Post on 01-May-2015
Verifica delle funzionalità
delle camere MDT al CERN
prima dell’installazione
Candidato Federico Felici
RelatriceProf.ssa Fernanda Pastore
Anno Accademico 2005/2006
Tesi di laurea in fisica Primo livello
SOMMARIO
• Introduzione• L’apparato di rivelazione Atlas ad LHC• Le camere MDT dello spettrometro a muoni• Test di commissioning delle camere,
nel laboratorio sito in SX1 al Cern: – Verifiche preliminari– Rumore– Calibrazione del TDC– Linearità del TDC
• Conclusioni
Introduzione: bosone di Higgs
¤ Nel “Modello Standard” delle interazioni elettrodeboli, il meccanismo di
generazione delle masse introduce la presenza del
“bosone di HIGGS”.
La sua scoperta è fondamentale per
verificare la consistenza della
teoria.
Necessità di una nuova macchina con alta energia
e alta luminosità
(L)
• Limiti sperimentali sulla sua massa (ottenuti al LEP): MHiggs>114 GeV/c²
• Energia nel c.m. raggiunte finora non sufficiente per la
scoperta
• La sez.d’urto di produzione dell’Higgs () è dell’ordine del
pb;
ricordando che
la frequenza degli eventi: N = L •
LHC (Large Hadron Collider) al Cern
• Collisore protone-protone (in prima fase)
• Circonferenza di ~~27 km
• Energia nel c.m. di 14 TeV (7+7)
• Luminosità: L = 1.7•1034 cm-2 s-1
• 1011 protoni per pacchetto
• pacchetti distanziati di 25 ns => freq. d’incrocio di 40MHz
¤ Esperimento utile per verificare sperimentalmente l’esistenza dell’ “Higgs” ( H )
¤ “H” è osservabile per
via dei suoi prodotti di
decadimento:
ATLAS (A Toroidal Lhc ApparatuS )
H ZZ 4μ
(Golden
Channel)
ATLAS (A Toroidal Lhc ApparatuS )
¤ è uno dei 4 principali esperimenti ad LHC
Lo spettrometro per µ di ATLAS:
• Equipaggiato con camere di precisione e di trigger
• Tre regioni, di pseudorapidità: [ =-ln(tan(/2)) ]– || < 1 barrel– 1.0 < || < 1.4 regione di transizione– 1.4 < || < 2.7 endcap
• magneti toroidali in aria
¤ Necessità di ¤ Necessità di elevata precisioneelevata precisione
nella ricostruzione delle nella ricostruzione delle traccetracce e nella misura dell’ e nella misura dell’ impulsoimpulso dei dei μμ
Le camere di precisione: (misura nella direzione della curvatura)
MDT (Monitored Drift Chambers):• regione degli end-cap e del barrel• tubi a deriva
CSC (Cathode Strip Chambers)• regione degli end-cap• MWPC (Multi Wire Proportional Chamber)• piccolo tempo di deriva ~ 30 ns • risoluzione temporale ~ 7 ns
Risoluzione spaziale di singolo filo ~80m
Le camere di trigger:
RPC (Restistive Plate Chambers):
• regione del barrel
• installate sui lati delle camere MDT
TGC (Thin Gap Chambers) :
• regione degli end-caps
• 3 stazioni vicino alle camere MDT “middle”.
Risoluzione temporale ~ 1 ns Risoluzione spaziale Φ~ 1 cm
¤ composte da tubi a deriva:
- tubi di Al : 3 cm e lunghezze da 70-630 cm
- fili-anodici di: 50 µm
- contenenti miscela di gas Ar:CO2 = 93:7
a pressione 3bar alla temperatura 298 K
- per d.d.p. di 3080 V (guadagno: 2104 )
- massimo tempo di deriva ~ 700 ns
- disposti in 2 multistrati (ML)
da 3 strati ciascuno
(4 per le stazioni interne)
Le camere MDT
ML1
ML2
RO side
HV side
¤ in ATLAS utilizzati:
~3.5•105 tubi
(~1200 camere)
“Monitored” Drift Tubes
¤ Per ricostruire una traccia spaziale, si combinano informazioni di tre
camere;- La posizione relativa delle camere va conosciuta con risoluzione migliore di quella richiesta per la misura della traccia;
¤ Le camere MDT sono ”Monitorate”
da un sistema di allineamento ottico
chiamato “RASNIK technology”;
Elettronica delle camere MDT
Lato HV (High-Voltage):
- 2plug-in alte tensioni (3080V),
- distribuzione sui vari canali,
- suddivisi in ML1 e ML2.
Lato RO (Read-Out):
- camere dotate di elettronica di lettura FEE (Front-End Electronics),
- raggruppata in “mezzanini”,
- 1 scheda “CSM” (Chamber Service Module).
Elettronica delle camere MDT
¤ Ogni mezzanino:
• raggruppa 24 canali(tubi a
deriva),
• comprende:
- 3 ASD-chips (Amplifier-Shaper-
Discriminator),
- 1 TDC-chip (Time to Digital Converter),
- 1 ADC-chip (Analog to Digital Converter).
