命トンネル周長 &'    &'  
()
 

 時間
 *'

表 +  加速器の主要なパラメータ。
RF station

LHC(7TeV)
Beam cleaning

CMS
ALICE

SPS(450GeV)

Beam dump

ATLAS
LHC-B

PS Booster(1.4GeV)

Beam cleaning
PS(24GeV)

Proton Linac(50MeV)図 +  の検出器の配置

 は 、現在の  % のトンネルに建設されることになっている。 では 、図 のように、高ルミノシティー陽子・陽子衝突実験を目的とした    ,-  ..--/0 " と

σ(pp H+X) pb
s = 14 TeV

10 2

Mt = 175 GeV
CTEQ4M

gg H
10
1
10
10

_

-1

qq

qq

HW

Hqq

-2
_

10

_

_

gg,qq Hbb
10_

gg,qq Htt

-3

-4

0



200

図 +   1 #" における標準 の質量を  # として計算している。

400

600
MH (GeV)

_

qq HZ
800

1000

粒子の質量と生成断面積の関係。トップ・クォーク

( 2 '.-&/ (03 3 ," 、4 クォークの物理の精密測定を目的とする $ 、重イ
オン実験のための   -  3  , 5. '3/" の  検出器での測定が計画されている。

 実験で期待されている物理

標準  粒子の探索


粒子の探索は、 実験におけるもっとも重要な課題のひとつである。標準 粒子が存在するのであれば 、その質量は # 以下であることが理論により予想されている 67。また、
 % によって探索が可能な標準 
粒子の質量は 、約 # 以下である 67。 では 、## までの質量領域で標準 
粒子を探索することが可能なので、標準 
粒子の存在が期待される質量領域を完全に網羅することができる。
図  に 、標準 
粒子のさまざ まな生成過程に対する生成断面積を、図  に 、断面積の大き
い生成過程の基本プロセスのダ イアグラムをしめす 6 7。
つぎに、標準 
粒子のさまざ まな崩壊モード の分岐比を、図  に示す。
この図を見てわかるように、標準 
粒子の質量によって、崩壊モード の分岐比が変化する。
したがって、探索する質量領域により、着目する崩壊モード を変える必要がある。
# もっとも分岐比が大きい崩壊モードは、  8 であるが、このモードは、陽子・陽子衝突で生成された 8 対と区別することが困難である。

のモードがこのエネルギー領域ではもっとも有効である。このモードは、エネル
ギー、角度を精密に測定すれば 、不変質量分布のなかで標準 粒子の質量が、幅の狭い
ピークとなってみえるはずである。




q

a) g

b)

W,Z

H

H

t,b

W,Z
g
q

c)

W,Z

q

W,Z

H

q

d) q

e) g

t

t

g

H

q

H

g

t

t

図 +  における標準 
粒子の主な生成過程。-" グルオン グルオン融合。4" 99 、:: 融合、&" 9 、: を伴う生成、,";" トップ・クォークを伴う生成

1

_
bb

WW

BR(H)
ZZ
10

-1

τ+τ−
_
cc

tt-

gg
10

-2

γγ Zγ
10

-3

50

100

200
MH (GeV)

500

1000

図 + 標準 粒子の崩壊モード の分岐比と質量の関係。トップ・クォークの質量を  # として計算している。

図 +  .4  の積算ルミノシティーにおける 
対する信号対雑音比。

質量の関数としての  の 

粒子に粒子が生成された場合には、それぞれ終状態は
さらに、9 あるいは 8 とともに標準   、   であり、バックグラウンド ・イベントと識別することができる。



# このエネルギー領域以上では、おもに 9 粒子対、: 粒子対への崩壊モードが主な£  一方の : が < 2"モード となる。 #    # では、 のモードがもっとも有効な探索モード となる。
# このエネルギー領域では、 のモードがレートも高く、バックグラウン
ド も少ないので、このモードがもっとも有効である。

# 以上 このエネルギー領域では、
粒子の崩壊幅が広くなるので、信号とバックグラ
ウンド の区別が困難になる。そこで 、 
 の  倍のレ ートが期待される 
 を主に使うことになる。ただし 、このモードによる  粒子の探索では、' 3   を精度良く測定することが必要となる。







 

このほか、この領域では 、;
生成された 
粒子の 

; 

粒子探索に用いられる。このモードは、散乱角前方のことでバックグラウンドと区別できる。

 .4  の積算ルミノシティーの時点での  の標準 
は、図 のようになる。



のプロセスで  のモード による崩壊もによるジェットを指標とする


に対する信号対雑音比 





超対称性  粒子の探索( (( 3 '- =. =''/ & 5/3/ 3 > /2 /-3,-, (," 理論は、もっとも簡単な標準理論の拡張である。( ( 理論では、 つの 
二重項が導入され 、その結果、 つの中
性
粒子  、 、 と  つの荷電 
粒子  、 が存在することになる。これら つの
粒子の質量は  つのパラメータで記述することができる。
実際の探索は、以下のチャンネルを探すことで行なわれる。





























8



 8  £  





 

 8          







 







 

 



 

 









 

 























つの 
粒子の質量を  と  つの真空期待値の比 /-3  であらした場合に、 実験で  の積算ルミノシティーにおいて、探索可能なパラメータ領域を図  に示す。



超対称性粒子の探索

パリティ保存則を仮定すると、超対称性粒子は必ずペアで生成される。また超対称性粒子は、生成されると、崩壊を繰り返し 、最軽量の超対称性粒子  %" で止まる。この  % としては、最軽量ニュートラリーノ ? が考えられる。
 実験では、以下のようなモード での超対称性粒子の探索が予定されている。

 !"! #  モード  実験では、強い相互作用をするグルイーノ ? " の対、スクォー
ク ?" の対が多く生成される。たとえば 、   @  の場合には 、? 、? の崩壊モード
には、

 ?
? 
?

?





などがある。
このように ? 、? が崩壊する際にできる複数の 2 2 ジェットと、
? の生成による ' の情報を使うことで、??、 ?? のイベントを同定する。

3

図 + 
領域。

 



 の積算ルミノシティーにおける 実験での ((

粒子探索可能同符合の  レプトン・モード ? 、? は 、質量が大きいため、その崩壊過程では 、最軽量ではない
ニュートラリーノ ?  やチャージーノ ?¦ が生成されることもある。これらの粒子を中間状態として ? や ? が崩壊する場合、?? ? ? ??   ¦ @ 3A/ @   の終状態になることがある。この孤立した  つの同符合のレプトン、複数のジェット、'を要請することで探索を行なう。

3 

レプトン・モード ?  と ?¦ が生成されたばあい、

?¦ ?

 

がおこるが 、この  つのレプトンと '


3



? ?

 

 を要請することで、終状態を同定する。



 検出器

 検出器は、 加速器における新しい物理現象の発見の可能性を最大限に引き出すことを目指している。とくに、
粒子、超対称性粒子の探索、重い :や 9 * の粒子の探索、$ メソン崩壊における % 非保存、トップ・クォークの精密測定を目的としており、これらのテー
マからの要請を満足する設計となっている。この物理探索の要請をまとめるとつぎのようになる。

 電子、光子を同定し 、精度よく測定でき、それと相補的にジェット、'

3 

を

測定すること。

 レプトンの飛跡の再構成、ボトム・クォークが同定が効率よくできること。
 ミューオンの運動量を精度よく測定でき、さらに B  ミューオン・トリガーを用

意できること。

 広い範囲の疑似ラピデ ィティーを測定できること。
さらに、以下のような  の環境からの要請がある。

 大量のバックグラウンド 放射線が予想されており、したがって検出器は放射線にたいして耐久性がなくてはならない。

  は、ルミノシティーをあげるためにバンチ間隔を短くしているが、検出器の信号とバンチの対応がただしくとれなければならない。

 検出器の全体図を図  に示す。直径 ' 、長さ ' であり、総重量は  トンである。
 検出器は、内部検出器、カロリメータ、ミューオン検出器から構成される。以下に、これらの特徴を挙げる。
内部検出器 内部にはバーテックスのまわりで高精度の位置分解能での測定を実現するピクセル検出器とシリコン・ストリップ検出器  " が配置される。そのまわりには、飛跡認識のために、直径 '' のストロー・チューブ検出器を多層に積みかさねた -3 / 3 -, -/ 3
-&*" を配置する。この  では、ストロー・チューブの間にラディエータをはさみ、そこからの遷移放射を測定することで、電子の同定をも行なう。内部検出器では、ソレノイドの磁場を利用して、運動量の測定も行なう。    のラピディティーの範囲をカバーする。



カロリーメータ 電磁カロリーメータは、耐放射線性にすぐれた液体アルゴン・カロリーメータをもちい、     のラピディティーの範囲をカバーする。とくに   、
 のチャンネルの測定の測定のために、C 程度の高いエネルギー分解能が必要である。











一方、ハド ロン・カロリーメータは、ジェットの再構成と ' 3
 の測定をおこなう。バレル部     " は、鉄の吸収体で囲まれたタイル状のプラスチック・シンチレータが配置され、放射線の多い       の範囲には、銅の吸収体と液体アルゴンを組み合わせたカロリーメータを配置する。



ミューオン検出器 ミューオン検出器の特徴については、次節で詳細に述べる。

高エネルギー散乱実験では、発生粒子の角分布を表現するのに疑似ラピディティーが用いられる。入射粒子の方向と発生粒子の方向のずれを で表した時、疑似ラピディティー  は  で定義される。

 

前方カロリーメータ
ハドロン
カロリーメータ
超電導ソレノイド
超電導
トロイダルコイル

内部検出器
ミューオン検出器

電磁カロリーメータ
図 +  検出器の全体図。



ミューオン検出器

高運動量のミューオンは、 においては、新しい物理現象を探すためのもっとも確実な信号のひとつである。このため、 検出器では広範囲の横運動量、ラピディティーをカバーする
ミューオン検出器を設計に入れている。図  にミューオン検出器の配置図を示す。

ATLAS Detector
η=1.4

η=1.05MDT
Barrel toroid coil

12 m

RPC
10

8

η=2.0
TGC

6

η=2.4
4

η=3.0
Radiation shield

CSC

Tile calor.

Tile calor.
LAr calor.

LAr
Had

em

End-cap
toroid2

Inner Detector
0

20

18

16

14

12

10
2

図 +  検出器の ) 断面図。ミューオン検出器の配置が示されている。

 

" では、ハド ロン・カロリーメータを包み込むように  個の空芯トロイド ・バレル部  コイルが配置され 、このコイルのつくり出す磁場での飛跡の曲がりを測定することでミューオンの運動量を測定する。一方、エンドキャップ部   " には、 個のトロイド・コイルが配置される。これらの中間の部分 トランシション部" では、バレル・トロイドとエンドキャップ・
トロイドがつくり出す合成磁場を利用する。
検出器は、運動量の精密測定のための ((3 /,  >/ 04" と  - , / . 2-'
4" と、トリガーおよび第  座標測定 を行なう。%  %-/ 2-'4" 、2 3
-. 2-'4" で構成される。バレル部では、精密測定用検出器、トリガー用検出器とも  層の同心円状に配置され、エンドキャップ部においても、精密測定用検出器、トリガー用検出器ともに
 層の構造をとる。以下、これらの検出器の特徴を挙げる 67。

 

( チューブ径 '' 、ワイヤー径 ' のド リフト・チューブを多層に積層した構造をしている。バレル部からエンドキャップ部にまたがるラピディティー領域をカバーし 、磁場による曲がりの方向に平行な運動量第 座標方向成分を高精度で測定する。長い期間の使用に耐え得るように、圧の    !（混合率  ++ ）を使用しガス・ゲインを低く    " 押え

磁場による曲がりの方向に平行な  面への投影を第 座標、

 面への投影を第 座標と読んでいる。

ている。位置ド リフト時間の線形性が非常によく、最大のド リフト時間は
' の位置分解能を達成している。

3 である。

  運動量精密測定用のストリップ読みだし用 (9%(0/ 9  %./ 3- 2-'4" である。読みだし用ストリップは、ワイヤーと垂直に切ってあり、ワイヤー間隔とワイヤー・ス
トリップ間隔が等し く  '' であり、ストリップの間隔は '' である。位置分解能
は、隣接するストリップの電荷の重心をとることにより、' である。また、水素を含まない   "  # 混合比 + +" ガスを使用することにより、バックグラウンド 中性子に対する感度をさげることも実現している。バックグラウンド 放射線が多く、より高度の位置分解能が必要とされる高ラピディティー    " 領域の、最内部の運動量精密測定用検出器として使用される。
トリガー用検出器は、膨大なバックグラウンド ・イベントのなかから物理的に重要なイベントを効率よく選び出すために、正確に運動量を測定する必要があり、このためには、数 &' の測定分解能が要求される。また、ビーム・バンチとの対応づけ $03&2" も要請されており、このためには、 のバンチ・クロッシング周期  3 " よりも短い時間分解能が必要である。

%  枚の抵抗性ベークライト板の間にガ ス    #     # 、混合比 ++ " を閉じ 込めた構造の検出器を  層重ねたものである。 層のうち 層は、トリガー用に ( のワイ
ヤーと平行にストリップが切ってあり、もう 層は、第  座標方向運動量を測定するために( のワイヤーとは垂直にストリップが切ってある。ストリップ間隔は、   ''である。ガス中にできた初期電子を *#'' の電場によって増幅し 、 . のパルスを出力する。時間分解能は、 3 で、    の領域をカバーする。
 ワイヤー間隔  ''" がワイヤー・スト リップ 間隔  ''" よりも長いことを除けば 、(9% と同じ構造である。ワイヤーは、
 本をまとめて読みだし 、第 座標測定をおこなう。ワイヤーに垂直に切ったストリップから第  座標を測定する。クエンチ能力の高い"  $$%$混合比+ " ガスを用いることで、構造のゆがみ、入射角にあまり依存しない動作を実現している。ワイヤー間隔を短くすることで、短い時間分解能を実現しており、 3 のゲート幅で C 以上の検出効率である。        をカバーする。

 実験のト リガー の方針 実験のト リガーの方針 

ト リガー・スキーム 実験では、バンチ・クロッシングごとに  イベントの陽子・陽子間相互作用がおこるため、イベント・レートは  ) にのぼる。 実験においてもっとも困難な課題は、その膨大なイベントのなかから効率的に物理的に重要なイベントを選び出していくことである。
 では、レベル 、レベル  、イベント・フィルターの  段階のトリガー・レベルを経て、イベントを選択する方式をとる。この様子を図  に示す。

Interaction rate
~1 GHzBunch crossing
rate 40 MHz

CALO MUON TRACKING

Pipelinememories

LEVEL 1
TRIGGER< 75 (100) kHz

Derandomizers
Readout drivers(RODs)

Regions of Interest
LEVEL 2
TRIGGER

Readout buffers(ROBs)~ 1 kHzEvent builder
Full-event buffers
andprocessor sub-farms

