データ出力

Report
28aTS5
ISS軌道上CALETテレメトリデータ模擬
早大先進理工 早大理工研A 早大重点領域B 神奈川大工C,
JAXAD, 東大宇宙線研E
下村健太, 鳥居祥二A, 浅岡陽一A, 小澤俊介B, 笠原克昌A, 神尾泰樹,
仁井田多絵, Holger MotzA, 力石和樹, 田村忠久C, 上野史郎D,
清水雄輝D, 冨田洋D, 赤池陽水E, 他CALETチーム
[email protected]
内容
• 研究概要
• CALETテレメトリデータ模擬システム
– システム全体の流れ
– ISS軌道上宇宙線流束計算
– 検出器シミュレーション
– CALETデータ取得シミュレーション
• 模擬データ使用例
– トリガーレート, データ転送レートの導出
• まとめ
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研究概要
CALET運用開始に向けた準備事項
•
•
•
•
筑波宇宙センター → 早稲田大学のI/F試験
Quick Look (QL) モニターの開発
Level0 データ(rawデータ)処理システムの開発
軌道上運用計画の最適化
実際の形式に基づく
模擬データが必須
本研究では数種類のシミュレーションを組み合わせ、
現実的なテレメトリ模擬データを作成するシステムを開発した
システム概要
• ISS軌道上でCALETに入射する宇宙線を再現する
- ISS軌道上での入射宇宙線の決定(ATMNC3)
- 検出器シミュレーション(EPICS/Geant4)
• 実際の仕様・形式に基づきテレメトリデータを作成する
- MDC(Mission Data Controller)のシミュレーション
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システム全体の流れ
プログラム
ATMNC3
宇宙線データ
データ
ISS軌道
データ
MDC Simulator
軌道上宇宙線
サンプリング
検出器シミュ
レーション
(EPICS/Geant4)
較正データ
ベース
(PostgreSQL)
較正データ
チャンネルアサイン
ISS軌道上
装置入射
宇宙線データ
ISS軌道上
宇宙線検出器
応答データ
LDカウンタ
処理
トリガー
カウンタ
処理
トリガー
判定処理
ADCデータ
処理
DB I/F
テレメトリ
出力
CALイベント
データ出力
定時データ
出力
Pedestal 差引
ゼロサプレス処理
LD・トリガーマスク
LDスレッショルド
カウンター初期値
Endian変換
処理
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テレメトリ
データ
システム全体の流れ
ATMNC3
宇宙線データ
ISS軌道に沿ったCALET検出器
プログラム
入射粒子のサンプルを行う
ISS軌道
データ
データ
MDC Simulator
軌道上宇宙線
サンプリング
検出器シミュ
レーション
(EPICS/Geant4)
較正データ
ベース
(PostgreSQL)
較正データ
チャンネルアサイン
ISS軌道上
装置入射
宇宙線データ
ISS軌道上
宇宙線検出器
応答データ
LDカウンタ
処理
トリガー
カウンタ
処理
トリガー
判定処理
ADCデータ
処理
DB I/F
テレメトリ
出力
CALイベント
データ出力
定時データ
出力
Pedestal 差引
ゼロサプレス処理
LD・トリガーマスク
LDスレッショルド
カウンター初期値
Endian変換
処理
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テレメトリ
データ
高度400kmにおける宇宙線Fluxの計算
ATMNC3
地球磁場や大気の影響を考慮し、1次宇宙線と2次的に生成する粒子を追跡しFluxを計算する
- 地球磁場モデル:IGRF2010
- 大気構造モデル:US-standard 1976
Ref : M. Honda et al., “ New calculation of the atmospheric neutrino flux in a three-dimensional scheme ”,
Phys. Rev. Lett. D 70 (2004) 043008.
• 追跡粒子がターゲット層を通過した際に次の情報を取得し、1次データを作成
緯度・経度・粒子種別・エネルギー・入射天頂角・方位角
• 高度400kmの球殻を約7000個の等立体角Gridに分割する
• 1次データから緯度・経度を基に粒子情報を振り分け、各Grid毎にリスト化する
高度400kmにおける等立体角Grid
ー1次宇宙線
ー2次宇宙線
ターゲット層:
高度400km球殻
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Ref : I. Gringorten et al., “The division of a circle or
spherical surface into equal-area cells or pixels ”,
INSTRUMENTATION PAPERS, NO 343 (1992) AD-A257 770.
