Потоковая система сбора данных для кремниевой трековой системы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Шитенков Михаил Олегович

• Шитенков Михаил Олегович
• кандидат наук
• 2026

Оглавление диссертации кандидат наук Шитенков Михаил Олегович

Введение

ГЛАВА 1. Модернизация кремниевой трековой системы эксперимента BM@N

1.1 Основы потокового считывания данных, его преимущества и трудности реализации

1.2 Установка BM@N и факторы, ограничивающие её быстродействие

1.3 Модуль CBM/BMN как базовый элемент КТС

1.3.1 Кремниевый двухсторонний микростриповый детектор

1.3.2 Многослойные сверхлегкие микрокабели связи детектора и электроники чтения30

1.3.3 Входная электроника детектора

1.4 Первая плоскость трековой системы BM@N на основе микростриповых модулей CBM/BMN

1.5 Потоковая система сбора данных кремниевой трековой системы

1.6 Выводы

ГЛАВА 2.Характеризация входной электроники считывания данных с кремниевых микростриповых детекторов

2.1 Требования к входной электронике модуля

2.2 Архитектура ASIC STS-XYTER

2.3 Анализ и настройка параметров ASIC STS-XYTER

2.2. Лабораторный испытательный стенд для анализа параметров STS-XYTER

2 3 2 Исследование характеристик внутреннего генератора

2.3.3 Характеризация аналогового тракта микросхемы STS-XYTER

2 3.4 Калибровка внутриканальных АЦП

2.3.5 Калибровка компараторов в цепочке формирования отметки времени регистрации сигнала

2 3 .(> Результаты калибровки и верификация аналоговой части микросхемы

2.4 Шумовые характеристики микросхемы

2.4.1 Составляющие шума аналоговой части микросхемы STS-XYTER

2.4.2 Методология измерения шумовых характеристик

2.5 Определение коэффициента усиления и эффективности сбора заряда

2.6 HCTSP-протокол

2.7 Тестирование цифровой части микросхемы STS-XYTER

2.8 Разработка интерфейсной платы входной электроники детектора

2.9 Выводы

ГЛАВА 3.Создание программно-аппаратного комплекса на базе ПЛИС, предназначенного для эмуляции функционала радиационно стойких ИС линейки GBT

3.1 Описание GBTx

3.2 Концепция устройства GBTxEmulator

3.3 Создание материнской платы GBTxEmulator

3.4 Устройство внутренних блоков ПЛИС

3.4.1 Интегрированный контроллер J1B

3.4.2 Внутренняя шина коммуникации GBTxEmulator

3.4.3 Логический блок GBT-FPGA

3.4.4 Реализация логического блока E-link

3.5 Радиационные испытания платы GBTxEmulator

3.5.1 Радиационные эффекты в ПЛИС

3.5.2 Методы устранения единичных сбоев в конфигурационной памяти ПЛИС

3.5.3 Радиационные испытания ПЛИС Artix-7

3.5.4 Расчеты радиационных загрузок и вероятности сбоев платы GBTxEmulator в

эксперименте BM@N

3.6 Разработка интерфейса связи между платами FEB-8 и GBTxEmulator

3.7 Выводы

ГЛАВА 4. Устройство приема и обработки данных

4.1 Требования к платформе устройства приема и обработки данных

4.2 Аппаратная реализация приема и обработки данных для прототипа системы сбора

данных на базе блоков AFCK и FLIB

4.3 Модуль GBT-FPGA

4.4 Мост HCTSP

4.5 Обработка потока данных с STS-XYTER

4.6 Модуль агрегации данных

4.7 Выводы

ГЛАВА 5.Интеграция системы сбора данных КТС в центральную систему считывания и обработки данных установки BM@N

5.1 Интеграция потока данных пилотной плоскости КТС в центральную систему

считывания данных BM@N

5.2 Синхронизация системы сбора данных КТС и центральной системы приема данных

BM@N

5.3 Триггерный режим работы системы сбора данных КТС

5.4 Система управления и контроля системой сбора данных КТС

5.5 Выводы

ГЛАВА б.Испытания системы сбора данных кремниевой трековой системы с модулями CBM/BMN

6.1 Сертификация собранных модулей типа CBM/BMN

6.2 Лабораторные испытания системы сбора данных КТС

6.3 Испытания системы сбора данных КТС на выведенных пучках ускорителей

6.3.1 Испытания на пучке электронов ускорителя LINAC-200

6.3.2 Пучковые испытания на протонном ускорителе СЦ-1000 ПИЯФ (Гатчина)

(1.3.3 Пропускная способность созданной системы сбора данных КТС

6.4 Выводы

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложение А

Приложение Б

Введение

Работа выполнена в Научно-Методическом Отделе Кремниевых Трековых Систем Лаборатории Физики Высоких Энергий им. В.И. Векслера и А.М. Балдина Объединенного Института Ядерных Исследований (НМОКТС ЛФВЭ ОИЯИ) в рамках мегасайенс проекта РФ NICA и в коллаборации с проектом CBM (FAIR, Дармштадт).

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Потоковая система сбора данных для кремниевой трековой системы»

Актуальность работы

Актуальность представленной работы обусловлена физическими задачами, решаемыми базовыми детекторными установками ускорительного комплекса NICA. Изучение релятивистских тяжёлоионных взаимодействий требует регистрации редких событий, содержащих наиболее значимую информацию о сигналах искомых масштабно-инвариантных критических явлений, сопровождающих гипотетический фазовый переход сжатой ядерной материи в рассматриваемых реакциях.

Применение метода асинхронной потоковой передачи данных позволяет повысить максимальную частоту регистрируемых взаимодействий за счёт переноса триггерного решения с дорогостоящей специализированной многоканальной детекторной электроники на программные алгоритмы, реализуемые на сравнительно недорогих процессорных ядрах.

Следует отметить, что эволюция методов экспериментальной физики высоких энергий всегда носила поэтапный характер, когда каждый новый этап был связан с появлением нового, «революционного» на данном отрезке времени, инструментального решения, приводящего к качественному или количественному увеличению информативности эксперимента. Сегодняшний этап развития методологии эксперимента связан со стремительным увеличением общего числа каналов регистрации частиц установки, перешагнувшему отметку в десятки миллиардов для многих детекторов БАК (ЦЕРН). Технически это стало возможным только благодаря широкому применению достижений микроэлектроники в области создания интегральных схем большой степени интеграции, т.н. VLSI (СБИС) микроэлектроники. Открывшиеся новые технические возможности для создания мега-установок с огромным числом каналов для одновременной регистрации тысяч частиц, образующихся в столкновениях релятивистских частиц или атомных ядер, принесли с собой и новые вызовы. Каким образом с минимальным мертвым временем передать огромный объём экспериментальной информации, генерируемой установкой, из зоны с повышенной радиацией на удаленные серверы, ведущие обработку и накопление данных? Как оптимально осуществить сжатие общего объёма передаваемых данных для последующего хранения без потери их информативности?

Найти ответы на эти вопросы позволяет переход от пособытийно-триггерного к потоковому считыванию данных, который уже реализован или активно внедряется в настоящее время в ряде лабораторий мира, ведущих исследования в области физики высоких энергий. Такой же переход представляется перспективным и для базовых детекторных систем NICA и может быть использован как для увеличения быстродействия считывающей электроники установки BM@N, так и для создания системы считывания данных планируемой установки SPD. Очевидно, что для выработки наиболее оптимального в конкретных условиях NICA аппаратно-программного решения потребуется предварительно пройти через этапы прототипирования и верификации созданного оборудования в условиях, максимально приближенных к ожидаемым в экспериментах, где эта система будет использоваться.

Данная работа, представляющая результаты первого шага в этом направлении, описывает принципы работы и аппаратно-программные решения, разработанные при активном участии автора в процессе создания потоковой системы считывания группы модулей CBM/BMN с кремниевыми двусторонними микростриповыми детекторами, вошедшими в состав пилотной плоскости кремниевой трековой системы (КТС) установки BM@N. На этой системе из 12 тысяч каналов был отработан метод асинхронной потоковой передачи данных, а полученный опыт может быть в дальнейшем применён при построении систем сбора данных с детекторов на ускорительном комплексе NICA для решения задач, требующих высокого быстродействия.

