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Der ATLAS-Level-1-Trigger

Der LHC ist in der Lage, Teilchenpakete, sogenannte Bunches, von etwa 1011 Protonen mit einer Frequenz von 40 MHz zur Kollision zu bringen. Bei Design-Parametern entspricht dies etwa 35 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.

Für den kommenden Zeitraum der Run-3 Datennahme wird das oben genannte System parallel zu einem neuen FGPA-basierten System mit so genannten Feature Extractors (FEXes) betrieben. In diesem werden die Informationen der vorsummierten Analogsignale entweder direkt auf der Front-End-Elektronik des Liquid-Argon-Kalorimeters oder für das Tile-Kalorimeter über ein neues Board mit der Bezeichnung Tile Rear Extension (TREX) Modul digitalisiert. Die Elektronen-, Photonen-, Tau- und Jet-Identifikation sowie die Berechnung der fehlenden Transversalenergie werden über drei FEX-Systeme durchgeführt. Die Verwendung der FPGAs innerhalb der FEXes ermöglicht eine größere Flexibilität des Identifikationsalgorithmus und ist notwendig, um die interessanten physikalischen Ereignisse mit hoher Effizienz unter den viel härteren LHC-Betriebsbedingungen zu selektieren.

Woran wir arbeiten

Die Tile Rear Extension Module

Das Phase-I-Upgrade des ATLAS L1Calo Triggersystems für den Zeitraum der Run-3 Datennahme führt neue Subsysteme zur Identifizierung isolierter Partikel und Jets ein, die so genannten Feature Extractors (FEXes). Um digitalisierte Daten vom Tile-Kalorimeter über optische Hochgeschwindigkeitsverbindungen an die FEXes zu liefern, wird das L1Calo-PreProcessor-Subsystem mit neuen Tile Rear Extension (TREX)-Modulen erweitert. Das TREX-Modul beherbergt moderne FPGAs und optische Hochgeschwindigkeits-Transmitter. Es liefert digitalisierte hadronische transversale Energien mit der Strahlkreuzungsfrequenz des LHC über Glasfasern, die mit 11,2 Gbit/s arbeiten, an die FEX-Prozessoren, wobei der Datenpfad über elektrische Kabel zu den Legacy L1Calo-Prozessoren aus Run-2 beibehalten wird. Zur Verifizierung der Trigger-Entscheidung sammelt sowie formatiert das TREX-Modul Ereignisdaten und überträgt diese über die FELIX-Karte (Front-End Link Exchange) oder das ROD-Legacy-Modul an das Datenerfassungssystem. Die TREX-Preproduktionsmodule enthalten ein neues Multi-Prozessor-System-on-Chip(MPSoC)-Modul, das das Überwachungssystem verwaltet und die Betriebsbedingungen periodisch über Ethernet an das Detector Control System (DCS) sendet. 

 

Software und Kalibration mit dem Phase-I System

Mit dem L1Calo Phase-I-Upgrade werden neue Hardware-Updates eingeführt, darunter neue Layer-Sum-Boards (LSB) und die Digitalisierung des Systems über neue Boards wie das LAr Trigger Digitizer Board (LTDB). Mit dieser verbesserten Hardware muss das analoge Run-2 System, das zu Beginn von Run-3 parallel zum aufgerüsteten System laufen soll, neu kalibriert werden. Im Vergleich zu dem in Run-2 installierten System leiten die neuen Boards die Signale vom Detektor durch unterschiedliche Pfade, um die Verarbeitung der höheren räumlichen Auflösung im Kalorimeter zu ermöglichen. Dies bedeutet jedoch, dass sich die Laufzeit durch das System für einen Teil des Signals geändert hat. Das analoge System ist auf die parallele und gleichzeitige Verarbeitung des Signals angewiesen und erfordert daher eine genaue Kenntnis der Zeitverzögerung durch die Pfade. Diese Änderungen der Zeitverzögerung können durch die Einführung neuer Verzögerungen in den Tower Builder Boards (TBBs) kompensiert werden, die eine Verlangsamung der Zielsignale ermöglichen. Die Ableitung dieser spezifischen Verzögerungen ist Teil der am KIP geleisteten Arbeit.