EVENT FILTER~ 100 Hz

Data recording
図 +  実験のトリガー・スキーム
レベル ・トリガーは、 のバンチ・クロッシングの周期  3 " でデータを受け、最大  *) *)までアップグレード 可能" のレートでトリガーを出力をする。 検出器を構成する検出器の読みだし回路系は、すべてこのレベル ・トリガー・レートにあわせて設計される。レベル ・トリガーは、バンチ・クロッシング後  以内に全検出器におくられることになっている。このレベル ・トリガーで選択されたイベントは、レベル  とイベント・フィルターで、さらに詳しいデー
タを使って最終的には) のイベント・レートまで絞られ 、オフラインの解析のために記録される。
以下に、これら  段階のトリガー・レベルの特徴を述べる 67。
レベル 全検出器に  という短い時間の間にトリガーを配らなくてはならない
ので、レベル では、高分解能のデータは用いず、また簡単なアルゴ リズムでのイベント選択を行なう。イベントの選択には 、ミューオン・トリガー用検出器、
カロリーメータからのデータのみを用いる。ミューオン・トリガー検出器、カロ
リーメータでは、それぞれに、専用のトリガー回路が設けられ、ここでは、ミューオン、電磁クラスター、ジェットの  、' 3   、カロリーメータに残された全エネルギーが 、設定されたしきい値よりも大きい場合に %3/-  %& " に信号を送る。なお、このしきい値は、複数用意されており、 種類の物理量に対して、数種類のトリガー情報が用意できる。% では、ミューオン・
トリガー用検出器、カロリーメータから送られてきたトリガー情報を総合しレベ
ル ・トリガーの判定を行ない、トリガーを  ' 3 ;   -3, 3/, / 40/ 3" に伝える。トリガーをうけた  は、全検出器にトリガーを配る。
このレベル ・トリガーの判定の間、各検出器のデータは、それぞれに備え付けられたレベル ・バッファ  $" と呼ばれるバッファに保持される。
また、ミューオンや電磁クラスタに関しては、その位置  &" の情報をレベル ・
トリガー・プロセッサに伝える。レベル ・トリガーのプロセスの流れを図  に示す。

図 + レベル ・トリガーのプロセス。
レベル  レベル ・トリガーは 、レベル から伝えられた位置のまわり  3
> 3/ /" とよばれる" のミューオン検出器、カロリーメータの高精度のデータ

にアクセスし 、さらに、ピクセル、  、 のデータにもアクセスしながら、
ミューオン、電子、光子、タウ、ジェットの候補を探す。この後、イベントの選択を行なう。レベル ・トリガーのプロセスにかかる時間は、 ' 程度である。
イベント ・フィルタ オンラインの最終段階のイベント選択である。ここでは、全検出器からの最高精度のデータを用い、バーテックスの再構成、トラックのフィッティ
ングなどのイベントの再構成を行なった上でイベントの選択を行なう。このプロセスにかかる時間は、数秒である。
ここで、% 、 についても簡単にふれておく 67。

 ミュオン・トリガー用検出器とカロリーメータのデータから、レベル トリガーの判断をくだすプロセッサ。レベル ・トリガーは、以下のような制約がある。

 つレベル ・トリガーを出力したら、その後  クロックはつぎのトリガーを出さない。
  の間に出されるトリガーは、  回を超えない。
 検出器全体に  のバンチ・クロッシングに同期したクロック 正確には  ()" 、
トリガー、コントロール信号を配る。以下に、 によって配られる信号のうち重要なものを挙げる。

 バンチ・クロック 全検出器のデータ読み出しをバンチ・クロッシングに同期して行なうためのクロック。

 レベル ・ト リガー レベル ・トリガーの条件がすべて満たされた時に % から出されるトリガー。バンチ・クロックに同期。

  $ すべてのフロント・エンドには、バンチ判別のためにバンチ・カウンタが用意される。このカウンタに対するリセット信号。クロックに同期。

 % $ すべてのフロント・エンドには、イベント判別のためにイベント・カウンタが用意される。このカウンタに対するリセット信号。クロックに同期。

 テスト ・コマンド クロックに同期したテスト・コマンド を送ることができる。
 パラメータ アドレスを指定して送信することにより、個々のモジュールに対して動作パラメータを送ることができる。モジュールごとの信号の遅延を補正するためのパラメー
タやキャリブレーションのパラメータ。クロックとは非同期に送信される。

  ト リガー条件
表  にいくつかの重要な物理過程に対するレベル とレベル  のトリガー条件を挙げる 67。
物理過程  " @ '   " @ 'レベル ・トリガー条件) *+$; 
 ; ;  ;  ; ;  ;  ; ; ;  ; 
 ;

 ;


 





) *









£   
8   @8  ¦ @
¼ ¼ 












'



 

$.2= &






;




; 

レベル ・トリガー条件
 (

; 

 ( ; ;  ( ;  ; ( ;  ;  ( ( ;
 ( ; ;  ;  ( ;  ( ;;  ; 

 ;  ;    

表 +  実験における重要な物理過程に対するトリガー条件。粒子名の添字は、その  のしきい値 #"。




図

 実験の  の方針に  実験の  の方針を示す 67。
RO link

FE Data Stream
FE Data Stream interface

Error d etection/recov ery
E rror detection /recovery
TTC

TTC

Proce ssin g

Proce ssing

EventrequestBufferE vent format
Processing
Interface to RO link
RO link

Link(s) to level 2 & 3 trigger

O LinkR
Level 1 Buffer
Detector
OutputROD

Derandomizer

ROB

FE
Data Streams

Detector
TTC

Detector
DCS

DAQ
TTC

Detector Control E lemen ts
Standard TTC
Optical Dis tribution

Detector Specific
TTC Distribution
Standard
Con trol Mo du les

Detector SpecificControl modules

Electrical to optical
Conversio n
Input Selection

Detector TTC sign als(tests, calibration,... )Atlas TTC Sign als(BC, L1 A,...)

Central DCS
Commu nication

Detector SpecificCommunication

Detector Specific図+  実験の ・スキーム

まず、アナログ デジタル変換された検出器のデータは、 からレベル ・トリガーを受けとるまでの間、レベル ・バッファ $" と呼ばれるパイプラインに格納される。レベル ・トリガー
は、ビーム衝突から最大でも  の間に各フロント・エンドに到達する。 $ は、回路系のデザインの変更などの事態による遅延の増加に備えて、この  に   を加えた、  以上の間データを保持することになっている。
各フロント・エンドは、レベル ・トリガーを受けとると、そのトリガーを出したバンチ・クロッ
シングに対応するデータを  $ から次の段階のバッファD" に送る。また、各フロント・エンドは、バンチ・クロッシング、レベル ・トリガーの数を数えるカウンタを用意し 、これらのカウ
ンタの値 $$03&2  3 " 、  " をデータとともに送る 。
ただし 、この  $ からのデータは、タイミングが一定でなく、データ量も多いので、デランド
マイザ -3,' )" と呼ばれるバッファを中継する。
デランド マイザでは、データの圧縮を行なうことができ、この圧縮の形式は、各検出器ごとに決められる。ただし 、データの圧縮をおこなう場合には、イベントごとにデータ・サイズが異なる
ので、デランド マイザのサイズを十分に大きくしてオーバーフローを防がなければいけない。なお、デランド マイザのサイズは、レベル ・トリガー・レートが  E) 、 *) のときに、データ損失率がそれぞれ C 以内、C 以内になるように設計する。また、キャリブレーションのためのオプションとして、レベル ・トリガーに対応するバンチ、その前後のバンチの  クロック分までのデータを読み出せるように設計する。デランド マイザに貯められたデータは 、D-, D0/ " に送られる。
D では、デランド マイザから集められたデータをイベントの順に整列し 、最終的なデータ形
式にフォーマットされる。この際、 から送られてくる 4 / の $ 、4 / の   と、デー
タの $ 、  が一致しているかど うかをチェックし 、一致していなければ 、エラー・フラグを立てる。
D でフォーマットされたデータは、D  3*-, D0/  3*" と呼ばれる全検出器で標準仕様の結線を通して D$-, D0/ $0<" と呼ばれるバッファに送られる。この D$ の仕様も全検出器で統一される。D は、レベル ・トリガーのプロセッサにデータを渡し 、レベル ・ト
リガーのプロセスの間、データを保持する。レベル ・トリガーが出力されたイベントのデータに関しては、イベント・フィルタにデータを送る。なお、この D$ でも、D と同じように から受けとる $ 、  とデータの $ 、  をチェックする。
このあと、データは 、イベント・フィルタで選択を受けた後、記録される。
なお、全検出器を統一的に制御・監視するために、 /&/ 3/ = /'" と呼ばれるシステムが用意される。この  は、各検出器の制御パラメータの設定および監視だけでなく、検出器全体に共通な下部構造をも監視する。

      、       は  の値に変換されるが 、この時点では、カウ
なお、これらのカウンタは、から送られてくるによってリセットされる。最終的に
で
は
、
ンタの
数はこれよりも少ないものでよい。









エンド キャップ・ミューオン・ト リガー条件

ミューオン・トリガーは 、ミューオンの運動量を測定し 、この値が設定されたしきい値よりも大きい場合に出力されるものである。このしきい値は  種類用意されており、したがってトリガーの種類は  種類である。 エンドキャップ部のミューオン・トリーガーは、 を使って判断する。図  にエンド ・キャップ部のミューオン検出器の配置を示す 6 7。
図  中、( は  を  枚、( 、( は  を  枚重ねたものであり、それぞれトリプレッ
ト、ミドル・ダブレット、ピボット・ダブレットと呼ばれる。このほか、 も 33 チェンバーと呼ばれる  であるが、これはトリガー条件には使用されない。また、   の領域をエンド
キャップ、   の領域をフォワード と呼んでいる。なお、検出の効率をあげるために、同じ層のチェンバーの境界では、ギャップを避け、隣あうチェンバーの端を重ねている。
ミューオン・トリガーは、そのトリガー条件によって大きく B トリガーと、2 2 トリガーの  種類に分類できる。代表的なしきい値は、B トリガー、2 2 トリガーに対してそれぞれ # 、# であるが、さらにそのしきい値によってそれぞれ  種類ずつの B ト
リガー、2 2 トリガーが用意される。
まず、B トリガーの条件を説明する。図  に示すように、ビーム・衝突点で生成されたミューオンは、トロイド 磁場によって飛跡が曲げられた後に  に入射する。飛跡がどれだけ曲がったかを測定することにより運動量を測定することができる。エンドキャップ・ミューオン・ト
リガー・システムでは多層の  の間でのヒット位置のずれを測定することで運動量の測定を行なう。B トリガーの場合、ピボット・ダブレットのヒット位置を基準としてミドル・ダブ
レットのヒット位置の , 方向のずれ Æ, 、& 方向のずれ Æ& を測定する 図 "。さらに、高い検出効率を保持しながらバックグラウンドを取り除くために、 組のダブレット  枚の " のうちの  枚以上にヒットがあるコインシデンスを要請する最終的に、Æ, と Æ& から  種類の B ト
リガーをつくるロジック セクター・ロジック" の概念図を図  に示す。
つぎに、2 2 トリガーの条件は、B トリガー条件を満足したうえで、トリプレット中の  枚の  のうち  枚以上でコインシデンスがあり、運動量がしきい値より大きいことである。運動量の測定には、ピボット・ダブレットとトリプレットのヒット位置のずれを用いる。

12000

M2 M3
DL-LL01V01

S

=1.05

L

M1

10000

8000
R (mm)

pivot plane
low PTI
6000
end-cap
=1.92
hi PT

4000

forward

=2.40
2000
6000

=2.70

SL
8000

10000

12000

14000

16000

Z (mm)

図 + エンドキャップ部の  の配置およびミューオンの飛跡がトロイド 磁場により曲がる様子が示されている。( は   重層 トリプレット " 、( および ( は   重層 ダブレット "であり、それぞれ 、ミドル・ダブレット、ピボット・ダブレットと呼ばれる。これら  層の 
でトリガーの判断をおこなう。 は内部チェンバー   重層" とよばれ、トリガーの判断には使われない。なお、 、 は ( である。



µPivot Plane

Z

R

δφ

φ
δR
Inner Plane

Interaction Point

図 +  によるミューオン運動量の測定。無限大の運動量をもつミューオンは、破線のような飛跡を描くが、実際の有限の運動量をもつミューオンは、実線のように、トロイド 磁場によって飛跡が曲げられた後に  に入射してくる。ピボット・ダブレットのヒット位置を基準としてミドル・ダブレットのヒット位置のずれを測定する。なお、, 座標、& 座標はそれぞれ B  、 / .のヒット・チャンネルである。

δR

Lower Low-pT

Medium Low-pT

pT(L/H)

Higher Low-pT
Lower High-pT
Medium High-pT
Higher High-pT

pT(L/H)δφ

図 + セクター・ロジック。 つの  ステーションでのヒット位置のずれからトリガー B 、
2 2 それぞれ  種類のトリガーをつくる。





  のデータ読み出しの概要
図に、デランダマイザまでの  の読み出し系の概要を示す 6 7。

wirePatch Panel
pivot
doubletinner
doubletASD

Wire Doublet Slave Board
3 / 4 Coin. Matrix

32
BID, OR

18
ASD

ASD

32

Wire High-Pt Board

BID, OR

BID, OR

H
L1B

ASD

L

R, δ R

32
Derand32

R

BID, ORto CTP

Selector

H-Pt

Wire Triplet Slave Board
L1B

2 / 3 CoincidenceASD

tripletASD

ASD

Derand32

MUCTPI

BID, OR

18

32
BID, OR
32

9

BID, OR
L1B

DerandSector Logic
R- ϕ Coin.
Hits Selector

strip
Patch Panel
pivot
doubletinner
doubletASD

Strip Doublet Slave Board
12

3 / 4 Coin. Matrix

32
BID, OR

16
ASD

ASD

32

Strip High-Pt Board

BID, OR

BID, OR

H
L1B

ASD

L

ϕ, δ ϕ32

32

Derandϕ

BID, OR

Selector

H-Pt

Strip Triplet Slave Board
ASD

32

L1B

BID, OR

20

OR

tripletASD

Derand32
BID, OR

L1B

図Derand+ デランド マイザまでの  読み出し系の概要。

 からからの出力信号は、まず、 '. F 2-.  & ' 3-/" ボードという に直接搭載されるボードで # B #/-   <3&
3-" レベルのデジタル信号に変換される。
  ボード の出力信号は、パッチ・パネル %-/&2 %-3" と呼ばれるボードに送られる。この
パッチ・パネルは、# レシーバを搭載しており、これを通して   ボードからの信号を受信し 、この入力信号をバンチ・クロックに同期させる。その後、隣あうチェンバーの端でのダブル・
カウントの処理を行なう。
このほか、また、パッチ・パネルには、 へのインターフェイス、  、スレーブ・ボードの電源なども搭載される。
パッチ・パネルの出力は、スレーブ・ボード  - $-," に送られる。スレーブ・ボード は、
その扱うデータがトリプレットのものかダブレットのものか、また、ワイヤーのものかストリッ
プのものかで  種類あり、それぞれ入出力のチャンネル数が異なる。
ダブレット・スレーブ・ボード では、 組のダブレットの  枚の  でコインシデンスをとり
ピボット・ダブレットでのヒット位置と Æ, 、Æ& を読み出す。図  に、ダブレット読み出し用のコインシデンス・ロジックを示す 6 7。
トリプレット・スレーブ・ボード では、トリプレットのの  枚の  でコインシデンスをとり、ヒット位置を読み出す。図  に、トリプレット・ワイヤー読み出し用のコインシデンス・ロジッ
クを示す 6 7。

OR’ed YabcC

C=a&b&c+a&b&c

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

8 outputs to encoder section

4x2 (pivot doublet) inputs

12x2 (middle doublet) inputs

7

δR

AB

OR’ed XYC
D

X=Y=A&C+A&D+B&D
X

図 + ダブレット・ワイヤー・スレーブ・ボード の B  コインシデンス・マトリクス。図中、各セルが 0/> のコインシデンスをとっている。ピボット・ダブレットのヒット位置とミド
ル・ダブレットのヒット位置がずれていなければ 、図中、Æ, 1  の対角線上にあるセルでコイン
シデンスが起こり、ヒット位置が チャンネルずれた場合は、 番目に濃く塗りつぶされたセルでコインシデンスが起こる。同じピボット・ダブレットでのヒット位置、あるいは、同じ Æ, のもの
は、D をとり出力する。ストリップ用のものも同様の構成だが、読み出し Æ& の読み出しは、から @ である。
スレーブ・ボード の出力信号は、2 2 ・ボードに送られるが、ここでは、ダブレット・スレー
ブ・ボード のコインシデンス・マトリクスと同様のマトリクス 図 " を通してピボット・ダブレッ
トとトリプレットのあいだの Æ, 、Æ& をを測定する。
2 2 ・ボード のトリガー・ロジックの出力は、セクター・ロジックに送られる。ここでワイヤーとストリップのデータが合成され 、ミューオン・トリガーとしてレベル ・トリガーのプロ