Работа выполнялась на протяжении нескольких лет, которые можно условно разбить на два периода. Во время первого работа шла в тесном сотрудничестве с коллаборацией CBM (GSI), Германия. На этом отрезке времени, который закончился политически мотивированным прекращением совместных работ по инициативе немецких партнеров в 2022 году, была разработана общая концепция аппаратно-программного решения для потоковой системы считывания данных с КТС из микростриповых детекторов; спроектированы, изготовлены и испытаны демонстраторы модулей КТС такого типа, а также изготовлены опытные прототипы электронных устройств для считывания данных, основанные на потоковой парадигме - всё для применения в планируемой КТС CBM. После разрыва кооперации с германскими физиками группа НМОКТС продолжила начатую работу самостоятельно, фокусируя свои усилия на производстве оптимизированных модулей для использования в установке BM@N, годных к серийному производству, конструированию, созданию и испытанию потоковой системы считывания данных с модулей, разработанных на первом этапе выполнения НИОКР, для укомплектования пилотной плоскости КТС с потоковым считыванием данных. Подробное описание способов достижения этих целей и самих результатов и составляет предмет представляемой диссертационной работы.

Степень научной разработанности работы.

Эффективное считывание многоканальных трековых детекторов стало возможным только после появления VLSI-электроники (Very Large Scale Integration), что поспособствовало развитию многоканальной фронтальной электроники высокой плотности для экспериментов по физике высоких энергий.

В прошлом все детекторные установки в области физики высоких энергий инициировали сбор данных по триггерному внешнему сигналу, что накладывало существенное ограничение на быстродействие и требовало создания сложной системы триггирования. Триггерный сигнал вырабатывался по определенным условиям при одновременном срабатывании триггерных детекторов и отсутствии сигнала в вето детекторах для отделения «полезного» сигнала от фоновых частиц. Для обработки сигналов с триггерных детекторов и распределения синхроимпульса триггера на остальные детекторы необходима сложная и быстродействующая система обработки триггера, например, система CTP (Central Trigger Processor) [1] использовавшаяся в эксперименте ALICE во время «Run1» и «Run 2» (2010 - 2018) на ускорителе LHC в ЦЕРН. При таком режиме работы все детекторы эксперимента считывают данные по общему сигналу триггера, а быстродействие ограничивается детектором с самой медленной системой сбора данных в эксперименте. Из-за задержек формирования триггерного сигнала и быстродействия детекторов уменьшается эффективность сбора «полезных» событий и делается практически невозможным наблюдение редких событий, требующих большой статистики данных для анализа.

Новый подход бестриггерного (потокового) режима работы подразумевает независимую регистрацию событий каждой детекторной системой эксперимента с подавлением нулей и максимальным быстродействием, последующую передачу данных в единый кластер для их обработки и анализа, реконструкцию и селекцию событий, имеющих индивидуальную отметку времени, на основе информации от всех детекторных систем, а также передачу данных в систему записи для последующего физического анализа.

Потоковый режим работы детекторной электроники впервые был реализован в микросхеме FSSR2 [2], созданной для эксперимента BTeV в Лаборатории им. Ферми (США), в которой все события, превышающие установленный порог дискриминатора, регистрировались и после усиления и интегрирования сигнала оцифровывались трехбитным АЦП. Быстродействие такой системы ограничивалось только пропускной способностью цифровых интерфейсов и мертвым временем индивидуально сработавшего канала, что позволило существенно увеличить пропускную способность системы, сохранив низкое энергопотребление и приемлемый уровень шума.

В дальнейшем, использование концепции потокового сбора данных было предложено для экспериментов CBM [3] и PANDA [4], планируемых к проведению на строящемся ускорительном комплексе FAIR. В 2013-2014 годах схема потокового считывания данных была реализована в экспериментах ALICE [5] и LHCb [6] в ЦЕРН, что было вызвано повышением светимости LHC и переходом к изучению ядро-ядерных столкновений с большой множественностью вторичных частиц.

Требования экспериментов к увеличению апертуры и гранулярности детекторов привели к огромному количеству дорогостоящих медных скоростных коммутационных линий, что потребовало скорейшей агрегации сигналов и перехода к передаче информации от входной электроники, расположенной вблизи детекторов, к входным узлам онлайн фермы установки по оптическим линиям. Для уменьшения количества цифровых кабелей и увеличения расстояния передачи данных в ЦЕРН было разработано семейство радиационно-стойких микросхем линейки GBT [7], позволяющих концентрировать данные с медных сигнальных линий прямо в объеме детектора или вблизи него в двунаправленные помехозащищённые оптические линии, и передавать данные по ним на значительное расстояние в области с безопасным радиационным фоном, пригодным для использования коммерческой электроники. Помимо этого, функционал GBT позволяет выполнять синхронизацию, необходимую для потокового чтения, и управлять входной электроникой детектора по этой же оптической линии. Практическая реализация потоковой системы сбора данных на базе GBT для масштабной установки, состоящей из множества детекторов, впервые была осуществлена в 2021 году в рамках модернизации LHC для выполнения программы «Run 3» в экспериментах LHCb и ALICE. Помимо этого, использование концепции GBT также активно реализуется в FAIR и BNL.

Особая роль в современных системах сбора данных уделяется устройствам, разработанным на базе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Они позволяют производить высокоскоростную многопоточную обработку и передачу данных и обладают при этом высокой гибкостью и большим объемом аппаратных средств, имея при этом относительно низкую стоимость и значительно сокращая время разработки систем сбора данных. К недостаткам ПЛИС можно отнести низкую радиационную стойкость в сравнении со специализированными интегральными схемами (ASIC) и низкую оптимизацию для последовательных операций в сравнении с процессорами персональных компьютеров.

Благодаря стремительному развитию практических VLSI технологий становится возможным в полной мере реализовывать потенциал, в частности, и кремниевых трековых детекторов за счёт разработки более радиационно стойких, энергоэффективных и быстродействующих устройств сбора данных, а так же внедрения потокового чтения, что

позволяет избавиться от сложных систем триггирования и значительно повысить пропускную способность систем сбора данных и эффективность отбора полезных событий при поиске редких физических реакций в опытах в области физики высоких энергий.

Цель работы состояла в разработке, создании и испытании системы сбора данных пилотной плоскости кремниевой трековой системы для установки BM@N, основанной на концепции потокового считывания данных.

Система сбора данных для пилотной плоскости кремниевой трековой системы (КТС) должна обеспечивать чтение данных с 12 тысяч каналов, с ожидаемой загрузкой детекторов 20 кГц/см2 при частоте триггера до 50 кГц. Модули данной системы должны обладать пространственным разрешением не хуже 20 мкм, динамическим диапазоном измерения амплитуды от 0 - 15 фКл и отношением сигнал/шум не менее 10 при энергопотреблении не более 10 мВт/канал. Система сбора данных должна основываться на современном и перспективном методе потокового чтения данных и поддерживать высокоскоростной протокол передачи данных GBT для передачи данных с входной электроники детекторов на входные узлы серверов обработки данных.

В ходе выполнения диссертационной работы были поставлены и решены следующие основные задачи:

1) Создана и испытана входная потоковая электроника детекторов для сбора данных с кремниевых двухсторонних микростриповых сенсоров типа CBM/BMN с 2048 каналами на базе микросхем STS-XYTER.

2) Разработано устройство на базе ПЛИС, предназначенное для управления и концентрации данных с 48 ASIC STS-XYTER, совместимое с высокоскоростным помехозащищенным протоколом GBT [7].

3) Создан программно-аппаратный комплекса на базе ПЛИС для приема/передачи данных по протоколу GBT со скоростью 3,68 Гбит/с с последующей обработкой потока данных.

4) Разработан метод для интеграции потоковой входной электроники пилотной плоскости и пособытийно-триггерной системы сбора данных установки BM@N при частоте триггера до 78 кГц.

Объектом работы являются методы регистрации, накопления, обработки и передачи большого потока данных из радиационной зоны детекторов на удаленный онлайн сервер для последующей обработки и накопления данных с кремниевых микростриповых детекторов в экспериментах в областях релятивистской ядерной физики и физики элементарных частиц, требующих выделения редких событий в условиях больших загрузок детекторных систем.

Предмет работы - кремниевая трековая система, системы сбора данных, электроника и

протоколы обмена данными, радиационная стойкость ПЛИС.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1) Впервые в ОИЯИ создана и испытана высокоскоростная потоковая электроника для регистрации сигналов с кремниевых двусторонних микростриповых детекторов с достигнутым координатным разрешением в 15 мкм. Получены фактические характеристики данного типа системы считывания и агрегации данных в лабораторных и пучковых испытаниях. Система позволяет не только независимо считывать данные в потоковом режиме с точностью временной отметки событий ±10 нс, но и совместно с другими подсистемами работать по внешнему триггеру с частотой до 78 кГц при максимальной загрузке детекторов в 545 кГц/см2.

