Transcript ビームモニター情報
DAQ system for the J-PARC n beamline and the T2K experiment Yoshinari Hayato (KEK) for the J-PARC n beamline construction group and the T2K collaboration T2K experiment (J-PARC long baseline neutrino exp.) J-PARC 50GeV PSを用いた 長基線ニュートリノ振動実験 K2K実験の約50倍のビーム強度 SK JPARC 振動パラメータにあわせて、 ニュートリノのエネルギーを 調整可能 実験の感度を最適化 nm nt振動の精密測定 これまでの10倍以上の精度で振動パラメータを決定 nm ne振動の観測 振動パラメータ（q13)は、まだ上限値しか求まっていない。 これまでの実験の20倍の領域まで探索が可能。 将来のCP非保存探索実験へ Off Axis Beam Super-K. Decay Target Horns Pipe En(GeV) (ref.: BNL-E889 Proposal) Quasi-monochromatic Beam エネルギー調整が可能 0.8 maximize the sensitivity! 0.4 Neutrino energy spectrum (cross-section x flux) OA3° OA0° OA2° q n beam energy can be tuned by changing the off-axis angle. OA 2deg OA 3deg 2 4 6 8 Pp(GeV/c) More intense (2~3times) than NBB Expected # of interactions @ SK (OA 2.5 deg,1 yr,22.5 kt) OA2.5° nm total : ~ 2200 CC : ~ 1600 ne ~0.4% at nm peak (40GeV@T=0) # of protons / pulse 3.3x1014 Beam power 750kW Bunch structure 8 (15) Bunch length ~60ns Bunch spacing ~600(~300)ns Spill width ~5ms Cycle 2.5~3.5 sec. 5ms 2.5~3.5s 600ns (300?) ~60ns Extraction point Target Target station volume Proton beam energy 50GeV Primary Proton beam line Decay J-PARC neutrino beamline beam dump muon monitor Near neutrino detector Neutrino detectors p p 0m n 140m 280m SK 2 km 295 km 280m detector hall (hole) • First near detectors @280m – 2 detectors: On & Off-axis – On-axis: intensity/direction Off-axis SK ・ Grid type detectors – Off-axis: Flux & spectrum measurements ninteractions ne measurements ・TPC + Scintillator 37m FGD MRD 2° On-axis n beam 5m 3° ~14m 19mf Schematic view of the neutrino detector (off axis) UA1 magnet (~0.2T) 3.5 x 3.6 x 7.0 m3 • TPC • FGD Fine segmented scintillator target tracking detector • p0 detector Fine segmented scintillator tracker with thin Pb sheet • Electromagnetic calorimeter Scintillator + Pb (under design) • Side Muon range detector Scintillator slabs We are planning to use 50,000(~100,000?) MPPC (SiPM). Proposed architecture of the DAQ system for the neutrino detectors MPPC (SiPM) MPPC (SiPM) MPPC (SiPM) FEB FEB FEB Merger Module GbE Run Controller Merger Module GbE Local event builder (Fine grained detector) Local event builder (TPC) Gigabit Ethernet Event builder Local event builder (Electron calorimeter) Local event builder (Pi-Zero detector) Local event builder (Side MRD) Storage interlock signals 加速器 PQ 1 PQ 2 B PQ 5 サ ブ トン 室 保安 SM 1 UQ2 UQ3 電源 ST1 PV 1 P Q4A P Q3A PQ 3 B ST2 UQ4 棟 SM 2 UH1 UQ5 ST3 ド 管理 UH2 ＮＤ１ UH3 タンク 林伐 採エ リア 第３電源棟 ビームタイミング信号 建屋 壁面 より５ 伐採 ｍ離 面積 れた 計 ：０ とこ ろ ． 286ｈ まで保 ａ 安林 ヤー ド 伐採 。 場 ク ドル 置 ァタン カー バ ッフ PH 1 b end 1 .9 2 deg. 輸送 道路 レベ 土盛 ル TP り上 面 +9 .3ｍ は TP へ。 ニ ュー +10.8 トリ ノ ｍ保 建屋 離れ 存す を輸 る方 向 るた め 送道 へ ５ｍ 法面 路側 （０２０ 発生 へ ３ｍ 移動 ２０７ 。 。 、８間 小林 隆） 道路 から 機械 レッサ コンプ 棟 PH 2 PD 1 b end 1 .9 2 deg. ST4 ー室 冷凍 窒素 液体 低温 P Q2A PD 2 機室 ルB PQ 4 B UD1 UD2 UQ1 サ ブトンネ ヤー WC 出入 PH 3 ネルA 電気 室 UV2 PV 2 電気 制御 UV1 NM1 5,80 0 l/m in (低 980 温設 l/m in 備) (磁 石 電源 ) 適 C さ W当 な 広 37. 5m 4 % slo pe ブ トン ネ ル 電気室 電 源ヤード ＮＤ２ DQ2 D SH DQ3 DQ4 シ ャッ ター D SV DQ1 電源室 DD1 DD2 DD3 H orn2 H orn1 ~ 4 ,500l/m in(磁 石 汚 染 ) トンネル 空 調 T S換 気 NM2 ヤード 冷却棟 放射化物保管室 3 .0 1 3 0 .0 6 .6 6 .6 2 0 .0 3 .0 5 .6 5 .6 : 制御室 ビームモニター読み出し装置、 磁石電源制御装置、冷凍機制御・監視装置、 環境モニター読み出し装置などが設置される。 3 0 .0 3 .0 3 .0 3 .6 2 .4 2 .4 3 .6 1.50 μ ピ ッ ト１ 3 .5 2.50 2.50 3.50 3.50 1.50 μ ピ ッ ト 1鉄 置 場 4 .6 4 .6 1 3 .5 decay pipe pe C サ ブ トン ネ ル D Target Station 4 %s lo サ 6 0 .0 To J-PARC central control bld. Neutrino beamline layout ビームモニター情報、環境情報、機器状況情報等 3.00 4.00 1.50 7 .0 2.00 2.00 4 .5 8.00 5 .0 5 .0 μ ピット 測定室 1 5 .0 μ ピ ッ ト２ 5 .0 25,000 To Kamioka m-pit が読み出される。 