A1

A2

B1
C0

B2
C2

C1

out

36x3 (triplet) inputs

out = A1 & B2& C0& C2+ C1 & A1 & B1
+ C1 & B2 & A2

100

declustering and encoder
1 hit / 32 inputs

hit

positionhit

positionhit

position

18 bits (3 hits) / Triplet Slave Board

図 + トリプレット・ワイヤー・スレーブ・ボード のコインシデンス・マトリクス。図中、各セルが 0/> のコインシデンスをとっている。ストリップ用のものも、 0/> コインシデン
スであることを除けば同様の構成である。ヒット位置のみを出力する。

セッサである % に送られる。
一方、スレーブ・ボードと 2 2 ・ボードには、レベル  以降のイベント選択に送るためのレ
ベル ・バッファとデランド マイザも実装され 、$ 、  、コインシデンス・ロジックへの入力
各  のヒット・パターン " と出力のデータ Æ, 、Æ&" がここから読み出される。
 読み出しのスキームにおいて、 は、ローカル・・ブロック $" と呼ばれるブロックにグループ分けされる。 の読み出しの方針は、スレーブ・ボードから D$ に至るまで、このローカル・・ブロックごとに、独立に読み出しを行なうというものである。ローカ
ル・・ブロックは、トリプレット、 組のダブレット、内部チェンバーの  つの読み出しレ イ
ヤーのうち  つのレ イヤーにまたがらないように決められている。
図  に、オクタント あたり、読み出しレ イヤーごとの  のローカル・・ブロックへの分割の仕方、および スレーブ・ボード 以降の読み出し系の概要を示す 6 7。
スレーブ・ボード、2 2 ボード のデランド マイザに格納されたデータは、ローカル・・
ブロックごとに つずつ用意されるスター・スイッチと呼ばれる、データの中継点に集積される。
このデータ転送は、# レベルのリンクで行なう。なお、このリンクを  リンク &- -
 3*" と呼ぶ。
 の各円盤を  分割したものをオクタントと呼ぶ。
8 inputs from low-Pt matrix

38 inputs from triplet

A

B

-15

-6 -5 -4 -3 -2 -1

X =A&B

0 +1 +2 +3 +4 +5 +6
δR+15

OR’ed XX

図 + 2 2 ・ボード ののコインシデンス・マトリクス。各セルは、図中、各セルが >, のコ
インシデンスをとっている。ストリップ用のものも、 0/> コインシデンスであることを除けば同様の構成である。

スター・スイッチに集積されたデータは 、光ファイバーで D$ と同じ クレートにあるローカ
ル・・マスターに送られる。
ローカル・・マスターは、スター・スイッチからのデータ転送の制御、$ 、  によるエラー検出、データ形式の D$ に送るデータ形式に変換を行なう。
この後は、データは、D 、D 3* を経て D$ に送られ、レベル  、イベント・フィルターのデータ選択を受ける。

to ROB

ROD cratein USA15

ROD

LDAQ
LDAQ
Ma er
LDAQ
Ma er
B
Mas erU LDAQS
MasterInner Doublet

#
HiHi-

HiHi-

1Gb/s optical link

pT
pT

ppT
T

to TGC DAQ

Bi-dir optical links
100Mb/s, ~80m

TripletStar Switch

40Mb/s LVDS
bi-dir links

Doublet pair

図 + スレーブ・ボード 以降の  読み出し系の概要。各読み出しレイヤーのローカル・・ブロックが実線で示されている。






読み出しシステムの設計

データ集積方法の選択

 の読み出しには、一度スター・スイッチにデータを集積する構造をとるが 、本節では、このスター構造がほかの構造よりも  の読み出しに適している理由を議論する。
 の読み出しの場合は、スレーブ・ボードは  上にじかに配置されるので、一つのロー
カル・・ブロックが扱うスレーブが ' 程度の範囲に配置されている。また、スレーブとマスターの距離が、約 ' であるため、 つ つのスレーブを直接ローカル・・マスターに接続することは、ケーブルの量からいって困難である。
そこで、各スレーブ・ボード からローカル・・マスターにデータを送信する方法として、
スター・スイッチ構造のほかに、バス構造、リング構造が挙げられる。これらの特徴を以下に挙げる。
バス構造 図  にバス構造の概念図を示す。データ線とは別にアドレス線を用意し 、マスターからスレーブのアドレスを特定することでマスターと目的のスレーブの接続を行なう。すなわ
ち、各スレーブにアドレス・デコーダが必要となる。データ線を複数用意し 、 つのデータ
線に つの機能 いまの場合は、 種類のデータ" を割り付けるので、デコード が非常に簡単である。一方、一つのスレーブが故障した場合、その故障の症状によっては全体が正しく機能しなくなってしまう。また、マスターとスレーブの距離が長い場合には、通信は困難である。

Master

Slave

Slave

Slave

Slave

図 + バス構造の概念図。

リング構造 図  にリング構造の概念図を示す。データは 、パケットにして送信する。また、マスターからは、データとともにスレーブ・アドレスを送信する。各スレーブにはアドレス・
デコーダが用意される。したがって、デコード のロジックは複雑になる。データ・パケット
は、指定されたアドレスのスレーブに到達するまでスレーブからスレーブへと転送される。
したがって、マスターとスレーブの距離が長くても問題はないが、故障したスレーブが存在すると、全体が正しく機能しなくなってしまう。

Master

Slave

Slave

Slave

Slave

図  + リング構造の概念図。

スター構造 図  にスター構造の概念図を示す。スイッチを中継してスレーブからマスターにデータを送る。スイッチは、各スレーブと直接通信するので、アドレス・デコーダは、スイッチにだけ用意すればよく、各スレーブに用意する必要はないので、スレーブのロジックは簡単になる。また、故障したスレーブが存在しても、ほかのスレーブとの通信に支障をきたさない。

Master

Switch

Slave

Slave

Slave

Slave

図 + スター構造の概念図。

 読み出しの場合には、スレーブが修理のために簡単にアクセスすることができないカウン
ター・ホール内に配置されるので、 つのリンクの故障がほかのスレーブの読み出しにまで影響する構造は適当でなく、スター構造が適している。また、 節に述べるが 、 のデータ量は少ないので、データ圧縮を行ない、シリアル通信でデータ転送を行なうことが可能であり、ケーブ
ルの量を効率的に節約することができる。

 データの特徴
各ローカル・・ブロックには、読み出しレ イヤーごとにスター・スイッチが つずつ用意される。ワイヤー、ストリップともすべてのデータは 、このスター・スイッチを中継して読み出される。
表  に、各種ローカル・・ブロックの特徴を示す

$ の
種類
ダブレット
トリプレット2 2

オクタントあたりの $ 数

フォワード
エンド キャップ



フォワード
エンド キャップ



$ あたりのスレーブ・ボード の数$ あたりの読み出しチャンネル数

 







フォワード
エンド キャップ

表 + ローカル・・ブロックに含まれるスレーブ・ボード の数。 の  枚の円盤全体でたしあわせるとスレーブ・ボード、 2 ・ボード の総数はそれぞれ  枚、 枚にのぼる。また、 枚の円盤の読み出し総チャンネル数は、 チャンネルである。
スター・スイッチが読み出すデータは 、ボード の種類ごとに以下のようになっている。
ダブレット ・スレーブ・ボード コインシデンス・マトリクスへの入力の  枚の  のヒット・パターン。 枚あたり  チャンネルである。
ト リプレット ・スレーブ・ボード コインシデンス・マトリクスへの入力の  枚の  のヒット・パターン。 枚あたり  チャンネルである。

&&' ・ボード 2 2 ・ボードは、 枚のダブレット・スレーブ・ボード と  枚のトリプレッ
ト・スレーブ・ボードからデータを受けとるが 、これらのデータを読み出す。ダブレット・
スレーブ・ボード、トリプレット・スレーブ・ボードは、データを送る際にデータの圧縮を行なう が 、2 2 ・ボード の側でデコード するまえのものを読み出す。
表  に、スレーブからスター・スイッチへ読み出す読み出しチャンネル数をまとめる。
ミューオンによる信号は、レベル ・トリガーと相関があるが、イベントあたり、ローカル・・ブロックあたりのデータ量としては少ない。このことは  節で議論する。このため、ここでは、読み出しデータとしてバックグラウンドによるヒットのみを議論する。
 のバックグラウンド・レート  の円盤全体で平均した値" は、シミュレーションの結果により以下のように見積もられている 6 7。

(  を 枚だけヒットするバックグラウンド。 の中で起きるコンプトン効果で生成される (# 以下の電子や中性子と  との相互作用で生成される低エネルギーの陽子によるバックグラウンドで、 )&' のカウント・レートである。








ダブレット・ワイヤー・スレーブ・ボードでは、 つのトラックに対して位置を ビットで、Æ は、 ビットでエンコード する。 スレーブボード のなかではトリガーは つまでしか出さないことになっているので、ダブレット・ス
レーブ・ボードからの送信は、イベントあたりビットになる。









スレーブの種類

スレーブあたり

ダブレット

ワイヤー
ストリップ

トリプレットワイヤー
ストリップ

2 2

ワイヤー
ストリップ         @    @   

表 + 読み出しのチャンネル数。

) 隣合う  枚の  をヒットするバックグラウンド。コンプトン効果で生成される (# 以上の電子や低エネルギーの陽子によるバックグラウンドで、 )&' のカウント・レートである。

*  枚の  をヒットする可能性のあるバックグラウンド。高エネルギーの陽子、パイオン 、(# のミューオンで、カウント・レートは、 )&' である。

これらとローカル・・ブロックの  の全面積の積をとり、ローカル・・ブロック
あたりのバックグラウンド ・ヒット・レートを計算すると、表 のようになる。
バックグラウ
ンド の種類

トリプレットフォワード
エンド キャップ
ヒット・レート 





ダブレット
フォワード
エンド キャップ
#

ヒット・レート $"   !

%&'ヒット・レート &   !

"



"

&

計

ヒット・レート 

$

$"





   !

圧縮前のデータ量 (     !

"
$
"

"

"

$$



%"

"

&

%

$

%&

$

&$

%

$

"

"

表 + ローカル・・ブロックあたりのバックグラウンド ・ヒット・レート。なお、2 / G3/
は、レベル ・トリガーのイベントに対する平均のヒット数である。
表 の 2 / G3/ の合計に見るように、レベル ・トリガーのバンチにヒットがある確率は、どのローカル・・ブロックにおいても C 以内と小さい。したがって、データを圧縮し 、シリアル通信でスター・スイッチに送信することが可能であると考えられる。



データの形式

最も簡単なデータの圧縮方法は、表  に示したスレーブ 内の各読み出しチャンネルに対してひとつずつアドレスを割り当て、ヒットがあったチャンネルのアドレスを送信する方法である。ただし 、この方法は、ひとつのスレーブ 内のチャンネル同士に相関があるとデータ量が増えてしま
ううえ、回路の構造が複雑になる。

そこで、 での読み出しでは、読み出しチャンネルを  チャンネルごとのセルにまとめて以下のようにデータを圧縮 ゼロ・サプレス" する。 チャンネルもヒットがないセルのデータは、読
み出さず、ヒットがあったセルに関してのみセルのアドレス  ビット " とセルのヒット・パターン
 ビット " を読み出す。
実際の送信では、さらにスレーブ・ボード のアドレス  ビット " 、$ ビット " と   ビット " をヘッダとして、ターミネータ  ビット " をフッタとして付け加えたデータ形式で、シリアル転送する。ヘッダとフッタを付け加えた送信データ形式を図  に示す。 実験のデータ読
み出しでは、キャリレーションのためのオプションとして つレベル ・トリガーに対して、 バ
ンチ・クロッシング分のデータまで読み出せる設計にする。図  に  バンチ・クロッシング分のデータを読み出す際のデータ形式を示す。
Slave Address

HeaderBunch ID

Bunch ID
Level1 ID

Level1 ID

Hit Cell Address 1

Hit Cell Address 1

Hit Pattern 1 (n-1 Bunch)

Cell 1
Data

Cell 1
Data

HeaderSlave Address

Hit Pattern 1 (n Bunch)

Hit Pattern 1
Hit Cell Address 2

Hit Cell Address 2

Cell 2
Data

Cell 2
Data

Hit Pattern 1 (n+1 Bunch)

Hit Pattern 2

Hit Pattern 2 (n-1 Bunch)

Hit Cell Address N

Cell N
Data

Cell N
Data

Hit Cell Address N
Hit Pattern N (n-1 Bunch)
Hit Pattern N (n Bunch)
Hit Pattern N (n+1 Bunch)

FooterFooterHit Pattern N
Terminator

Terminator

図 + 3 個のセルにヒットがあった場合のスレー 図 + レベル ・トリガーの前後のバンチ・ク
ブからスター・スイッチへの転送データの形式。 ロッシングのデータも読み出す場合のスレーブ
段が バイトであり、ヒットがあるセル数を $ からスター・スイッチへのデータ転送データの形式。
とすれば 、データ長さは、$ @ " である。

つぎに、このデータ形式が誤認識される可能性を議論する。この  ビットを単位とした形式は、
D でのデコード まで保持されるので、結局、ターミネータを誤認識する可能性を考えればよい。
ターミネータは全  ビットとも  2 のパターンとする 。まず、スレーブ・アドレスから   までの  バイトは確実にヘッダなので、前のイベントのターミネータが正しく認識されれば 、誤認識される可能性はない。 つのレベル ・トリガーに対して読み出すバンチの数は D にも制御パラメータとして与えられているので、各セルからのデータの長さは正しく認識される。したがって、誤ってターミネータと認識される可能性のあるものは、セル・アドレスだけである。表  をみると、読み出しチャンネルの多いスレーブはダブレット・スレーブボードだが、 ビットごとにまとめると  セルであり、下位  ビットでアドレスを表現できる。したがって、残っている上位
 ビットをすべて B に保てば 、ターミネータとの誤認識を避けることができる。
このデータ圧縮の後でのバックグラウンド ・ヒットによるデータ量を表  に示す 。
バックグラウンドの種類

トリプレットフォワード
エンドキャップ

4&計
圧縮前のデータ量

ダブレット
フォワード
エンド キャップ

2 / G3/
4 / G2 /2 / G3/
4 / G2 /2 / G3/
4 / G2 /4 / G3/*$=/ G    

 





  
 






 

  



 

 

 
($=/ G









表 + データ圧縮後のローカル・・ブロックあたりのデータ量。ただし 、*$=/  は *)
のレベル ・トリガー・レートでの値である。比較のために圧縮前のデータ量が示されている。な
お、トリプレットでのバックグラウンド - によるヒットのイベントあたりのデータ量が  通り示されているのはトリプレットの  枚の  のうち真中の  はストリップ読み出しがないため、データ量が他の  枚とは異なるからである。

リンクの通信プロト コル

スター・スイッチとスレーブは、# レベルのリンクでパケット通信を行なう。スター・ス
イッチからスレーブへの送信用とスレーブからスター・スイッチへの送信用のリンクが用意され 、それぞれが、DE 、 、 H! の  信号でなっている。DE は、パケット読みとりのためのクロックである。 は、送信データであると同時に、 H! とともに通信を制御する。
図  に示すように 、 H!1 I1 でパケットの始まりを 、 H!1 I1  でパケットの終りを指定し 、この間に  節で述べたデータやスター・スイッチからスレーブへのコマ
ンドなどを挟んだ構造のパケットを転送する。この  リンクは、主には、データの読み出しをおこなうが 、このほかにも、スレーブへのパラメータのダウンロード などの目的にも使用する。