2) Впервые в ОИЯИ на базе доступной программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) создан концентратор данных с детекторной электроники, поддерживающий функционал радиационно стойких ИС линейки GBT, оптимизированный для работы с модулями КТС типа СВМ/ВММ Протокол GBT позволяет при использовании лишь одной двунаправленной высокоскоростной линии связи концентрировать поток данных с 48 цифровых дифференциальных каналов связи, а также обеспечивать синхронизацию и управление входной электроникой детекторов.

3) На созданной системе считывания данных успешно реализован предложенный способ интеграции потоковой и триггерной систем сбора данных. Это решение может быть использовано и в других экспериментах, где требуется согласование потоковой электроники с пособытийно-триггерной системой считывания данных.

Теоретическая и практическая значимость исследования состоит в том, что:

1) Предложенные технические решения, использованные для создания потоковой системы считывания данных и управления массивом модулей СВМ/ВМ№ пилотной плоскости КТС установки ВМ@^ демонстрируют возможность для модернизации установки ВМ@^

2) Исследованы параметры и возможности микросхемы STS-XYTER. Определены оптимальные параметры конфигурации микросхемы, протестированы все её ключевые узлы, разработаны алгоритмы калибровки, позволившие увеличить точность измерения амплитуды и времени событий в 5 раз, исследованы шумовые характеристики детекторных модулей типа СВМ/ВМ№ и внедрены методы их подавления, позволившие достигнуть отношения сигнал/шум не ниже 20 для регулярных каналов детектора. Продемонстрирована стабильная работа в течении нескольких суток созданной входной электроники модулей пилотной плоскости для модернизации существующей КТС установки BM@N в испытаниях

как на лабораторных стендах, так и на пучках ускоренных частиц (электроны 200 МэВ, протоны 1 ГэВ).

3) Разработанное устройство «GBTxEmulator» позволяет произвести импортозамещение радиационно стойких микросхем специального назначения GBTx. GBTxEmulator необходим для работы с детекторной электроникой КТС эксперимента BM@N, а его платформа и разработанные логические блоки ПЛИС могут быть использованы для реализации других проектов в сфере физики высоких энергий, использующих электронику с цифровым интерфейсом связи на базе SPI-подобных дифференциальных линий связи (е-линков).

4) Проведены радиационные испытания и расчеты вероятности сбоев конфигурационной памяти ПЛИС фирмы Xilinx, установленных в GBTxEmulator, на пучке протонов 1 ГэВ, позволяющие оценить отказоустойчивость работы ПЛИС под воздействием ионизирующего излучения частиц высоких энергий, генерирующих сбои в экспериментах на ускорителях и в космосе.

5) Разработанная потоковая система сбора данных с модулей CBM/BMN послужила основой для создания пилотной плоскости для существующей кремниевой трековой системы установки BM@N с целью повышения минимум в 5 раз в сравнении с существующей КТС гранулярности детекторов, и увеличения пропускной способности считывания данных до 545 кГц/см2, что открывает возможность изучения редких процессов в изучаемых ядерных реакциях.

6) Созданные устройства могут быть использованы и для других прикладных задач, требующих высокоскоростной передачи большого количества данных из зоны повышенной радиации на удаленные входные узлы серверов, обрабатывающих эту информацию.

7) Продемонстрирован метод интеграции различных типов систем сбора данных (потоковых и пособытийно-триггерных), который может быть применен и в других экспериментах, где возникает такая необходимость.

Методология и методы исследования

Разработка системы сбора данных КТС включала в себя тестирование электроники на лабораторных тестовых стендах с применением тестового генератора, лазерных систем, и радиоактивных источников, а также эксперименты на выведенных пучках для определения рабочих характеристик входной считывающей электроники, оптимизации шумов. Проектирование электроники производилось в САПР Altium Designer, с проведением согласования импеданса сигнальных.

Разработка логической структуры ПЛИС была выполнена на языке VHDL в среде разработки «Vivado 2017.4». Для проверки и отладки алгоритмов логической структуры ПЛИС

использовалась программная симуляция, имитирующая детекторную электронику и внешние логические сигналы. Симуляция позволила проконтролировать каждый сигнал логической структуры и поведение алгоритма, реализованного в ПЛИС во время его выполнения. В ходе разработки использовался логический анализатор «ChipScope», встроенный в ПЛИС и отображающий реальные значения сигналов в ПЛИС. Контроль версий во время разработки проекта обеспечивался системой контроля версий Git [8].

Управление системой чтения осуществлялось с персонального компьютера через протокол IPBus, с использованием разработанных скриптов и библиотек, написанных на языке программирования Python. Полученные данные визуализировались и анализировались с применением библиотек Python и Root [9].

Положения, выносимые на защиту:

1) Проект потоковой системы сбора данных с модулей CBM/BMN для пилотной плоскости КТС BM@N.

2) Результаты тестирования на этапах разработки, методы оптимизации параметров и аппаратной калибровки микросхемы STS-XYTER, на базе которой создана входная потоковая электроника для чтения данных с кремниевых двухсторонних микростриповых сенсоров типа CBM/BMN.

3) Разработанный программно-аппаратный комплекс на базе ПЛИС, совместимый с протоколом GBT. Данный комплекс позволяет:

- принимать данные с 48 микросхем STS-XYTER по дифференциальным линиям со скоростью 80 Мбит/с и концентрировать их на двунаправленную высокоскоростную линию связи GBT со скоростью 3,68 Гбит/с, сортировать данные с двух таких каналов связи и передавать его на входные узлы вычислительного кластера способные принимать данные с восьми передатчиков;

- осуществлять временную синхронизацию входной электроники в диапазоне ± 10 нс;

- обеспечивать контроль и управление за входной электроникой модулей CBM/BMN;

4) Метод интеграции потоковой системы чтения пилотной плоскости КТС с пособытийно-триггерной системой сбора данных эксперимента, позволяющий на уровне логической структуры ПЛИС произвести отбор данных на основании анализа временной отметки событий и получаемого триггерного сигнала. Максимальная частота внешнего триггера составляет 78 кГц, а максимальная загрузка детекторов равна 545 кГц/см2.

Апробация результатов исследования.

Результаты работы были опубликованы в 7 публикациях в реферируемых научных

журналах, в трудах конференций, а также докладывались автором на следующих российских и

международных научных семинарах, и конференциях:

1) Front-End Electronics for BM@N STS characterization and quality assurance, Shitenkov Mikhail, Dementyev Dmitry, Murin Yurii, The 27th International Symposium on Nuclear Electronics and Computing (NEC2019), Budva, Becici, Montenegro.

2) Front-end readout electronics for BM@N STS, The Conference "RFBR Grants for NICA", Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russia, 20.10.2020 - 23.10.2020.

3) Модернизация системы сбора данных кремниевой трековой системы установки BM@N, М. Шитенков, 27 научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов государственного университета «Дубна», 17.04.2020 - 24.04.2020, Университет «Дубна».

4) Статус разработки системы сбора данных кремниевой трековой системы эксперимента BM@N, М. Шитенков, 28 научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов государственного университета «Дубна», 2.12.2020

5) Readout electronics of the silicon tracking system of the BM@N experiment at NICA, Shitenkov Mikhail, Dementyev Dmitry, Murin Yurii, The LXXI International conference "NUCLEUS - 2021. Nuclear physics and elementary particle physics. Nuclear physics technologies", St. Petersburg State University, National Research Center, St. Petersburg, Russia

6) Readout electronics for the wide aperture silicon tracking system of the BM@N experiment at NICA, Shitenkov M., Dementyev D., Murin Yu., The LXXII International conference "NUCLEUS - 2022. Fundamental problems and applications", Lomonosov Moscow State University, Leninskie Gory, Moscow, Russian Federation

7) Кремниевая трековая станция с системой потокового чтения как часть трековой системы BM@N, Шитенков М.О., Дементьев Д.В., Шереметьев А.Д., Леонтьев В.В., Коложвари А. А., Андреев Д.И. и Мурин Ю.А., The LXXV International conference "NUCLEUS - 2025. Nuclear physics and elementary particle physics. Nuclear physics technologies", St. Petersburg State University, National Research Center, St. Petersburg, Russia.

