The ALICE TPC, a large 3-dimensional tracking device with fast readout for ultra-high multiplicity events
J. Alme, Y. Andres, H. Appelshauser, S. Bablok, N. Bialas, R. Bolgen, U. Bonnes, R. Bramm, P. Braun-Munzinger, R. Campagnolo, P. Christiansen, A. Dobrin, C. Eng… 展开作者
J. Alme, Y. Andres, H. Appelshauser, S. Bablok, N. Bialas, R. Bolgen, U. Bonnes, R. Bramm, P. Braun-Munzinger, R. Campagnolo, P. Christiansen, A. Dobrin, C. Engster, D. Fehlker, P. Foka, U. Frankenfeld, J. J. Gaardhoje, C. Garabatos, P. Glassel, C. Gonzalez Gutierrez, P. Gros, H. -A. Gustafsson, H. Helstrup, M. Hoch, M. Ivanov, R. Janik, A. Junique, A. Kalweit, R. Keidel, S. Kniege, M. Kowalski, D. T. Larsen, Y. Lesenechal, P. Lenoir, N. Lindegaard, C. Lippmann, M. Mager, M. Mast, A. Matyja, M. Munkejord, L. Musa, B. S. Nielsen, V. Nikolic, H. Oeschler, E. K. Olsen, A. Oskarsson, L. Osterman, M. Pikna, A. Rehman, G. Renault, R. Renfordt, S. Rossegger, D. Rohrich, K. Roed, M. Richter, G. Rueshmann, A. Rybicki, H. Sann, H. -R. Schmidt, M. Siska, B. Sitar, C. Soegaard, H. -K. Soltveit, D. Soyk, J. Stachel, H. Stelzer, E. Stenlund, R. Stock, P. Strmen, I. Szarka, K. Ullaland, D. Vranic, R. Veenhof, J. Westergaard, J. Wiechula, B. Windelband
The design, construction, and commissioning of the ALICE Time-Projection Chamber (TPC) is described. It is the main device for pattern recognition, tracking, and identification of charged particles in the ALICE experiment at the CERN LHC. The TPC is cylindrical in shape with a volume close to 90 m^3 and is operated in a 0.5 T solenoidal magnetic field parallel to its axis.
In this paper we describe in detail the design considerations for this detector for operation in the extreme multiplicity environment of central Pb--Pb collisions at LHC energy. The implementation of the resulting requirements into hardware (field cage, read-out chambers, electronics), infrastructure (gas and cooling system, laser-calibration system), and software led to many technical innovations which are described along with a presentation of all the major components of the detector, as currently realized. We also report on the performance achieved after completion of the first round of stand-alone calibration runs and demonstrate results close to those specified in the TPC Technical Design Report.
Fast TPC Online Tracking on GPUs and Asynchronous Data Processing in the ALICE HLT to facilitate Online Calibration
ALICE（大型重离子实验）是欧洲核子研究中心大型强子对撞机（LHC）的四个主要实验之一，LHC是当今世界上最强大的粒子加速器。高级触发器（HLT）是一个大约200个节点的在线计算场，它实时重建ALICE探测器测量的事件。HLT使用自定义的在线数据传输框架在计算节点之间分发数据和工作负载。ALICE采用几个校准敏感子探测器，例如TPC（时间投影室）。为了精确重建，HLT必须在线执行校准。在线校准可以使某些离线校准步骤过时，从而可以加快离线分析。展望2020年开始的ALICE Run III，在线校准成为必要。用于轨道重建的主要检测器是TPC。重建TPC中的轨迹是事件重建过程中计算量最大的步骤。因此，快速跟踪实现是非常重要的。重建的TPC轨道为校准奠定了基础，使快速在线跟踪成为强制性的。我们提出了几个组件开发的ALICE高电平触发器执行快速事件重建，并提供在线校准所需的功能。第一个课题是提出一种基于元胞自动机和卡尔曼滤波器的TPC跟踪器，它采用GPU来加速处理。我们的TPC跟踪算法已在2011年和2012年成功用于铅-铅和质子-铅运行。我们对它进行了改进，以利用新GPU的功能，并将其移植到支持OpenCL，CUDA和CPU的单一通用源代码中。这使我们独立于供应商。作为第二个主题，我们提出了在线校准所需的框架扩展。...
Online Calibration of the TPC Drift Time in the ALICE High Level Trigger
大型离子对撞机实验（英语：Large Ion Collider Experiment）是欧洲核子研究中心大型强子对撞机（LHC）的四个主要实验之一。高级触发器（HLT）是一个计算集群，它实时重建ALICE检测器记录的冲突。它采用自定义的在线数据传输框架在计算节点之间分配数据和工作负载。ALICE采用对诸如压力和温度的环境条件敏感的子检测器，例如时间投影室（TPC）。粒子轨迹的精确重建需要这些探测器的校准。在HLT中实时执行校准改进了在线重建，并使某些离线校准步骤过时，从而加速了离线物理分析。对于LHC Run 3，从2020年开始，数据简化将依赖于重建数据，在线校准成为必要。重建的粒子轨迹建立了校准的基础，使快速在线跟踪成为强制性的。用于此目的的主要探测器是TPC和ITS（内部跟踪系统）。在TPC中重建轨迹是计算最密集的步骤。我们提出了几个改进的ALICE高电平触发器，以方便在线校准。在线校准的主要新开发是一个包装器，可以在HLT内运行ALICE离线分析和校准任务。除此之外，我们还添加了异步处理功能，以支持HLT框架中长时间运行的校准任务，否则将以事件同步方式运行。为了提高弹性，隔离进程执行异步操作，使得即使是致命错误也不会干扰数据获取。我们用ZeroMQ数据传输组件补充了原始的无循环HLT链。[...]