ただし 、データ量は多めに見積もっている。例えば 、バックグラウンド
ヒット位置によってデータ量が異なる。

 では、 枚の  にヒットがあるが 、½µº  枚の  でのワイヤー・ヒット・チャンネルが同じ スレーブ・ボード で読み出される場合、ワイヤーの読み出 ビットである。。

しデータ量は、¾µº  枚の  でのワイヤー・ヒット・チャンネルが別々のスレーブ・ボードで読み出される場合、ワイヤーの読み ビットである。。

出しデータ量は、

 の方がデータ量が多い。表 の計算では、 を使って計算している。ストリップに関しても同様である。

この場合、



CLOCKSYNCDATAOne Packet Frame

図  +  リンクの  種類の信号線。 H! と  の組み合わせでパケットの開始と終了を指
定する。



 スレーブ・ボード

シリアル変換デランドマイザレベル１・バッファ図  にスレーブ・ボード のデータ読み出し部分のブロック図を示す。まず、データは 、レベル・バッファを通して、デランド マイザに格納される。その後、シリアル変換を受けて、スター・スイッチに送信される。

LHC Clock
Level1 Trigger

コントロール部

コマンド・
デコーダ

送信部

LVDS to
TTL
converter

TTL to
LVDS
converter

スター・スイッチへ

図 + スレーブ・ボード のデータ読み出し部分。
図  に読み出しセル つ分のレベル ・バッファからデランド マイザまでのブロック図を示す。
レベル ・トリガーに対応するバンチとその前後の合計  バンチまで読み出しできるよう設定可能にする必要があるが 、各バンチの読み出し制御は図  中の $03&2 -,0/ &3/ 信号で行なう。
レベル ・バッファは、イベント発生から   の間、データを保持しておくパイプラインであり、() で動作する  段のシフト・レジスタで実現する。ただし 、各レベル ・トリガーに対してその前後のバンチに対応するデータまで読み出せるようにしている。
デランド マイザは、レベル ・トリガーのタイミングで  からのヒット・パターンをレベル
・バッファから入力し 、これをスター・スイッチからのデータ送信コマンド のタイミングで読み出すことを可能にするバッファである。また、デランド マイザではシリアル変換時の圧縮のために読み出しセルごとにデータを扱い、各セルでのヒットの有無を判断する。まず、バッファの部分に関しては、書き込みと読み出しのタイミングが独立であるので、JJD にすることが適当である。
この JJD への入力には、 からのヒット・パターンとともに、各セルの読み出しを制御する
信号を用意する。JJD の前の段階でセル内の全チャンネルで論理和をとり、データの圧縮の際にこのセルを読み出すかど うかを判断している 図  中 - -/-  &"。この - -/-  & を図  に示す。- -/-  & では、セル内の読み出すべきバンチに 箇所でもヒットがあれば 、
- -/- 信号を  2 にする。さらに、JJD の後の段階でこの - -/- と各バンチの $03&2
-,0/ &3/ 信号を合成し 、このセル内の各バンチの読み出し制御に用いる。また、各セルに対して、- -/- 信号を読み出し制御信号とするセル・アドレスが用意されている。
デランド マイザの出力は、シリアル変換した後にスター・スイッチに送信する。このシリアル変換の際にデータの圧縮を行なう。デランド マイザの出力は、 ビットのデータとこのデータの読み出し制御の信号の組み合せの繰り返しである。そこで、データの圧縮の方針としては、読み出し制
御信号が  2 になっていればそのデータを読み出し 、読み出し制御信号が B になっていればそのデータの読み出しをスキップする。また、スター・スイッチに対して送信する信号は、
のほかに H! も用意する必要があるが 、この H! 信号もシリアル変換の際に用意する。
図  にデランド マイザの出力をシリアル変換する部分のブロック図を示す。図  中、左のシ
フト・レジスタの列は、スレーブからスター・スイッチに送信する  を用意する。デランドマイザから出力される  ビットのデータは 、スター・スイッチからのデータ送信コマンド のタイ
ミングでシフトレジスタにロード され 、そのあと、() のクロックで図の下の方向に読み出される。シフトレジスタには、セルの区切りごとに読み出し制御信号によって制御されるセレクタがあり、このセレクタにより、読み出す必要のないセルはスキップされる。スレーブのアドレス、$ 、  、ターミネータに関しては、スレーブ全体でデータがある場合に読み出すべきものなので、これらの制御信号としては、全セルの - -/- の論理和をとったものを用いる。また、パケットのヘッダの次のビットには、スター・スイッチが読み出していないイベント・データがデラ
ンド マイザの JJD に残っているかど うかの情報として JJD のエンプティー・フラグをロードする。さらにその次のビットには、D でデランド マイザが溢れているかど うかをモニターする
ために、JJD のフル・フラグをロード する。
一方、図  中の右のシフト・レジスタの列は、スター・スイッチに送信する H! を用意する。
H! のシフト・レジスタには、 のシフトレジスタと同時に、パケットのヘッダとフッタを除いてすべてのシフトレジスタに B をロード する。 を用意するシフト・レジスタと同じ構造のシフトレジスタを用意し 、またデータのスキップを制御する信号を共有することで、
信号の長さにあわせた H! 信号をつくり出している。
このようにしてスレーブからスター・スイッチに送信されるパケットを図  に示す。



図 + 読み出しセルあたりのレベル ・バッファからデランド マイザのブロック図。小正方形ひとつひとつが () で動作するフリップ・フロップである。



8ch Shift Register

L1Buffern-1 Bunchn BunchDerandomizer

Has Data
Logic

Has Data

FIFO

Access from Star Switch

n+1 Bunchn Bunch readout control
n-1 Bunch readout control

n+1 Bunch readout control
Level 1 Trigger

Full

Empty

Segment Read

Segment Address

n-1Bunch Read

n-1Bunch Datan Bunch ReadnBunch Data

n+1Bunch Read

n+1Bunch Datan-1 Bunch readout control

n Bunch readout control

n+1 Bunch readout control

n+1 Bunch
Has Data Logicn BunchHas Data

n-1 Bunch

図 + - -/-  &。

Packet Terminator

Terminator

Has Data

n+1Bunch Data

n+1Bunch ReadnBunch Datan Bunch Read

n-1Bunch Data

n-1Bunch Read

Segment Address

Segment Read

Shift Register

Bunch ID

Has Data

Level 1 ID

Has Data

Selector

Derandomizer

A

Module AddressB

Read
Has Data

Q=(Read&A)+(Read&B)
Q

Full

Empty

DATA

SYNCH

Packet Header

図 + デランド マイザの出力をシリアル変換する部分のブロック図。



a)

b)

CLOCK

CLOCK

SYNC

SYNC

DATA

DATA

c)
CLOCK

SYNC

DATA

HIT DATA

図 + スレーブからスター・スイッチに送信されるパケット。-" デランド マイザが空の場合。4"デランド マイザは空ではないが 、トリガーに対応するバンチ・クロッシングに対してスレーブ 内
のど のセルにもヒットがない場合。&" トリガーに対応するバンチ・クロッシングに対してスレー
ブ内にヒットがある場合。データの ビット目にデランド マイザが空かど うか、 ビット目にデランド マイザが溢れているかど うかの情報を送信する。

 スター・スイッチ
図  にスター・スイッチのブロック図を示す。スター・スイッチは、最大  のスレーブ・ボー
ド または  2 ・ボード からのデータを扱うことのできる構造であり、マルチプレクサで通信するスレーブをつなぎかえる。スレーブから読み出したデータは、スター・スイッチ内の JJD に格納される。この後、データには、ヘッダとフッタが付加され 、光ファイバーのリンクでローカ
ル・・マスターに送信される。ローカル・・マスターからの光ファイバー・リンクは、
スター・スイッチからローカル・・マスターへのデータ送信の制御やスレーブ、スター・ス
イッチへのパラメータのダウンロード などに使用される。

LVDS/TTL
converter

converter

RODへ

LVDS/TTL
converter

光ファイバー

FIFO
32対１マルチプレクサ

スレーブへ

LVDS/TTL
converter

コントロール部

光ファイバー

コマンド・デコーダ

converter

図  + スター・スイッチのブロック図。
たとえば 、 *) のレベル ・トリガー・レートでは、スター・スイッチは平均  以内にローカル・・ブロック内の全スレーブの読み出しを行なわなくてはならない。この読み出しの制御は、 ' も離れたローカル・・マスターから行なうのは困難であり、したがって読
み出しのシークエンスを制御する回路はスター・スイッチに搭載する。
図  にスター・スイッチの読み出しシークエンスを示す。読み出すべきスレーブのアドレスの一覧を保持するためのレジスタがスター・スイッチ内に用意される。故障しているスレーブはこの一覧から取り除かれる。スター・スイッチ内のシークエンサは、まず、アドレ ス一覧のなかの一番はじめのスレーブにマルチプレクサを接続する。このスレーブにデータ送信コマンド を繰り返し送信し 、デランド マイザにデータが溜る デランド マイザの JJD が空でなくなる" まで待つ。
はじめのスレーブのデランド マイザにデータが溜ったらデータを読み出し 、次のスレーブに接続
し 、データの読み出しを行なう。このつなぎかえ、読み出しの操作を繰り返し 、最後のスレーブの読み出しが終ったら、再びはじめのスレーブに接続し 、データが溜るのを待つ。
なお、スレーブへのデータ送信コマンド の長さは 、イベントあたりのデータ読み出しの所要時
間に直接影響するので、できるかぎり短くする必要がある。データ送信コマンドを図  に示す。

StartEvent Data Header

Switch Configuration Map

Connect toSlave #1

HeaderSlave Address
Bunch ID

Cell 1Data

Hit Cell Address 1

No

Hit Pattern 1

FooterModule Data

Level1 ID

Data
Ready?
Yes

Terminator
Slave Address

Read OutThis Slave

Bunch ID

Terminator

Proceed to
the Next

Event Data Terminator

図 + スター・スイッチからローカル・・
マスターに送信されるデータの形式。

ExistsNo MoreNext Slave?

図 + スター・スイッチの読み出しシークエンス。

CLOCK

SYNC

DATA

図 + スレーブへのデータ送信コマンド。

 デランド マイザのサイズ 検出器では、各検出器の読み出しシステムをレベル ・トリガー・レートが  *) 、 *)のときのデッド ・タイムまたはデータ損出率がそれぞれ C 、 C 以内になるように設計する。このデッド・タイムあるいはデータの損失の主な原因はデランド マイザが溢れていてレベル ・トリガーが到達してもデランド マイザにデータを書き込むことができない状況になってしまうことである。 の読み出しシステムでのデランド マイザのサイズとデッド 損失率の関係をみるためにシミュレーションを行なった。



シミュレーションの仮定

シミュレーションの入力データとしては、レベル ・トリガー・レート、データ量およびデータを処理する処理系の能力 いまの場合は  リンクのデータ送信速度" を仮定する必要がある。
デタンド マイザのサイズに対する要請は  *) と *) のレベル ・トリガー・レートに対するものなので、シミュレーションもこれらのトリガー・レートを仮定して行なった。
つぎにデータ量であるが、入力データには、 節で議論したバックグラウンド・ヒットとミュー
オン・トリガーを出力するミューオン・ヒットがある。
 節で議論したバックグラウンド・ヒット・レートは、シミュレーションで求めたバックグラ
ウンド 放射線量をもとに計算した。ここでは、このシミュレーションの不定性を考慮し 、 節で計算したバックグラウンド ・ヒット・レートに安全係数 を掛けた値を用いた。
レベル ・トリガーとミューオン・トリガーの間にはもちろん相関がある。しかし 、% がレ
ベル ・トリガーを出力するためのミューオン検出器、カロリーメータからのデータに対する要請
は、興味の対象となっている物理現象によって変わるので、レベル ・トリガーとミューオン・トリガーの間の相関もこれとともに変動する。ここでは 、最悪の場合としてすべてのレベル ・ト
リガーがミューオン・トリガーを要請していることを仮定する。すなわち、すべてのレベル ・ト
リガーに対応するバンチ・クロッシングに対してミューオンによるヒットがバレルまたはエンドキャップのどこかにあると仮定する。なお、ここでは、簡単のため、B ミューオンのみを考えることにする。ミューオン・トリガー・レートは、シミュレーションにより表  のように予想されている 6 7。

B   #" 2   #"バレル部

エンドキャップ部

計










表 + ミューオン・トリガー・レート。単位は *) 。B 、 2 でそれぞれ、  &'   、の加速器ルミノシティーを仮定している。

  &'   、

この表  から、各レベル ・トリガーに対して、エンドキャップ部にミューオン・ヒットがある
確率は、    1   である。ここではエンドキャップ内のミューオン・レートの  依存性を無視し 、エンドキャップ全体で平均して単位面積あたりの入射ミューオン数を計算した。これと、各ローカル・・ブロックの面積から、ローカル・・ブロックごとのミューオン・ヒット
によるデータ量を計算した。このミューオン・ヒットのデータ量を  節で議論したバックグラウ
ンドによるデータ量に安全係数 を積算したものとともに表  にまとめる。



ヒット
の種類
バックグラウンド
バックグラウンド
4
バックグラウンド&
ミューオン
計

トリプレットフォワード
エンドキャップ

ダブレット
フォワード
エンドキャップ

2 / G3/
4 / G2 /2 / G3/
4 / G2 /2 / G3/
4 / G2 /2 / G3/
4 / G2 /   
 

 

    
 

 




 

 

 

 




 

 

 


4 / G3/
平均処理時間













表 + 各種のヒットによるイベントあたりのローカル・・ブロック内のヒット数 2 / G3/"とヒットあたりのデータ量。イベント・レートはローカル・・ブロックあたりの値である。処理時間の単位はクロック  3 " である。

つぎに、処理系の能力、すなわち、スター・スイッチが イベントを処理するのにかかる時間を計算する。この処理時間とは、スター・スイッチがひとつひとつのスレーブ・ボードに順次接続をつなぎかえて全スレーブとの間でコマンド の送信とデータの受信を行なう時間である。まず、スター・スイッチが つのスレーブに接続し 、そのスレーブからデータを読み出し終るまでにかかる時間を計算する。マルチプレクサで目的のスレーブに接続するのに クロックかかる。スレー
ブへのデータ送信コマンド の送信に  クロックかかり、スレーブに読み出すべきデータがない場
合、スレーブからの信号の受信に  クロックかかる。これらのほかに、ケーブルの遅延が往復で クロック、スレーブとスター・スイッチでコマンドをデコード するのにそれぞれ クロックかかる。以上、合計  クロックが読み出すべきデータを持たないスレーブとの応答にかかる時間である。読み出すべきデータがある場合には、  クロックにデータの長さを付加したクロック数だけの読み出し時間がかかる。したがって、各スター・スイッチが イベントを処理するための所要時間は、ローカル・・ブロック内の全データ量 ビット数" と  スレーブ 数 の和である。
表  に イベントを処理するのに必要な平均クロック数を付加する。
ここでのデランド マイザのサイズの議論は、イベントあたりの平均処理時間が最も長いエンド
キャップ部のトリプレット・スレーブ・ボードに関して行なう。

 シミュレーションの方法
シミュレーションは、各バンチ・クロッシングに対してレベル ・トリガーが発生するかど うか、
またトリガーが発生した場合には、そのイベントにたいしてローカル・・ブロック内の総デー
タ量を乱数を発生して決定し 、デランド マイザに残っているデータを処理するための処理時間およびデランド マイザのなかに溜っているデータ量の時間変化を評価した。
シミュレーションのフロー・チャートを図  に示す。
バンチ・クロックの数を数える時刻  とその時点までにデランド マイザに溜ったデータをスター・Start

No

L1A ?
Yes

Hit Pattern in this Cell ?
Proceed to
the Next Cell

ExistsNext Cell in this Slave ?

Proceed to
the Next Slave

No MoreExistsNext Slave in LDB ?

