ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2021, том 84, № 1, с. 26-29

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ

СИСТЕМА СБОРА ДАННЫХ

ДЛЯ КАЛОРИМЕТРА ДЕТЕКТОРА BELLE II

Д. В. Матвиенко^1),2)***, M. А. Ремнев^1),2)****, Ю. В. Усов^1),2)*****

Поступила в редакцию 28.04.2020 г.; после доработки 28.04.2020 г.; принята к публикации 28.04.2020 г.

Электромагнитный CsI(Tl)-калориметр является одной из ключевых систем детектора Belle II. Он

нацелен на эффективную регистрацию фотонов в широком энергетическом диапазоне от нескольких

десятков МэВ до 7 ГэВ. Для непрерывного считывания сигнальных событий при скорости запуска,

соответствующей максимальной светимости коллайдера, необходимо иметь высокоэффективную си-

стему сбора данных. В настоящей работе описаны задачи, решаемые такой системой для калориметра

Belle II.

DOI: 10.31857/S0044002721010256

1. ВВЕДЕНИЕ

АЦП. Оцифрованный импульс численно обраба-

тывается и вычисляются амплитуда над уровнем

Эксперимент Belle II [1] работает на ускори-

пьедестала и время начала сигнала относительно

тельном комплексе SuperKEKB с проектной све-

запуска.

тимостью 8 × 10³⁵/см²/с. Для эффективной ра-

Функции аналогового формирования, оциф-

боты эксперимента в условиях высокой частоты

ровки и обработки импульсов со счетчиков вы-

регистрации событий (до 30 кГц) и жестких фо-

полняются в плате формирователя-оцифровщика

нов от потерянных частиц пучка необходима мо-

(ShaperDSP). Каждая плата обслуживает до

дернизация систем детектора, в том числе элек-

каналов электроники и передает данные в

тромагнитного калориметра. Основной проблемой

плату-коллектор, где данные упаковываются и

для калориметра является шум наложения от низ-

по оптической линии передаются в глобальную

коэнергетических фотонов вследствие взаимодей-

систему сбора данных. Кроме того, в ShaperDSP-

ствия потерянных частиц пучка с конструкцией

платах есть линия быстрого формирования, где

детектора и коллайдера вблизи места встречи. С

сигналы со счетчиков суммируются и передаются

увеличением фоновых загрузок такой шум приво-

в систему формирования сигналов запуска. Такой

дит к значительной флуктуации сигнала, что суще-

режим передачи данных с каналов электроники

ственно ухудшает энергетическое разрешение. Для

в глобальную систему требует непрерывного и

частичного подавления этого шума предложена ар-

эффективного контроля, который обеспечивается

хитектура электроники на базе прежних CsI(Tl)-

на программном уровне системой сбора данных

счетчиков в Belle [2]. Время аналогового формиро-

калориметра, блок-схема которой показана на

вания выбирается равным 0.5 мкс по сравнению с

рис. 1.

1 мкс в Belle. Это уменьшает эффективную дли-

тельность импульса со счетчика и, следовательно,

2. ВРЕМЕННАЯ НЕСТАБИЛЬНОСТЬ

вклад шумов наложения. Обновленная электрони-

КАНАЛОВ ЭЛЕКТРОНИКИ

ка также дает возможность непрерывно оцифро-

Одной из задач системы сбора данных является

вывать сигналы со счетчиков с помощью быстрых

мониторирование нестабильности отклика элек-

тронного тракта, которое возможно из-за измене-

¹⁾Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН,

ния температуры, радиационного старения, элек-

Новосибирск, Россия.

тромагнитных помех, а также других причин. Дан-

²⁾Новосибирский государственный университет, Новоси-

ная нестабильность дает вклад в энергетическое

бирск, Россия.

и временное разрешение счетчиков посредством

^*E-mail: v.v.zhulanov@inp.nsk.su

^**E-mail: a.s.kuzmin@inp.nsk.su

коэффициентов преобразования электроники. Они

^***E-mail: d.v.matvienko@inp.nsk.su

получаются с помощью генератора, импульс с ко-

^****E-mail: m.a.remnev@inp.nsk.su

торого имитирует сигнал с кристалла. Процеду-

*****E-mail: yu.v.usov@inp.nsk.su

ра, включающая быструю и многофункциональную

СИСТЕМА СБОРА ДАННЫХ

От системы

синхронизации

ShaperDSP

Collector

оптическая

линия

CsI(Tl)

В глобальную

Счетчики

систему сбора

данных

Глобальный запуск

Рис. 1. Упрощенная блок-схема системы сбора данных Belle II калориметра.

Fit quality flag (0-good, 1-large amplitude,

Pedestal vs. Cell ID

2-w/o time, 3-bad chi2)

ECL/pedmean_cellid

ECL/quality

Entries

77564329

Entries

8470147800

4400

Mean

4381

10⁹

Mean

0.8995

Mean y

3544

Std Dev

1.117

4200

Std Dev

2738

10⁸

Std Dev y

244.7

4000

10⁷

10⁶

3800

10⁵

3600

10⁴

3400

10³

3200

10²

3000

10¹

2800

10⁰

10-1

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

Cell ID

Flag number

ECL Hits for HER veto tuning

ECLINJ/ECLVetoAfter...

