22nd ICEPP Symposium

1

COMET Phase-I CDC用読み出しボードの開発
阪大 博士前期課程2年

中沢 遊
2016.2.29

22nd ICEPP Symposium @白馬22nd ICEPP Symposium

目次• イントロダクション•

ミューオン電子転換•

COMET Phase-I 概要•

読み出しボード (RECBE)• 中性子対策•概要•

中性子照射試験•

セットアップ

•

測定結果

• まとめ

2

22nd ICEPP Symposium

イントロダクション

3

22nd ICEPP Symposium4

ミューオン電子転換過程
ミューオニック原子

Decay In Orbit (DIO)（レプトンフレーバー保存）µµ原子核+ ⌫µ + ⌫¯eMuon Capture（レプトンフレーバー保存）µ1s軌道!e+ N (A, Z) ! ⌫µ + N (A, Z

ミューオン電子転換過程（荷電レプトンフレーバー非保存）µ+ N (A, Z) ! e+ N (A, Z)(Monoenergetic electron)

荷電レプトンフレーバー非保存の分岐比
標準模型 ： O 10標準模型を超える理論 ： O 1054

厳しく制限されている

15

ミューオン電子転換過程の発見は新物理を示唆する

1)

22nd ICEPP Symposium

COMET Phase-I

目的 : 荷電レプトンフレーバー非保存過程探索••

Al原子中でのミューオン電子転換過程 @J-PARC (2018年)
110日間の測定で実験感度 (S.E.S.) ~ 3

10-15(先行実験の100倍)検出器 : Cylindrical Drift Chamber (CDC) & ストロー飛跡検出器
信号 : ~105 MeVの単一エネルギーを持った電子
背景事象 : Decay-In-Orbit (DIO) 電子 & ビーム由来の事象
CDC読み出しボード : Belle-IIで開発されたRECBE

5

22nd ICEPP Symposium

6Cylindrical Drift Chamber
COMET CDCCOMETで予想される電子の運動量分布

単位構造

SignalA. サイズ•

内径：496 mm•

外径：835 mm

16 mm

DIO

B. ワイヤー•センス: ø25 µm W plated Au

•

フィールド

運動量 [MeV/c]: ø126 µm Al

C. ガス : Heベースの混合ガス（未決定）•90%He - 10%iC4H10•

50%He - 50%C2H6

CDC
Al標的

D. 運動量分解能 : 200 keV/c•

DIOとシグナルを識別可能な高い運動量分解能

ン
オ
ュー

ミ

E. データ読み出し回路 : 104 RECBEs•

中国のIHEPにて大量生産を完了

トリガーホドスコープ

22nd ICEPP Symposium

7RECBEASD

CDCからの信号 48 ch/board• Amp shaper Discriminator• 8 ch/chip

ADC (AD9212)
ASD
8ch/chip

ADC8ch/chip• 8 ch/chip• 2 Vp-pを10 bit分解能でデジタル化• 30 Msps

FPGA (Virtex-5 XC5VLX155T)

FPGA• ボード全体をコントロール• KEKの内田准教授が作成したファームウェアを最適化
LEMOConnector

SFP slot

RJ-45 (JTAG, LVDS)• LVDS• 共通動作クロック(40 MHz)の付与

DAQ PC
トリガー信号• トリガー信号の入力• JTAG• ファームウェアのダウンロード

22nd ICEPP Symposium

COMET Phase-Iにおける中性子量8Phase-IにおいてRECBEに入射する中性子流量 (PHITS)
Neutron Energy [Mev]
COMET Phase-I SimPHITSv2.0
En< 0.1

Neutron Flux [n/cm2/sec]
5.89Date = 12:59
10409-Jan-201

0.1 < En < 52.95

104

5 < En < 108.03102

En > 10

1.36

103from Y. Yang (Kyushu Univ.)

CDC

中性子線耐性(for 110 days)
Yoke

Stainless

FeConcrete
Polyethylene

2~1012 neutrons/cm
LeadConcrete
Magnet

Al標的

たくさん中性子来るけど大丈夫？
SiliconAluminium
CarbonAcryl
Scintillator

RECBE

大丈夫じゃないらしい...

22nd ICEPP Symposium

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中性子対策

22nd ICEPP Symposium10

概要• ファームウェアが中性子により破損 (Single Event Upset ; SEU)
• 自動修復マクロ (SEU Controller) の実装• ハミングコードによるSEUの検出と修正が可能• モジュラー演算を利用した独立検知機能 Cyclic Redundancy Check (CRC)• UnRecoverable Error (URE) : 修正不可能• URE発生時はファームウェアの書き直し

SEU発生模式図
中性子• UDP通信によりデータ読み出し可能• 中性子試験照射試験の評価項目

1. SEU Controllerの動作確認
2. SEUの発生頻度
3. UREの発生頻度

Single Event Upset• 中性子と半導体原子の核反応による荷電粒子の生成• 荷電粒子のドリフトにより生成した電子正孔対により論理反転• 複数同時発生したSEU；Multi Bit Errors (MBE)