Resolution studies of cosmic-ray tracks in a TPC with GEM readout
大体积TPC是未来高能直线对撞机中心跟踪探测器的首选。为了提高分辨率，正在开发一种基于微图案气体探测器的新读出器。测量了GEM TPC中宇宙线径迹的空间分辨率。我们发现，分辨率遭受如果读出垫是太宽的相对于在读出平面上的电荷分布，由于不充分的电荷共享。对于2 x 6 mm**2的窄垫，在没有轴向磁场的情况下，我们在短漂移距离处测量到100微米的分辨率。作为漂移距离的函数的空间分辨率的依赖性允许确定潜在的电子统计。我们的研究结果表明，本技术使用约一半的统计功率可从初级电子的数量。跟踪角效应如预期的那样被观察到。
Online Reconstruction and Calibration with feed back loop in the ALICE High Level Trigger
大型重离子实验（英语：Large Heavy Ion Experiment，ALICE）是欧洲核子研究中心大型强子对撞机（LHC）的四个大型实验之一。高级触发器（HLT）是一个在线计算场，它实时重建ALICE探测器记录的事件。计算最密集的任务是粒子轨迹的重建。ALICE中的主要跟踪设备是时间投影室（TPC）和内部跟踪系统（ITS）。HLT使用基于元胞自动机原理和卡尔曼滤波器的快速GPU加速算法进行TPC跟踪。ALICE采用对环境条件如环境压力和温度敏感的气体子检测器，TPC就是其中之一。粒子轨迹的精确重建需要这些探测器的校准。作为第一个主题，我们提出了一些最新的优化，我们基于GPU的TPC跟踪使用新的GPU模型，我们采用的正在进行的和即将到来的数据采集期在LHC。我们还展示了快速ITS独立跟踪的新方法。作为第二个主题，我们提出了改进的HLT，以促进在线重建，包括一个新的平面数据模型和一个新的数据流链。校准输出通过反馈回路反馈到HLT的重建组件。最后，我们对2015年11月铅铅运行期间在真实条件下进行的第一次在线校准测试进行了分析，该测试基于这些新功能。
Simulating the Charge Dispersion Phenomena in Micro Pattern Gas Detectors with a Resistive Anode
国际直线对撞机（ILC）的TPC将需要测量大约200个轨道点，横向分辨率接近100微米。分辨率的目标是超越传统的比例线/阴极垫TPC和微图案气体检测器（MPGD）的能力正在开发，以满足这一挑战。然而，标准MPGD读出技术将难以实现如最初设想的具有2 mm X 6 mm焊盘的ILC-TPC分辨率目标。对较小宽度焊盘的提议将提高分辨率，但将需要更大数量的读出通道并增加TPC检测器的成本和复杂性。电荷分散的新MPGD读出概念具有在不诉诸较窄焊盘的情况下实现ILC-TPC分辨率目标的潜力。这是最近在宇宙射线测试的一个小型原型TPC读出MPGD使用电荷分散技术证明。在这里，我们描述的电荷分散现象的MPGD-TPC的模拟。详细的模拟包括初始电离团簇、电子漂移、扩散效应、本征探测器脉冲形状和电子学效应。模拟结果与实验数据吻合良好，可用于优化TPC的MPGD电荷色散读出。
Performance of a Time-Projection-Chamber with a Large-Area Micro-Pixel-Chamber Readout
研制了探测体积为23*28*31 cm ^3的微型时间投影室，并对其基本性能进行了测试。微TPC由一个探测面积为31*31 cm ^2的微像素室作为二维成像装置和一个有效面积为23*28 cm ^2的气体电子倍增器作为前置气体倍增器组成。微型TPC在50，000的气体增益下运行，并测量了能量分辨率和空间分辨率。
Micromegas TPC studies at high magnetic fields using the charge dispersion signal
国际直线对撞机（ILC）时间投影室（TPC）的横向空间点分辨率目标是100微米的所有轨道，包括刚性90度轨道与完整的2米漂移。微图案气体检测器（MPGD）读出TPC可以以增加的检测器成本和复杂性为代价，利用使用1 mm或更窄的焊盘的现有技术来实现目标分辨率。新的电荷分散MPGD读出技术可以实现良好的分辨率，而不诉诸窄垫。这已经在之前的宇宙射线测试和1特斯拉磁体中的KEK束测试中针对具有GEM和Micromegas的2 mm x 6 mm垫进行了证明。我们最近在DESY的高场超导磁体中测试了使用电荷分散读出概念的Micromegas-TPC。测得的Micromegas增益被发现是恒定的磁场高达5特斯拉的0.5%。在高磁场的横向扩散的强烈抑制，我们测量了一个平坦的50微米的分辨率在5特斯拉超过我们的原型TPC的整个15厘米的漂移长度。
