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Der ATLAS-Level-1-Trigger

Der LHC ist in der Lage, Teilchenpakete, sogenannte Bunches, von etwa 10^11 Protonen mit einer Frequenz von 40 MHz zur Kollision zu bringen. Bei Design-Parametern entspricht dies etwa 20 inelastischen Proton-Proton-Kollisionen alle 25 ns. Die Aufgabe des Level-1-Trigger-Systems ist es, die Ereignisrate von 40 MHz auf 100 kHz zu reduzieren, indem Ereignisse gefunden werden, die physikalisch interessant sind.

Um diese Aufgabe zu bewältigen, durchsucht der Level-1-Trigger die Kalorimeter und Myonsysteme des ATLAS-Detektors nach hochenergetischen Teilchen. Der Level-1-Trigger besteht aus drei Subsystemen: Der Level-1-Kalorimeter-Trigger (L1Calo) untersucht die Energiedepositionen in den Kalorimetern, um Elektronen, Photonen, Taus und Jets zu finden sowie globale Summen der totalen und fehlenden transversalen Energie zu bestimmen. Der Level-1-Myon-Trigger (L1Muon) benutzt Daten der Myonspektrometer, um Myonkandidaten zu ermitteln. Der Central-Trigger-Processor (CTP) führt die Ergebnisse der beiden anderen Subsysteme zusammen, um die schlussendliche Level-1-Trigger-Entscheidung zu fällen. Dabei wird ein Ereignis nur dann akzeptiert, wenn die Teilchen bestimmte, konfigurierbare Energie- oder Inpulsschwellen überschreiten.

 

Das L1Calo-System

Das L1Calo-System benutzt Daten reduzierter Granularität aus den Kalorimetern des ATLAS-Detektors. Es besteht aus verschiedenen Prozessoren, die in speziell konstruierter Hardware implementiert sind und die eingehenden Daten parallel verarbeiten:

  • Der PreProcessor (PPr) empfängt bei jeder Strahlkreuzung des LHC ca. 7200 vorsummierte Analogsignale von den Kalorimetern. Der PPr wurde am KIP in Heidelberg entwickelt. Die eingehenden Signale werden mit einer Frequenz von 40 MHz digitalisiert, entprechend der Strahlkreuzungsfrequenz des LHC. Anschließend werden zu jeder gemessenen Energiedeposition die zugehörige Energie und Strahlkreuzung bestimmt. Die Ergebnisse der einzelnen Kanäle werden schließlich an die zwei folgenden Prozessoren weitergeleitet.
  • Im Cluster-Prozessor (CP) werden mit Hilfe von "Sliding-Window-Algorithmen" Energiedepositionen gefunden, die Elektronen, Photonen oder hadronisch zerfallenden Taus entsprechen.
  • Im Jet/Energie-Prozessor (JEP) werden Jet-Kandidaten gefunden und globale Energiesummen gemessen, die das ganze Kalorimeter abdecken, wie z. B. die totale und die fehlende transversale Energie. Auch die Funktion des JEP basiert auf Sliding-Window-Algorithmen.

 

Der L1Calo-PreProcessor

Der Beitrag der KIP-ATLAS-Arbeitsgruppe zum Trigger-System besteht in der Konstruktion und Operation des L1Calo-PreProcessors. Um die über 7000 gleichzeitig eingehenden analogen Kalorimetersignale zu verarbeiten, ist der PPr in ein System von ungefähr 120 PreProcessor-Modulen (PPM) in acht VME-Crates unterteilt. Jedes PPM ist dabei in der Lage, 64 Kanäle parallel zueinander zu prozessieren. Die wichtigsten Verarbeitungsschritte werden auf Multichip-Modulen (MCM) ausgeführt, von denen sich 16 auf jedem PPM befinden. Jedes MCM verarbeitet vier Kanäle gleichzeitig.