安部晋一郎（九州大学）修士論文

22nd ICEPP Symposium

中性子照射試験：セットアップ
TANDEM加速器 @神戸大学

TANDEMビーム : ~3 MeV 重陽子
標的 : Be (厚さ20 mm)
106 neutrons/cm2

中性子強度 : (1.90 ~ 3.81)( 標的からの距離 : 10 cm )( ビーム電流 : 1 microC/s )ref. Nakanishi Hitoshi, (Univ. of Tokyo), JPS 2015 autumn
ref. Yubin Zuo, “Neutron yields of thick Be target bombarded

中性子ビームラインwith low energy deuterons”, Phys Procedia

中性子エネルギースペクトル

RECBE

2 MeV

24 mm

Be標的中性子FPGAPCB

123456789(Tetsuo INADA, 1968)

ビーム

RECBE設置位置

ref：Neutrons from Thick Target Beryllium
10Reactions at 1.0 MeV to 3.0 MeV

En [Mev]

重陽子

1122nd ICEPP Symposium

中性子照射試験：動作確認
Optical Fiber

Optical Media
Convertor

LANHUB

12LANLAN

Downloader

RECBE

USB

DAQ PCJTAG
LV Cable

CLKLEMO

Control room

LV Power Supply
MonitorPC

Clock Generator（＊）1秒毎にUDP通信によりデータ読み出し
UDP通信で読み出したレジスタの値

SEU Controllerの動作確認• SEUカウンターの数が時間とともに増加• CRCの出力は常にゼロ• SEU ControllerによるSEU検知及び、修正を確認

Unix time

SEU counterCRC22nd ICEPP Symposium13

中性子照射試験：測定結果
SEUの発生頻度• SEUの発生回数とFPGAへ入射した中性子量が比例-1• SEUと中性子量の総数からRate

Rate1を計算(1.41⇠2.83)⇥1013= (6.60±0.03)⇥104

The total neutrons
The total neutrons

SEUとFPGAへ入射した中性子量の関係
Run1×1012
141210864= (2.12 ⇠ 4.25) ⇥ 108 Neutrons/SEUs

20010000

20000

30000

40000

50000

60000
70000
The total SEUs

The total SEUs

• SEUとUREの発生回数がおよお比例• SEUとUREの発生回数の比を求めた。
4(6.60±0.03)⇥10SEUs=URE
233±15= 283 ± 19 SEUs/URE

The total TheSEUs
total SEUs

UREの発生頻度

Run1
SEUとUREの発生回数の関係
70000
60000
50000
40000
30000
20000
10000
0050100150200250
The total UREs

The total UREs

22nd ICEPP Symposium

COMET Phase-IにおけるSEUの見積もり

14

中性子エネルギーとSEU

COMET Phase-IにおけるSEUの発生頻度

反応断面積の関係 (PHITS)(SEU Controllerがない場合での再ダウンロード頻度）

Rate

1= 1.05 ⇠ 2.11 sec/SEU/104boards⇥283 SEUs/URE

COMET Phase-IにおけるUREの発生頻度
Rate

1= 4.94 ⇠ 9.91 min/URE/104boards

さらなる中性子対策• パラフィンによる遮蔽

ref. Abe Shinichiro (Kyushu Univ.) 61st JSAP meeting

課題-> 中性子量を10分の1• ファームウェアの改良• 中性子流量による依存性• 中性子の入射角による依存性• Triple Modular Redundancy• Triple Modular Redundancy• block RAM用自動修復機能• block RAM用自動修復機能

22nd ICEPP Symposium

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まとめ

22nd ICEPP Symposium

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まとめCOMET Phase-I 概要-15

Al原子中でのミューオン電子転換過程をS.E.S. 10で探索

高い運動分解能を要求する飛跡検出器 Cylindrical Drift Chamber
Belle-IIグループによって開発された読み出しボードRECBEの使用

読み出しボードの中性子対策
SEU Controllerを実装したファームウェアでの中性子照射試験。
•SEU Controllerの動作確認完了•SEUの発生頻度：(2.12 ~ 4.25) １0 Neutrons/SEU•

SEU vs URE：289 SEUs/URE

8

さらなる対策•パラフィンによる遮蔽•

ファームウェアの改良 (Triple Modular Redundancy、block RAM用自動修復機能)

22nd ICEPP Symposium

17Backup

22nd ICEPP Symposium

イントロダクション

18

22nd ICEPP Symposium

RECBEの取り付け位置
RECBE

RECBE

992 mm

CDC

6th5th4th
3rd1670 mm

2nd1st19

22nd ICEPP Symposium

20

RECBE : ブロック図
ADC

ASD

FPGA

アナログ出力Ring Buﬀer

DAQ PC

Signal time
&Trigger Time

Trigger

30 Msps

CDC Sigs.
デジタル出力TDC

Vth~1.04 ns(=960 MHz)（＊）240 MHzの動作クロックを4倍過サンプリング

データフォーマット
Rawモード• 全チャンネルのADC、TDC値を時系列に全て転送する• 波形解析が可能• データ量が多い• 評価試験、エンジニアリングランで使用

