先端エレクトロニクスDAQセミナー2023/ 総研大講義「計測と制御」

お知らせ

オンラインで開催します。

目的・趣旨

理学実験系修士課程学生を主な対象に実験・観測システムに用いられるエレクトロニクス技術の基礎を習得するためのセミナーです。主な対象を修士課程学生としていますが、どなたでも参加する事ができます。

高品質の実験・観測データを得るためには計測装置に関する知識が必要不可欠ですが、研究の専門化が進むことで専門外の計測装置技術について学ぶ機会が減っています。現在の実験・観測で用いられる装置には高度なエレクトロニクス技術が採用され、その技術は年々高度になっています。そこで、計測装置に用いられているエレクトニクス技術の基礎を習得する技術セミナーを企画しました。それぞれの専門分野の講師の講義により検出器（センサー）信号処理からASIC技術, FPGA技術, 計算機でのデータ処理までの基礎を5日間で学ぶことができる内容です。

エレクトロニクス技術に興味を持つ若手の方やこれから実験・観測を始める多くの方々の参加をお願いいたします。

昨年（2022年）のWebページはこちらにあります。

ASICとは

Application Specific Integrated Circuit(ASIC)は特定用途集積回路の名前のとおりユーザーの仕様に応じて製作される集積回路で、放射線検出器の読みだしシステムで多用されています。以前は開発コストが高かったのですが、現在ではシャトルサービスと呼ばれる方法により安価に試作ができるようになってきています。現在では通常の電子回路基板を製作するくらいの金額で試作できるものもあります。

FPGAとは

Field Programmable Gate Arrays (FPGA)はユーザーがプログラム可能な論理（デジタル）集積回路です。近年、放射線検出器の読みだしシステムで多用されています。一つのFPGAに搭載できる回路規模は非常に大きくなっておりユーザーが希望する信号処理の多くは1チップに搭載できるようになりました。例えば、CPUを組み込みLinux OSシステムを動作させる事ができる程の回路規模を1チップに実装する事ができます。

概要

講義内容はエレクトロニクス技術について学んだことがない物理系修士課程学生を対象に行います。半導体物性など物理系学生が学部で学ぶ内容を既知としていますが、他の事は仮定していませんので他の専攻の方も問題なく受講可能です。

実験・観測対象が変わると計測システムも変わりますが、その骨格をなす基礎技術や概念は同じです。加速器科学・天文・生物など広い分野の方々にも違和感なく学んでいただける内容です。

本セミナーは総合研究大学院大学の公開講義「計測と制御」として開催します。

対象者：制限はありませんが、物理系学部生・大学院修士課程学生を想定した講義内容に設定しています。
募集人数：オンラインなので制限ありません。
日程：2023年7月24日（月）～7月28日（金）（開始および終了時刻は時間割を参照してください）
場所：オンライン
言語：日本語
申込期間：6月1日から7月4日
参加費：無料
主催：Open-It、総合研究大学院大学
後援：KEK加速器科学総合支援事業、KEKエレクトロニクスシステムグループ
世話人：岸下徹一（KEKエレクトロニクスシステムグループ）
お問合わせは事務局（osc-mgrs[アットマーク]ml.post.kek.jp）までおねがいします。

日程

7月 24日（月）9:15-17:00 ：開会挨拶、システム概要、ガス検出器、半導体検出器
7月 25日（火）9:15-16:50 ：アナログ信号処理、トランジスタの基礎
7月 26日（水）9:15-16:50 ：アナログデジタル変換技術、デジタル信号処理
7月 27日（木）11:00 - 16:50 : バーチャル施設見学、検出器システムの制御技術
7月 28日（金）9:15-12:30：FPGAを用いたDAQ技術概要、COMET実験、閉会挨拶