8) Free-streaming data acquisition system for the modernized silicon tracking system of the BM@N experiment, Shitenkov M, 60-я сессия ПКК, ОИЯИ, Дубна, 27.01.2025 (Постер)

Публикации ВАК и Scopus:

1) Shitenkov M., Dementev D., Voronin A., и др. Front-End Electronics for BM@N STS // Phys. Part. Nucl. 2021. Т. 52, № 4. С. 826-829. https://doi.org/10.1134/S1063779621040559.

2) Dementev D., Shitenkov M., Guminski M., и др. Fast Data-Driven Readout System for the Wide Aperture Silicon Tracking System of the BM@N Experiment // Phys. Part. Nucl. 2021. Т. 52, № 4. C. 830-834 https://doi.org/10.1134/S1063779621040213.

3) W.M. Zabolotny, D. V. Dementev, M. O Shitenkov и др. GBTX emulator for development and special versions of GBT-based readout chains // Journal of Instrumentation. 2021. Т. 16, № 12. D0I:10.1088/1748-0221/16/12/C12022.

4) Дементьев Д. В., Шитенков М. О., Леонтьев В. В., Сухов Н. В., Шереметьев А. Д., Мурин Ю. А., ^отношение ^гнал/Шум модуля кремниевой трековой системы эксперимента BM@N // Приборы и техника эксперимента, 2023, ISSN:0032-8162, МАИК Наука Интерпериодика, C. 23 - 32, https://doi.org/10.31857/S0032816223010111.

5) Dementev D.V., Shitenkov M.O., Sheremetev A.D., и др. Characterization of Tracking Modules Based on DSSD Sensors at the SC-1000 Accelerator for the BM@N Project // Phys. Part. Nucl. Lett. 2024. Т. 21, № 4. С. 919-927. https://doi.org/10.1134/S1547477124701000.

6) Shitenkov M. O., Dementev, D. V., Sheremetev, A. D., Leontiev V. V., Murin Yu. A., Radiation Tests of the data concentrator board based on FPGA Artix-7 for the Silicon Tracking System of the BM@N experiment // ISSN 0020-4412. Instruments and Experimental Techniques. 2024. Т. 67, № 4. С. 691-699.D0I: 10.1134/S0020441224701136.

7) Dementev D., Shitenkov M., Diaz R.A., и др. In-beam tests of double-sided silicon strip detector modules for the BM@N experiment // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. Accel. Spectrometers Detect. Assoc. Equip. 2025. Т. 1075. С. 170390. https://doi.org/10.1016/j.nima.2025.170390.

Другие материалы публикаций:

1) Baranov, A. V., Dementev, D. V., Merkin, M. M., Murin, Yu. A., Shitenkov M. O. et al., Technical Design Report for the Silicon Tracking System as part of the hybrid tracker of the BM@N experiment, JINR, 2020, ISBN 978-5-9530-0541-8, pp. 101.

2) STS/MUCH-XYTER v.2 testing and calibration activities at JINR. M. Shitenkov, CBM Progress Report 2017, GSI Darmstadt, 03.2018.

3) Исследование зависимости параметров модулей трековых систем от температуры. Шитенков М.О. Сборник материалов 24-ой научной конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов, 2017, г. Дубна, Гос. ун-т «Дубна».

4) Towards length specification of ultra-light microcables for the BM@N STS, V. Elsha, D. Dementev, A. Sheremetev, M. Shitenkov, N. Sukhov, Yu. Murin, CBM Progress Report 2018, GSI Darmstadt, 10.2019.

5) Testing and optimization of the analog part of the SMX2.1, Dementev, D., Kovalev, I., Shitenkov, M. et al., CBM Progress Report 2019, 2020, GSI, ISBN 978-3-9815227-8-5, p. 23.

6) Front-end Board for the BM@N STS project, D. Dementev and M. Shitenkow, in CBM Progress Report 2019, 2020, GSI, ISBN 978-3-9815227-8-5, p. 30.

7) Performance of STS-HCTSP with long transmission lines, D. Dementev and M. Shitenkow, in CBM Progress Report 2019, 2020, GSI, ISBN 978-3-9815227-8-5, p. 31.

Внедрение результатов работы.

Разработанная при участии автора потоковая система сбора данных с модулей CBM/BMN послужила основой для создания пилотной плоскости для существующей кремниевой трековой системы установки BM@N с целью повышения гранулярности и пропускной способности считывания данных, что открывает возможность изучения редких процессов в изучаемых ядерных реакциях. Созданные устройства могут быть использованы и для других прикладных задач, требующих высокоскоростной передачи большого количества данных из зоны повышенной радиации на удаленные входные узлы серверов, обрабатывающих эту информацию. Продемонстрирован метод интеграции различных типов систем сбора данных (потоковых и пособытийно-триггерных), который может быть применен и в других экспериментах, где возникает такая необходимость.

Личный вклад автора.

Все результаты, приведенные в работе, получены самим автором или при его непосредственном участии. Автор внёс свой вклад в разработку концепции потоковой системы сбора данных кремниевой трековой системы и её интеграции в глобальную систему сбора данных эксперимента BM@N. Он принимал самое активное участие создании и отладке в ОИЯИ прототипа системы сбора данных, а также в разработке, исследовании параметров и отладке входной электроники детекторов. Он также самостоятельно разработал компоненты системы сбора данных: платы входной электроники детектора и модули их питания, устройства коммутации, устройства GBTxEmulator и устройства обмена данных с группой устройств GBTxEmulator по протоколу GBT под названием DPB. Разработал программное обеспечение системы сбора данных и логические блоки ПЛИС и провел испытания созданной системы считывания трековой системы в экспериментах как в лабораторных условиях на созданных им стендах, так и на пучках ускоренных частиц, которые провел как в соавторстве, так и сам лично. Большинство публикаций и все доклады на тему работы подготовлены и представлены лично автором.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шитенков Михаил Олегович, 2026 год

Список литературы

1. Bhasin A., EvansD., Jones G.T., и др. Implementation of the ALICE Trigger System. 2007. С. 81 с. DOI: 10.1109/RTC.2007.4382861.

2. Re V., ManghisoniM., RattiL., и др. FSSR2, a Self-Triggered Low Noise Readout Chip for Silicon Strip Detectors // Nucl. Sci. IEEE Trans. On. 2006. Т. 53. С. 2470-2476. DOI: 10.1109/TNS.2006.877858.

3. Cuveland J. de, Lindenstruth V., Collaboration) (forthe CBM. A First-level Event Selector for the CBM Experiment at FAIR // J. Phys. Conf. Ser. 2011. Т. 331, № 2. С. 022006. DOI: 10.1088/17426596/331/2/022006.

4. Belias A. Overview of the PANDA detector design at FAIR // Int. J. Mod. Phys. Conf. Ser. 2023. Т. 51. DOI: 10.1142/S2010194523600017.

5. Antonioli P., Kluge A., Riegler W. Upgrade of the ALICE Readout & Trigger System. 2013. URL: https://cds.cern.ch/record/1603472/files/ALICE-TDR-015.pdf (дата обращения 2024-09-13).

6. Aaij R., Albrecht J., Belous M., и др. Allen: A High-Level Trigger on GPUs for LHCb // Comput. Softw. Big Sci. 2020. Т. 4. DOI: 10.1007/s41781-020-00039-7.

7. Moreira P., Ballabriga R., Baron S., и др. The GBT project. 2009.

8. Chacon S., Straub B. Pro GIT. Apress, 2022. URL: URL: https://github.com/progit/ progit2/releases/download/2.1.337/progit.pdf. (дата обращения 2024-10-20).

9. Al-Turany M., Bertini D., Dahlinger M., и др. FairRoot/CbmRoot Simulation and Analysis framework. 2006.

10. AbbottB.P., others. GW170817: Observation of Gravitational Waves from a Binary Neutron Star Inspiral // Phys Rev Lett. 2017. Т. 119, № 16. С. 161101. DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.161101.

11. Cunqueiro L., Sickles A. Studying the QGP with Jets at the LHC and RHIC // Prog. Part. Nucl. Phys. 2022. Т. 124. С. 103940. DOI: 10.1016/j.ppnp.2022.103940.

12. Huang Y. Strange Hadron Production in Au+Au Collisions at V S NN = 54.4 GeV // EPJ Web Conf. 2022. Т. 259. С. 03002. DOI: 10.1051/epjconf/202225903002.

