Ифвэ, Протвино Изучение сп

6Триггер, электроника и система сбора данных

Система сбора данных установки нацелена на регистрацию всех взаимодействий в мишени. В качестве триггера нулевого уровня (T_L0) может быть использован сигнал с пучкового телескопа (S1-S3) в антисовпадении со счетчиком S4 на пучковую частицу, прошедшую через мишень без взаимодействия (см. Рисунок 26).

Рисунок 26. Схематическое изображение триггера нулевого уровня.

Такой триггер накладывает жесткие требования на временные свойства и производительность регистрирующей электроники и систему сбора данных. При максимальной интенсивности пучка 1.7∙10⁷ частиц/секунду скорость счета T_L0 будет составлять порядка 1.7∙10⁶ триггеров в секунду, т.е. время преобразования регистрирующей электроники и запоминание информации вместе не должны превышать 600 нсек. Для обеспечения минимального “мертвого” времени функции преобразования аналоговой информации, компрессии и записи данных в буферную память предлагается совместить в одном модуле Front-End (FE) электроники. Пересылка данных из буферной памяти будет происходить по последовательной линии из каждого модуля (гигабитный Ethernet). Объем буферной памяти должен быть достаточно большим для хранения событий, зарегистрированных в течение времени сброса У70 (1-3 секунды). Для модуля на 100 каналов АЦП при 10% загрузке детектора это составляет 100∙0,1∙1.7∙10⁶ слов или 35 Мб. Триггер второго уровня может быть использован для блокирования передачи накопленной информации из буферной памяти при отрицательном решении. После передачи данных из буферной памяти на компьютерную ферму также будет реализован триггер третьего уровня для уменьшения потока данных при записи на архивный накопитель. Архитектура системы сбора данных представлена на Рисунок 27. FE модули могут быть выполнены в стандарте VME и будут расположены вблизи детектора. Управление, тестирование и конфигурирование также может быть реализовано в стандарте VME.

Рисунок 27. Архитектура системы сбора данных.

Как резервный вариант для второго этапа эксперимента с чармонием рассматривается специализированный триггер на J/. Наличие двух треков в мюонном калориметре обеспечат триггер на распад J/ в мюонной моде. Для выработки триггера на J/ в моде распада на е⁺ и е^- пару используется информация с триггерного ячеистого годоскопа и ЭМК. Пары е⁺ и е^- от распада J/ с массой 3,1 ГэВ/c², в основном, имеют величину поперечного импульса р_Т > 0,6 ГэВ/с (результаты моделирования импульсов е⁺е^- пар от распада J/ при 70 ГэВ представлены на Рисунок 28). Для выработки триггера ЭМК разбивается на 100 суперблоков. В центральной зоне один суперблок представляет матрицу 77 счетчиков, на периферии – матрицу 55 счетчиков. Для каждого суперблока определяется выделившаяся в нем поперечная энергия E_Т. Совпадение сигналов с суперблока (E_Т > 0,6 ГэВ/с) с соответствующей ячейкой триггерного годоскопа будет триггером на J/. Эффективность такого триггера составляет 90%.

В трех детекторах GEM 3000 каналов АЦП.

Мини-дрейфовые камеры – это 1900 каналов ВЦП.

Пропорциональные камеры – 11600 каналов регистров.

Черенковские счетчики С1 и С2 – 24 канала АЦП и 24 канала регистров.

Электромагнитный калориметр – 3244 канала АЦП.

Адронный калориметр – 400 каналов АЦП.

Триггерный ячеистый годоскоп – 100 каналов регистров.

Мюонный днтектор – 3725 каналов регистров.

Итого с небольшим запасом в СПАСЧАРМ 25,000 каналов электроники. Из них

При 70 ГэВ в рр- столкновениях средняя множественность события составляет 4 заряженные и 2 нейтральные частицы. Для оценки объема принимаемой информации возьмем в каждом событии двойное превышение средней множественности (8 заряженных частиц-адронов и 4 нейтральных частиц- ⁰ -мезонов).

Трековая система состоит из 3000 каналов АЦП в трех GEM-детекторах, 1900 каналов ВЦП в 12-ти плоскостях мини-дрейфовых камер, а затем из 11.600 каналов регистров в 14-ти плоскостях пропорциональных камер. В GEM-детекторах считаем, что на каждую заряженную частицу сработают 5 стриппов в Х-плоскости и 5 стриппов в У-плоскости. Тогда полное число сработавших каналов будет 240 каналов 10-битных АЦП.

При расчете максимальной загрузки каждой плоскости камер считалось, что число одиночных срабатываний от прохождения заряженной частицы через камеру равно 70%, двойных 20%, тройных 5%, четверных 5%. При среднем уровне шума 3 срабатывания на плоскость, получим всего 14 срабатываний на плоскость или 520 срабатываний на все камеры трековой системы. Из них 168 каналов 12-битных ВЦП и 196 регистров.

В ЭМК в среднем сработают 25 ячеек ЭМК от каждого из 8-ми -квантов (продуктов распада 4-х ⁰ -мезонов), что составит 200 сработавших каналов ЭМК. Также в ЭМК попадут 8 заряженных адронов. Так как ЭМК имеет одну ядерную длину по веществу, то 3 адрона дадут по одному срабатыванию (минимально ионизирующая частица), а 5 разовьют адронные ливни средним размером 12 ячеек ЭМК (учтены шумовые срабатывания и порог регистрации). Всего загрузка ЭМК в событии не превысит в среднем 260 срабатываний. Это 12-битные АЦП.