時間割はこちら（PDFファイル）

申し込み

申し込みはこちらのフォームに入力してください。

申し込んだが都合が悪くなり受講しなくなった場合は上記フォームに記入し、コメントの欄に受講をやめるなどと書いてsubmitしてください。

注意事項を読み手続きを進めてください。

注意事項
- 参加資格：制限ありません。学生はもちろん社会人も参加できます。
  - 講義内容は物理系学部生・大学院修士課程学生向けに構成されています。
- 総研大生の方への注意
  - すでに履修登録をされている学生の方もこのページから申込みが必要です。
  - 追加で履修登録を希望される学生の方は、このページからの申込みのみお願いします（その他の手続きは不要です。総研大学務課で取り纏め追加履修登録をします）
- 参加費：無料
- 総研大単位取得希望者
  - 本セミナーは総合研究大学院大学の公開講義「計測と制御」として開催しますので他大学での単位として認定される場合があります。
  - 単位取得希望の方は事前に所属大学事務（学務課等）に総研大の公開講義の単位が認定されるか確認し、その後、所属大学を通じて特別聴講学生として履修申請を行ってください。
  - 履修申請する場合でも本ページからの参加申し込みが必要です。
  - 単位取得のためには全講義の受講と後日レポート提出を行い評価を受ける必要があります。
- 懇親会
  - 今年度は懇親会は開催しません。

講義内容

各講義時間の詳細については「日程」の時間割を参照してください。

資料等を閲覧するためには後日受講者に配布するIDが必要です。講義資料は変更される可能性が高いので講義後に最終版をダウンロードしてください。

【システム概要】

講義日：7月24日（月）
講師：田中真伸（KEK）
概要：
内容：
講義資料：テキスト

【ガス検出器】

講義日: 7月24日（月）
講師：西口創 (KEK)
概要：ガス検出器は、現在の素粒子原子核実験で無くてはならない検出器で、放射能計測の現場でも広く普及しています。この講義では、ガス検出器の動作原理や、さまざまなガス検出器とその応用例を学びます。
内容：
- さまざまな放射線検出器
- ガス検出器の動作原理
- ガス検出器の種類と応用例
- 放射線検出器を開発して何をしたいのか?

講義資料：テキスト

【半導体検出器】

講義日：7月24日（月）
講師：岸下徹一 (KEK)
概要：半導体検出器は放射線計測のみならず、携帯電話に内蔵されているCMOSカメラや医療、天文といった様々な分野で活用されている。本講義では、センサーの基本であるダイオードセンサーについて解説する。
内容：
- なぜ半導体検出器を使うのか?
- ダイオードセンサーの基本
- ダイオードセンサーの応用
- 最近の研究話題
講義資料：テキスト
レポート課題（単位取得希望者用）: 講義資料テキストのなかにあります。

【アナログ信号処理】

講義日：7月25日（火）
講師：房安貴弘（佐賀大学）
概要：放射線検出器のフロントエンド回路を想定し、オペアンプを用いたアナログ信号処理回路の仕組みについて学ぶ。
内容：
- オペアンプとラプラス変換
  - ラプラス変換について
  - オペアンプについて
- オペアンプを用いた放射線検出器用回路
講義資料：テキスト
レポート課題（単位取得希望者用）: 「アナログ信号処理」および「トランジスタの基礎」をあわせた課題を「トランジスタの基礎」に掲載してあります。

【トランジスタの基礎】

講義日：7月25日（火）
講師：房安貴弘 (佐賀大学)
概要：放射線検出器のフロントエンドに用いられるMOSFETの動作原理から、増幅器（オペアンプ）を構成する手法までを学ぶ。
内容：
- トランジスタの仕組み
  - 半導体のpn接合
  - MOSFETの構造と動作原理
- MOSFETによる増幅回路
  - 一段の増幅回路
  - 差動増幅回路
- オペアンプ回路
講義資料：テキスト
レポート課題（単位取得希望者用）