ISS軌道上における装置入射宇宙線のサンプル
1. 次の粒子入射までの時間間隔
Δtを決定
Grid上の宇宙線Flux
指数分布
粒子入射時のISS位置
Δt秒分ISSを移動
※実際は平均で
Δt = 20μsec
ある時刻でのISS位置
Probability = 1 – exp(-RΔt)
Δt = -ln(1-Probability)/R
R:Grid毎のレート
1. Δt秒後のISS軌道上の位置を決定
2. 入射粒子をGridの宇宙線データ
リストからサンプル
1〜3繰り返し
緯度・経度・粒子種別・エネルギー・入射天頂角・方位角・入射時刻
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のリスト作成
システム全体の流れ
プログラム
ATMNC3
宇宙線データ
データ
ISS軌道
データ
MDC Simulator
軌道上宇宙線
サンプリング
検出器シミュ
レーション
(EPICS/Geant4)
ISS軌道上
装置入射
宇宙線データ
ISS軌道上
宇宙線検出器
応答データ
トリガー
カウンタ
処理
トリガー
判定処理
ADCデータ
処理
CALET検出器に粒子をDB I/F
較正データ
入射し検出器応答を計算
ベース
(PostgreSQL)
較正データ
チャンネルアサイン
LDカウンタ
処理
テレメトリ
出力
CALイベント
データ出力
定時データ
出力
Pedestal 差引
ゼロサプレス処理
LD・トリガーマスク
LDスレッショルド
カウンター初期値
Endian変換
処理
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テレメトリ
データ
検出器シミュレーション
• シミュレーションコード
– EPICS ver9.161 (Cosmos ver7.641)
– Geant4 ver9.4p01
電子10 GeV 入射例
• 粒子入射条件
ATMNC3計算による入射方向に垂直
かつ検出器中心を通る平面上で位置を
ランダムに1点取得
• 観測データ
Root fileの形式にて以下のデータを生成
– 各検出器チャンネル毎のエネルギー損失、
入射位置・方向、相互作用位置 等
– 軌道上宇宙線データの順番を保持
ISS軌道上入射宇宙線データと合わせて、
入射時刻・緯度・経度・各検出器のエネルギー損失 をMDC Simulator へ入力
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システム全体の流れ
プログラム
ATMNC3
宇宙線データ
データ
ISS軌道
データ
MDC Simulator
軌道上宇宙線
サンプリング
検出器シミュ
レーション
(EPICS/Geant4)
較正データ
ベース
(PostgreSQL)
較正データ
チャンネルアサイン
ISS軌道上
装置入射
宇宙線データ
ISS軌道上
宇宙線検出器
応答データ
LDカウンタ
処理
トリガー
カウンタ
処理
トリガー
判定処理
ADCデータ
処理
DB I/F
テレメトリ
出力
CALイベント
データ出力
定時データ
出力
Pedestal 差引
ゼロサプレス処理
LD・トリガーマスク
LDスレッショルド
カウンター初期値
Endian変換
処理
[email protected]
テレメトリ
データ
MDC:トリガーロジック部
MDC(Mission Data Controller)
検出器からの信号を収集し、トリガーシグナルの生成・DAQ(Data AcQuisition)・地
上システムへの送出等の役割を担う
トリガーモード
• High Energy Shower Trigger (HE) ・・・ 10 GeV以上の電子観測
• Low Energy Shower Trigger (LE) ・・・ 1 GeV以上の電子観測
• Single Trigger (Single)
・・・ 検出器較正用
重イオンモードを含む全6種類のモードから任意の組み合わせを選択、
それぞれのモードについて任意の値でスレッショルドを設定できる
HEイベント例(e-:10 GeV)
Singleイベント例(p:100GeV)
CHD
0.7MIP
IMC4
7.5MIP
TASC
55MIP
[email protected]
IMC
0.7MIP
TASC
0.7MIP
MDC:データ収集・送出部
MDC(Mission Data Controller)
検出器からの信号を収集し、トリガーシグナルの生成・DAQ(Data AcQuisition)・地
上システムへの送出等の役割を担う
• データ送出プロセス
Event Buildingタスク
•
データ収集命令
•
Event Building タスク
データ生成に必要な情報を集約
ー ADCデータ
ー イベント情報
デッドタイム
ー Event Building タスク完了まで(5ms)の間、
新規トリガーに対する不感時間
Event Processタスク
1次バッファ
Event Process タスク
2次バッファ
データ送出タスク
•
ゼロサプレス処理
:信号がペデスタル相当のチャンネルを削除
データ送出タスク
•
•
テレメトリスピードに応じてデータを送出
2次バッファ中のデータ(60kbit)を100ms毎に送出
イベントデータの他、温度・HV等のハウス
キーピング項目は定時データにて送出(/1s)
上記3つのタスクはパラレル処理
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MDCシミュレーション
シミュレーションでは以下の流れでトリガー・データ生成を行う
