CIRCUITI INTEGRATI PER LA CALIBRAZIONE ED IL CONTROLLO DEL RIVELATORE PER MUONI DELLESPERIMENTO LHCb...
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CIRCUITI INTEGRATI PER LA CALIBRAZIONE ED IL CONTROLLO DEL CIRCUITI INTEGRATI PER LA CALIBRAZIONE ED IL CONTROLLO DEL RIVELATORE PER MUONI DELL’ESPERIMENTO LHCb RIVELATORE PER MUONI DELL’ESPERIMENTO LHCb C. Deplano Dipartimento di Fisica Università di Cagliari e INFN Sezione di Cagliari AREA 02: SCIENZE FISICHE Tematica di Ricerca n° 12: Studio sperimentale su quark, leptoni e loro interazioni Strumentazioni di Particolare Rilevanza: Progettazione di chip VLSI e relative schede ad alta densità per circuiti di elettronica veloce Esperimento LHCb Esperimento LHCb DTS DTS (D (D IALOG IALOG T T est est S S ystem ystem ) ) I 2 C sign als 16 LVDS PCH DIALOG input 8 LVDS LCH DIALOG output I 2 C signals I 2 C signals Reset Common Start Reset ROUTER BOARD DIALOG BOARD TDC BOARD TDC BOARD REPORT FILES TEST ROUTINES I 2 C MASTER LHCb è un esperimento di fisica delle particelle ad alta energia attualmente in LHCb è un esperimento di fisica delle particelle ad alta energia attualmente in fase di preparazione al fase di preparazione al Large Hadron Collider Large Hadron Collider (LHC) del CERN di Ginevra, un (LHC) del CERN di Ginevra, un acceleratore di protoni con una circonferenza di circa 27 km. L’esperimento si acceleratore di protoni con una circonferenza di circa 27 km. L’esperimento si propone di effettuare misure di precisione riguardanti la propone di effettuare misure di precisione riguardanti la violazione della simmetria CP violazione della simmetria CP nei mesoni B nei mesoni B (composti da un quark (antiquark) b e da uno tra gli antiquark (quark) (composti da un quark (antiquark) b e da uno tra gli antiquark (quark) d, s, c), di verificare la consistenza del Modello Standard, il modello teorico d, s, c), di verificare la consistenza del Modello Standard, il modello teorico che descrive le interazioni elettrodeboli, e di studiare i decadimenti rari dei che descrive le interazioni elettrodeboli, e di studiare i decadimenti rari dei mesoni B, prodotti nelle collisioni tra i fasci di protoni accelerati da LHC. mesoni B, prodotti nelle collisioni tra i fasci di protoni accelerati da LHC. 20 m 12 m LHCb è caratterizzato da un apparato di grandi LHCb è caratterizzato da un apparato di grandi dimensioni, letto da dimensioni, letto da milioni di sensori milioni di sensori . Per elaborare . Per elaborare in tempo reale la in tempo reale la mole di informazione mole di informazione che questi che questi sensori producono (migliaia di miliardi di byte sensori producono (migliaia di miliardi di byte per secondo), è necessario progettare per secondo), è necessario progettare circuiti circuiti microelettronici microelettronici specifici ad altissima integrazione specifici ad altissima integrazione (microchip), con complessità paragonabili ai più (microchip), con complessità paragonabili ai più recenti processori montati sui nostri computer. recenti processori montati sui nostri computer. E`compito di questi microciruiti leggere i segnali E`compito di questi microciruiti leggere i segnali prodotti dai sensori, elaborarli secondo le prodotti dai sensori, elaborarli secondo le esigenze del sistema di misura e esigenze del sistema di misura e trasformare trasformare l’informazione l’informazione in forma digitale (un numero) perché in forma digitale (un numero) perché possa essere memorizzata ed utilizzata nella possa essere memorizzata ed utilizzata nella successiva fase di analisi dei dati sperimentali. successiva fase di analisi dei dati sperimentali. Il gruppo di Cagliari impegnato nell’esperimento LHCb, ha Il gruppo di Cagliari impegnato nell’esperimento LHCb, ha progettato e realizzato due chip progettato e realizzato due chip necessari alla calibrazione ed necessari alla calibrazione ed il controllo del rivelatore per muoni (particelle il controllo del rivelatore per muoni (particelle simili simili agli elettroni) agli elettroni) dell’esperimento. Tale rivelatore, che dell’esperimento. Tale rivelatore, che consiste di 126000 canali di lettura, gioca un ruolo consiste di 126000 canali di lettura, gioca un ruolo fondamentale nel primo livello del fondamentale nel primo livello del sistema di trigger sistema di trigger , il , il sistema elettronico necessario a selezionare sistema elettronico necessario a selezionare Per un corretto funzionamento del sistema di Per un corretto funzionamento