¤ Tutta l’elettronica è sincronizzata dal clock di LHC (40MHz).
¤ I dati:
• digitalizzati dal TDC (e ADC),
• escono dal mezzanino
• entrano nel modulo “CSM”,
• vengono compressi, riformattati
e trasmessi via cavo a fibra ottica (1.2
GByte/s),
• raggiungono il DAQ di ATLAS.
Elettronica delle camere MDT
Modulo CSM(Chamber Service Module)
Test in “SX1”
¤ Tutte le camere MDT sono state testate: - nel sito di produzione,
- all’arrivo al CERN,
- prima di essere
installate ad
ATLAS“SX1” [CERN bld.3185]:
• verifica delle funzionalità (causa danni nel trasporto),
• certificazione di pronta installazione,
• discesa nel pozzo, verso la caverna di ATLAS (posta sotto SX1),
• installazione.
1. controllo qualitativo (visivo) dell’integrità esterna dei tubi;
2. test del DCS (Detector Control System);
3. analisi con il protocollo Jtag (Joint Test Action Group);
4. verifica del funzionamento del sistema RASNIK per il controllo dell’eventuale deformazione delle camere (“In-plain”);
5. controllo presenza di fili spezzati (canali morti).
PRIMA FASE DI VERIFICA AD “SX1”:
Esempio filo spezzato: camera BOL3A13
Dead_Channel (mezz.7,ch.19)
1. Test del rumore:
necessario a verificare la funzionalità
dell’elettronica e permettere la corretta lettura
degli eventi considerati buoni;
2. Pulse test “T0 relativo”: calibrazione del
TDC;
3. Pulse test “delay”: linearità del TDC.
SECONDA FASE DI VERIFICA AD “SX1”:
Test del rumore:
¤ Il rumore (noise) è definito per ciascun
filo come:
noise(Hz) = nHits/timeWindow(s)
timeWindow = nTrigger • (1.2 • 10-6) s
¤ Per lo studio del rumore si effettua
l’acquisizione degli eventi (letti dal
rivelatore) usando un “random trigger”
(non correlati con il passaggio di una
particella).
¤ “random trigger”
prodotto da un generatore di impulsi.
Esempio di rumore: camera BOL3A13. Il plot mostra canali rumorosi: (9,1), (9,3), (10,17), (10,18), (10,19).
Mezzanine
(FEE)
PulseHV side
RO side
¤ Simulazione del “passaggio di un muone”tramite impulsi elettrici prodotti da un ‘Dual Timer Unit’ e mandati sui canali della camera per via delle prese HV.
Pulse test:
¤ Schema della distribuzione degli impulsi di test,verso tutti i canali, tramite prese HV della camera.
ML1
3 157911
2 046810
ML2
HV
T0 relative - TDC calibration:
¤ In generale il rivelatore MDT registra dei valori di tempo
che chiamiamo tempo misurato (Tm):
Tm = Td(r) + T0 + Tp
•Td(r): tempo di deriva da cui si ricava r (conoscendo la relazione r-t)
•T0: offset (differente per ogni canale) corrispondente a un cammino di deriva nullo
•Tp: tempo di propagazione del segnale lungo il filo-anodo,
dipende dal punto lungo la direzione dal filo in cui è passata la particella.
¤ Nel caso del “pulse test”:
T0 relativo = Tp + T0
Distribuzione del “To relativo”
Esempio: camera BOL1A13
• Plot dei valori “T0 relativo”: per ogni canale
• Plot dei valori “T0
relativo”: in media per
ogni 8 canali (ASD-chip).
Linaerità del TDC:
¤ Si può verificare la linearità del TDCritardando l’impulso rispetto al random trigger fissato,
tramite (2) ‘Delay Units [(2.5-66)ns]’ programmabili (in serie).
¤ Valori di ritardo forniti (Tdelay): (72, 74, 90, 122, 138, 170, 194) ns,
oltre il cavo di riferimento (fisso) usato come zero.
Time(ns)
Neven
ti
Esempio: BOL2A13
Linearità del TDC:
Plot dei valori della “slope” = T0 / Tdelay
ottenuti dal fit lineare dei dati acquisiti
(per ogni canale).
Ch.
Mezz.
slope
Ch. Mezz.
slope
T0(ns)
Tdelay(ns)
Esempio del fit lineare sui dati di un solo canale:
Esempio del fit gaussiano sui valori di “slope” di tutti i canalidella camera:
Conclusioni• I test svolti durante il mio periodo di stage al Cern [2005]
(prototipi per test futuri)
hanno riguardato solo 9 delle ~1200 camere MDT:
( [BML*A13, BML*C13, BOL*A13] con * = [1,2,3] );
• ho potuto apprendere le tecniche usate
per la verifica delle funzionalità di questi rivelatori;
• ho partecipato ai test descritti;
• ho scritto i programmi KUMAC (macro) eseguiti con PAW,
per l’analisi dei dati nei differenti tipi di test effettuati;
• ho scritto un manuale per gli utenti dei test in SX1;
• infine ho assistito all’installazione delle prime MDT, nella caverna di
ATLAS.