No MoreCalculate the Amount of
Data in the LDB

Proceed to
the Next
Bunch ClockCalculate the Event Process
Time in the LDB

Record the Presetnt Timeand Process End Time

Calculate the Ramaining
Process Time図  + シミュレーションのフロー・チャート。

スイッチに送信するための残りの処理時間 - を変数として用意する。
まず、各バンチに対して乱数を発生させ、そのバンチに対してレベル ・トリガーが発生するか
ど うかを決める。このバンチに対してレベル ・トリガーが発生しなければ 、残余処理時間 -から を差引き、つぎのバンチ・クロッシングにすすむ 時刻  に 加える"。
レベル ・トリガーが発生した場合には、ローカル・・ブロック内の全データ量を計算する。各ワイヤー・スレーブ・ボードには  チャンネルの入力セルが  セルあるが、それぞれに対して乱数を発生し 、これら各入力セルにヒットがあるかど うか、さらにヒットがあった場合には表 中のどの種類のヒットであるかを決め、このヒットに対するデータ量を決める。この際、各入力セルにヒットがある確率は、表  のローカル・・ブロック全体での 2 / G3/ をローカル・・ブロック内のワイヤー・スレーブ・ボード の数で割り、さらにスレーブ内の各入力セルの数で割って算出した。このようにして決定した各セルのデータ量を足し合わせ、ローカル・・
ブロック全体でのデータ量を計算する。このデータ量に、スター・スイッチが全スレーブをスキャンする時間 スレーブの数
 クロック" を加算し 、このイベントのデータをスター・スイッチに読み出す処理時間 - を計算する。このイベントのデータ読み出しが完了するのは、- @ - 後である。時刻  とイベント・データの読み出しが終了する時刻  @ - @ - を記録する。このあと、残りの処理時間 - を - @ に置き換え、つぎのバンチ・クロッシングにすすむ。
以上のようにしてレベル ・トリガーのタイミングとそのイベント処理終了のタイミングの配列をつくった。ある時刻  にデランド マイザに残っているイベント・データの数は、それより早く発生したレベル ・トリガーの数からそれまでに処理が終了したイベントの数を差し引いて計算した。







シミュレーションの結果

20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0

0

Data in Derandomizer

Data in Derandomizer

前節の方法で計算した  *) 、 *) のレベル ・トリガー・レートでのデランド マイザ内のデータの数の時間的推移をそれぞれ図  、図  に示す。

2000 4000 6000 8000 10000x 10

Time(clk)

20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0

0

2000 4000 6000 8000 10000x 10

Time(clk)

図 +  *) のレベル ・トリガー・レートでの 図 + *) のレベル ・トリガー・レートでデランド マイザ内のデータの数の時間的推移。 のデランド マイザ内のデータの数の時間的推移。

シミュレーションは  バンチ・クロック分行ない、 *) 、 *) のレベル ・トリガー・
レートでそれぞれレベル ・トリガーは   、    回発生した。このときのデランド マイ
ザ内のデータの数の分布が 、それぞれ図  、図  である。

x 10 55000# of Events# of Eventsx 10 5

4000
3000

3000
2500
2000
1500

2000
1000
1000
0

500
0

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

Data in Derandomizer

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

Data in Derandomizer

図 +  *) のレベル ・トリガー・レートで 図 + *) のベル ・トリガー・レートでののデランド マイザ内のデータの数の分布。
デランド マイザ内のデータの数のの分布。

これらの分布から、任意の時刻において処理待ちのデータ数が $ である確率  を求めることができる。デランド マイザ内の処理待ちのデータ数が ! より多くなる確率は ;.

1  $  ! " 1







である。この式は、デランド マイザが保持できるデータの数 デランド マイザのサイズ"! と、デランド マイザからデータが溢れてしまう確率 データの棄却率" の関係を表している。この関係を *) 、 *) のそれぞれに対してグラフにしたものが図  である。
デランド マイザのサイズを  以上にすれば  *) のレベル ・トリガー・レートの場合にデータの棄却率を C 以下にできる。また、 *) のレベル ・トリガー・レートの場合にデータの棄却率を C 以内にするためには、デランド マイザのサイズを 以上にする必要がある。したがって、デランド マイザのサイズは、 以上にする必要がある。

Lost Event Fraction(%)

10

2

10

1

10

10

-1

-2

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Derandomizer Size
図 + デランド マイザのサイズとデータの棄却率の関係。





  によるシミュレーション  言語と $ 記述

一般に、デジタル回路は複雑であり、とくにその詳細な記述レベルであるロジック・ゲートの集合体としてみる場合、非常に多くの要素の集合体である。したがって、デジタル回路を設計する場
合、ロジック・ゲートをひとつひとつ結線する作業を繰り返す設計手法は困難になりがちである。
デジタル回路をより抽象化し 、システムの機能・振舞いを記述することにより設計することを実現するのがハード ウェア記述言語 " である。ハード ウェア記述言語では、具体的な実装工程によらずに記述をすすめることができ、この記述を出発点として自動合成することで実際のハードウェアに実装することが可能である。現在標準的に回路設計に使用されているハード ウェア記述
言語には # 言語と   言語があるが、ここでは、  言語を利用して設計を行なった。
  言語では、回路の動作を記述する際のさまざ まな抽象化レベルをサポートしている。高
い抽象化のレベルでは、システムの動作のみを簡単に記述することでおおよその機能を理解することができるが 、実際に合成を行なってハード ウェアに実装することができない。また、もっとも低い抽象化レベルでは、ロジック・ゲートど うしの結線 ネットリスト " を記述することで、回路動作を記述することも可能である。自動合成して実際のハード ウェアに実装するためには、各レジスタ転送に対してクロックのエッジなどの条件を指定する レジスタ・トランスファー・
レベル" で回路動作を記述する必要がある。
 読み出しシステムを  レベルで動作記述し 、これを   シミュレータを用いて性能
評価した。

 

スレーブ・ボード の読み出し 回路

デランド マイザからのデータをシリアル変換する部分を  記述し 、この機能を   シミュ
レータで評価した。ただし 、ここでは簡単のため、図  のように入力チャンネルを   ビットとした。また、スター・スイッチからのデータ送信コマンドをデコードし 、シフト・レジスタに対してデータ・ロード ・コマンドを発信するコマンド ・デコーダも組み入れた。この   ソース・
コード を  に載せる。
回路の入力は、スター・スイッチからの H! B =3&" 、 B ,-/-" の信号 DE は
スレーブのクロックを使う" 、各セルの入力データ & 、& " 、その読み出し制御の信号 -, 、
-, " とデランド マイザのエンプティー・フラグ './=4" 、フル・フラグ >0" と - -/- 信号である。これらは、シミュレーションの入力テスト・ベクトルとして与える。
出力は、スレーブからスター・スイッチに送信する H!  =3&" 、  ,-/-" の信号である。
図  にこのシミュレーションの結果を示す。 回目のスター・スイッチからのデータ送信コマ
ンド のタイミングでは、- -/- 、-, 、-, すべてが B なので、スレーブからスター・ス
イッチに送信するパケット中のデータは、'./=4 、>0 の  ビットである。 回目のデータ送信コ
マンド のタイミングでは、-, が  2 になっておりしたがって & のデータが読み出される。
図  中、& 、& のデータは  進数表示となっており、 は下位  ビット目が  2 で残りの  ビットは B であることを表している。この  回目のデータ送信では、パケット中 ビット
目、 ビット目がそれぞれ './=4 、>0 である。この次の  ビットが & のデータであるが、確かに 個目のクロックで  2 に立ち上がっている。& のデータのあとには、 ビットのデータ・

Shift Register
Packet Terminator

Terminator

Has Data

Selector
A

B

Cell1
Read
Q=(Read&A)+(Read&B)

read1

Q
Cell0

read0

Full

load
Empty

Command Decoder

to Star Switch

sw_sync

sw_datasl_sync

sl_data

Packet Header

from Star Switch

図  +   シミュレータで性能評価したスレーブ・ボード 読み出し回路。

ターミネータが付加され、パケットを閉じている。

 

スター・スイッチのシークエンサ

スター・スイッチのシークエンサを  記述し 、  シミュレータでこの回路の性能を評価した。
図  中ハッチがかかっている部分を  記述した。この   ソース・コード を  に載せる。
シークエンサは 、マルチプレ クサが接続すべきスレーブのアドレ ス -,, 、スレーブへの信号
B =3& 、 B ,-/- とスター・スイッチ内の JJD への書き込み許可 B / を出力する。また、入力は、スレーブからの信号  =3& 、  ,-/- である。ここでは簡単のため、スレーブの数を  つに限り -,, の値は  以上  以下" 、スレーブからのデータも  節と同様に簡略化してシミュレー
ションを行なった。
このほかに、JJD へのデータ入力のタイミングを B / 信号に合わせるために  ,-/- を遅らHeader: para-seri
User:
Date: Jan 21, 1999 10:01:06

Time Scale From: 312500 To: 1437500

Page: 1 of 1

CLOCK
sw_sync
sw_data
emptybfull
hasdata
read0
cell0

00

08

00

00

read1
cell1

00

00

00

sl_sync
sl_data

TIME
3125005937508750001156250

図 + スレーブ・ボード 読み出し回路の   シミュレーション結果。

data
FIFO
write

MultiplexerDelaysl_sync
sl_dataSequencer
sw_sync
sw_dataaddr

図 +   シミュレータで性能評価したスター・スイッチのシークエンサ。図のハッチのかかっている部分を性能評価した。

せた ,-/- 信号を JJD への入力データにしている。
図  にこのシミュレーションの結果を示す。
まず、初期状態では、接続するスレーブのアドレス -,, は  である。 回目のデータ送信コマ
ンドに対するスレーブの応答は、'./=41 であり、したがってスター・スイッチは -,, を繰り上げない。 回目もデータ送信コマンドはスレーブ  に送信されるが 、今度の応答は './=41
で、デランド マイザにデータが溜ったことを示している。スレーブ  にはヒットはないので、こん
どは -,, を繰り上げ、スレーブ にデータ送信コマンドを送信する。このスレーブ には、ヒットがあったので、パケットのデータの  ビット目以降に  ビットのヒット・データが付け足されている。これを JJD に格納するためにシークエンサは  クロックの間、B / を  2 に保持する。また、この B / 信号は、スレーブからのデータのタイミングより送れるので、  ,-/- をレ
ジスタで遅延させた ,-/- 信号を JJD の入力データにする。このようにして、スレーブ  、 とも通信する。スレーブ  との通信が済んだ時点で再び初期状態にもど る。

  シミュレーションの結論と今後の予定

スレーブ・ボード のシリアル変換部分とスター・スイッチのシークエンサを    で記述
し 、シミュレーションを行なったが、両回路とも仕様ど おりの機能を実現できた。また、 記
述で設計を行なったので、実際にデバイスに実装できるレベルの設計でもある。ただし 、今回のシミュレーションでは配線や論理ゲートにおける信号の遅延情報は採り入れていないので、実装の際にこれらの遅延を解消するために一部設計 ソース・コード " を変更することはあり得る。そこで、これらの遅延が実装時にこの設計に対してどの程度影響するかを理解するために今回の設計を J% に実装しての性能評価を行なう予定である。なお、試験用のデバイスとして J% を選定している理由は、J% の場合には回路が要求の性能に達するまで設計を変えながら繰り返しコンフィギュレーションを行うことが可能だからである。

Header: sequencer
User:
Date: Jan 21, 1999 10:22:07

Time Scale From: 825000 To: 3437500

Page: 1 of 1

CLOCK
addr

0

1

2

3

sw_sync
sw_datasl_sync
sl_data
write
data

TIME
8250001478125

21312502784375

図 + スター・スイッチ・シークエンサの   シミュレーション結果。

0 読み出し 用  の試作
 の読み出しシステムのうち、スレーブ・ボードと  2・ボード内の論理回路は  .. &-/ 3.& F& 3/ -/,  &0 /" での実装を予定している。このほか、スター・スイッチの回路も放射線耐性のよい J%J , % -''-4 -/ -=" または   での実装が検討されている。
とくに論理回路に関しては、近年の急速なハード ウェア記述言語 " 、論理合成ツールの充実にともない、  の設計手法は大きく変貌を遂げつつある。また、素粒子実験の分野では、大規模な論理回路の   での実装は、ほとんど 前例がない。したがって、 の読み出しシステムを開発していく上で論理回路を   に実装するための設計手法を理解することは非常に重要な課題である。
ここでは、  の論理回路設計手法に対する理解を深めるために   の試作を行なった。ス
レーブ・ボードと  2 ・ボード のレベル ・バッファは、ビーム・クロッシングからレベル ・
トリガーを受信するまでの間データを保持しておくためのパイプラインである。このデータを保持しておくべき時間は   であり、 3 のクロックで動作する  段のシフト・レジスタで実現する。そこで、ここでは  段のシフト・レジスタを   化することにした。ただし 、シフト・レジスタだけを製作してもあまり実用性がない。そこで、シフト・レジスタを遅延パイプラインとして内蔵し 、 の読み出しを行なえるシステムを開発することにした。ここでは、とくにその用途を  の読み出しのみに限らず、より汎用性のシステムとして、一般の (9% で使用が可能な読み出しシステムを   化した。
一般に、  の設計においてレ イアウトの工程は技術的に難しいのでベンダーが行ない、ユー
ザは -,B-  3 -3 0- " 記述および設計の各段階でのシミュレーションのみ行な
う場合が多いが 、ここでは、レ イアウトの工程まで含めた全設計工程を行なった。また、実装されたサンプル  の性能評価し 、その問題点を検討した。



デバイスの選定

スレーブ・ボード と  2 ・ボードは   で開発することを予定しているが、本節では、これらの回路に対する要請を検討し 、ターゲット・デバイスの選定の経緯を述べる。
表  にあるように、 では読み出し総チャンネル数は、全体で約  万チャンネルにのぼる。
スレーブ・ボード の数は  枚、 2 ・ボード の数も  枚である。したがって、スレーブ・
ボード と  2 ボード 上の回路は、単価が安いデバイスで実装し 、大量生産する必要がある。
また、これらの回路の規模も大きいので、実装面積を小さくするために規模の大きい回路を実現できるデバイスを選択する必要がある。さらに、これらのボードは、カウンター・ホールに配置されるために多量の放射線を浴びる。とくに最悪の位置では、  &'  =-  の中性子
フラックス、  = =- のガンマ線量がシミュレーションにより予想されている 6 7。
このため、放射線耐性のよいデバイスを選定することは非常に重要である。
ロジック・デバイスには、以下のような種類がある。なお、ここでは、ゲート・アレイおよびフルカスタムを   と呼んでいる。



 % -''-4  &  &。数百ゲート程度の集積度を実現する小規模のロジック・デバ
イスである。非常に手軽に実装することが可能である。

+  J , % -''-4 -/ -=。内部には論理ブロックと内蔵メモリがある。論理ブ
ロックの配置は固定されており、内蔵メモリに書き込まれたコンフィギュレーション・プロ

グラムにより論理ブロックど うしの結線を行ない、論理回路を実現する。このコンフィギュ
レーション・プログラムの書き込みは、電源投入時またはシステム初期化時におこなう。このため、工場におけるカスタム化は必要ない。ゲート数は、数千から数万程度である。概して放射線耐性は良くないが、放射線耐性のよいものも開発されている。コストは、大量生産されている標準  と同じ習熟曲線に沿った傾向を示す。
ゲート ・アレ イ その製造の工程から大きくわけてゲート・アレイとカスタム  がある。ゲート・アレ イは、ゲートの配置は固定されており、製造の最終段階でユーザがゲート間を接続し 、論理を実現する  である。標準  とは異なり、コストにはユニットあたりの製造費のほかに固定費が含まれる。論理ゲート数は大きいものでは  ゲート以上のものまである。
カスタム  一方、カスタム  は、配線だけでなくゲートの配置を含めた全レイアウトをユーザが設計する。したがって、レベルの高いユーザ論理の構築が可能であるほか、アナログ回路の実現も可能である。固定費はもっとも高いが 、大量のアプリケーションに対する製造コス
トは最も安くなる。