【アナログデジタル変換】

講義日：7月26日（水）
講師：宮原正也（KEK)
概要：現代の計測システムはコンピュータでデータ解析する為、検出器が出力するアナログ信号をデジタル信号へ変換する必要がある。本講義ではアナログ信号をデジタル信号へ変換する回路（ADC）技術と、その使用・評価方法などについて解説する。
内容：
- ADCの基本機能
  - 量子化（ビット数、サンプリングレート、参照電圧等）
  - サンプリング定理
- ADCの性能表現
- ADCの主要な変換方法
  - 変換アーキテクチャの概要とトレンド
- ADCの評価方法
- ADCを用いた物理実験用ASIC
講義資料：テキスト
レポート課題（単位取得希望者用）

【デジタル信号処理】

講義日：7月26日（水）
講師：本多良太郎 (KEK)
概要：物理実験おいてデジタル回路はアナログ部分とコンピューターの間に入りデータの処理や通信の役割を担う。この講義ではデジタル回路の基本構成要素から通信技術までの概要に触れる。
内容：
- デジタル技術概要
- デジタル回路
  - 組み合わせ回路
  - 順次回路
  - 同期回路のタイミング
  - 回路例
- データ通信技術
  - パラレル・シリアル通信
  - 装置内・装置間通信
- デジタル回路の例
講義資料：テキスト
参考書（事前に読む必要はありませんが、予習するのであれば読みやすいと感じる書籍を選んで読んでください）
- 内田智久、Open-It FPGAトレーニングコース事前準備資料（ID不要でダウンロードできます）
- パターソン＆ヘネシー、コンピュータの構成と設計、日経BP社
- ハリス、ディジタル回路設計とコンピュータアーキテクチャ、翔泳社
- 渡波郁、CPUの創りかた、毎日コミュニケーションズ
レポート課題（単位取得希望者用）

【検出器システムの制御技術】

講義日：7月27日 (木)
講師：戸本誠（KEK)
概要：
内容：
講義資料：テキスト
レポート課題（単位取得希望者用）: 講義資料テキストのなかにあります。

【FPGAを用いたDAQ技術概要】

講義日: 7月28日 (金)
講師：濱田英太郎 (KEK)
概要：デジタル回路を構築するために、FPGAが良く利用される。この講義では、FPGAがどのようなものか、どのようにして開発を進めるのか、どのようにDAQに使えるのか解説する。
内容：

1.   FPGAの仕組み
•   FPGAとは
•   FPGAの基本構造
•   ザイリンクス社FPGAの構成
2.   FPGAファームウェア開発
•   開発の流れ
•   設計手法
3.   FPGAを用いたDAQ
•   一般的なDAQ回路
•   COMET実験ストロー飛跡検出器用読み出し回路におけるFPGA

講義資料：テキスト
レポート課題（単位取得希望者用）

【データ収集】

講義日：7月28日 (金)
講師：五十嵐洋一 (KEK)
概要：
内容：

講義資料：テキスト (2023-07-28 14:27 修正版掲載, 2023-08-02 13:15 誤字修正版掲載)

単位取得希望者の方へ

出欠確認について

受講姿勢評価のために毎日出欠を確認しますので、zoomにアクセスする際にフルネームと所属を記入してください。

レポート提出について

3つの課題を選択してレポートを提出してください。（課題内容は各講義終了後にWebに掲載します、閲覧には別途連絡するIDが必要です）。

各講義毎に課題があります。選択した課題のみ提出してください。課題が複数の小問で構成されている場合は全ての小問を提出して一つの課題です。課題毎にファイルを分けてください。

レポートは電子ファイルとして提出してください。手書きのレポートをスキャンしたファイルも可

以下の提出先へメールで送ってください。

宛先：　osc-mgrs[アットマーク]ml.post.kek.jp
件名：　計測と制御レポート
提出期限：　8月11日 (金)

不明な点などがある場合も上記宛先まで問い合わせてください。

補足：受講姿勢と課題点の比率を2:3として評価します。

アンケート

参加者の皆さん下のアンケートにご協力ください。

アンケートはこちらから(講義スライドをダウンロードするアカウントでアクセスしてください）。