Suppressモード• ヒットのあるチャンネルのみデータを転送する• ADCの積分値• TDC値のうち早いものを2つ• 波形解析が不可能• データ量が少ない• 物理測定時に使用

22nd ICEPP Symposium

RECBE : データフォーマット

21

Data Name
Header (12 Bytes)

RawモードMode, Board̲ID, Send̲No.,
TRG̲time, Length, TRG̲No.,
ADC CH0 (16 bits)• 全チャンネルのADC、TDC値を時系列に全て転送

ADC

ADC CH1 (16 bits)…

する• 波形解析が可能• データ量が多い

ADC CH47 (16 bits)

SampleEvent clock #Data
TDC• 評価試験、エンジニアリングランで使用

Hit Flag (1 bit)

TDC CH0 (15 bits)

Hit Flag (1 bit)

TDC CH1 (15 bits)…

Hit Flag (1 bit) TDC CH47 (15 bits)
Next…

SampleSuppressモード• ヒットのあるチャンネルのみデータを転送する。
• データ取得時間窓に対して、ADCの閾値を

Data Name
Header (12 Bytes)
Header

超えたサンプリング数• 波形解析が不可能

TRG̲time, Length, TRG̲No.,
Ch ID (8 bits)

Length (8 bits)

Count Over Threshold (16 bits)• ADCの積分値• TDC値のうち早いものを2つMode, Board̲ID, Send̲No.,

Hit Ch#
Event

Data

Data

ADＣ (q)
TDC• データ量が少ないNext• 物理測定時に使用

Hit Ch#Summed ADC Value (16 bits)
TDC Hit 0 (16 bits)(TDC Hit 1 (16 bits))…

22nd ICEPP Symposium

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RECBE：Data Flow
ADC

デジタル出力(ASD)

ADC I/FASD I/F

Ring
Buﬀer

TDC

FPGA Virtex-5
XC5VLX155T

8 µsEventBuﬀer

RAW
SiTCP
PROC(Suppress)

SFP

22nd ICEPP Symposium

RECBE : ガンマ線耐性

23Belle-II 調べ
FPGA : 8.8 kGy以上
SFP slot : 0.3 kGy
Voltage regulator : 1.0 kGy
ref: Radiation tolerance of readout electronics for Belle-II
Topical workshop on electronics for particle physics 2011

22nd ICEPP Symposium

24

中性子対策

22nd ICEPP Symposium

UREの発生条件

自動的に検出モードへ切り替わる
MBEの発生SEU ControllerのBusy信号の継続した出力
SEUが修正されずに残る通信ができなくなる2522nd ICEPP Symposium

SEU Controller

26• Internal Conﬁguration Access Point ；ICAP• Conﬁguration RAMの情報を読み書き可能• Error Correction Code；ECC• ハミングコードを利用しエラー検出• エラーが１つの場合、位置検出可能

CRAM• Cyclic Redundancy Checking (CRC)• モジュラー演算を利用した独立エラー検出

SEU Controller

読み 書き
修正後のビット情報

ICAP

修正前のビット情報
エラー情報

ECC

BRAM
(メモリ)

CRC

CRC
エラー検知

修正

エラー検知

22nd ICEPP Symposium

自動修復機能のブロック図27

SEU Controller
Regi.

モード選択

状態

初期化情報
エラー修正中(Busy)Regi.

CRCエラー検知SEU検知
60 MHzClockCounter

MBE検知
Counter

DAQ
PC22nd ICEPP Symposium

中性子照射試験：中性子量
3.0 MeVの重陽子をBe標的に照射した場合に発生する中性子量

中性子発生量 [n/sr/µC]

10 cm離れた位置での1 cm2 = 100 sr

重陽子エネルギー [MeV]
ref : Yubin Zuo, et al., Phys Procedia 60 (2014) 220 - 227“Neutron yields of thick Be target bombarded with low energy deuterons”

28

22nd ICEPP Symposium

中性子照射試験：セットアップ

29

RECBE

NeutronDeuteron
Be Target(✳) In this test, we assumed the uniform beam at Virtex-5

22nd ICEPP Symposium

中性子照射試験：セットアップ
Be標的

中性子

RECBE

重陽子ビーム30

22nd ICEPP Symposium

中性子照射試験：測定結果

測定

角度[º]

距離 測定時間
[mm]
[sec]

SEU

MBE

URE

SEU/
MBE

1180

2426353 1.40E+13 66039

153233

431.1

中性子量

31SEU/
URE

Neutron/SEU/
Virtex5290.7

2.12E+08

22nd ICEPP Symposium

中性子照射試験：臨界電荷量32

計算では最悪のパターンを想定
Lcrit = 0
Lcrit：SEUが起こる臨界電荷量を表す値

22nd ICEPP Symposium

中性子照射試験：Si反応断面積33