  の場合には、製造プロセスによって放射線耐性が大きく異なるが 、概して J% よりよい。製造プロセスによっては放射線耐性を保証するものもある。
 のスレーブ・ボード、 2 は生産量、また放射線耐性に対する要請からも   での実現が適当である。
スター・スイッチの場合には、その総数は  程度であるが 、カウンター・ホール内に配置されるのでやはり放射線耐性は要求される。そこで、放射線耐性のよい J% で実装するか  で実装するかは今後検討して決定する。

 プロセスの選定
 年に東京大学に全国共同利用施設「 大規模集積システム設計教育研究センター」# 
 3 -3, ,0&-/ 3 3/; # " が設置された。#  は大学および高専における大規模集積回路 #= -  &- 3/ -/ 3; # " の設計教育の充実、#  チップの試作の支援を目的としている。とくに、複数の大学・高専による別々のチップの設計を集め、 枚のシリコン・ウェーハ上に相乗りで配置した設計データにまとめて企業に試作を依頼するため、あまり経費をかけずに   の試作をすることを可能にしている。ただし 、#  は   チップの設計教育を目的としているため、設計の全段階をユーザが行ない、ベンダーへの委託はいっさい行なわない。
また、量産はサポートしていない。今回のチップ試作の最大の目的はチップ 設計工程の理解を深めることであるので、この #  を利用して   の試作を行なった。
プロセスは、#  で試作がサポートされているローム社の (D  ' フルカスタムを選択した。チップ・サイズは  '' 角、利用可能の最大信号ピン数は  ピンである 。



設計の工程

本節では、(9% 読み出し用   の設計の詳細を説明する前に論理回路を   で実装する
際の設計の工程について説明する。


 

 

本チップ試作は東京大学大規模集積システム設計教育研究センターを通しローム 株 および凸版印刷 株 の協力で行なわれたものである。

設計工程は、構築すべきシステムの概念および最終的な実装上の制約からスタートする。設計
は、各設計段階でいくつかの解を提案し 、それが与えられた制約を満たすか否かを試していく操作の反復である。この設計段階には、 記述、この  記述をもとにゲート・レベルのネット・リストを生成する論理合成、レ イアウトの  段階がある。
論理システムの設計工程の一覧を図  に示す。

仕様

RTL記述

論理シミュレーション

論理合成

ゲート・レベル・シミュレーション

レイアウト

レイアウト検証

サンプルIC性能評価
図  +   設計のフロー・チャート。
設計の各工程を (9% 読み出し   の設計に即して以下に説明する。

$,$! (-. / 記述 システムをハードウェア記述言語 " で記述する。この  記述をもとに合成を行なって  への実装を行なうためには、各レジスタ転送に対してクロックのエッジなどの条件を指定する レジスタ・トランスファー・レベル" で回路動作を記述する必要がある。(9% 読み出し用   は、   で記述を行なった。
論理シミュレーション  で記述したシステムにテスト信号を入力し 、仕様ど おりに動作する
かど うかを確認する。このシミュレーションで仕様ど おりの動作が得られるまで  記述

をやりなおす。(9% 読み出し用   では、 ! 社   K シミュレータを用いて行なった。
論理合成  記述をゲート・レベルのネット・リストに変換する工程である。この際、ゲートはターゲットのデバイスによって異なるため、論理合成ツールにターゲット・デバイス固有のライブラリを指定する必要がある。論理合成は、 H!D% H 社  3 3-=) を使用して行なった。
ゲート ・レベル・シミュレーション 論理合成結果のネット・リストにテスト信号を入力し 、仕様
ど おりに動作することを試験する。このシミュレーションでは 、ゲートでの遅延時間情報と、合成ツールが予想するレ イアウトでの配線遅延の情報も組み込まれる。 ! 社
  K シミュレータを用いて行なった。
レイアウト 論理合成結果のネット・リストをもとにターゲット・デバイス上にゲートを配置し 、また配線を行なう。レ イアウトは、そのツールを使いこなすことが難しいため、一般にユーザ自身が行なうことは少なく、ベンダーに委託することが多い。最近では、自動配置配線ツールが発達してきている。ここでも、-3/ 社製の自動レイアウト・ツール L0- 0 KD および -,3& 社 -=0/ , / をを用いて行なった。
レイアウト 検証 レイアウトが設計ルール  を破っていないことを確認する作業  3 0
2&*" とレイアウトが正しくネット・リストを反映しているかどうかを検査する作業 # -=0/ &2'-/ &" である。 、# ともツールは -,3& 社 -&0- を用いた。
設計工程では、ターゲット・デバイスのデータをライブラリとして設計ツールに入力する必要があるが 、このライブラリすべて、#  から提供された。

仕様

今回設計した (9% 読み出し 用   は、トリガー信号が外部から入力された後にゲートを開き、このゲート内に (9% の各チャンネルにヒットがあるかど うかを判断するものである。読み出しチャンネルは、 あたり  チャンネルである。動作クロックの周波数は、() を想定して設計を行なった。
(9% 読み出し 用   の仕様は 、つぎ のようになる。外部入力のトリガー信号のタイミン
グでゲートを開き、ゲート内での (9% のヒットの有無を出力する。ゲート幅は、 全体の動作クロックの周期に設定可能である。また、トリガー信号のタイミングに合わせるために(9% の出力信号を  段のシフト・レジスタで遅延している。シフト・レジスタの出力を直接出力するように設定を切替えることもできる。アノード、カソード とも読み出すことが可能であり、またセルフ・トリガーのためのトリガー信号の出力も用意している。このほか、イベントの処
理中にはビジー信号を、イベントの処理終了時にはレディー信号を用意している。  の動作電
圧レベルは、 レベルであり、したがって全入出力の信号レベルは  レベルである。
図  に (9% 読み出し用   のブロック図を示す。
図  中の機能ブロックの機能を以下に説明する。

製造プロセスを通化したウェーハ上のパターンが設計時の幾何形状と寸法を保持するためには、設計レイアウトの配線の線幅、線間隔などをプロセスで実現できる寸法にしなくてはならない。このプロセス上許容される寸法に関する一連の規則のこと。

RESETIC_RESET_CLK

OR_OUTPUT

OUT0
OUT1
16

OUTPUT CONTROL

IN0

16

HIT DETECTSHIFT REGISTERINPUT CONTROL

IN1

16

16
OUT15

IN15

OE_

MOD

DREADY

BUSY

GATE WIDTHTRIGGER ENABLE

TRIGGER4

POL

INPUT ENABLE

CONTROLER

図 + (9% 読み出し用   のブロック図。

01

20$2 !%M !$ が  2 の場合に、! ! の立ち上がり %D1Bの場合" あるいは立ち下がり %D1 2 の場合" を検出し 、 クロック分だけパルスを出力する。また、全  チャンネルの入力信号の論理和をとって D DM%M に出力する。

+ $% %$  段のシフト・レジスタ。

 でリセットされる。イベントごと
 による" ではリセットされないので、リセット後、  クロック待たなのリセット いでつぎの   を入力できる。

20$2%$   入力のタイミングで  信号を  2 にド ライブ する。クロッ
クの数を数えるカウンタを内蔵しており、  を受けてからクロックを数えはじめ、
カウンタの値が  9 になった時点で  を B に戻す。また、ビジー信号$M H 、データのレデ ィー信号  H の制御も行なう。

 %%   が  2 にド ライブされている間にシフト・レジスタからパルスが出力されるかど うかを判断することにより、ヒットを検出する。このヒットの有無の情報を出力する。この出力は、

211

 または 

 信号によりリセットされるまで保持される。

20$2 (D 信号の値により、 J     の出力 (D1B" あるいは     の出力 (D1 2" を DM DM に出力する。また、DM%M!$ が  2 のときには DM DM を  2 '.,-3& にする。
つぎに図  中の信号を説明する。スロー・コントロール入力信号は、 の動作パラメータであり、信号レベルを固定して入力する。スロー・コントロール以外の入力信号はすべてクロックと非同期に入力することが可能である。なお、信号名に N O がついている信号は、負論理である。

3´入力µ   全体のクロック。
04 0 ´入力µ (9% からの  入力。  チャンネルの読み出しができる。
01 %0%´入力、スロー・コント ロールµ 入力許可。これが  2 になっていないと入力を受け付けない。

2´入力、スロー・コント ロールµ (9% のアノード とカソード の出力は、極性が異なる。この極性が @ の場合は信号の立ち上がりを検出し 、極性が ー の場合は立ち下がりを検出する必要がある。入力の極性が @ の場合には  に、入力の極性が ー の場合には に設定する。

2$ 211´出力µ 全  入力チャンネルの論理和。実用時にはトリガー信号等に使用する。
$%$´入力µ 外部入力トリガー。

$

%$ %0%´入力、スロー・コント ロールµ トリガー入力許可。

% ´入力、スロー・コント ロール µ ゲート幅設定値。クロック周期を単位として  ビッ
トで設定する。

15´出力µ   のタイミングから  のタイミングまでの間  2 にド ライブされるビジー信号。

$%5´出力µ  の立ち下がりで 、出力データは確定する。この  の立ち下がりから までの間  2 にド ライブされるレディー信号。

%´内部信号µ ゲート。  入力から  9 の時間だけ、 2 にド ライブされる。

2´入力、スロー・コント ロールµ 出力データの選択を設定する信号。B で J    の出力を、 2 で     の出力を選択する。

211 %0% ´入力、スロー・コント ロール µ ヒット・データの出力のコントロール。この信号が B ならば  の出力 DM DM
 2 '.,-3& となる。

を出力ピンに出力し 、 2 ならば出力ピンは

214 21 ´出力µ ヒット・データのトライステート出力。
$%% ´入力µ イベントごとのリセットを行なうためには、全システムをリセットする必要はな
く、出力信号を保持しいるレジスタのみをリセットすれば十分である。このイベントごとのリセットを行なう。

$%%

´入力µ 全システムのリセット。初期化に用いる。

  記述今回の設計は    で  記述を行ない、その記述を合成、レ イアウトして行なった。
ここでは、   で記述する前に、全体をコントロール部 前節の D!D " と読み出し部 前節の D!D  以外の機能ブロック" の  つのモジュールに分割し 、それぞれに対して、あらかじめ簡単な回路図を作成した。この回路図を作成する際に、フリップ・フロップや! 、D などの基本的な論理要素を結線して設計するほうが簡単な回路部分に関しては、これらのネット・リストのレベルまで設計のレベルを落した。動作記述のほうが設計が簡単になる回路部分に関してはモジュールとして残しておき、それ以上の詳細な記述は    で動作記述して設計した。
図  に読み出し部 前節の D!D  以外の部分" の回路図を示す。前節で述べた論理ブ
ロックがそれぞれハッチで示されている。
(9% からの入力データは、まず %D 信号との排他的論理和をとられる。この排他的論理和の出力をシステムの入力データとすることで入力の極性によらずにデータを扱うことが可能になる。この排他的論理和の出力は、つぎに  段のフリップ・フロップに入力されるが、ここでは DDM 信号をつくる組合せ回路に信号を送るとともに、入力データをクロックと同期をとり、 ク
ロック分のパルスに変換している。この出力は、遅延用パイプラインであるシフト・レジスタに送られる シフト・レジスタは動作記述で記述した"。シフト・レジスタの出力は、! ゲートを通してフリップ・フロップに送られるが 、このフリップ・フロップで  が  2 になっている間のヒットの有無を判定している。また、このフリップ・フロップの出力では、リセットされるまでヒット情報が保持される。この後、セレクタでヒット情報とフリップ・フロップの出力のど ちらを  の出力とするかを選択する。
CLKIN

HIT DETECTSHIFTREGISTERINPUT CONTROLOUTPUT CONTROL
OUT

Q
D

CLR Q

Q
D

CLR Q

Q

Q

D

D

POL

CLR Q

INPUT
ENABLEGATEMOD

OUTPUT
ENABLE_RESETIC_

data from16 channels

RESET_OR OUT図 + 読み出し部の回路図。

コントロール部は、カウンタを内蔵しており、トリガー入力後のクロック数を数えてゲートを開き、またトリガー、ゲート信号の遷移のタイミングでビジー信号、レデ ィー信号を出力する。
図  にコントロール部 前節のの D!D " の回路図を示す。ト リガー入力があると 、
DM!  !$ 信号は  2 にド ライブされ 、リセットされるまで  2 のまま保持される。DM! 動作記述で記述した" は、クロックを数えるカウンタを内蔵している。 は、
DM!  !$ が  2 になったタイミングから、このカウンタがゲート幅だけのクロックを数えるまでの間  2 にドライブされる。$M H 、 H はそれぞれ、DM!  !$の立ち上がり、 の立ち下がりのタイミングからリセットされるまでの間  2 の状態を保つ。
COUNTERENABLETRIGGERQ
TRIGGER ENABLE D CLR Q
GATE WIDTHCOUNTER

GATE

EN

4
CLR

CLK

RESET_&RESETIC_

BUSY
DATA READY

Q
D

CLR Q

H

図 + コントロール部の回路図。
設計は、これらの回路図をもとに    でシステムを記述し 、これを合成することで行なった。この   ソース・コード を $ に載せる。

 サンプル 
図  は製作したチップの顕微鏡写真である。
チップの大きさは 、 '' 角で、コアの大きさは約 '' である。配置されているゲート総数
は、約  である。図中、チップの外周とコアを結んでいる太い線は電源供給線であり、細い線が入出力信号線である。チップの外周には  のピンが配置されており、このうち信号入出力ピンとして  ピン 、電源ピンとして  ピンを使用している。

図 + 製作した  の顕微鏡写真。





動作試験のセット アップ

実装されたサンプル  の動作試験を行なった。
動作試験では、  への入力データ信号とトリガー信号をさまざまなタイミングで入力し 、正しくヒットの有無を判断するかど うかを試験した。また、() の動作クロックで試験を行なった。
図  に動作試験のセットアップを示す。
以下に図  中のいくつかのモジュールについて説明する。

#( の制御は、%#( インターフェースを通して % から行なった。システム D は、
 305 である。

%0  %-//3 3-/。M の #( ボードである。#( から書き込むことのできる 
ビット幅、深さ  の  ( をもち、この ( 内のビット・パターンを  チャン
ネルの  レベル・パルス・パターンにして出力する。クロックは !( レベルで入力する。



2 3

20$2%$ %% クロック入力用に開発されたクロック・ジェネレータで、

M の #( ボードである。周波数は  () から  () ステップで周波数は、最大  ()までと、その  、  、 、  分の の値に設定できる。また、必要な数だけのクロッ
クを出力することも可能であり。クロックの数は、 1  " 個まで設定可能である。もちろんクロックの数を制限しないで動作することも可能である。出力は !( レベルであり、周波数、クロック数の設定は、#( から行なう。

2 3 +021 DE D!D  の出力クロックを同期を保ったまま複数の %%に分配するための #( M ボード で、 入力  出力である。

%5 21%  . ごとに最大   3 まで遅延を設定することのできる #( M 、!(レベルのデ ィレ イ・モジュールである。遅延値の設定は、#( から行なう。

