Приборы и техника эксперимента, 2023, № 1, стр. 33-40

КРЕМНИЕВЫЕ ТРЕКОВЫЕ СИСТЕМЫ БУДУЩИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ НА УСКОРИТЕЛЯХ ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ

Столкновения ядро-ядро при энергиях от единиц до десятков гигаэлектронвольт на нуклон открывают уникальные возможности по достижению экстремальных плотностей ядерной материи. Подобные условия хорошо подходят для исследования уравнения состояния, структуры и свойств ядерной материи, а также для поиска фазовых переходов, восстановления хиральной симметрии и экзотических форм материи. Ожидается, что при больших значениях барионной плотности в ядерной материи будут присутствовать критическая точка и переходы между различными фазами, такими как адронная фаза, кваркониевая фаза, кварк-глюонная плазма и, возможно, “цветная” сверхпроводящая фаза. Экспериментальное наблюдение и изучение таких структур может быть значительным прорывом в понимании все еще не исследованных областей квантовой хромодинамики.

Однако диапазон энергий до 10–15 ГэВ на нуклон еще не был изучен в столкновениях тяжелых ионов. Для того чтобы исследовать эти области, создаются новые проекты в Центре по исследованию ионов и антипротонов FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) в Дармштадте и на строящемся в рамках российского мегапроекта ионно-коллайдерном центре NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility) в Дубне. Детекторы этих экспериментов предназначены для проведения координатных измерений с беспрецедентной точностью и большим количеством распадающихся на лептонные пары редких диагностических проб, таких как гипероны с большой странностью, очарованные частицы и векторные мезоны. Большинство этих частиц будет изучено впервые в диапазоне энергий FAIR и NICA. Для достижения необходимой точности требуется проводить измерения событий с частотой до 10 МГц. Для этого необходимы быстрые и радиационно-стойкие детекторы, оригинальная концепция чтения и анализа данных, включающая в себя считывающую электронику с режимом потокового чтения, а также производительный вычислительный кластер для онлайн отбора событий [1].

Восстановление треков заряженных частиц, в том числе и их импульсов, является одной из центральных задач детектирования в экспериментах физики частиц. В эксперименте Compressed Baryonic Matter at FAIR (CBM@FAIR) эта задача решается кремниевой трековой системой STS (Silicon Tracking System), расположенной в магнитном поле дипольного магнита. Она служит для восстановления треков и измерения импульсов всех рождаемых в мишени заряженных частиц и состоит из восьми трековых станций [2]. Для внутренних областей первых двух станций, где ожидаемая загрузка составляет 5%, были выбраны сенсоры высотой 22 мм, тогда как для внешних областей с меньшей загрузкой можно использовать сенсоры с высотой до 62 мм с целью уменьшения количества материала и считывающей электроники. Ширина каждого сенсора была выбрана равной 62 мм (рис. 1).

Рис. 1.

Сенсоры размером 22 × 62 мм, 42 × 62 мм и 62 × 62 мм.

Эксперимент Baryonic Matter at Nuclotron (BM@N) является первой стадией проекта NICA и предназначен как для изучения барионной материи и проведения иных побочных физических исследований, так и для тестирования оборудования проектов CBM@FAIR и NICA. Эксперимент BM@N схож с экспериментом CBM, поэтому все вышесказанное также относится и к его кремниевой трековой системе, за исключением количества станций – 4 вместо 8 (рис. 2) [3]. Поскольку в BM@N ожидаются значительно меньшие загрузки детекторов, то для внутренних областей подходят сенсоры высотой 42 мм, а для внешних – 62 мм. Сенсоры размером 42 × 62 мм, примыкающие к ионопроводу, будут изготовлены с вырезом для предотвращения нежелательного воздействия непровзаимодействовавшего с мишенью пучка ионов на сенсоры при сохранении максимального покрытия телесного угла. Оба проекта являются экспериментами на фиксированной мишени, и геометрия их детекторных систем – это магнитный спектрометр.

Рис. 2.

Схема STS эксперимента BM@N.