13. Abgrall N., Andreeva O., Aduszkiewicz A., и др. NA61/SHINE facility at the CERN SPS: beams and detector system // J. Instrum. 2014. Т. 9. DOI: 10.1088/1748-0221/9/06/P06005.

14. Adamczewski-Musch J., Belyaev A., Blanco A., и др. Production and electromagnetic decay of hyperons: a feasibility study with HADES as a phase-0 experiment at FAIR // Eur. Phys. J. A. Springer Science and Business Media LLC, 2021. Т. 57, № 4. DOI: 10.1140/epja/s10050-021-00388-w.

15. Zinchenko A., Kapishin M., Kireyeu V., и др. A Monte Carlo Study of Hyperon Production with the MPD and BM@N Experiments at NICA // Particles. 2023. Т. 6, № 2. С. 485-496. DOI: 10.3390/particles6020027.

16. Ablyazimov T., Abuhoza A., Adak R.P., и др. Challenges in QCD matter physics -The scientific programme of the Compressed Baryonic Matter experiment at FAIR // Eur. Phys. J. A. Springer Science and Business Media LLC, 2017. Т. 53, № 3. DOI: 10.1140/epja/i2017-12248-y.

17. Zemko M., Frolov V., Huber S., и др. Free-running data acquisition system for the AMBER experiment // EPJ Web Conf. 2021. Т. 251. С. 04028. DOI: 10.1051/epjconf/202125104028.

18. Abdul KhalekR., Accardi A., Adam J., и др. Science Requirements and Detector Concepts for the Electron-Ion Collider // Nucl. Phys. A. Elsevier BV, 2022. Т. 1026. С. 122447. DOI: 10.1016/j.nuclphysa.2022.122447.

19. SAMTEC. FireFly™ Optical Transceivers . URL: https://www.samtec.com/optics/systems/firefly/ (дата обращения 2025-09-10).

20. Chen K., Chen H., Huang J., и др. A Generic High Bandwidth Data Acquisition Card for Physics Experiments // IEEE Trans. Instrum. Meas. 2019. Т. PP. С. 1-1. DOI: 10.1109/TIM.2019.2947972.

21. Ameli F., Battaglieri M., Berdnikov V., и др. Streaming readout for next generation electron scattering experiments // Eur. Phys. J. Plus. 2022. Т. 137. DOI: 10.1140/epjp/s13360-022-03146-z.

22. Savin I.A., Efremov A. V., Peshekhonov D. V., и др. Spin Physics Experiments at NICA-SPD with polarized proton and deuteron beams // EPJ Web Conf. EDP Sciences, 2014. Т. 85. DOI: 10.1051/epjconf/20158502039.

23. 4.4 BM@N TDR - XWiki // BM@N Collaboration. URL: https://bmn-wiki.jinr. ru/bin/view/Doc/4. %20Documents/4.4%20BM%40N%20TDR/.

24. Afanasiev S., Agakishiev G., Aleksandrov E., и др. The BM@N spectrometer at the NICA accelerator complex // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. Accel. Spectrometers Detect. Assoc. Equip. 2024. Т. 1065. С. 169532. DOI: 10.1016/j.nima.2024.169532.

25. Topko B., Topko Y., Khabarov S., и др. The Test Bench for BM@N Forward Silicon Tracker FrontEnd Electronics and Silicon Modules // IEEE Trans. Nucl. Sci. 2022. Т. 69, № 1. С. 98-104. DOI: 10.1109/TNS.2021.3136944.

26. Galavanov, A., Kapishin, M., Kapusniak, K., и др. Performance of the BM@N GEM/CSC tracking system at the Nuclotron beam // EPJ Web Conf. 2019. Т. 204. С. 07009. DOI: 10.1051/epjconf/201920407009.

27. AFI Electronics . URL: https://afi.jinr.ru/ (дата обращения 2024-10-10).

28. Maksymchuk A., Vishnevsky A., Dementev D., и др. Upgrade of the BM@N detector for studies of heavy ion interactions // Int. J. Mod. Phys. Conf. Ser. 2023. Т. 51. DOI: 10.1142/s201019452361013x.

29. Heuser J., Senger P., Schmidt C., и др. Technical Design Report for the CBM Silicon Tracking System (STS). Darmstadt, Germany: GSI Darmstadt, 2013. 167 с.

30. Baranov A.V., Dementev D.V., Merkin M.M., и др. The Silicon Tracking System as Part of the Hybrid Tracker of the BM@N Experiment: Technical Design Report / под ред. Dmitrii D., Senger P. 2020. Т. 101.

31. Sheremetiev A., Dementev D., Elsha V., и др. Status of the BM@STS Module Assembly // Phys. Part. Nucl. 2022. Т. 53, № 2. DOI: 10.1134/S1063779622020745.

32. Шереметьев А. Разработка и изготовление трековых модулей на основе кремниевых двухсторонних микрополосковых детекторов: Канд. технических наук 1.3.2. Дубна: ОИЯИ, 2025. 149 с. URL: https://issc.jinr.ru/files/236/f_2_5046.pdf.

33. Rodriguez A.R. The CBM Silicon Tracking System front-end electronics. From bare ASIC to detector characterization, commissioning and performance. Frankfurt University (Germany). Fachbereich Physik, 2020.

34. Borshchov V.N., Listratenko O.M., Protsenko M.A., и др. Development of thin multi-line cables for the STS micro-strip detector modules. GSI Darmstadt, 2008. С. 34-35. URL: https://inis.iaea.org/collection/NCLCollectionStore/_Public/39/069/39069906.pdf.

35. Kasinski K., Rodriguez-Rodriguez A., Lehnert J., и др. Characterization of the STS/MUCH-XYTER2, a 128-channel time and amplitude measurement IC for gas and silicon microstrip sensors // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. Accel. Spectrometers Detect. Assoc. Equip. 2018. Т. 908. С. 225-235. DOI: 10.1016/j.nima.2018.08.076.

36. Sheremetev A.D., Leontiev V. V., DementevD. V., и др. Technological Process of Assembly and QA Testing of Silicone Tracking Modules with Silicon Strip Sensor // Phys. Part. Nucl. Lett. 2024. Т. 21, № 3. С. 466-480. DOI: 10.1134/S1547477124700456.

37. Hamamatsu Photonics . URL: https://www.hamamatsu.com/jp/en.html (дата обращения 2024-1010).

38. CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik . URL: https://www.cismst.de/en/research-institute/ profile/ (дата обращения 2024-10-10).

39. Hartmann F. Silicon tracking detectors in high-energy physics // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. Accel. Spectrometers Detect. Assoc. Equip. 2012. Т. 666. С. 25-46. DOI: https://doi.org/10.1016/j.nima.2011.11.005.

40. Kasinski K., Szczygiel R., Zubrzycka W. STS/MUCH-XYTER version 2.1 and 2.2 Manual v2.02. AGH University, 2018.

41. Panasenko I., Schmidt H.R., Lavrik E., и др. Microcable Quality Assurance: Capacitance measurements. GSI, Darmstadt, Germany, 2017. URL: https://repository.gsi.de/record/ 201318/files/.

42. Kasinski K., KleczekR., Otfinowski P., и др. STS-XYTER, a high count-rate self-triggering silicon strip detector readout IC for high resolution time and energy measurements // 2014 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference, NSS/MIC 2014. 2016. DOI: 10.1109/NSSMIC.2014.7431048.

43. Trenz Electronic TE0712 FPGA Modules with Xilinx Artix-7 . URL: https://shop.trenz-electronic.de/en/Products/Trenz-Electronic/TE07XX-Artix-7/TE0712-Artix-7/ (дата обращения 2023-10-04).

44. TEC0330 PCIe Carrier with Xilinx Virtex-7 . URL: https://wiki.trenz-electronic.de/display/ PD/TEC0330+Resources (дата обращения 2024-10-11).

45. FM-S18 Octal SFP/SFP+ transceiver FMC . URL: https://www.part-elec.com/datasheet/avnet-engineering-services/AES-FM-S18.pdf (дата обращения 2024-10-11).

46. Sidorenko V., Fröhlich I., Müller W., и др. Prototype design of a timing and fast control system in the CBM experiment // J. Instrum. 2022. Т. 17. С. C05008. DOI: 10.1088/1748-0221/17/ 05/C05008.