 

Frühere Arbeiten und Upgrades

L1Calo PreProcessor

Einer der Hauptbeiträge der KIP ATLAS Gruppe zum Triggersystem ist der Bau und Betrieb des L1Calo PreProcessors. Um den Dateneingang von über 7000 analogen Kalorimeterkanälen zu verarbeiten, ist das PPr-System in ~120 PreProcessor-Module (PPM) in insgesamt acht VME-Crates aufgeteilt. Jedes PPM ist in der Lage, 64 Kanäle parallel zu verarbeiten. Die Hauptverarbeitungsaufgaben werden von Multichip-Modulen (MCM) ausgeführt, von denen 16 auf jedem PPM vorhanden sind. Jedes MCM ist in der Lage, vier Kanäle zu verarbeiten.

Auf jedem MCM sind mehrere Chips gelötet, darunter die folgenden:

  • Vier Flash-ADCs digitalisieren die eingehenden analogen Kalorimetersignale mit einer Rate von 40 MHz und einer Auflösung von 10 Bit.
  • Ein PHOS4-Chip steuert die Abtastung der ADCs in Schritten von 1 ns, um eine präzise Digitalisierung des Maximums der analogen Kalorimetersignale zu gewährleisten. Auf diese Weise kann die höchstmögliche Energieauflösung gewährleistet werden.
  • Ein kundenspezifischer ASIC implementiert die Hauptfunktionen des MCM. Er analysiert die digitalisierten Signale, um die entsprechende transversale Energie zu extrahieren und die Signale von verschiedenen Kanälen auf die gleiche Strahlkreuzung des LHCs zu synchronisieren (Bunch Crossing Identification, BCID). Der ASIC wurde in Zusammenarbeit mit dem ASIC-Labor am KIP entwickelt.
  • Drei LVDS-Serialisierer kombinieren die parallelen Datenströme der verschiedenen Kanäle zu einem einzigen seriellen Strom zur Übertragung an die Prozessoren CP und JEP.

Während des Betriebs des LHC war die KIP-Gruppe stark an der Überwachung und Wartung des L1Calo-Systems beteiligt. Diese Aufgabe umfasst die Kalibrierung der PPr-Parameter für die Energiebestimmung, die Optimierung der feinen Zeitabstimmung sowie die Entwicklung von Überwachungswerkzeugen für die verschiedenen Variablen. Außerdem wurde technische Unterstützung für die installierten PPMs geleistet. Detaillierte Informationen finden Sie hier.

 

Das neue Multichip-Modul (nMCM)

Im Run-I des LHC (2010-2012) hat das PreProcessor-System seine Aufgabe sehr gut und mit hoher Effizienz erfüllt. Nach dem LHC-Upgrade während des langen Shutdowns, der 2015 endete, stieg die Zahl der gleichzeitig kollidierenden Partikel ('Pile-Up') an und führte damit zu härteren Bedingungen für das Triggersystem. Daher wurde ein aufgerüstetes Ersatzmodul für den MCM entwickelt, der 'neue MCM' (nMCM). Seine Hauptmerkmale sind 2 Zweikanal-Flash-ADCs, die mit einer höheren Frequenz arbeiten als die bisherigen (80 MHz statt 40 MHz), sowie ein moderner FPGA, der den ASIC ersetzt. Neu ist, dass das nMCM einen On-Board-Signalgenerator enthält, um unabhängige Tests der Boardfunktionalität zu ermöglichen. Es wurden Prototypen hergestellt und erfolgreich getestet. Die Produktion der endgültigen nMCMs und ihre Tests wurden Ende 2013 abgeschlossen, die Installation und Inbetriebnahme am CERN fand Anfang 2014 statt.

Diese Hardware-Änderungen ermöglichen eine präzisere Verarbeitung der digitalen Kalorimetersignale. Die Aufrüstung stellt somit eine Gelegenheit dar, neue und verbesserte Trigger-Algorithmen auf dem nMCM zu entwickeln und zu implementieren. Zum Beispiel untersucht die KIP ATLAS-Gruppe Algorithmen für die Bunch Crossing Identification (BCID) für gesättigte Signale. Durch die Verwendung der höheren Digitalisierungsfrequenz des nMCM kann eine maximale Effizienz auch bei höchstmöglichen Energien erreicht werden. Außerdem wurden Möglichkeiten zur dynamischen Korrektur von Pile-Up induzierten Schwankungen des Signalplateaus entwickelt.

 

 
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Das L1Calo-System

Der L1Calo-PreProzessor

Der nMCM