В адронном калориметре в среднем на один адронный ливень сработает 9 ячеек (размер ячейки АК заметно больше размера ячейки ЭМК). Итого на 12 адронов с учетом шумов сработает 120 каналов также 12-битных АЦП.

Подавление адронов до мюонного детектора (7,5 ядерных длин ЭМК+АК) составляет 510^-4. Так как перед сцинтилляционными годоскопами мюонного детектора находятся железный поглотитель толщиной не менее 110 см, то от адронного ливня остается только мюонная компонента. Будем считать, что в каждом событии образуются до 5-ти мюонов от распада - и К-мезонов, родившихся в мишени и распавшихся до ЭМК. Итого сработают 5 пластин. Шумовые срабатывания оценим как 10. Итого 15 сработавших каналов на одну плоскость мюонного детектора или 45 срабатываний на весь мюонный детектор. Это регистры.
6.3 Длина события в байтах.

Всего получилось 620 каналов АЦП, 168 каналов ВЦП и 240 каналов регистров.

В регистрах в экстремальном случае будет одно слово на срабатывание 16-битного регистра (всего 240 слов). Информация о 620 каналах АЦП составит 1240 16-битных слов (амплитуда и адрес). Для ВЦП также амплитуда и адрес на срабатывание – всего 336 16-битных слов. В сумме 1816 16-битных слов. Ещё 234 слова – это информация с пучковых детекторов, двух черенковских счетчиков С1 и С2, пересчеток, заголовки событий и другая служебная информация. Итого 2050 16-битных слов на событие или 4 Кб памяти в экстремальном случае.

. При записи 5х10⁶ событий со средней длиной одного события 2 Кб за цикл длительностью 3 сек (это для предельно возможной интенсивности протонов, выведенных в 14-й канал через кристалл, – 5х10⁷ протонов за цикл У-70) полный объём информации составит, в среднем, 10 Гб за цикл ускорителя.

При работе на пучке ионов размер одного события будет на порядок больше (около 40 Кб), однако из-за меньшей интенсивности пучка ионов общее количество событий за цикл на два порядка меньше. Объем информации за цикл на пучке ионов не более 1,2 Гб.

Таким образом, предлагаемая система сбора данных имеет скорость приема до ~3 Гб/сек, что примерно на три порядка выше систем, например, на Сфинкс (5,2 Мб/сек) и Вес (6 Мб/сек) и примерно на порядок выше, чем на рекордной сегодня системе сбора данных эксперимента Compass в ЦЕРНе (240 Мб/сек).

В эксперименте предлагается триггер нулевого уровня на взаимодействие в мишени. Он в 10 раз подавит число взаимодействий по отношению к интенсивности пучка (у нас в мишени 0.1 ядерной длины). Как мы знаем из предыдущего параграфа в самом экстремальном случае (5х10⁷ протонов за цикл У-70 длиной 3 сек) в сумме у нас будет до 10 Гб за цикл. Триггера 1-ого уровня у нас нет, то есть, вся информация после выработки триггера 0-го уровня считывается с детекторов, оцифровывается и записывается в буфера памяти, размещенные на электронных “front end” платах на детекторах. За 7 секунд между циклами У-70 нам надо передать всю информацию из буферных памятей, расположенных на детекторах, в память компьютера, где будет размещаться Event Builder. Если мы будем передавать эту информацию по гигабитному (~100 Мб в секунду) Ethernet-каналу, то в сумме мы сможем передать только 700 Мб из 10 Гб. Необходим триггер второго уровня с подавлением, как минимум, в 15 раз. Приведем пример возможной логики триггера 2-ого уровня. В триггере 2-ого уровня должно быть положительным, как минимум, одно из трех условий:

1. 
   в событии есть хотя бы одна заряженная частица с поперечным импульсом p_T>0.5 ГэВ/с (определяется по информации с трековой системы);
   
2. 
   в событии поперечная энергия в электромагнитном калориметре больше некой пороговой величины;
   
3. 
   по информации с мюонного спектрометра в событии есть, как минимум, два мюона.
   

Перед окончательной записью информации на носители на фермах компьютеров должен вырабатываться триггер 3-его уровня для того, чтобы успеть записать информацию с цикла У-70 на носители. Ожидаем подавление объема информации триггером 3-его уровня в ~7 раз. Если у нас за цикл остается 100 Мб данных, то за час (360 циклов) у нас будет 36 Гб данных. На один жесткий диск с объемом 200 Гб разместится информация, собранная за ~6 часов работы на пучке. За сутки будет записано ~4 таких диска, а за сеанс (20 суток набора информации в лучшем случае) 80 таких дисков, что вполне разумно. При стоимости сегодня таких дисков около 1500 руб. за штуку, полная стоимость носителей информации, необходимых на один длинный успешный сеанс будет 120 000 руб. Со временем стоимость 200-Гб дисков будет падать. Будут появляться недорогие жесткие диски с большим объемом памяти.