0%$$1 $% %$  ビットのインタラプト・レジスタ機能と GD レジスタ機能を持つ M の #( モジュール。ここでは、アウトプット・レジスタの機能を用いた。#( からのアクセスのタイミングで !( レベルのパルスを出力する。
動作試験は、テスト・ボード を製作して行なった。  の入出力信号はすべて  レベルであるが 、DE 、  、 、 の制御信号は、!( レベルで発生するのが便利である。そこで、テスト・ボードには、 チャンネルの !( /  コンバータを搭載し 、
DE 、  、 、 の  信号を !( レベルで受信して   に入力するために使用した。また、 9 をディップ・スイッチで設定し 、%D 、(D 、その他
各種許可信号の動作パラメータをジャンパー・スイッチで設定することを可能にした。
入力データ ! ! と   信号それぞれを任意のタイミングで発生させるために 台ずつ %% を用意した。これらの %% は、%% DE D!D  で発生した () のク
ロックで動作させた。したがって %% による信号のタイミング制御は、 3 ごとのものである。
  信号のタイミングに関しては、さらに  H (DM を使用することで  . ごとに制御した。
 、
 のリセット信号は、! M%     によって発生した。
実際の (9% からの出力信号は、読み出しシステムのクロックとは非同期に発生するので、この動作試験でも %% DE D!D  とは別に   の動作クロック用にクロック・ジェINTERRUPTREGISTERVMEOUTPPG CLOCKCONTROLER

CLOCK
FANOUTCNT.
CLK OUTPC

CLK INPPG
ECL 16ch

16

CLK INPPG
ECL 16ch

ECL to NIM
Converter

ECL to TTL
Converter

IN

DELAY
MODULE16

OUT

TEST BOARD

NIM to TTL
Converter

NIM to TTL
Converter

TRIGGERRESET_

NIM to TTL
Converter

RESETIC_

IN0~IN15

4

NIM to TTL
Converter

OUT0~OUT15

BUSY

図 + 動作試験のセットアップ。



4-BIT
DIP SWITCHCONTROLPARAMETERSJUMPERSWITCHES

ASIC

CLOCK

16

CLOCK
GENERATORGATE WIDTHDREADYネレータを用意して入力データを読み出しシステムと非同期にした。なお、この動作試験は、 
のクロックを () に設定して行なった。


 

動作試験の結果
タイミング・チャート

入力の極性を @ 、シフト・レジスタの出力を  の出力に設定し 、ゲート幅を  クロック分に設定したときにロジック・アナライザで測定したタイミング・チャートを図 に示す。  クロッ
ク  3 " 分の遅延が生じており、シフト・レジスタが正しく動作していることが確認できる。

図 + シフト・レジスタの出力を  の出力に設定したときのタイミング・チャート。 チャンネ
ルの入力信号の立ち上がり 左の破線" と チャンネルの出力信号の立ち上がり 右の破線" との間の時間間隔が図中の NK / DO のウィンド ウに表示されている。
このタイミング・チャートの、出力信号の立ち上がり部分を拡大したものが図  である。トリガー入力から  つ目のクロックの立ち上がりエッジから  クロック分の時間、ゲートが開く。この様子がカーソル 破線" で示されている。
図  では、ゲートの間に DM 、DM の立ち上がりがある。同じセットアップで  からヒッ
ト・パターンを出力させたものが図  である。シフト・レジスタの出力の立ち上がりがゲートの間にあるチャンネルでリセット信号のタイミングまで出力が  2 に保持されている。
 のクロック周波数を () から大きくしながら測定してみたところ、() まで図 、図 および図  のタイミング・チャートの回路動作が得られ、これより大きいクロック周波数では
出力信号は一切出力されなかった。したがって、上限の動作クロック周波数は () である。
また、シフト・レジスタの出力、ヒット情報それぞれの出力モード の出力波形を図  、図 に示す。

  システムの検出効率
図  のように、入力データ、トリガー信号を入力し 、その後しばらく経った後にリセットを入力するという操作を繰り返し 、 からの出力をスケーラで数えた。こうして測定した  からの図 + シフト・レジスタの出力とゲートのタイミング。カーソル 破線" はゲートが開いている時間を示している。

図 + ヒット・パターンを  の出力に設定したときのタイミング・チャート。

出力の回数と入力データ、トリガー信号を入力した回数との比をとり、システムの検出効率を計算した。ゲート幅を  クロック  3 " に固定し 、データ入力のタイミングからトリガー入力のタイミングまでの時間差を変化させながら検出効率を測定した結果が図  である。
 3 " の間は検出効率が高いが 、これはこの範囲
入力データとトリガーの時間差が の時間差の場合にはゲートが開いている間にシフト・レジスタの出力が立ち上がるからである。
ただし 、検出効率が高い範囲の時間差に設定した場合でも検出効率は C を達成していない。
また、シフト・レジスタの出力がゲートの開いている間に入らないはずの時間差の設定の場合にも C 程度の検出効率がある領域が存在している。これらの問題点は、次節で議論する。

Voltage(V)Voltage(V)

6

4

6

4

2

2

0

0

-2

-2

-100 -75

-50

-25

0

25

50

75

100 125 150-100 -75

-50

-25

0

time(ns)

25

50

75

100 125 150time(ns)

図 + シフト・レジスタの出力の波形。

+ ヒット情報の出力波形。

Efficiency

図delay(ns)
図 + データ入力のタイミングからトリガー入力のタイミングまでの時間差 ,-=" を変えた時の検出効率の変化。



 

問題点の検討

シフト・レジスタの出力を  の出力とするモード で測定を行なったが、 に入力したパルスの数よりも出力されるパルスの数の方が少ない。まず、前節の問題を考慮するまえにこの原因を考察する。
この   では、(9% からの入力信号をクロックに非同期に受信している。この部分の回路
図を図  に示す。この部分で受信に失敗しているかど うかを確かめるためにセットアップを変更
して測定を行なった。新しいセットアップでは、入力信号とクロックのタイミングのずれをいろいろと変えてみることで非同期・同期変換が正しく行なわれているかど うかを試験した。
図  に変更後のセットアップをしめす。
Synchronize
with CLOCK
Input from MWPC

Q
D

Q

CLR Q

D

Asynchronous Input
INPUT
ENABLE

CLR Q

Synchronous Output

to SHIFT REGISTERCLKRESETIC_

図 + (9% からの信号をクロックと同期させる回路 。 段目のフリップ・フロップでの立ち上がりを検出し 、 段目のフリップ・フロップでクロックと同期をとっている。また、 段目のフ
リップ・フロップの 8 を 段目のフリップ・フロップのリセット入力 /, に入力することで ク
ロック分のパルスを出力する。
図  のセットアップでは、%% で  への入力データを生成するためのクロックと  自体の動作クロックを別々に用意していた。ここでは、両方とも DE D!D  のクロックをもちいる。ただし 、 のクロックは  H (DM で位相をずらして入力した。これにより、
入力データのタイミングと  のクロックのタイミングのずれを変化させながらシフト・レジスタの出力の振舞いを測定することで非同期から同期信号へ変換する部分のテストを行った。また、シフト・レジスタの出力を測定するので、トリガーは入力しなかった。
前節と同様にこのセットアップで  H (DM の遅延時間設定値を  . ごとに変化させながら検出効率  がデータ信号を受け付ける効率" を測定した結果が図  である。
この結果から、入力データのクロックに対するタイミングによっては、データを受け付けない
不感時間があることがわかる。図  中、  3 の範囲で C の検出効率を達成していない原因はこの入力データに対する不感時間であると考えられる。
そこで、図  の非同期・同期変換回路の論理合成結果のゲート構成をみてみると、 つのフリッ
プ・フロップとも図  のようなゲート構成になっている。このゲート J  と 9J% の真理
値表をそれぞれ図  と図  に示すが、ここでは、ど ちらも単なるフリップ・フロップとして使われている。すなわち、図  中のフリップ・フロップの 、8 出力は、べつべつのフリップ・フロッ
プ・ゲートでクロックとの同期をとられている。とくに、図  中の  段目のフリップ・フロップに注目する。クロックの立ち上がりと  入力の立ち上がりのタイミング差が短い場合には、セット

INTERRUPTREGISTERVMEOUTPPG CLOCKCONTROLER

CLOCK
FANOUTCNT.
CLK OUTPC

CLK INPPG
ECL 16ch

16

IN

DELAY
MODULEOUT

16

ECL to TTL
Converter

TEST BOARD

NIM to TTL
Converter

TRIGGERRESET_

NIM to TTL
Converter

RESETIC_

IN0~IN15

4

NIM to TTL
Converter

4-BIT
DIP SWITCHCONTROLPARAMETERSJUMPERSWITCHES

ASIC

CLOCK

BUSY

16

OUT0~OUT15

図 + 動作試験のセットアップ 。

GATE WIDTHDREADYEfficiency

1
0.8
0.6
0.4
0.2
0

0

5

10

15

20

25

delay(ns)
図 + 入力データ信号と  のクロックのタイミングのずれを変えたときのデータ受け付けの効率。

C
D

Q

XR

C
C

Q

XR

XQ

XS

図 + フリップ・フロップの論理合成結果。ここでは J  と 9% は単なるフリップ・フ
ロップとして使われている。なお、!# はインバータである。

アップ時間またはホールド 時間が十分でないためにフリップ・フロップは  入力を正しく読み取ることができず、したがって、 、8 は正しく出力されない。とくに、図  のように と 8 がべつ
べつのフリップ・フロップで出力されているので、 と 8 の出力が反転する保証はない。そこで、
図  中の  =3&230 3.0/ の立ち上がり直後のクロックで、 と 8 ともに B になる場合もある。このとき、 段目のフリップ・フロップはこの 8 を受けてクリアされてしまうので、つぎのクロック立ち上がりの後の  段目のフリップ・フロップの 出力も B のままである。結局、この場合には (9% からの入力信号は立ち上がってもシフト・レジスタへの入力パルスは出ない。
ここでの問題の原因は、フリップ・フロップの と 8 の  出力を別々のフリップ・フロップ・ゲー
トで作っていることである。そこで、この問題は、フリップ・フロップのゲート構成を図  のよ
うにすれば解消できるはずである。

図  + J  の真理値表。

図 + 9J% の真理値表。

C
D

Q

XR

図 + フリップ・フロップのゲート構成をこのようにすれば非同期・同期変換回路のバグは修正できるはずである。

つぎに、図  中、  3 " の範囲で C 程度の検出効率があることについて考察する。
小さくとも検出効率がある領域は全体でクロック分程度である。一方、ゲート幅は  ビットの入力信号で設定するが 、回路を簡単にするために設定値はクロックにしてある。したがって、ゲート幅の設定に失敗していることが考えられる。
そこで、ゲート信号を作り出す際にクロックを数えるカウンタの構造を考察する。ゲート信号を作り出す際にクロックを数えるカウンタは、DM!  !$ 信号 トリガー入力のタイミン
グで立ち上がり、リセット入力まで  2 のレベルを保持する信号。クロックとは非同期" が Bのあいだに  から  9 ビットの信号で、を表現" を引いた値をロードし 、
DM!  !$ が  2 になるとクロックを数えるものである。このカウンタの概念図を図 に示す。カウンタは、 つのフリップ・フロップをレジスタとして用意している。また、このフ
リップ・フロップの出力に 加える操作を行なう回路がある。フリップ・フロップの  入力にはDM!  !$ 信号のレベルにより、 9 を論理反転させた信号 DM! !$ 1B" またはカウンタの値に 加えた値 DM!  !$ 1 2" が入力される。
DM!  !$ 信号の立ち上がり直後、セレクタの出力がまだ安定しないうちにクロッ
クの立ち上がりがあると、フリップ・フロップは正しく入力信号を読み取れない。このため、クロックの立ち上がりの直前に DM!  !$ 信号の立ち上がりがあるとカウンタの値に間違った値が入ってしまう。この結果、設定した値ど おりのゲート幅が得られなくなってしまう。
このカウンタの問題は、DM!  !$ 信号をクロックと同期の信号としてカウンタに入力すれば解消できるはずである。この同期をとる回路の回路図を図  に示す。



COUNTERENABLETRIGGER
Q
D

クロック

CLR

TRIGGER ENABLE

GATE WIDTH3

Q
D

CLR

D

CLR

D

CLR

D

CLR

GATE WIDTH2Q

GATE WIDTH1Q

GATE WIDTH0

Q

リセット信号

カウンタの
繰り上げを
行う回路

図 + コントロール部のカウンタの概念図。

この他の問題としては、データのレデ ィー信号   H がまったく出力されなかった。
まず、図  にこの   H 信号を作り出している部分の回路図を示す。
  H が出力されなかった原因を考えるまえに、設計過程について考えてみる。ゲー
ト・レベル・シミュレーションでは、論理合成結果のネット・リストが仕様を正しく実現していることを検証した。また、レ イアウト検証では、# -=0/  &2'-/ &" を行ない、レ イアウト
結果と論理合成結果のネット・リストが同じ結線になっていることを確認した。これらのことか
ら、もし 設計に失敗しているとすれば 、それはレ イアウト配線遅延によるものであるといえる。
ところで、  H 信号の場合には 、リセット時以外は  信号のタイミングのみで制御されるので、配線遅延は問題にならない。さらに  信号は確かに出力されてことがわ
かっている。
これらのことから、設計工程には問題がなかったことがわかるが 、ここで使ったツール、ライ
ブラリにバグがあることは十分に考えられる。また、これらのツール、ライブラリを使用する際の使用方法に問題があることも十分に考えられる。

最後に 、全  チャンネルのうち、 チャンネルの出力が   H 信号と同様にまった



CLK

Synchronize
with CLOCKTRIGGER

Q
D

Q

CLR Q

D

Asynchronous Signal

CLR Q

COUNTER ENABLE(Synchronous)

TRIGGERENABLERESET_図  + DM!  !$ 信号をクロックと同期させる。 段目のフリップ・フロップで   の立ち上がりを検出し 、 段目のフリップ・フロップでクロックと同期をとっている。 段のフリップ・フロップともリセットが入力されるまで  2 の状態を保持する。
GATE

DATA READY
Q
D

CLR Q

H
RESET_&RESETIC_

図 +   H 信号を発生する回路。ゲートの立ち下がりを検出し 、リセット入力まで H を  2 にド ライブする。

く出力されなかった。この部分の回路図は、図  を見てほしい。これは、ヒット情報を出力するモードでもシフト・レジスタの出力を  の出力とする場合でも同じであった。また、このチャンネルのみにデータを入力した場合も、D DM 信号の出力は得られたので、これはシフト・レジ
スタへの入力からシフト・レジスタ出力までの間か、あるいは出力を選択するセレクタ以後出力ピンまでのどこかで問題が起こっていることになる。一方、この場合もゲート・レベルのシミュレー
ション、# ではともにエラーがない。そこで、この原因が設計工程でのミスであるならば 、それは、配線遅延が許容されないくらい大きいためである。とくに、遅延のために問題が起こり得る部分はシフト・レジスタの出力までの部分である。ところが 、レ イアウト後にレ イアウトツー
ルが出力した各ゲート間の配線遅延時間を調べたが、レジスタ間の配線遅延は  3 のクロック周期に対してどれも 3 以下と小さく、問題となるものではなかった。
このことから、 チャンネルの出力が得られなかった原因も使用したツール、ライブラリのバグ、
またはこれらを使用する際の使用方法の問題であると考えられる。

  シフト ・レジスタの動作
シフト・レジスタの出力を測定したタイミング・チャート 図 " をみると、入力信号が  の中で  クロック分送れて出力されていることがわかる。図  のように  の中では、  段のシ
フト・レジスタの前に、もう 段フリップ・フロップがある。したがって、シフト・レジスタでの遅延時間は仕様ど おりであり、  段のシフト・レジスタは正しく実現できた。

 

まとめ

回路系は  () まで動作した。  段のシフト・レジスタが正しく動作した。設計の問
題点は、入力データ受信部の非同期・同期変換にデッド ・タイムが出てしまったこと、やはり非同期信号のためにゲート信号を作るためのカウンタが誤動作してしまったことであり、これらにたいしては解消法を考察した。このほか、データのレディー信号と チャンネル分の出力が得られなかった。