ТРЕКОВЫЕ МОДУЛИ

Модули STS состоят из кремниевых сенсоров, считывающей электроники и соединительных кабелей. Были созданы кремниевые микростриповые двухсторонние сенсоры толщиной 300 мкм, с 1024 стрипами на каждой стороне с шагом стрипов 58 мкм. Детекторы изготовлены по одной геометрии двумя производителями: CiS (Германия) и Hamamatsu (Япония). Угол между стрипами на двух сторонах равен 7.5° для уменьшения неопределенности при восстановлении треков. Шаг стрипов 58 мкм позволяет достичь максимального пространственного разрешения детектора порядка 17 мкм, даже без анализа амплитуд в кластере. В случае же учета амплитуд сигналов в кластере разрешение может составить единицы микрометров. Двухсторонние сенсоры позволяют получить обе координаты одновременно при том же количестве материала (кремния) в трековой системе, что в односторонних сенсорах, и в условиях ограниченного пространства трековой системы двухсторонние сенсоры являются лучшим решением, несмотря на большую сложность в изготовлении, высокую стоимость и сложность считывания сигналов двух разных полярностей.

Другая важная часть трекового модуля – это его считывающая электроника. Можно выделить два класса считывающей электроники – триггерная и самотриггирующаяся (управляемая потоком данных). Триггерная электроника работает по внешнему сигналу запуска – триггеру, тогда как самотриггирующаяся электроника сама генерирует сигнал запуска процедуры чтения сигнала индивидуально в каждом канале, что позволяет считывать с меньшими потерями сигналы с детекторов в случае больших загрузок или неизвестного времени взаимодействия частиц. Однако при этом самотриггирующаяся электроника обладает некоторыми существенными недостатками: большим шумом по сравнению с триггерной электроникой, высоким энергопотреблением и, соответственно, тепловыделением, а также необходимостью общей временной синхронизации всех каналов считывания с “часами системы”. Но в целом такая считывающая электроника признается на сегодняшний день более универсальным решением для экспериментов физики высоких энергий в случае больших загрузок и, тем более, отсутствия критерия выработки сигнала запуска.

В нашем случае в пучковых испытаниях использовалась детекторная электроника, основанная на самотриггирующейся специализированной интегральной микросхеме STS-XYTER [4]. Каждая такая микросхема позволяет считывать 128 каналов с сенсора.

Входная часть микросхемы представляет собой зарядово-чувствительный усилитель, обеспечивающий сбор заряда, образовавшегося в чувствительном объеме сенсора, и преобразование его в импульс напряжения. Далее сигнал проходит через две ветви: быструю и медленную. Быстрая ветвь оптимизирована для создания временных меток событий и использует CR–RC-усилитель-формирователь с временем формирования сигнала 30 нс, дискриминатор и устройство формирования 14-битной временной метки в коде Грея. Медленная ветвь состоит из CR–(RC)³-формирователя, работающего на 5-битный быстрый АЦП и цифровой пиковый детектор, позволяющий зафиксировать значение максимума амплитуды и оптимизировать шумовые характеристики канала.

Как было сказано выше, на одном двухстороннем сенсоре в трековом модуле имеется 1024 стрипа на каждой стороне и соответственно 2048 чувствительных каналов считывания, что соответствует 16‑ти микросхемам STS-XYTER, расположенным на двух платах Front-End Board-8 (FEB-8).

ПРОТОТИП ТРАКТА ЧТЕНИЯ КРЕМНИЕВОЙ ТРЕКОВОЙ СИСТЕМЫ ЭКСПЕРИМЕНТА CBM@FAIR

Поскольку эксперимент CBM@FAIR направлен на получение большого объема данных, для его системы считывания был выбран именно поточный принцип считывания. В этом случае сигнал запуска не приходит от других систем к электронике считывания детекторов, а вырабатывается самотриггирующейся считывающей электроникой, которая собирает, оцифровывает и фиксирует во времени все сигналы от детекторов. Собранные данные затем передаются в вычислительный центр, где они обрабатываются и ассоциируются с событиями в зависимости от физической задачи. Затем выбранные данные о событиях отправляются в хранилище. Но из-за высокой скорости взаимодействия и множественности в эксперименте CBM@FAIR ожидается, что скорость вывода данных будет значительно выше, чем скорость их архивирования. Поэтому необходимо разбиение данных в соответствии с временными интервалами и параллельная обработка этих пакетов данных.