次の粒子へ
該当トリガー
にHitなし
CALET入射
宇宙線情報
トリガー判定
カウンタ処理
DeadTime
次の粒子へ
• 設定可能項目
ー トリガーモード
ー トリガースレッショルド
ー カウンタ初期値
• ADCデータ処理
ー ΔE → ADC値へ変換
ー ゼロサプレス処理
デッドタイム判定
• データ出力
ADCデータ処理
データ収集
ー 実際のパケットの形式に
忠実に出力
ー HKデータ(定時データ)
の出力も実装
データ出力
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テレメトリ模擬データ作成例
• ISS軌道情報
– 2011/11/01の軌道1周分
• ATMNC3入力条件
– Primary:p,e+/e-,He
– 重イオンはHeに含
90min
0min
• 運用モード
– 科学解析用データ取得
High Energy Shower Trigger
• トリガースレッショルド:電子10 GeV
– IMC4 : 7.5 MIP
– TASC : 55 MIP
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トリガーレート・データ転送レート
• トリガーレートとデータ転送レートをテレメトリ模擬データから導出
– データはHEトリガーで取得
– トリガーカウンタの数値からトリガーレートを計算
– 100秒間の平均を1秒毎にプロット
トリガーレートの時間変化
データ転送レートの時間変化
ートリガーレート
ー緯度
ーデータ転送レート
ー緯度
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まとめ
• CALET地上運用システムの開発などに使用する現実的な
ISS軌道上テレメトリデータ模擬システムを作成した
– 高度400kmに入射する粒子情報をATMNC3により計算し、ISS軌道
上での装置入射宇宙線をサンプルする
– 検出器応答をEPICS/Geant4により求める
– 実際の仕様に近いDAQ・データ送出をCALETデータ取得システム
(MDC)のシミュレータにて行う
• ISS軌道1周分の模擬データを作成し、トリガーレート・データ
転送レートを導出した
– トリガーレート :10〜25Hzの範囲で変動
– データ転送レート:250〜480kbpsの範囲で変動
• 今後の課題
– MDC Simulatorの詳細化
• バッファの実装
• ISS軌道情報(補助データ)の出力など追加
– 模擬データを用いた地上システムの開発
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地磁気緯度
による影響
End
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Back up
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ATMNC3の検証
 AMS-01の観測条件を満たすイベントを選別(実線)
① 地磁気緯度θM毎 ② 天頂角32度以内
 AMS-01の各地磁気緯度における観測結果(丸点)
(M.Auiglar, et al. Physics Reports 366(2002) 331-405)
[email protected]
入射天頂角補正による影響 [陽子のみ]
• トリガーレートの顕著なピークは入射天頂角補正の影響である
– 天頂角90°付近のイベントの重みが大きく何度もサンプルされる
– 元サンプルの統計量が小さくなるのを補正するため、この影響が出てくる
ことは避けられない
Number of Event (Log)
High Energy (HE) Triggerがかかった事象のCos (天頂角)分布
- EPICS (CAD Model)
- Geant4
Cos (天頂角)
ランダムサンプリング
• ATMNC3計算による全体での経過時間:Tall
– Tall = N ÷ SΩ ÷ F = 14.1[ps]
• 各Gridでの宇宙線が全てCALETへ入射すると考えた場合
の経過時間:T0
– Tall、各GridのSΩGrid及びCALETのSΩCALETの比から、
T0 = 14.2 [ps] × SΩGrid/SΩCALET = 1.09 [s]
• 単位時間あたりにCALETへ入射する粒子の数:λ
– 各Gridのイベント数をNGridとして、
λ = NGrid / T0
• 装置に粒子が入射してから、次の粒子が入射するまでの
時間間隔がΔTである確率:P(ΔT)
– P(ΔT) = 1 – exp(-λΔT) 【exponential distribution】
• P(ΔT) を 0〜1 の一様乱数で振り、時間間隔ΔTを
ΔT = -ln(1-P(ΔT)) / λ
で決定
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トリガーレート・データ転送レート
• スレッショルドの値を0.5倍、1.5倍、2倍にした結果と比較
レート平均(ISS1周)
HE Th
×0.5
HE Th ×1
HE Th ×1.5
HE Th ×2
トリガーレート [Hz]
40.7
17.6
9.9
6.5
データ転送レート[kbps]
621
374
260
201
トリガーレート
データ転送レート
ーHE Th:×0.5
ーHE Th:×1
ーHE Th:×1.5
ーHE Th:×2
ー緯度
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