del sistema di trigger è richiesta una efficienza di trigger è richiesta una efficienza di rivelazione del 99% per ogni canale di rivelazione del 99% per ogni canale di lettura. Questo comporta un lettura. Questo comporta un accurato allineamento accurato allineamento (calibrazione) temporale fra tutti i 126000 canali (calibrazione) temporale fra tutti i 126000 canali che che compongono il rivelatore per muoni. Per compongono il rivelatore per muoni. Per realizzare tale allineamento entro un errore realizzare tale allineamento entro un errore di pochi nano secondi (10 di pochi nano secondi (10 -9 -9 s) è necessario uno s) è necessario uno studio della distribuzione temporale dei muoni studio della distribuzione temporale dei muoni di interesse e delle particelle costituenti un di interesse e delle particelle costituenti un fondo temporalmente scorrelato. Questo fondo fondo temporalmente scorrelato. Questo fondo complica l’operazione di allineamento complica l’operazione di allineamento temporale ed occorre elaborare una strategia temporale ed occorre elaborare una strategia di misura che consenta di discriminarlo di misura che consenta di discriminarlo rispetto al segnale. rispetto al segnale. L’elettronica realizzata a questo L’elettronica realizzata a questo scopo scopo è costituita da circuiti integrati è costituita da circuiti integrati progettati per la misura del tempo e la progettati per la misura del tempo e la regolazione dei ritardi dei singoli canali. In regolazione dei ritardi dei singoli canali. In particolare, il sistema si basa sullo sviluppo particolare, il sistema si basa sullo sviluppo di due di due circuiti integrati full custom, denominati DIALOG circuiti integrati full custom, denominati DIALOG e SYNC e SYNC , interamente realizzati (progettazione e , interamente realizzati (progettazione e simulazione) dal gruppo LHCb di Cagliari. simulazione) dal gruppo LHCb di Cagliari. DIALOG (DIagnostic time Adjustment and LOGics) è stato DIALOG (DIagnostic time Adjustment and LOGics) è stato sviluppato nella sviluppato nella tecnologia IBM 0.25 μm tecnologia IBM 0.25 μm ( ( radiation tolerant radiation tolerant ) e ) e possiede 113 pins. DIALOG rappresenta un mattone possiede 113 pins. DIALOG rappresenta un mattone costitutivo fondamentale del sistema di lettura del costitutivo fondamentale del sistema di lettura del rivelatore per muoni ed integra la quasi totalità delle rivelatore per muoni ed integra la quasi totalità delle funzioni necessarie alla calibrazione ed al monitoring funzioni necessarie alla calibrazione ed al monitoring del sistema. Per la progettazione e la simulazione del del sistema. Per la progettazione e la simulazione del circuito sono stati utilizzati dei programmi dedicati circuito sono stati utilizzati dei programmi dedicati per circuiti di microelettronica. La realizzazione del per circuiti di microelettronica. La realizzazione del circuito integrato stesso è stata quindi affidata alla circuito integrato stesso è stata quindi affidata alla fonderia IBM. fonderia IBM. DIALOG DIALOG chip chip 3,875 mm 4,9 mm Terminata la fase di progettazione, i chip devono essere Terminata la fase di progettazione, i chip devono essere validati come correttamente funzionanti. Per far questo si è validati come correttamente funzionanti. Per far questo si è realizzato un banco di test realizzato un banco di test (DIALOG Test System) per la (DIALOG Test System) per la caratterizzazione semi-automatica completa dei prototipi di caratterizzazione semi-automatica completa dei prototipi di DIALOG. Il banco è costituito da DIALOG. Il banco è costituito da tre schede elettroniche tre schede elettroniche e da un e da un software di gestione software di gestione . Con tale apparecchiatura sono stati . Con tale apparecchiatura sono stati caratterizzati circa 500 dispositivi. Ciò ha consentito di caratterizzati circa 500 dispositivi. Ciò ha consentito di raccogliere sufficiente statistica per stabilire gli raccogliere sufficiente statistica per stabilire gli intervalli di qualità da utilizzare per la scelta dei intervalli di qualità da utilizzare per la scelta dei dispositivi nella produzione massiva del circuito DIALOG, dispositivi nella produzione massiva del circuito DIALOG, costituita da circa 12000 unità. costituita da circa 12000 unità. Completata la fase di sviluppo dei progetti DIALOG e SYNC, si è lavorato alla Completata la fase di sviluppo dei progetti DIALOG e SYNC, si è lavorato alla modellizzazione modellizzazione