Приблизительная блок-схема цепи считывания прототипа STS показана на рис. 3 [5]. В качестве электроники съема сигнала с детекторов использовалась конфигурируемая самотриггирующаяся специализированная микросхема STS-XYTER, установленная на интерфейсных платах (Front-End Boards – FEB). Следующей частью тракта являются платы считывания (ReadOut Boards – ROB), которые принимают данные с нескольких FEB по дифференциальным линиям, а затем концентрируют их в высокоскоростной оптический канал. ROB для эксперимента CBM@FAIR [6] будут основаны на системе GBTx, разработанной в CERN. Следующая часть системы состоит из плат обработки данных (Data Processing Boards – DPB) на базе платформы AMC FMC Carrier Kintex (AFCK) [7]. Основное назначение DPB – считывание данных, последующая сортировка, мультиплексирование прочитанных данных и упаковка в автономные контейнеры, называемые “микросрезами” (Micro-Slices – µS). Медленный контроль и конфигурация детекторной электроники будут осуществляться через DPB по протоколу IPBus, который основан на стандарте Ethernet. Затем данные в виде микросрезов передаются по оптическому каналу связи на конечную аппаратную часть тракта считывания – PCIe-платы на основе FPGA, расположенных в серверных компьютерах. PCIe-платы используются в качестве входа для селектора событий первого уровня, называемого FLES (First Level Event Selector) Input Board (FLIB). FLES – специализированный цифровой процессор, используемый для объединения и онлайн обработки полученных данных с целью обнаружения, реконструкции и выделения событий.

Рис. 3.

Блок-схема системы чтения STS эксперимента CBM@FAIR.

По оптическим каналам между DPB и FLIB передаются данные от детекторов в виде микросрезов [8]. Микросрез содержит все данные для одного DPB за определенный промежуток времени. Поэтому контейнер-микросрез имеет фиксированную временную длину, но может варьироваться по размеру данных. Базовое значение времени используется при генерации микросреза и синхронизировано во всем эксперименте. Заголовок также содержит индекс микросреза, который представляет собой счетчик, работающий параллельно во всех DPB. Этот счетчик, наряду с синхронизированным по установке базовым значением времени, позволяет впоследствии сопоставить соответствующие триггеру микросрезы и построить полные контейнеры данных, называемые “временными срезами” (Time-Slices – tS).

Временные срезы – это двухмерные коллекции микросрезов. Первым измерением является время, представленное индексом микросреза, вторым измерением – компоненты, которые создают микросрезы, в нашем случае это DPB. Временной срез содержит основные микросрезы, в которых происходит поиск событий, и некоторые перекрывающиеся микросрезы. Область перекрытия позволяет независимо обрабатывать временной срез: данные, принадлежащие событиям, находящимся вблизи границы основной части временного среза, могут быть найдены без обращения к предыдущему или следующему временному срезу.

Следует отметить, что в настоящее время на смену вышеописанной концепции предложено использование общего интерфейса считывания (Common Readout Interface – CRI), который позволяет объединить функциональность как DPB, так и FLIB в одной плате на базе более современной и мощной FPGA [9]. Тем самым будет достигнуто уменьшение числа звеньев цепочки чтения и количества оптических линий, а также увеличение скорости медленного управления системой сбора данных в рамках предложенной ранее концепции.

ПУЧКОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ ПРОТОТИПОВ СИСТЕМ СБОРА ДАННЫХ И ВРЕМЕННОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ

Испытания проводились с использованием экспериментальной установки на ускорителе LINAC-200 [10]. LINAC-200 – это линейный ускоритель электронов с энергией до 200 МэВ. Основными целями этого теста являлись тестирование считывающей электроники, системы сбора данных (DAQ) и системы синхронизации времени между станциями, а также сбор данных в режиме потокового чтения [11].

Экспериментальная установка состояла из двух детекторных станций на основе демонстраторов с “бэби”-сенсорами размером 14.9 × 14.9 мм с 256 стрипами на каждую сторону и углом 90° между стрипами на разных сторонах. К каждому демонстратору через разъемы с увеличенным шагом выводов подключены 4 платы детекторной электроники FEB_B с микросхемами STS-XYTER v.2.0 (рис. 4). Станции располагались вдоль оси пучка ускорителя на расстояниях 30 и 65 см от конца ионопровода.

Рис. 4.

Тестовая станция с “бэби”-сенсором (1) и четырьмя интерфейсными платами FEB со считывающей электроникой под медными экранами (2).

Система сбора данных в пучковых испытаниях схожа с описанной выше. Однако, из-за того что ROB находилась на этапе разработки и рассчитана на полноразмерные модули, ее функционал был реализован и протестирован на базе DPB. Такая возможность обусловлена использованием демонстраторов с меньшим количеством каналов на сенсорах, но схожих по параметрам с реальными детекторами. Так, в прототипе не использовалась программная часть FLES, также находящаяся в стадии разработки.