47. Lipinski M., Bij E., Serrano J., и др. White Rabbit Applications and Enhancements. 2018. С. 71 с. DOI: 10.1109/ISPCS.2018.8543072.

48. Creotech, Poland. AMC FMC carrier kintex (AFCK) . 2015. URL: http://www.ohwr.org/projects/ afck (дата обращения 2024-11-10).

49. HiTech Global. HTG-K700 User Manual. 2012. URL: https://espace.cern.ch/GBT-Project/GB TX/Manuals/gbtxManual.pdf (дата обращения 2025-09-25).

50. Moreira P., et al. GBTX manual .

51. DementievD., ShitenkowM., Murin Yu., и др. Front-end Board for the BM@N STS project // CBM Progress Report 2019. 2020. № GSI, Darmstadt, Germany. С. 30. DOI: 10.15120/GSI-2020-00904.

52. Sheremetev A., Kolozhvari A., Dementev D., и др. Quality Assurance Test System for Assembly of STS Modules for the BM@N Experiment // Phys. Part. Nucl. Lett. 2023. Т. 20, № 4. С. 613-618. DOI: 10.1134/S1547477123040593.

53. Sorokin I., Balog T., Krylov V., и др. Transconductance calibration of n-XYTER 1.0 readout ASIC // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. Accel. Spectrometers Detect. Assoc. Equip. 2013. Т. 714. С. 136-140. DOI: 10.1016/j.nima.2013.02.013.

54. Brogna A.S., et al. n-XYTER reference manual. URL: http://hipex.phys.pusan.ac.kr/drupal/ sites/default/files/nXYTER.pdf (дата обращения 2024-10-10).

55. Sorokin I. Characterization of silicon microstrip sensors, front-end electronics, and prototype tracking detectors for the CBM experiment at FAIR: PhD thesis. Frankfurt am Main: Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main, 2014.

56. Rountree R., Hutchins C. NMOS protection circuitry // Electron Devices IEEE Trans. On. 1985. Т. 32. С. 910-917. DOI: 10.1109/T-ED.1985.22047.

57. Kasinski K., Kleczek R., Szczygiel R. Front-end readout electronics considerations for Silicon Tracking System and Muon Chamber // J. Instrum. 2016. Т. 11. С. C02024-C02024. DOI: 10.1088/1748-0221/11/02/C02024.

58. Madhumati G., Rao K., Madhavilatha M. Comparison of 5-bit Thermometer-to-Binary Decoders in 1.8V, 0.18 mu m CMOS Technology for Flash ADCs // Signal Process. Syst. Int. Conf. On. 2009. Т. 0. С. 516-520. DOI: 10.1109/ICSPS.2009.160.

59. Rodr'iguez O.M. Characterization and commissioning of the front-end electronics for the Silicon Tracking System of the CBM experiment: PhD thesis. Frankfurt am Main: Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main, 2023.

60. AMD Kintex 7 FPGAs . URL: https://www.amd.com/en/products/adaptive-socs-and-fpgas/fpga/ kintex-7.html (дата обращения 2014-11-10).

61. Kasinski K., Szczygiel R., Zabolotny W., и др. A protocol for hit and control synchronous transfer for the front-end electronics at the CBM experiment // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. Accel. Spectrometers Detect. Assoc. Equip. 2016. Т. 835. DOI: 10.1016/j.nima.2016.08.005.

62. Larrea C.G., Harder K., Newbold D., и др. IPbus: a flexible Ethernet-based control system for xTCA hardware // J. Instrum. 2015. Т. 10, № 02. DOI: 10.1088/1748-0221/10/02/c02019.

63. NakhostinM., HitomiK. Pulse-height loss in the signal readout circuit of compound semiconductor detectors // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. Accel. Spectrometers Detect. Assoc. Equip. 2018. Т. 893. С. 146-150. DOI: 10.1016/j.nima.2018.03.053.

64. ShitenkovM., Dementev D., Voronin A., и др. Front-End Electronics for BM@N STS // Phys. Part. Nucl. 2021. Т. 52, № 4. DOI: 10.1134/S1063779621040559.

65. Spieler H. Semiconductor Detector Systems // Semicond. Detect. Syst. Oxford University Press, 2005. Т. 9780198527848. С. 1-512. DOI: 10.1093/ACPROF:OSO/9780198527848.001.0001.

66. Dementiev D., Shitenkow M., Sidorenko V., и др. Test station with silicon baby sensor and readout electronics based on STS/MUCH-XYTER2 ASIC for in-beam tests at Nuclotron // CBM Progress Report 2017. 2018. № GSI, Darmstadt, Germany. С. 37. DOI: 10.15120/GSI-2018-00485.

67. Левитин А.В. Алгоритмы. Введение в разработку и анализ. Вильямс, 2006. 576 с.

68. Дементьев Д.В., Шитенков, М.О., Леонтьев, В.В., и др. Соотношение Сигнал/Шум модуля кремниевой трековой системы эксперимента BM@N // Приборы И Техника Эксперимента ИздМАИК Наука Интерпериодика. 2023. С. 23-32.

69. Kasinski K., Zubrzycka W. Noise considerations for the STS/MUCH readout ASIC. 2018.

70. CERN. FEAST . URL: https://www.physik.uzh.ch/~leac/CMSPixel/Docs/DCDC/FEAST_ datasheet.pdf (дата обращения 2024-10-12).

71. Kuijer P. The ALICE silicon strip detector system // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. Accel. Spectrometers Detect. Assoc. Equip. 2000. Т. 447. С. 251-256. DOI: 10.1016/S0168-9002(00)00196-0.

72. Mitra J., DavidE., MendezE., и др. Trigger and timing distributions using the TTC-PON and GBT bridge connection in ALICE for the LHC Run 3 Upgrade // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. Accel. Spectrometers Detect. Assoc. Equip. 2019. Т. 922. DOI: 10.1016/j.nima.2018.12.076.

73. Barros Marin M., Baron S., Feger S.S., и др. The GBT-FPGA core: Features and challenges // J. Instrum. 2015. Т. 10, № 3. DOI: 10.1088/1748-0221/10/03/C03021.

74. Naik S. On-detector Electronics for the LHCb VELO Upgrade // J. Instrum. 2017. Т. 12, № 2. DOI: 10.1088/1748-0221/12/02/C02031.

75. Falchieri D., Antonioli P., Baldanza C., и др. Design and test of a GBTx based board for the upgrade of the ALICE TOF readout electronics // IEEE Trans. Nucl. Sci. 2017. Т. PP. С. 1-1. DOI: 10.1109/TNS.2017.2707302.

76. Lehnert J., Byszuk A.P., Emschermann D., и др. GBT based readout in the CBM experiment // Journal of Instrumentation. 2017. Т. 12, № 2. DOI: 10.1088/1748-0221/12/02/C02061.

77. Bonacini S., Moreira P., Kloukinas K. E-link : A Radiation-Hard Low-Power Electrical Link for Chip-to-Chip Communication. 2009.

78. Josepf W. A Basic Guide to I2C . URL: https://www.ti.com/lit/an/sbaa565/sbaa565.pdf?ts= 1730435671495#:~:text=I2C%20is%20a%20two-wire,and%20receive%20commands% 20and%20data. (дата обращения 2025-10-11).

79. Gkountoumis P. LEVEL-1 DATA DRIVER CARD - A high bandwidth radiation tolerant aggregator board for detectors. 2019. 036 с. DOI: 10.22323/1.322.0036.

80. Dementev D., Guminski M., Kovalev I., и др. Fast Data-Driven Readout System for the Wide Aperture Silicon Tracking System of the BM@N Experiment // Phys. Part. Nucl. 2021. Т. 52, № 4. DOI: 10.1134/S 1063779621040213.

81. Zabolotny W., Kasprowicz G. Application of Forth CPU for control and debugging of FPGA-implemented systems. 2019. DOI: 10.13140/RG.2.2.22940.85123.

82. Si5344d high-performance clock jitter attenuator, jitter cleaner . URL: https://www.skyworksinc.com/en/Products/Timing/ (дата обращения 2024-10-04).

83. Gozdzikowski P., Zabolotny W.M. Tethered Forth system for FPGA applications // Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry, and High-Energy Physics Experiments 2013. 2013. Т. 8903. DOI: 10.1117/12.2033279.

84. Zabolotny W.M., Guminski M., Kruszewski M. Automatic management of local bus address space in complex FPGA-implemented hierarchical systems. 2019. DOI: 10.1117/12.2536259.