ニュートリノ検出器からの情報とあわせて蓄積、 さまざまなデータを総合して物理解析に用いる。 computer network (control / data flow path) Near n detector Schematic view of the entire system slow control 安全装置など（ドア、インターロックなど） ホーン・ターゲット 超伝導電磁石 Decay Volume and Beam dump 及び冷凍機システム Control system Network Event builder EPICS Interface Data server J-PARC 中央制御室 常伝導電磁石 (monitor) DAQ network GPS ビームモニター ( incl. loss monitors) 電磁ホーン Firing & monitoring Spill sync. Optical fibers for the timing signals 50GeV ext. kicker timing signal ニュートリノ検出器 Data server DAQ and Control system of the neutrino beamline システム全体において、特に大事な点 • ビーム調整を効率的に(ロスをできるだけ少なく）、より正確に行うためには、 ビームモニターからのデータを用いて磁石電源を的確に制御する必要がある。 • ビーム軌道のズレはビームライン機器を破損につながる。 特に、ターゲット上でのビーム位置の数mmのずれは、ターゲットの破損につながる。 • 安定したビーム供給のため、ビームモニタからフィードバックすることも可能な システムとする必要がある。 ⇔ ・ ビームモニターからのビーム情報や、ビームライン機器の状況（電磁石電源など） の情報を常に監視しておくこと。 ・ また、制御機器とモニターの相互のデータのやりとりができていることが重要。 • 一次・二次ビームの情報 （ビーム通過時間、強度、陽子のターゲット上での位置・ひろがり、 二次粒子の広がり、中心位置など）の情報は、実験データの解析に必須 ⇔ビームモニターからの情報のないデータは、基本的に解析には使えない。 ⇔ニュートリノ検出器のデータとビームラインの情報も容易に相互参照できる必要がある システムの統一的なデザイン、特にデータ共有が重要となる 見通しの良いシステムが必要 DAQ and Control system of the neutrino beamline システム全体において、特に大事な点 多様な読み出し機器（モジュール）が使われることになってしまう VME (KEK-VME modules, standard 6U VME modules) Data logger (Agilent etc.) CAMAC(?????) など 読み出し機器の場所は、ビームライン全体に散らばる。 通常のセンスのDAQシステムとして構築されるビームモニター系だけでも 数百メートル離れた４ヶ所の制御室に読み出し機器が設置される予定。 Event builder / Run control / process control などが必要 非常に強いビームを扱っているので、機器の保護・トラブル防止という観点から、 モニターの読み出しが異常/不調になった場合もすぐビームを止めることも。 システムの安定性が非常に重要 (安定していない限り、運転・実験はできない) Schematic view of beam monitor readout system storage GPS database Event builder Loss monitor charge integrator + ADC ~100 channels Custom modules (same for the hadron facility) Ethernet Horn Current monitor (Slow FADC) (4ch/horn) 12 channels Intensity Monitor Profile monitor CT SSEM ~65MHz FADC ~65MHz FADC with shaper with shaper & 500MHz FADC (64ch/detector) 4 channels ~1200 channels Position monitor BPM ~250MHz FADC (4ch/detector) ~80 channels Optical fibers to distribute timing signals 50GeV ext. kicker synchronized timing signal COPPER based system VME modules (same as K2K) Custom VME modules(?) Beam profile monitor Segmented secondary emission monitor (SSEM) チタンストリップを用いたビームプロファイルモニター シグナルがpositiveなので汎用のエレキが使えないｰ>シェーパー付FADC （ＮＭＬでのシングルバンチテストデータ） Beam monitor readout system Common Readout Platform: COPPER Form factor = VME 9U Frontend card PMC Processor Frontend card On-board Ether (IA32 ~800MHz) Linux is running Frontend card Frontend card CPU & memory Trigger module Generic PMC slot Possible to integrate charge calculate beam center calculate beam width compress data etc... (KEK electronics & online group) Beam monitor readout system (KEK electronics & online group) • 65MHz FADC (with shaper) – Integrated charge can be measured – 8 channels (differential input) – Dynamic range = 12 bit – Equips 512 word/channel FIFO • 500MHz FADC – 2 channels (differential input) – Dynamic range = 8 bit – Equips 2048 word/channel FIFO • Single-differential converter + Attenuator module (製作中) – 32 channels/module – 4 level attn. (VME control) – 9U VME board We are testing these modules with prototype beam monitors. Summary 大強度ビームを扱うので、ビームモニターDAQシステムの安定性は非常に重要 ニュートリノ実験では、ニュートリノ検出器だけでなく、ビームモニターなどの 情報が解析に必須となる ニュートリノ検出器だけでなく、ビームモニター･ビーム制御までを含めた全体での システムを作る必要がある。 ビームモニターも、ニュートリノ検出器もどちらもネットワーク経由のシステムとなる ので、一定のレベルでソフトウェアコンポーネント共有が可能。 ただし、エレクトロニクス（＋読み出しソフトウェア）は海外のコラボレータが開発の 場合もあるので、標準化が必要 汎用性のあるシステムなら、メンテナンスコストが低減できる。 ＝スタンダードなシステムがあると嬉しい。