 まとめと今後の予定
 読み出しシステムでは効率良くデータを読み出すためにデランド マイザの出力を圧縮・シリアル変換してスター・スイッチに集積した後に D にデータを送信する。ここでは、レベル ・
バッファからスター・スイッチへの読み出しのプロトコルを考察した。また、シミュレーションを行ない、デランド マイザ内のデータ量の振舞いを理解し 、データの棄却率が許容範囲に収まるために必要なデランド マイザのサイズを評価した。また 、   でシステムを設計した。さらに、論理シミュレーションを行ない、回路が仕様ど おりの機能を実現していることを検証した。
また、 の読み出しシステムでは、その生産量、放射線耐性への要請から、大部分の論理回路を   でに実装する。したがって、 の読み出しシステムを開発していく上で、  の設計手法を理解することは非常に重要な課題である。とくに、ここでは、設計の全工程を行ない、
  への実装のための論理回路の設計手法への理解を深めた。ここでは、 読み出しシステ
ムの一部の回路を含み、 の読み出しを行なうこともできる汎用性、  チャンネルの (9%
読み出し用   を試作し 、その性能評価を行なった。性能評価の結果は、以下のとおりであった。

  は () のクロック周波数まで動作した。
  読み出しシステムの一部である  段のシフト・レジスタが正しく機能した。
 入力信号の非同期・同期変換を行なう回路が正しく機能せず、このために (9% からの信号入力に対して不感時間がある。

 非同期トリガー入力を受けてゲートを作り出す回路が誤動作をすることがある。
 出力のレデ ィー信号と チャンネル分の出力が得られなかった。
設計上の問題点は、その原因を考察し 、またその回避策を考察した。
今後の課題としては 、まず、ここでおこなった  読み出しシステムの  記述を実際にJ% に実装することでプロトタイピングを行なう。最終的には、スレーブ・ボード および  2 ・ボード の回路は   に実装する予定である。スター・スイッチの回路は、放射線耐性のよい J% または   に実装する予定である。
(9% 読み出し用   に関しては、(9% からの入力信号を # レベル で受信できる
よう、# レシーバを搭載したチップを実用化する予定である。



! "#$ %# &$#$。" を中心とし 、振れ幅 '(" の信号レベル。






読み出しシステムの  ソース・コード



スレーブ・ボード の読み出し 回路の  ソース・コード 節で議論したスレーブ・ボード の読み出し回路の    によるソース・コード を以下に示す。
             
     
デランド マイザの出力をシリアル変換する。
        
   
   
 
   
  !
"  のターミネータおよびゼロ。
     
  の #  および $。
       %         !"& !"&  !&  !&    '   ' '     ' 

 



   をつくるシフト・レジスタの列。
パケットのヘッダ。
                                 (   
 "    (   )    
 "    )   *    
 "    *   %     
パケットのフッタ。
     %          をつくるシフト・レジスタの列。
パケットのヘッダ。
            
デランド マイザのエンプティー・フラグ。
              
デランド マイザのフル・フラグ。
        (   
セル  の読み出し 。
 "     (   )    
セル  の読み出し 。
 "     )   *    

データ・ターミネータ。
 "     *    %     
パケットのフッタ。
     %        
          
スター・スイッチからのデータ送信コマンド を検出し 、 クロック分のパルスを出力する。
   
 
    
(    (  ! (+  (+ ,  -       .!   .!  
( .!  ( .!  
 

+,  + 

+,  

  "  /      
" ビットのセルの読み出し回路。
 の値が  ならこのセルを読み出し 、 ならばこのセルの読み出しをスキップする。
 
  
   
 
 /  /   "    "   /      
  / /       
   "  /     
" ビットのシフト・レジスタ。  を " 個つなぎあわせて実現している。
 
  
     0 
 /






 
 
 
 
 

  
   
      
( ( (    ) ) ) (   
* * * )      % % % *      0 0 0 %      /  0    
   /     
レジスタ。 が  のときに  をレジスタにロードし 、 が  のときには、 をレジスタにロード する。
  
   
 / / -        / .!  / .! 
  
  /       
 のタイミングで  をレジスタにロードし 、
この値によって出力 / を  あるいは  に接続する。
 
       /   
 / !   +11 ,  + -      !!    .!   

 スター・スイッチのシークエンサの  ソース・コード$)%)$ 節で議論したスター・スイッチのシークエンサの * +, - によるソース・コード を以下に示す。

              2  345 6557 ) 
スレーブからの 894: および 56;6 信号。
   
スレーブへの 894: および 56;6 信号。
       
スレーブへのデータ送信コマンド 開始。

      
スター・スイッチ内 <=<> への書き込み許可。
     
スター・スイッチ内 <=<> への書き込みデータ。
  
接続するスレーブのアドレス。
 )   ) 
シークエンサの状態。
 )    )  シークエンスのリセット。
  スレーブからのパケットの開始。
  
  !
                         
  信号にタイミングを合わせるために <=<> への書き込みデータを  クロック遅らせる。
 -     .!   
       シークエンサ本体。
2  345 6557 ) 
   
    
     )  ) 
 )   )              -      スレーブからのパケットの開始を検出。
  .! +    !!  .!     シークエンス・スタート  シークエンスの初期化。
 .!   .!   .!  .! はじめのスレーブへのデータ送信コマンド を送信。
    .!  .! *&

はじめのスレーブのデランド マイザの情報を取得。
(    .! デランド マイザにデータが無い場合。
 !!++  !!
 .! デランド マイザにデータがある場合。
 !!++  !!
 .! )
)  .! *スレーブ 内のデータの有無の情報を取得。
*  スレーブに読み出しデータがない場合。

!!++  !!  もう読み出すべきスレーブが無い場合はシークエンスのはじめに戻る。
  
2345 6557   .! つぎのスレーブを読み出しに移る。
  
  .!  .! ?
 .! ( スレーブに読み出しデータがある場合。
   
スター・スイッチ内の <=<> へ書き込み許可信号を送信。
  .!  .! %
スレーブからのデータをスター・スイッチ内の <=<> に格納。
%  スレーブからのパケット終了を検出。

!!++  !!    .!   
もう読み出すべきスレーブが無い場合はシークエンスのはじめに戻る。
2345 6557   .! つぎのスレーブを読み出しに移る。
   .! ?  .!  .! (   
           信号が #  になるタイミングで、スレーブに対するデータ送信コマンド を出力。
   
   @          -       !!  .!           信号の立ち上がりを検出。
  !!++ @ !! パケット開始 .!   .!  .!
    .!   .!   
 .!   .!  .!(


( 


パケット終了 .!   .!  .!)
)  
 .!   .!  .!
 
@  .!   

 読み出し 用  の  ソース・コード 読み出し用  の* +, - ソース・コード をいかに示す。

=: 全体。
 =: A>B; >7>B; CB89 573659 :$D =4 =4346 E>$ ;7=F ;7=F346
FG H>5 7383;C >B;346C 7383;=:C出力データ % A>B;
 >7>B; CB89 573659
入力データ % =4 :$D =4346 E>$ ;7=F ;7=F346 H>5 7383;C >B;346C 7383;=:Cゲート巾
 ) FG  %    F6;3
  :$D :$D( :$D) :$D* :$D%
  7383;=:C 7383;=:C( 7383;=:C) 7383;=:C* 7383;=:C%
  F6;3 F6;3(  =4346 =4346(  573659 CB89  % =4 A>B;
  ) FGファンアウトの多い信号をバッファしている。
  :$D :$D ( :$D( :$D ) :$D) :$D * :$D* :$D % :$D% :$D    7383;=:C 7383;=:C   ( 7383;=:C( 7383;=:C   ) 7383;=:C) 7383;=:C   * 7383;=:C* 7383;=:C   % 7383;=:C% 7383;=:C  F6;3 F6;3 ( F6;3( F6;3  =4346 =4346 ( =4346( =4346
入力ピン   CB89CB89  573659573659  =4=4  =4=4 ( =4(=4( ) =4)=4) * =4*=4* % =4%=4% 0 =40=40  =4=4












" =4"=4"I =4I=4I =4=4
 =4=4
( =4(=4() =4)=4)
* =4*=4*% =4%=4%
 FG FG FG FG
( FG( FG() FG) FG)出力ピン => バッファ  A>B; !   >B;346C A>B;
 A>B; !   >B;346C A>B;
 A>B;( !   >B;346C A>B;( A>B;) !   >B;346C A>B;)
 A>B;* !   >B;346C A>B;* A>B;% !   >B;346C A>B;%
 A>B;0 !   >B;346C A>B;0 A>B; !   >B;346C A>B; A>B;" !   >B;346C A>B;"
 A>B;I !   >B;346C A>B;I
 A>B; !   >B;346C A>B; A>B; !   >B;346C A>B; A>B;( !   >B;346C A>B;( A>B;) !   >B;346C A>B;)
 A>B;* !   >B;346C A>B;* A>B;% !   >B;346C A>B;%
  F6;3 CB89 573659 :$D ;7=F ;7=F346 FG 7383;C
7383;=:C  A>B;   =4 E>$ =4346 :$D( F6;3
7383;C H>5 7383;=:C(  A>B;   =4 E>$ =4346 :$D( F6;3
7383;C H>5 7383;=:C( ( A>B;(  ( =4( E>$ =4346 :$D( F6;3
7383;C H>5 7383;=:C( ) A>B;)  ) =4) E>$ =4346 :$D( F6;3
7383;C H>5 7383;=:C( * A>B;*  * =4* E>$ =4346 :$D) F6;3
7383;C H>5 7383;=:C)
 % A>B;%  % =4% E>$ =4346 :$D) F6;3
7383;C H>5 7383;=:C)
 0 A>B;0  0 =40 E>$ =4346 :$D) F6;3
7383;C H>5 7383;=:C)
  A>B;   =4 E>$ =4346 :$D) F6;3
7383;C H>5 7383;=:C)
 " A>B;"  " =4" E>$ =4346( :$D* F6;3(7383;C H>5 7383;=:C* I A>B;I  I =4I E>$ =4346( :$D* F6;3(7383;C H>5 7383;=:C*  A>B;   =4 E>$ =4346( :$D* F6;3(7383;C H>5 7383;=:C*  A>B;7383;C H>5 7383;=:C* ( A>B;(7383;C H>5 7383;=:C%
 ) A>B;)
7383;C H>5 7383;=:C%
 * A>B;*7383;C H>5 7383;=:C%
 % A>B;%7383;C H>5 7383;=:C%
  =4 E>$ =4346( :$D* F6;3( ( =4( E>$ =4346( :$D% F6;3( ) =4) E>$ =4346( :$D% F6;3( * =4* E>$ =4346( :$D% F6;3( % =4% E>$ =4346( :$D% F6;3( >7>B;!1  %   
 
   
&  !
&  !&J   
読み出し部  >B; H>4=;>7 =4 E>$ =4346 :$D F6;3 7383;C H>5 7383;=:C >B; H>4=;>7 =4 E>$ =4346
 :$D F6;3 7383;C H>5
 7383;=:C  K/ / / / /  / (/ (/ / /
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 段シフト・レジスタ   /    
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図目次
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 の検出器の配置

 における標準 "

粒子の質量と生成断面積の関係
粒子の主な生成過程
標準 
粒子の崩壊モード の分岐比と質量の関係

質量の関数としての  の 粒子に対する信号対雑音比
 実験での .
粒子探索可能領域
 検出器の全体図
 検出器の *. 断面図
 実験のトリガー・スキーム
レベル ・トリガーのプロセス
 実験の -/・スキーム
0 の配置
0 によるミューオン運動量の測定
セクター・ロジック
デランド マイザまでの 0 読み出し系の概要
ダブレット・ワイヤー・スレーブ・ボード の ,1 Ì コインシデンス・マトリクス
トリプレット・ワイヤー・スレーブ・ボード のコインシデンス・マトリクス .Ì ・ボード ののコインシデンス・マトリクス
スレーブ・ボード 以降の 0 読み出し系の概要
バス構造の概念図
リング構造の概念図
スター構造の概念図
スレーブからスター・スイッチへのデータ転送データの形式
スレーブからスター・スイッチへのデータ転送データの形式
.リンクの $ 種類の信号線
スレーブ・ボード のデータ読み出し部分
レベル ・バッファからデランド マイザのブロック図% - ,

デランド マイザの出力をシリアル変換する部分のブロック図
スレーブからスター・スイッチに送信されるパケット
スター・スイッチのブロック図
スター・スイッチからローカル・-/・マスターに送信されるデータの形式
スター・スイッチの読み出しシークエンス
スレーブへのデータ送信コマンド
シミュレーションのフロー・チャート
  のレベル ・トリガー・レートでのデランド マイザ内のデータの数の時間的推移
  のレベル ・トリガー・レートでのデランド マイザ内のデータの数の時間的推移
  のベル ・トリガー・レートでのデランド マイザ内のデータの数の分布  のレベル ・トリガー・レートでのデランド マイザ内のデータの数のの分布
デランド マイザのサイズとデータの棄却率の関係
* +, シミュレータで性能評価したスレーブ・ボード 読み出し回路
スレーブ・ボード 読み出し回路の * +, シミュレーション結果
* +, シミュレータで性能評価したスター・スイッチのシークエンサ
スター・スイッチ・シークエンサの * +, シミュレーション結果

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 における標準 

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 設計のフロー・チャート"&

 読み出し用  のブロック図
読み出し部の回路図
コントロール部の回路図製作した  の顕微鏡写真
動作試験のセットアップ
シフト・レジスタの出力を  の出力に設定したときのタイミング・チャート
シフト・レジスタの出力とゲートのタイミング
ヒット・パターンを  の出力に設定したときのタイミング・チャート
シフト・レジスタの出力の波形
ヒット情報の出力波形
データ入力のタイミングからトリガー入力のタイミングまでの時間差を変えた時の検出効率の変化 からの信号をクロックと同期させる回路
動作試験のセットアップ 
入力データ信号と  のクロックのタイミングのずれを変えたときのデータ受け付けの効率
フリップ・フロップの論理合成結果-2 の真理値表
-2" の真理値表
フリップ・フロップのゲート構成 修正例コントロール部のカウンタの概念図34  信号をクロックと同期させる回路- -5 信号を発生する回路

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表目次


 加速器の主要なパラメータ" 実験における重要な物理過程に対するトリガー条件
ローカル・-/・ブロックの特徴
読み出しのチャンネル数
ローカル・-/・ブロックあたりのバックグラウンド ・ヒット・レート
データ圧縮後のデータ量
ミューオン・トリガー・レート
各種のヒットによるイベントあたりのヒット数    ! とヒットあたりのデータ量

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参考文献
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* '! '+ -! <,* %

東京大学 陣内修 修士学位論文 「  実験 ミューオン検出器用 トリガーエレクトロニクスの開発」


67 

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謝辞
本研究を進めるにあたり、適切な指導を与えてくださった指導教官、小林富雄東京大学教授に感謝します。また、常に丁寧にご 指導くださいました高エネルギー加速器研究機構 佐々木修氏、京都大学 坂本宏氏に感謝し ます。研究を進めるうえで惜しみない協力をしてくださった池野正弘氏には心からお礼を申し 上げます。 設計にあたり、さまざ まな助言をいただいた新井康夫氏に感謝します。また、 の設計を支援して下さった池田誠氏をはじめ、東京大学大規模集積システム設計教育センターの皆様に感謝します。さらに、近藤敬比古氏、岩崎博行氏、福永力氏、田中秀治氏、山内一夫氏、福井秀人氏をはじめとする 日本グループのかたがたには貴重な意見をいただき、深く感謝します。また  テスト用ボード を
レ イアウトしてくださった林栄精器の大川久氏に感謝します。松浦聡氏、東京都立大学の狩野博之氏の協力
は、研究を進めるうえで不可欠のものでした。心から感謝します。さらに、研究生活を通して、惜しみない
支援、協力をくださりました陣内修氏、吉田光宏氏、深津吉聡氏、津野総司氏、仁木太一氏、戸谷大介氏、広島大学 本間謙輔氏には深くお礼申し上げます。

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