85. GBT-SC module for FPGA . URL: https://gitlab.cern.ch/gbtsc-fpga-support/gbt-sc (дата обращения 2024-10-02).

86. Firmware dedicated to the GBT chipsets (GBTx, GBT-SCA, LpGBT) . URL: https://gitlab.cern.ch/gbt-fpga (дата обращения 2024-10-02).

87. Xilinx Inc. 7 Series FPGAs GTP Transceivers, User Guide // Xilinx Technical Documentation. 2016. Т. 482.

88. Xilinx Corporation. 7 Series FPGAs GTX/GTH TransceiversUser Guide. URL: https://www.xilinx.com/support/ documentation/user_guides/ug476_7Series_Transceivers.pdf (дата обращения 2021-09-22).

89. UltraScale Architecture Clocking Resources User Guide (UG572) . 2023. URL: https://docs.amd.com/r/en-US/ug572-ultrascale-clocking/MMCMs (дата обращения 2024-1010).

90. Zabolotny W.M., Byszuk A.P., Dementev D., и др. GBTX emulator for development and special versions of GBT-based readout chains // J. Instrum. 2021. Т. 16, № 12. DOI: 10.1088/1748-0221/16/12/C12022.

91. Wang J.-J., Katz R.B., Sun J.S., и др. SRAM based re-programmable FPGA for space applications // Nucl. Sci. IEEE Trans. On. 2000. Т. 46. С. 1728-1735. DOI: 10.1109/23.819146.

92. Чумаков А.И. Действие космической радиации на интегральные схемы // Радио и связь. 2004. С. 296-316.

93. Rodriguez R.A. The CBM Silicon Tracking System front-end electronics: PhD thesis. Frankfurt am Main: Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main, 2020.

94. Messenger G., Ash M.S. The Effects of Radiation on Electronic Systems. Springer Dordrecht, 2014. Т. 1. 587 с.

95. Баранов В.В., Прибыльский А. В. А.В. Методы повышения устойчивости КМОП бис к внешним воздействиям. 2003. Т. 1.

96. Leroy C., Rancoita P. Principles of Radiation Interaction in Matter and Detection, 2nd edition. World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd. 2009.

97. Neale A., Seifert N. A Chip-level Single Event Latchup (SEL) Estimation Methodology // IEEE Trans. Nucl. Sci. 2019. Т. PP. С. 1-1. DOI: 10.1109/TNS.2019.2953268.

98. Wirthlin M.J., Takai H., Harding A. Soft error rate estimations of the Kintex-7 FPGA within the ATLAS Liquid Argon (LAr) calorimeter // J. Instrum. 2014. Т. 9, № 1. DOI: 10.1088/1748-0221/9/01/C01025.

99. Codinachs D. Overview of FPGA activities in the European Space Agency. European Space Agency, 2009. URL: https://sirad.pd.infn.it/scuola_legnaro_2009/Presentazioni_Web/ 22_ScuolaLNL2009_Merodio_Web.pdf.

100. Wirthlin M.J. FPGAs operating in a radiation environment: lessons learned from FPGAs in space // J. Instrum. 2013. Т. 8, № 02. С. C02020. DOI: 10.1088/1748-0221/8/02/C02020.

101. Питерсон У., Уэлдон Э. Коды, исправляющие ошибки. Мир, 1976. 594 с.

102. Xilinx Corporation. Soft Error Mitigation Controller v4.1. 2022.

103. Shitenkov M.O., Dementev D.V., Leontyev V.V., и др. Radiation Tests of the Data Concentrator Board Based on Artix-7 FPGA for the Silicon Tracking System of the BM@N Experiment // Instrum. Exp. Tech. 2024. Т. 67, № 4. С. 691-699. DOI: 10.1134/S0020441224701136.

104. Xilinx Corporation. Device reliability report. 2023.

105. Fasso A., Ferrari A., Smirnov G., и др. FLUKA Realistic Modeling of Radiation Induced Damage // Prog. Nucl. Sci. Technol. 2011. Т. 2. С. 769-775. DOI: 10.15669/pnst.2.769.

106. ShitenkovM. (Oral). Readout electronics for Silicon Tracking System of the BM@N experiment at NICA, Nucleus-2021, 2021 . URL: https://indico.cern.ch/event/1012633/contributions/4478068/ (дата обращения 2025-05-10).

107. Texas Instruments. LVDS Owner's Manual (snla187) // Xilinx Technical Documentation. 2016. Т. 482. URL: http://www.ti.com/lit/ug/snla187/snla187.pdf (дата обращения 2025-08-25).

108. Dementiev D., Shitenkow M. Performance of STS-HCTSP with long transmission lines // CBM Progress Report 2019. 2020. № GSI, Darmstadt, Germany. С. 31. DOI: 10.15120/GSI-2020-00904.

109. Git JINR GBTxEmulator . URL: https://git.jinr.ru/bmn-sts/gbtxemu (дата обращения 2025-0510).

110. Paramonov A. FELIX: the Detector Interface for the ATLAS Experiment at CERN // EPJ Web Conf. 2021. Т. 251. С. 04006. DOI: 10.1051/epjconf/202125104006.

111. Alinx Electronic Limited. ACKU15 . URL: https://www.en.alinx.com/Product/FPGA-System-on-Modules/Kintex-UltraScale-plus/ACKU 15.html (дата обращения 2025-09-10).

112. Dementev D., Diaz R.A., Sanchez C.C., и др. In-beam tests of double-sided silicon strip detector modules for the BM@N experiment // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. Accel. Spectrometers Detect. Assoc. Equip. 2025. Т. 1075. С. 170390. DOI: https://doi.org/10.1016/j.nima.2025.170390.

113. Hutter D. An Input Interface for the CBM First-level Event Selector: PhD thesis. Frankfurt am Main: Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main, 2020.

114. Xilinx Corporation. AXI4-Stream Infrastructure IP Suite v3.0. 2021. URL: https://www.xilinx.com/support/documentation/ip_documentation/axis_infrastructure_ip_suite/v1 _1/pg085 -axi4stream-infrastructure .pdf.

115. KiselI., Collaboration for C. Event Topology Reconstruction in the CBM Experiment // J. Phys. Conf. Ser. IOP Publishing, 2018. Т. 1070, № 1. С. 012015. DOI: 10.1088/17426596/1070/1/012015.

116. Cuveland J., Emschermann D., Gasik P., и др. Technical Design Report for the CBM Online Systems - Part I DAQ and FLES Entry Stage. Darmstadt, Germany: The CBM Collaboration, 2023. 196 с.

117. Meder L., Dreschmann M., Sander O., и др. A signal distribution board for the timing and fast control master of the CBM experiment // J. Instrum. 2016. Т. 11, № 02. С. C02001. DOI: 10.1088/1748-0221/11/02/C02001.

118. Zabolotny W., Byszuk A., Emschermann D., и др. GBT oriented firmware for Data Processing Boards for CBM - poster. 2018. DOI: 10.22323/1.343.0067.

119. Git JINR Data Processing Board . URL: https://git.jinr.ru/bmn-sts/dpb (дата обращения 2025-0510).

120. M-Stream protocol . URL: https://afi.jinr.ru/action/show/MStream?action=show&redirect= Frame+stream+data (дата обращения 2024-11-01).

121. KharlamovP.I., ShitenkovM.O., DementevD.V., и др. Laser Setup for Testing Silicon Microstrip Detectors // Instrum. Exp. Tech. 2022. Т. 65, № 3. DOI: 10.1134/S0020441222040054.

122. Wiren Board . URL: https://wirenboard.com/ru/product/wiren-board-8/ (дата обращения 202410-12).

123. Tango Control . URL: https://tango-controls.readthedocs.io/en/latest/overview/overview.html (дата обращения 2024-10-12).

124. Dementev D.V., Sheremetev A.D., Shitenkov M.O., и др. Characterization of Tracking Modules Based on DSSD Sensors at the SC-1000 Accelerator for the BM@N Project // Phys. Part. Nucl. Lett. 2024. Т. 21, № 4. С. 919-927. DOI: 10.1134/S1547477124701000.

125. Shitenkov M. (Oral). Readout electronics for the wide aperture Silicon Tracking System of the BM@N experiment at NICA, Nucleus-2022, 2022 . URL: https://events.sinp.msu.ru/ event/8/contributions/365/ (дата обращения 2025-05-10).

