CMS PhaseII升級阻性板探測器觸發(fā)預處理算法研究

1、CMS PhaseII升級阻性板探測器觸發(fā)預處理算法研究1 選題背景 課題主要研究內(nèi)容及意義 擬采用的研究方案 已有的研究基礎 研究工作計劃與進展安排 參考文獻2報告提綱The CERN accelerator complex研究背景坐落在歐洲核子研究中心(CERN)的大型強子對撞機(LHC)是目前世界上最大的粒子加速器，全長27km。主要的四大探測器分別是ATLAS,CMS,ALICE和LHCb主要物理目標為尋找希格斯玻色子，檢驗超對稱理論，尋找暗物質(zhì)以及探索新物理為進一步增加有效事例，拓展發(fā)現(xiàn)潛力，LHC將會升級到高亮度LHC(HL-LHC)亮度： 21034 cm-2s-1 51034c

2、m-2s-1（設計值） 7.51034cm-2s-1（最終值）質(zhì)心能量： 13Tev 14 TevPileup : 30 140（設計值） 200 （最終值）13LHC baseline plan for next decade and beyond4研究背景Phase 2 RPC Upgrade Project for HL-LHC原有的RPC探測器繼續(xù)運行，但是需要對其link system進行升級以提高時間分辨率在端蓋前向區(qū)域（1.8|eta| EMTF/OMTF作為L1硬件觸發(fā)的第一級，需要產(chǎn)生對應的Trigger Primitive信息 (theta, phi, cluster wi

3、dth等)。EMTF/OMTF 需要結(jié)合iRPC/RPC的Trigger Primitive信息，進行單一moun的識別，然后將結(jié)果傳遞到GMT(Global Moun Trigger) 進行moun的重建2。CMS iRPC探測器使用雙端讀出的方式，配合法國里昂團隊研制的前端電子學板，可以實現(xiàn)高時間分辨率和空間分辨率3。對于RPC探測器來說，Link system的升級充分發(fā)揮RPC探測器的固有性能，時間分辨率從25ns升級到1.5ns1。在這樣的情況下，PhaseI升級后RPC探測器基于BX進行的觸發(fā)預處理算法4便不再適用。本課題聚焦于iRPC和RPC觸發(fā)預處理算法的開發(fā)，新的觸發(fā)預處理算

4、法需要結(jié)合擊中的時間信息、位置信息和簇大小等信息，在固件中實現(xiàn)簇的識別和簇之間的分割。6課題主要研究內(nèi)容及意義意義：提高Moun 重建的時間分辨和位置分辨1更好得發(fā)揮探測器性能，節(jié)省帶寬資源提高高pileup(200)下moun的分辨效率7課題主要研究內(nèi)容及意義RE3/1,RE4/1所在的前向位置擊中情況復雜，為流水線處理的固件算法的開發(fā)帶來難度。算法實現(xiàn)考慮固件資源的消耗以及L1觸發(fā)系統(tǒng)中的延遲限制。難度與挑戰(zhàn)：結(jié)合擊中信息中的時間、位置信息，基于硬件產(chǎn)生觸發(fā)原語的算法為創(chuàng)新性工作，沒有技術參考。調(diào)研圖像識別、以及像素探測器預觸發(fā)算法等方向的技術，制定可行方案通過C,C+,Python等高級

5、編程語言進行觸發(fā)預處理算法的模擬，然后加以流水線級數(shù)，算法延遲，資源消耗等方面的考慮，將其移植到FPGA硬件平臺上。FEE-BEE系統(tǒng)模擬：使用前端電子學板Emulator對前端板進行功能仿真，搭建emulator與后端觸發(fā)電子學原型系統(tǒng)，評估算法效率。8擬采用的研究方案調(diào)研可參考技術進行功能仿真實現(xiàn)并測試課題組內(nèi)曾參與CMS實驗觸發(fā)系統(tǒng)一期升級，承擔了CPPF子系統(tǒng)的設計和建造工作，并一直承擔系統(tǒng)的維護運行。iRPC觸發(fā)預處理初版算法，已在CERN完成初步的聯(lián)調(diào)。9已有研究基礎Distribution of hitsDistribution of clustersPreliminary cl

6、uster AlgorithmChamber joint test system in CERN 904Distribution of hits positionsDistribution of cluster positions10已有研究基礎iRPC數(shù)據(jù)源模擬：數(shù)據(jù)產(chǎn)生：在Chamber內(nèi)隨機產(chǎn)生擊中方向smear：在相鄰strip上產(chǎn)生擊中，并作為一個簇Cluster size的設置：18，平均值為2.358簇個數(shù)設置：1 （75%）,2（25% ,多簇簇大小固定為1）每個擊中根據(jù)位置產(chǎn)生對應的tdc信息(link1.dat link2.dat)個人參與FEE emulator的設計開發(fā)

7、，emulator-BEE聯(lián)合測試系統(tǒng)搭建以及部分數(shù)據(jù)分析工作。11已有研究基礎Distribution of hits positionsDistribution of clusters positions2022年6月 進行初版算法的軟件模擬2022年9月 開發(fā)及仿真iRPC觸發(fā)預處理的固件算法2022年12月 完成預處理算法與其他模塊的整合，并搭建原型測試系統(tǒng)2023年3月 總結(jié)測試結(jié)果，進行初步性能分析2023年4月 與前端系統(tǒng)進行技術交流，準備聯(lián)合調(diào)試2023年6月 與前端系統(tǒng)分別逐步進行桌面系統(tǒng)、GIF+系統(tǒng)和P5的聯(lián)合調(diào)試。2023年12月 對系統(tǒng)進行性能分析，以及算法優(yōu)化202

8、4年4月 完成畢業(yè)論文12研究工作計劃與進度安排參考文獻1 CMS Collaboration, The Phase-2 Upgrade of the CMS Muon Detectors Technical Design Report, CERN-LHCC-2017-012. CMS-TDR-016, CERN, 2018.2 CMS Collaboration,The Phase-2 Upgrade of the CMS Level-1 Trigger,CERN-LHCC-2020-004 ; CMS-TDR-0213 K. Shchablo(IP2I, Lyon), I. Laktine

9、h(IP2I, Lyon), M. Gouzevitch(IP2I, Lyon), C. Combaret(IP2I, Lyon), L. Mirabito(IP2I, Lyon),Performance of the CMS RPC upgrade using 2D fast timing readout system,Nucl.Instrum.Meth.A 958 (2020) 1621394 程立波 . 博士論文 CMS 實驗觸發(fā)系統(tǒng)一期升級 CPPF 子系統(tǒng)軟件設計及實現(xiàn) . 20185 曹鵬程 . 博士論文 CMS 實驗兩維 iRPC 后端電子學系統(tǒng)的研究 .20206 P. Cao, Z. A. Liu, J. Zhao, H. Kou et al., Report on Joint Test of BEEiRPC with Detector. Mar. 16, 2020, RPC Upgrade Working Meeting7 Shchablo, Konstantin. (2020). Development of fast timing detector for CMS experiment upgrade at CERN.