Для обработки данных использовались две платы AFCK с мезонинными платами gDPB FMC. Одна AFCK позволяет подключить до шести плат FEB по медным дифференциальным линиям стандарта LVDS с развязкой по постоянному току. Дополнительная плата AFCK с двумя мезонинными платами FMC tDPB использовалась в качестве мастер-платы временной синхронизации [12] для синхронизации временной отметки на платах DPB. Мастер-плата генерирует тактовый сигнал 40 МГц и PPS (Pulse Per Second) сигнал по Ethernet кабелям CAT6. При помощи специального алгоритма временная система обеспечивает синхронизацию плат DPB и фронтальной электроники детектора с наносекундной точностью. При этом компенсируются все задержки линий и обеспечивается стабильность синхронизации во времени.

Сбор данных осуществляется на серверном узле через плату FLIB, данные с которой архивируются в памяти компьютера и обрабатываются онлайн-монитором через шину PCIe с применением технологии DMA.

Для привязки ко времени использовался стартовый импульс от ускорителя, который запускает внешний генератор импульсов, подающий трапецеидальный импульс на две дополнительные FEB. Эти платы были подключены к двум различным AFCK, что позволяет нам также контролировать синхронизацию по времени. Блок-схема системы считывания тестовой установки показана на рис. 5.

Рис. 5.

Блок-схема системы сбора данных. FEB_B – FrontEnd Board версия B; STS-HCTSP – STS Hit Control Transfer Synchronous Protocol; AFCK – AMC FMC Carrier Kintex; AMC – Advanced Mezzanine Card; FMC – FPGA Mezzanine Card; tDPB и gDPB – Data Processing Board типов t и g; uTCA – Micro Telecommunications Computing Architecture; IPbus – Internet Protocol Bus; FLIB – FLES Input Board; FLES – First Level Event Selector.

Испытания проводились при энергиях электронного пучка 50 и 150 МэВ. Измеренный профиль пучка показан на рис. 6. Высокоэнергетичные электроны теряют энергию в веществе преимущественно за счет тормозного излучения. Это объясняет, почему амплитуды сигналов достаточно высоки по сравнению с типичными сигналами MIP (Minimum ionizing particle). Это позволило нам использовать более высокие пороги сигналов в электронике, чтобы минимизировать вклад шумов. Примеры сигналов от электронов с энергиями 150 и 50 МэВ показаны на рис. 7.

Рис. 6.

Профиль пучка на станции 1 (слева) и станции 2 (справа).

Рис. 7.

Амплитуды сигналов от электронов с наиболее вероятной энергией 150 МэВ (слева) и 50 МэВ (справа). Собранный заряд составил 11.5 ± 0.1 фКл для электронов с энергией 150 МэВ и 6.10 ± 0.06 фКл для электронов с энергией 50 МэВ.

Таким образом, был протестирован прототип электронного тракта эксперимента CBM и система синхронизации времени на основе плат AFCK. Испытания показали, что синхронизация времени между несколькими микросхемами, подключенными к разным платам AFCK, была стабильной, и может работать в течение 10 ч. Время рассинхронизации составляло менее 10 нс, что не превышало стандартного времени сбора заряда в кремниевых сенсорах. Разница во времени между сигналами с P- и N-сторон сенсоров показана на рис. 8, а между сигналами с двух сенсоров – на рис. 9.

Рис. 8.

Разница во времени между сигналами на N- и P-стороне сенсоров станции 1 (слева) и станции 2 (справа).

Рис. 9.

Разница во времени между сигналами на N-сторонах сенсоров станций 1 и 2 (слева) и на P-сторонах сенсоров станций 1 и 2 (справа).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Были протестированы системы синхронизации времени и сбора данных на основе плат AFCK и микросхем STS-XYTER v.2.0. На основе полученных результатов разработана новая версия микросхемы STS-XYTER v.2.1 с оптимизированными шумовыми характеристиками, дополнительным функционалом мониторинга параметров и исправлениями ошибок в работе цифровой части микросхемы.

Синхронизация времени между несколькими микросхемами считывания, подключенными к разным платам AFCK, была стабильной. Также была протестирована работа системы считывания в потоковом режиме сбора данных.