126. Dementev D. (Oral), Shitenkov M. Status of the first Si-plane based on STS modules, 14th Collaboration Meeting of the BM@N, 2024 . URL: https://indico.jinr.ru/event/5284/contributions/ 31185/ (дата обращения 2025-05-10).

127. Dementev D. (Oral), Shitenkov M. Status of the Vertex Silicon Plane, 15th Collaboration Meeting of the BM@N, 2025 . URL: https://indico.jinr.ru/event/5502/contributions/33545/ (дата обращения 2025-05-10).

128. Zabolotny W., Emschermann D., Guminski M., и др. SMX and front-end board tester for CBM readout chain // J. Instrum. 2022. Т. 17. С. C04030. DOI: 10.1088/1748-0221/17/04/C04030.

129. Ceballos C., Kolozhvari A., Dolbilov A., и др. Construction Management Information System at JINR // Phys. Part. Nucl. Lett. 2023. Т. 20. С. 981-987. DOI: 10.1134/S1547477123050187.

130. Trifonov A., Brukva A., GostkinM., и др. Linac-200: a new electron test beam facility. 2022. 1094 с. DOI: 10.22323/1.414.1094.

131. Dementiev D., Shitenkow M., Kharlamov P., и др. Tests of CBM STS module prototypes with electron beam at Linac-200 // CBM Progress Report 2018. 2019. № GSI, Darmstadt, Germany. С. 23-24. DOI: 10.15120/GSI-2019-01018.

132. Dementev D.V., Shitenkov M.O., Kharlamov P.I., и др. Beam Tests of the Prototype Data-Processing System for the Silicon Tracking System of the BM@N Experiment // Instrum. Exp. Tech. 2023. Т. 66, № 1. С. 28-35. DOI: 10.1134/S0020441223010116.

133. ShitenkovM. (Poster). Free-streaming data acquisition system for the modernized silicon tracking system of the BM@N experiment, 60-я сессия ПКК, ОИЯИ, Дубна, 27.01.2025 . URL: https://indico.cem.ch/event/1012633/contributions/4478068/ (дата обращения 2025-05-10).

Приложение А

Рисунок А.1. Образец ^-файла процедуры синхронизации для оценки качества передачи данных от входной электроники то ОВТхЕшиЫог.

-jr: window cf the ■: signal:

stsxyier =: :■, addr 6) deLay = le

_xxx_xxx

stsxiteh il (AS13 , window of the lr idd:: 4) cL ^Iiiii signal: deLay = It xxx xxx

stsxytes =; (ash , window cf the : r addr 0) clccii cloci signal: deLay = _ о xxx xxxx

stsxyte5 =3 (ASH - , window cf the addr 1) -rl-rciii ^Iiiii signal: deLay = _ ^ xxx xxx

stsxyie3 i4 (ash Blye window cf the Tr add:: 5i cLccx: signal: deLay =11 xx xxx

sisxiteh =5 , window cf the cr aiir 3) clccii ^Iiiii signal: deLay = xx xx

stsxstes =■; , window cf the 7, add:: 1 i cli-wic cloci signal: deLay = -t xx xx

z ir. = L :L~ i t ' ' ' у (average = 15

STSXYTE3. iO (ASi; I c.5-5 delays = [61, 23, 20, 20, 20] iye window of the J :

STSXITEX =: (ASH I data delays = [61, 23, 20, 20, 20] _XXXXXXXXXX_XXXXXXXXX_

STSXiTEH - ( as i:: 1i delays = [62 ::, 20, 20 20]

, window с f the data 3i3r.3.L3:

XXXXXXXXX XXXXXXXXX

STSXYIE5 =" : I delays = Г5, 20, 20, 2:, 25]

lye window с : the :. .=.: i XXX XXX

STSXYTE3 =3 (as 13 L. I ca~a delays = Ц1 2:, 20, 20 20;

у ~ window с f the data

XXX

STSXYTE3 i4 (asi; 5i delays = [ 3 - ::, 20, 20 20;

- , window с f the data 3idr.a_3: XX XX |

sisxiteh =; (ash 6) delays = ::, 20, 20 20]

, window с f the data 3i3r.3.L3:

xxxxx

SISXiTEH = i ( as i:: 7) delays = [i5 ::, 20, 20 20]

lye window с : the XXX

Приложение Б

Система питания считывающей электроники детектора

Считывающая электроника детекторов питается от блоков питания Wiener Mpod OMPV 8016, которые устанавливаются в крейты одноименной фирмы. Стойки с данными крейтами расположены в радиационно безопасной зоне и соединяются с трековыми станциями кабелями длиной порядка 20 метров. Для создания широкоапертурной системы требовалось 73 таких блока. Каждый источник питания имеет 8 каналов с максимальным током 5A и максимальным напряжением 16 В. В нашей конфигурации используется выходное напряжение равное 10 В при токе в 1.5 А. Для питания одного модуля используется два канала источника питания, что обусловлено высоким потреблением и разными опорными потенциалами.

Так как для питания электроники детектора, плат FEB-8, требуется напряжение порядка 3 В и токи порядка 5 А, что требует использования кабелей большого сечения, принято решение использовать блоки с понижающими DC/DC преобразователями расположенными внутри трековых станции. В результате были разработаны специализированные платы питания POB_BMN на базе модулей FEAST_CLP [70], что позволило уменьшить сечение кабелей и улучшить шумовые характеристики электроники.

Данные модули разработаны и изготовлены в ЦЕРН для устройств, использующихся в физике высоких энергий, и представляют из себя компактные DC-DC конверторы. Модуль состоит из печатной платы с установленной на нее радиационно стойкой микросхемой специального назначения FEAST2.2, воздушной тороидальной индуктивностью, обвязкой, экраном и вводным коннектором. Основные характеристики модуля FEAST_CLP:

• Входное напряжение 5 - 12 В;

• Максимальный ток 4 А;

• Защита от перегрева и перегрузки;

• Регулируемое при монтаже модулей выходное напряжение (от 0.3 до 6 В);

• КПД порядка 80%;

• Максимальное энерговыделение с дополнительным охлаждением - 10 Вт;

• Низкий уровень шума выходного напряжения.

Разработанные платы располагаются в магнитном поле и ограниченном пространстве станции на радиаторах охлаждения, находясь под воздействием радиационного излучения. Особенностью плат POB_BMN является то, что земли разных полярностей модуля находятся под разными высокими потенциалами. Через опорные потенциалы считывающей электроники для P и N сторон подается напряжение полного обеднения для сенсоров. В обычном режиме работы это значение составляет порядка 100 В, и в нашем случае используется однополярное смещение, схема которого показана в разделе 2.8. Однако при облучении детекторов напряжение полного обеднения необходимо повышать [93], тем самым, напряжение между плавающими землями FEB-8, обрабатывающими сигналы с P и N стороны детектора могут достигать значений до 300 В.

Модель разработанной платы и радиатора охлаждения представлена на Рисунке Б.1.

Рисунок Б. 1 - Плата POB_BMN установленная на радиатор.

Плата POB_BMN имеет габариты 200 х 52 мм2, 4 слоя и нестандартную толщину медного слоя в 200 мкм. Такая толщина необходима, чтобы уменьшить падение напряжения в проводниках, так как увеличить ширину проводников не представляется возможным из-за массогабаритных требований на устройство. Для питания одного FEB-8 необходимо два канала питания на 1.2 и 1.8 В. Исходя из габаритных допусков и используемых внешних источников питания в крейтовом исполнении фирмы ISEG, плата позволяет полностью запитать два модуля КТС. Таким образом на плате размещены 8 модулей FEAST_MP. Для подключения медных кабелей питания сечением 0.5 мм2 используются разъемы Molex серии mini.

Также были произведены расчеты номиналов выходного напряжения FEAST с учетом падения напряжения на всех проводниках и разъемах. Результаты вычислений номиналов напряжения для LDO 1.8 B составил 2.8 В, а для LDO 1.2 В - 2.3 В. FEAST устанавливаются через силиконовый термомат толщиной в 1 мм на алюминиевый радиатор, показанный на Рисунке Б.1, и крепится тремя винтами для лучшего теплового контакта. Для всей запланированной широкоапертурной системы требуется 98 плат POB_BMN, а для первой плоскости на базе модулей CBM/BMN - 4 таких устройства.

Для пилотной плоскости КТС BM@N используется два низковольтовых модуля MPV8016. Для смещения детекторов применяются модуль EH321005n на 32 канала с максимальным отрицательным напряжением в -500 В и током до 2 мА.