アトラス実験TGC検出器用新型PSボードの開発

概要

高輝度LHC実験(HL-LHC)での導入を目指し，TGC（Thin Gap Chamber) ミュー粒子検出器を用いたトリガー回路の改良を行っている。TGC検出器からASD（Amp-Shaper-Discriminator）回路を通じて出力されるデジタル信号を入力として、その信号がLHC加速器のどの陽子陽子衝突事象に起因するものかのタグ付けをし（BCID; Bunch crossing identification）、後段のトリガー論理回路に高速データ転送を行うPS(Patch-panel and Slave)ボードの開発を行う。PSボードには、ボードあたり256チャンネルを有し、陽子陽子衝突点から検出器の到達するまでのTOFや、ASD-PSボード間のケーブル長のばらつきに起因するチャンネル間の遅延時間を補正するvariable delay回路とBCIDのタグ付けをするBCID回路を有するPatch-Panel ASIC回路と、Patch-Panel ASICの出力信号を後段のトリガー論理回路に12.8Gb/s (2 x 6.4Gb/s)で高速転送するFPGAによって構成される。Patch-Panel ASICは現在のLHC-ATLAS実験で用いているものを使用し、このプロジェクトではFPGA周りの回路構成の開発に専念する。FPGAによりPatch-Panel ASICを適切にコントロールし、FPGAの高速通信機能を用いたデータ転送が実現できるかが開発の鍵となる。

メンバー

戸本誠, Tomoto Makoto (代表:KEK・教授)
堀井泰之, Horii Yasuyuki (名古屋大学)
麻田晴香, Asada Haruka (名古屋大学、D3)
大隅悠矢, Ohsumi Yuya (名古屋大学、M2)
橋本大輔, Hashimoto Daisuke (名古屋大学、M1)
佐々木修, Sasaki Osamu (KEK)

過去のメンバー

内田智久, Uchida Tomohisa (KEK)
池野正弘, Ikeno Masahiro (KEK)
加納勇也, Kano Yuya (名古屋大学・研究員)
佐野祐太, Sano Yuta (名古屋大学、D3)
川口智美, Kawaguchi Tomomi (名古屋大学、D3)
宿谷琴子, Shukutani Kotoko (名古屋大学、M2)
水越健太, Mizukoshi Kenta (名古屋大学、M2)
伊藤秀一, Ito Shuichi (名古屋大学、M2)
稲熊勇人, Inaguma Hayato (名古屋大学、M2)
若松一輝, Wakamatsu Kazuki (名古屋大学、M2)
山田敏大, Yamada Toshihiro (名古屋大学、M2)
皆川真輝, Minakawa Masaki (名古屋大学、M2)

機能・特徴

各256チャンネルに1ナノ秒刻みのvariable delayを有する。
256チャンネルのon/offのヒット情報を40MHz、8b10bで転送できる。つまり、12.8Gb/sの転送速度を実現する。
FPGAからPatch-Panel ASICを制御しvariable delay設定値などを入力する。
DAC回路を有し、ASD回路の閾値電圧を供給することができる。

写真

左：テストボード（2016年製作）、右：最終試作機（2021年製作）

PSボード

学会発表

宿谷琴子, 戸本誠, 堀井泰之, 佐野祐太, 水越健太, 佐々木修, 内田智久, 池野正弘, 他ATLAS日本トリガーグループ, 「高輝度LHC-ATLAS実験に向けたエンドキャップミューオントリガーのための高速データ転送回路の開発」, 日本物理学会2016年秋季大会, 2016年.
宿谷琴子, 宿谷琴子, 川口智美, 戸本誠, 堀井泰之, 佐野祐太, 水越健太, 佐々木修, 内田智久, 池野正弘, 他ATLAS日本トリガーグループ, 「高輝度LHC-ATLAS実験のエンドキャップミューオントリガーのための高速データ転送回路の動作検証」, 日本物理学会第72回年次大会, 2017年.
伊藤秀一, 戸本誠, 堀井泰之, 宿谷琴子, 川口智美, 佐々木修, 内田智久, 池野正弘, 他ATLAS日本トリガーグループ, 「高輝度LHC-ATLAS実験に向けたTGC 検出器の前段読み出し回路のシステム開発」, 日本物理学会第73回年次大会, 2018年.
稲熊勇人, 戸本誠, 堀井泰之, 川口智美, 伊藤秀一, 麻田晴香, 佐々木修, 内田智久, 池野正弘, 他ATLAS日本トリガーグループ, 「高輝度LHC-ATLAS実験に向けたTGC検出器の前段読み出し回路の放射線対策手法の開発」, 日本物理学会2018年秋季大会, 2018年.
稲熊勇人, 戸本誠, 堀井泰之, 川口智美, 伊藤秀一, 麻田晴香, 佐々木修, 田中真伸, 内田智久, 宮原正也, 池野正弘, 他ATLAS日本トリガーグループ, 「高輝度LHC-ATLAS実験に向けたTGC検出器の前段読み出し回路の放射線対策」, 日本物理学会第74回年次大会, 2019年.
稲熊勇人, 戸本誠, 堀井泰之, 加納勇也, 川口智美, 麻田晴香, 若松一輝, 山田敏大, 綿井稜太, 佐々木修, 田中真伸, 宮原正也, 池野正弘, 他ATLAS日本トリガーグループ, 「高輝度LHC-ATLAS実験に向けたTGC検出器の前段読み出し回路の開発」, 日本物理学会2019年秋季大会, 2019年.
稲熊勇人, 戸本誠, 堀井泰之, 加納勇也, 川口智美, 麻田晴香, 若松一輝, 山田敏大, 綿井稜太, 佐々木修, 田中真伸, 宮原正也, 池野正弘, 他ATLAS日本トリガーグループ, 「高輝度LHC-ATLAS実験TGC検出器の実機仕様の前段読み出し回路の設計と放射線耐性試験」, 日本物理学会第75回年次大会, 2020年.
皆川真輝, 戸本誠, 堀井泰之, 加納勇也, 山田敏大, 佐々木修, 田中真伸, 宮原正也, 池野正弘, 庄子正剛, 田内一弥, 他ATLAS日本トリガーグループ, 「高輝度LHC-ATLAS実験に向けたTGC検出器トリガーにおける前段回路試作機の動作検証」, 日本物理学会第76回年次大会, 2021年.
皆川真輝, 戸本誠, 堀井泰之, 加納勇也, 佐々木修, 田中真伸, 宮原正也, 池野正弘, 庄子正剛, 田内一弥, 他ATLAS日本トリガーグループ, 「高輝度LHC-ATLAS実験に向けたミュー粒子検出器における前段回路最終試作機の性能評価」, 日本物理学会2021年秋季大会, 2021年.

学位論文

宿谷琴子, 「高輝度LHC-ATLAS実験に向けたエンドキャップミューオントリガーのための高速データ転送回路の開発」, 修士論文, 2017年.
稲熊勇人, 「高輝度LHC-ATLAS実験エンドキャップミューオントリガーの実機前段回路の開発」, 修士論文, 2020年.
皆川真輝, 「高輝度LHC-ATLAS実験に向けたミュー粒子検出器における前段回路の実機開発」, 修士論文, 2022年.

その他

ATLAS Collaboration, "Technical Design Report for the Phase-II Upgrade of the ATLAS Muon Spectrometer" (Chapters 2 and 7), CERN-LHCC-2017-017, ATLAS-TDR-026, https://cds.cern.ch/record/2285580, 2017年.