Data Acquisition (DAQ) System der CMS-Myonkammern

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1 Graduiertenkolleg Bad Honnef, August 2005 Michael Sowa III. Physikalisches Institut A RWTH Aachen Data Acquisition (DAQ) System der CMS-Myonkammern Graduierten Kolleg Bad Honnef Michael Sowa 1/16

2 Inhalt CMS-Detektor und die Myonkammern Driftzeitdigitalisierung Read Out Boards (ROB) und die MiniCrates Read Out Server (ROS) Anwendung des DAQ-Systems im Aachener Myonkammer-Teststand Test des DAQ-Systems beim Chamber Commissioning im CERN Zusammenarbeit Graduierten Kolleg Bad Honnef Michael Sowa 2/16

3 CMS-Detektor und die Myonkammern 250 Barrel- Myonkammern davon 70 in Aachen gebaut ca. 2 bis 4 x 2 x 0,3 m 3 Anodendraht Feldformung Jede Kammer: 3 Superlagen 13 mm Eisenjoch 42 mm µ Kathode Jede SL: 4 Lagen Driftzellen SL φ SL θ ca. 600 bis 1000 Driftzellen pro Kammer Wabenträger insgesamt Auslesekanäle Graduierten Kolleg Bad Honnef Michael Sowa 3/16

4 Myondetektion H ZZ 4µ t 4 µ t 3 t 1 t 2 t i < 380 ns Messe die Driftzeit t i in jeder Zelle Bestimme die Entfernung des Myondurchgangs zum Anodendraht x i = t i v drift v drift = 55 µm/ns = const Rekonstruiere die Myonspur Myonspur durch einen CMS-Sektor, vereinfacht dargestellt Aus der Spurkrümmung bestimme den Transversalimpuls des Myons p T Graduierten Kolleg Bad Honnef Michael Sowa 4/16

5 Datenerfassung der Barrel-Myonkammern LHC-Luminosität cm -2 s -1 Trefferrate bis 10 Hz/cm 2 1 khz/zelle Level-1-Triggerrate 100 khz Wechselwirkungsperiode 25 ns maximale Driftzeit 380 ns Level-1-Triggerlatenz 3,2 µs schnelles Datenverarbeitungssystem ausreichende Speicherkapazität, Überlappungsmechanismus des Triggers Read Out Boards (ROB): 2-stufiges Datenerfassungssystem Digitalisierung der ankommenden Zeitsignale Read Out Server (ROS): Datenzusammenfassung und -übertragung Graduierten Kolleg Bad Honnef Michael Sowa 5/16

6 Zeitdigitalisierung 4 High Performance Time to Digital Converters (HPTDC, CERN): jeweils 32 Auslesekanäle DLL Meßprinzip trigger Auflösung < 265 ps Aufnahmefrequenz < 2 MHz Strahlungsresistent (> 30 krad) Graduierten Kolleg Bad Honnef Michael Sowa 6/16

7 Read Out Boards (ROB) Read Out Boards (ROB, CIEMAT Madrid): 128 Eingangskanäle (LVDS Norm): 4 HPTDCs mit jeweils 32 Auslesekanälen Ausleserate 200Mbps 2,5 1,5 A (max) und 3.3 1,0 A (max); resistent gegen Überbelastung Temperaturresistent: ( t/t) max = 40 ps/ C Graduierten Kolleg Bad Honnef Michael Sowa 7/16

8 Read Out Boards (ROB): Datenauslese Chamber Signals Token ring HPTDC HPTDC HPTDC HPTDC 8+1 bit Serializer Valid Data 20 MHz Data Ready Get Data ALTERA MAX7000 CPLD 40 MHz header Output time measurement trailer Graduierten Kolleg Bad Honnef Michael Sowa 8/16

9 MiniCrates Insgesamt 250 MiniCrates, 1500 ROBs: TTC DCS CCB Link Board Chamber Signals Server Board (SB) Trigger Boards (TRB) to ROS RO Link Control Board (CCB) Read Out Boards (ROB) RO Link Board MiniCrate Graduierten Kolleg Bad Honnef Michael Sowa 9/16