Trigger tag flag # 2 vs. Crate ID

ECL/trigtag2_trigid

Entries

2902270

Entries

214171360

Mean x

14493

Mean x

26.50

Mean y

5.312

Mean y

0.000e+0

Std Devx

8009

Std Dev x

15.01

Std Dev y

2.997

Std Dev y

0.000e+0

3.0

7000

2.5

6000

5000

2.0

4000

1.5

3000

1.0

2000

0.5

1000

×10

Time since last injection in μs

Crate ID

Рис. 2. Гистограммы с on-line монитора качества данных. В верхнем ряду — значение пьедестала от номера канала

электроники и значение флага качества подгонки формы сигнала в электронике, в нижнем ряду — загрузка каналов ка-

лориметра в зависимости от триггерного времени после инжекции для e^--пучка и флаг, контролирующий пособытийное

объединение данных в ShaperDSP-платах.

обработку данных с генератора, проводится еже-

информация со счетчиков с реконструированными

дневно. Результаты записываются в базу данных

амплитудой и временем, если энерговыделение в

для последующего учета в процедуре калибровки

счетчике превышает 1 МэВ. При этом оцифрован-

счетчиков.

ная форма импульса не записывается. Во вторую

группу входят АЦП-данные с формой импульса.

Доля таких событий не превышает 1-2%. Эти дан-

3. КОНТРОЛЬ ПОТОКА ДАННЫХ

ные используются для проверки работы алгоритма

Все данные с калориметра можно условно раз-

реконструкции, изучения фона и идентификации

делить на две группы. Первую группу составляет частиц по форме импульса [3]. В последнем случае

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 84

№1

2021

ЖУЛАНОВ и др.

π⁰ → γγ

η → γγ

14 000

Данные

70 000

Belle II (2019)

Данные

14 000

Belle II (2019)

Подгонка

Сигнал

∫Ldt = 2.62 фбн-1

14 000

∫Ldt = 2.62 фбн-1

60 000

Фон

Сигнал

μ = (132.296 ± 0.005) МэВ/с²

Фон

12 000

50 000

σ = (5.356 ± 0.013) МэВ/с²

Et > 0.12 ГэВ

10 000

40 000

8000

30 000

μ = (542.1 ± 1.3) МэВ/с²

6000

σ = (11.9 ± 2.3) МэВ/с

20 000

Et > 0.40 ГэВ

4000

10 000

2000

0.10

0.12

0.14

0.16

0.40

0.45

0.50

0.55

0.60

0.65

M_γγ, ГэВ/с2

Рис. 3. Распределение по инвариантной массе двух фотонов в областях π⁰- и η-мезонов.

записываются АЦП-данные со счетчиков с энер-

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

говыделением выше 50 МэВ.

Высокая светимость в эксперименте Belle II

Ускоритель SuperKEKB работает в режиме

приводит к росту шумов наложения от низкоэнер-

непрерывной инжекции. Рассеяние частиц сгустка

гетических фотонов. В этой связи была существен-

на остаточном газе в вакуумной трубе ускорителя

но модернизирована электроника калориметра, а

может привести к возбуждению пучка на короткий

также обновлена система сбора данных, способная

интервал времени. В результате значительно по-

работать с частотой запуска до 30 кГц вместо

вышается уровень фона в системах детектора. При

500 Гц в случае Belle. Обновленная система сбора

этом существенно возрастает доля хитов с АЦП-

данных является многофункциональной и легко

данными. Такой поток данных может вызвать пере-

управляемой, а также обеспечивает стабильный

полнение внутренних буферов в модуле коллектора

поток данных в условиях жесткого ускорительного

и заблокировать систему сбора данных. Чтобы

фона. Данные с калориметра демонстрируют его

этого избежать, используется специальная схема

хорошее разрешение. На рис. 3 показаны распре-

записи событий с АЦП-данными. Для каждой

деления по инвариантной массе двух фотонов в

ShaperDSP-платы устанавливается счетчик по

областях π⁰- и η-мезонов. Разрешение по массе π⁰

времени, который увеличивается на 11 мкс для

составляет около 5.3 МэВ, в то время как для η оно

каждой записанной формы сигнала. Сброс счет-

равно 12 МэВ.

чика коррелирует со временем считывания данных

из платы. Так, если время между двумя последова-

Авторы благодарят весь коллектив Belle II

тельными срабатываниями в плате равно 10 мкс,

калориметра за вклад в успешное функциони-

значение счетчика уменьшается на 1 мкс. Если

рование детектора. Работа Д.В.М. поддержана

значение счетчика больше 50 мкс, то происходит

грантом Правительства Российской Федерации

блокировка записи на время, превышающее это

№ 14.W03.31.0026.

значение. Таким образом одиночные срабатывания

с АЦП-данными не подавляются. Описанный

алгоритм хорошо работает для загрузок до 30 кГц.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Данные с калориметра в непрерывном режи-

1. T. Abe et al. (Belle Collab.).

ме просматриваются монитором качества данных.

https://arxiv.org/abs/1011.0352

Монитор осуществляет контроль потока и целост-

ности “сырыx” данных, визуализацию калиброван-

2. В. М. Аульченко, В. Н. Жилич, В. В. Жуланов,

А. С. Кузьмин, Д. В. Матвиенко, К. Миябаяши,

ных величин (времени и энергии) и контролиру-

И. Накамура, Ю. В. Усов, Б. Г. Чуон, Б. А. Шварц,

ет подгонку формы сигнала в ShaperDSP-платах.

В. Е. Шебалин, Автометрия 51, 39 (2015).

Примеры гистограмм с монитора данных показаны

на рис. 2.

3. S. Longo and J. M. Roney, JINST13, P03018 (2018).

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 84

№1

2021