Auf dem MCM sind mehrere Chips aufgebracht, unter anderem folgende Komponenten:

Vier Flash-ADCs digitalisieren die eingehenden Kalorimetersignale mit einer Rate von 40 MHz und 10 Bit Auflösung.

Ein sogenannter PHOS4-Chip ermöglicht es, den Digitalisierungszeitpunkt mit einer Genauigkeit von 1 ns einzustellen. Dadurch wird eine Digitalisierung direkt auf dem Maximum des analogen Kalorimetersignals möglich, die für eine möglichst hohe Energieauflösung erforderlich ist.

Die wichtigsten Funktionen des MCMs sind auf einem speziell gefertigten ASIC implementiert. Dieser analysiert die digitalisierten Signale, um deren transversale Energie zu bestimmen und außerdem die Signal derselben LHC-Strahlkreuzung von verschiedenen Kanälen zu synchronisieren ("Bunch Crossing Identification", BCID). Der ASIC wurde gemeinsam mit dem ASIC-Labor am KIP entwickelt.

In drei LVDS-Serializern werden die bis hierher parallelen Datenströme der verschiedenen Kanäle zu einem seriellen Datenstrom für die Übertragung zu den weiteren Prozessoren CP und JEP zusammengefasst.

Während des Betriebs des LHC ist die KIP-Arbeitsgruppe unter anderem für die Überwachung und Instandhaltung des L1Calo-Systems verantwortlich. Diese Aufgaben umfassen beispielsweise die Kalibration von PPr-internen Parametern zur Energiebestimmung, die Optimierung des Timings sowie die Entwicklung von Software zur Überwachung der verschiedenen Variablen des Systems. Weiterhin wird technischer Support für die bereits installierten PPMs zur Verfügung gestellt.

 

Das neue Multichip-Modul

Während des Run-I des LHC (2010-2012) hat das PreProcessor-System seine Aufgaben mit einer hohen Effizienz erfüllt. Durch das LHC-Upgrade während des Shutdowns bis 2015 wird die Anzahl der gleichzeitig kollidierenden Teilchen erhöht werden, wodurch neue Schwierigkeiten für den Trigger entstehen (“Pile-Up”). Es wird daher ein verbessertes Ersatzmodul für das MCM enworfen, das sogenannte “neue MCM” (nMCM). Als wichtigste Veränderung sind hier zwei Doppelkanal-Flash-ADCs, die bei der doppelten der bisherigen Digitalisierungsfrequenz arbeiten (80 MHz statt 40 MHz), sowie ein moderner FPGA zu nennen, welcher den ASIC ersetzen wird. Eine zusätzliche Neuerung ist ein On-Board-Funktionsgenerator, der es ermöglicht, unabhängige Tests der Funktion der einzelnen Boards durchzuführen. Prototypen des nMCMs wurden bereits produziert und erfolgreich getestet, sodass die Produktion und Tests der finalen nMCMs Ende 2013 stattfinden kann. Ziel ist die Installation und Inbetriebnahme am CERN Anfang 2014.

Die oben genannten Änderungen an der Hardware ermöglichen es, die digitalen Kalorimeter-Signale noch genauer zu verarbeiten. Das Upgrade bietet also auch die Chance, neue Signalverarbeitungs-Algorithmen zu implementieren und bereits existierende Algorithmen zu verbessern. Zu diesem Zweck untersucht die KIP-ATLAS-Gruppe beispielsweise verbesserte Algorithmen zur Strahlkreuzungsidentifikation (BCID) von saturierten Signalen. So kann durch die erhöhte Digitalisierungsfrequenz des nMCMs selbst bei höchstmöglichen Energien die volle Effizienz erreicht werden. Auch Möglichkeiten zur dynamischen Korrektur von Pedestalfluktuationen, die durch Pile-Up induziert werden, werden untersucht.

 
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Das L1Calo-System

Der L1Calo-PreProzessor

Der nMCM