Readout Electronics for Gas Electron Multiplier Detectors
Kupiainen, Marko (2013)
Diplomityö
Kupiainen, Marko
2013
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201309306381
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201309306381
Tiivistelmä
The European Organization for Nuclear Research (CERN) operates the largest particle collider in the world. This particle collider is called the Large Hadron Collider (LHC) and it will undergo a maintenance break sometime in 2017 or 2018. During the break, the particle detectors, which operate around the particle collider, will be serviced and upgraded. Following the improvement in performance of the particle collider, the requirements for the detector electronics will be more demanding. In particular, the high amount of radiation during the operation of the particle collider sets requirements for the electronics that are uncommon in commercial electronics.
Electronics that are built to function in the challenging environment of the collider have been designed at CERN. In order to meet the future challenges of data transmission, a GigaBit Transceiver data transmission module and an E-Link data bus have been developed. The next generation of readout electronics is designed to benefit from these technologies. However, the current readout electronics chips are not compatible with these technologies. As a result, in addition to new Gas Electron Multiplier (GEM) detectors and other technology, a new compatible chip is developed to function within the GEMs for the Compact Muon Solenoid (CMS) project.
In this thesis, the objective was to study a data transmission interface that will be located on the readout chip between the E-Link bus and the control logic of the chip. The function of the module is to handle data transmission between the chip and the E-Link. In the study, a model of the interface was implemented with the Verilog hardware description language. This process was simulated by using chip design software by Cadence. State machines and operating principles with alternative possibilities for implementation are introduced in the E-Link interface design procedure. The functionality of the designed logic is demonstrated in simulation results, in which the implemented model is proven to be suitable for its task. Finally, suggestions that should be considered for improving the design have been presented. Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskus (CERN) operoi maailman suurinta hiukkastörmäytintä, jonka on määrä läpikäydä huoltotauko vuosina 2017–2018. Tämän tauon aikana hiukkaskiihdyttimen varrella toimivia hiukkasilmaisimia huolletaan ja parannetaan. Hiukkaskiihdyttimen suorituskyvyn parannusten myötä ilmaisinelektroniikalle asetetut vaatimukset kasvavat. Erityisesti suuri säteilyn määrä hiukkaskiihdyttimen toiminnan aikana asettaa vaatimuksia, jotka ovat kaupallisessa elektroniikassa epätavallisia.
CERN:ssä on kehitetty hiukkaskiihdyttimen haastavaan ympäristöön sopivaa elektroniikkaa. Jotta voitaisiin vastata tulevaisuudessa kasvavan mittausdatan määrän tuomiin tiedonsiirtohaasteisiin, on CERN:ssä kehitetty GigaBit Tranceiver-tiedonsiirtomoduuli sekä E-Linktiedonsiirtoväylä. Seuraavan sukupolven lukuelektroniikan on suunniteltu käyttävän näitä teknologioita, sillä tämän hetken lukuelektroniikkasirut eivät ole yhteensopivia näiden teknologioiden kanssa. Tästä syystä GEMs for the CompactMuon Solenoid (CMS) -projektissa kehitetään uusien Gas Electron Multiplier-ilmaisimien (GEM) ja muun tekniikan lisäksi uusi yhteensopiva siru.
Tässä työssä tavoitteena oli tutkia tiedonsiirtorajapintaa, joka tulee lukuelektroniikkasirun ohjauslogiikan ja E-Link-väylän välille. Moduulin tehtävänä on vastata tiedonsiirrosta sirun eri osien ja E-Linkin välillä. Tutkimuksessa toteutettiin Verilog-kuvauskielellä rajapintamoduuli, jota simuloitiin käyttämällä Cadencen sirusuunnitteluohjelmistoa. E-Link-rajapinnan suunnittelussa on esitelty sen osien tilakoneet ja logiikan toimintaperiaate. Näiden lisäksi on tuotu esille mahdollisia vaihtoehtoja toteutuksille. Suunnitellun logiikan toimintaa havainnollistetaan simulointituloksin, joissa on todettu toteutetun mallin soveltuvan tarkoitukseensa. Lopuksi rajapinnan toimintaan on esitetty parannusehdotuksia, jotka tulisi ottaa huomioon jatkokehityksessä.
Electronics that are built to function in the challenging environment of the collider have been designed at CERN. In order to meet the future challenges of data transmission, a GigaBit Transceiver data transmission module and an E-Link data bus have been developed. The next generation of readout electronics is designed to benefit from these technologies. However, the current readout electronics chips are not compatible with these technologies. As a result, in addition to new Gas Electron Multiplier (GEM) detectors and other technology, a new compatible chip is developed to function within the GEMs for the Compact Muon Solenoid (CMS) project.
In this thesis, the objective was to study a data transmission interface that will be located on the readout chip between the E-Link bus and the control logic of the chip. The function of the module is to handle data transmission between the chip and the E-Link. In the study, a model of the interface was implemented with the Verilog hardware description language. This process was simulated by using chip design software by Cadence. State machines and operating principles with alternative possibilities for implementation are introduced in the E-Link interface design procedure. The functionality of the designed logic is demonstrated in simulation results, in which the implemented model is proven to be suitable for its task. Finally, suggestions that should be considered for improving the design have been presented.
CERN:ssä on kehitetty hiukkaskiihdyttimen haastavaan ympäristöön sopivaa elektroniikkaa. Jotta voitaisiin vastata tulevaisuudessa kasvavan mittausdatan määrän tuomiin tiedonsiirtohaasteisiin, on CERN:ssä kehitetty GigaBit Tranceiver-tiedonsiirtomoduuli sekä E-Linktiedonsiirtoväylä. Seuraavan sukupolven lukuelektroniikan on suunniteltu käyttävän näitä teknologioita, sillä tämän hetken lukuelektroniikkasirut eivät ole yhteensopivia näiden teknologioiden kanssa. Tästä syystä GEMs for the CompactMuon Solenoid (CMS) -projektissa kehitetään uusien Gas Electron Multiplier-ilmaisimien (GEM) ja muun tekniikan lisäksi uusi yhteensopiva siru.
Tässä työssä tavoitteena oli tutkia tiedonsiirtorajapintaa, joka tulee lukuelektroniikkasirun ohjauslogiikan ja E-Link-väylän välille. Moduulin tehtävänä on vastata tiedonsiirrosta sirun eri osien ja E-Linkin välillä. Tutkimuksessa toteutettiin Verilog-kuvauskielellä rajapintamoduuli, jota simuloitiin käyttämällä Cadencen sirusuunnitteluohjelmistoa. E-Link-rajapinnan suunnittelussa on esitelty sen osien tilakoneet ja logiikan toimintaperiaate. Näiden lisäksi on tuotu esille mahdollisia vaihtoehtoja toteutuksille. Suunnitellun logiikan toimintaa havainnollistetaan simulointituloksin, joissa on todettu toteutetun mallin soveltuvan tarkoitukseensa. Lopuksi rajapinnan toimintaan on esitetty parannusehdotuksia, jotka tulisi ottaa huomioon jatkokehityksessä.