10 Read Out Server (ROS) 60 ROS-Module (VME Norm, 9U Höhe), 1 pro Sektor (= 4 Kammern): jeweils 25 Eingangskanäle, mit je einen 16 kbyte FIFO-Bufferspeicher Zusammenfügen der Daten, + ROB-Nummer, Linkstatus, etc.; Datenweiterleiten zur DDU (Bandbreite 800 Mbps) 1MB Zusatzspeicherplatz für Testprozeduren Triggersignale über VME-backplane für Tests und Synchronisierung CIEMAT, Madrid ROS-8 Prototyp (8 Kanäle, 6U) für flexiblen Einsatz und Auslese in der Testphase Graduierten Kolleg Bad Honnef Michael Sowa 10/16

11 Datenerfassungssystem am CMS 1500 ROBs in 250 Minicrates direkt an den CMS-Myonkammern DDU im Kontrollraum 60 ROS-Module in Steuerungsschränken am CMS-Detektor 30 m Kupfer LVDS 240 Mbps Bandbreite BER < m optische Faser 800 Mbps Bandbreite Graduierten Kolleg Bad Honnef Michael Sowa 11/16

12 Eine Myonkammer wird mit MiniCrate ausgestattet und getestet: Konzeptentwurf und -realisierung für den Aufbau des CMS- Myonkammerauslesesystems Entwicklung und Testen geeigneter MiniCrate-Steuerungssoftware Entwicklung und Testen geeigneter ROS-Auslesesoftware Ziel: Analyse der Daten und Vergleich mit den bereits gewonnenen Ergebnissen MiniCrate im Aachener Teststand Graduierten Kolleg Bad Honnef Michael Sowa 12/16

13 DAQ-Aufbau mit MiniCrate in Aachen Muon Chamber chamber signals I2C bus PC sys tem control MC control ROB drift time digitising MiniCrate DCS detector control event data TTC control ROS control TTC trigger and counter trigger and time information chamber data ROS data storage trigger in Graduierten Kolleg Bad Honnef Michael Sowa 13/16

14 Chamber Commissioning in CERN Myonkammern komplett mit Auslese-, Trigger- und DCS-Elektronik ausgestattet und sukzessiv in die Detektorräder eingebaut (ohne externen Trigger) Haupttests: Funktion der MiniCrates Cosmic-Datennahme the happy commissioner Weitere Aufgaben: Optimierung der DAQ-Software Validierung der Datenanalyse Überprüfung der Funktionsfähigkeit der DAQ-Systemumgebung (PC, ROS, TTC, Versorgungsspannung ) (!!!) Graduierten Kolleg Bad Honnef Michael Sowa 14/16

15 Chamber Commissioning in CERN TESTED Detektorrad Z+2: 34 Myonkammern eingebaut davon bis jetzt 27 erfolgreich getestet Datennahme via MiniCrate: Autotrigger-Modus Cosmic und Testpulse bis zu 4 Millionen events pro run mind. sechs verschiedene Trigger-Configurationen pro run Graduierten Kolleg Bad Honnef Michael Sowa 15/16

16 Zusammenarbeit CIEMAT Madrid (Spanien): ROB-Herstellung und -Tests ROS-Herstellung und -Tests INFN Padova, INFN Legnaro (Italien): Control board (CCB)-Herstellung und -Tests MiniCrate-Herstellung MiniCrate-Installation und -Tests (CERN) DAQ-Softwareentwicklung III. Phys. Institut A, RWTH Aachen (Deutschland): MiniCrate-Installation und -Tests (CERN) Einsatz des DAQ-Systems zum Testen der Myonkammern mit kosmischen Myonen Einsatz und Auslese der DCS-Elemente Graduierten Kolleg Bad Honnef Michael Sowa 16/16