dell’intero sistema di lettura dell’intero sistema di lettura dal punto di vista delle sue prestazioni temporali. Il modello è dal punto di vista delle sue prestazioni temporali. Il modello è stato utilizzato per simulare la risposta del sistema stesso quando investito dalle stato utilizzato per simulare la risposta del sistema stesso quando investito dalle particelle prodotte dalla collisione dei protoni in LHC. Questa simulazione è di grande particelle prodotte dalla collisione dei protoni in LHC. Questa simulazione è di grande utilità per studiare i tempi e le modalità di sincronizzazione dell’intero rivelatore. utilità per studiare i tempi e le modalità di sincronizzazione dell’intero rivelatore. Rivelatori per muoni: MWPC Muri che schermano le particelle Scheda elettronica di lettura: CARDIAC DIALOG chip ~ 2 m ~ 3 cm SCHEMA DEL RIVELATORE PER MUONI CRATE CAVI Modellizzazione & Modellizzazione & Simulazione Simulazione Istogrammi che simulano la Istogrammi che simulano la risposta temporale di uno dei risposta temporale di uno dei 126000 canali del rivelatore 126000 canali del rivelatore dei muoni. dei muoni. BX ID 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 25 ns INTERAZIONE RIVELAZIONE µ + µ - B 25 ns 25 ns CARIOCA DIALOG SYNC SYNC IC (4000) RIVELATORI PER MUONI (MWPC/3-GEM) F/E board 8PCH 8PCH ASD ASD 8LCH DIALOG 8PCH 8PCH F/E board DIALOG CUSTOM IC (8000) MODIFICA DI RITATDI E LARGHEZZE GENERAZIONE CANALI LOGICI SOGLIE PER CHIP ASD ASD: CARIOCA IC (16000) ANALOG SHAPER DISCRIMINATOR E L E T T R O N I C A S U L R I V E L A R O R E I 2 C MASTER BASSA TENSIONE CONTROLLI IMPULSI DI CALIBRAZIONE SERVICE board (su crate ) SINCRONIZZAZIONE MISURA DEL TEMPO (FASE) FORMATTAZIONE DEI DATI DATI PER IL SISTEMA DI TRIGGER ELETTRONICA FUORI RIVELATORE 10m di cavi (LVDS) DATI DA SALVARE RICOSTRUZIONE EVENTI COUNTING ROOM Circuiti Integrati CONFERENZA D’ATENEO SULLA RICERCA SCIENTIFICA CONFERENZA D’ATENEO SULLA RICERCA SCIENTIFICA XVI SETTIMANA DELLA CULTURA SCIENTIFICA E TECNOLOGICA XVI SETTIMANA DELLA CULTURA SCIENTIFICA E TECNOLOGICA gli eventi utili allo gli eventi utili allo studio delle proprietà studio delle proprietà del mesone B. La del mesone B. La selezione viene selezione viene effettuata attraverso effettuata attraverso la misura della la misura della quantità quantità di moto di moto dei muoni dei muoni che che attraversano il attraversano il rivelatore stesso. rivelatore stesso.
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CIRCUITI INTEGRATI PER LA CALIBRAZIONE ED IL CONTROLLO DEL CIRCUITI INTEGRATI PER LA CALIBRAZIONE ED IL CONTROLLO DEL RIVELATORE PER MUONI DELL’ESPERIMENTO LHCbRIVELATORE PER MUONI DELL’ESPERIMENTO LHCb
C. DeplanoDipartimento di Fisica Università di Cagliari e INFN Sezione di Cagliari
AREA 02: SCIENZE FISICHETematica di Ricerca n° 12: Studio sperimentale su quark, leptoni e loro interazioni
Strumentazioni di Particolare Rilevanza: Progettazione di chip VLSI e relative schede ad alta densità per circuiti di elettronica veloce
Esperimento Esperimento LHCbLHCb
DTSDTS (D (DIALOGIALOG T Test est SSystemystem) )
I2C signals
16 LVDS PCH DIALOG
input
8 LVDS LCH DIALOG output
I2C signals
I2C signals
Reset
Common Start
Reset
ROUTER BOARD
DIALOG BOARD
TDC BOARDTDC BOARD
REPORT FILESTEST ROUTINES
I2C MASTER
LHCb è un esperimento di fisica delle particelle ad alta energia attualmente in fase di preparazione al LHCb è un esperimento di fisica delle particelle ad alta energia attualmente in fase di preparazione al Large Hadron ColliderLarge Hadron Collider (LHC) del CERN di Ginevra, un acceleratore di protoni con una circonferenza di (LHC) del CERN di Ginevra, un acceleratore di protoni con una circonferenza di circa 27 km. L’esperimento si propone di effettuare misure di precisione riguardanti la circa 27 km. L’esperimento si propone di effettuare misure di precisione riguardanti la violazione della violazione della simmetria CP nei mesoni Bsimmetria CP nei mesoni B (composti da un quark (antiquark) b e da uno tra gli antiquark (quark) d, s, (composti da un quark (antiquark) b e da uno tra gli antiquark (quark) d, s, c), di verificare la consistenza del Modello Standard, il modello teorico che descrive le interazioni c), di verificare la consistenza del Modello Standard, il modello teorico che descrive le interazioni elettrodeboli, e di studiare i decadimenti rari dei mesoni B, prodotti nelle collisioni tra i fasci di protoni elettrodeboli, e di studiare i decadimenti rari dei mesoni B, prodotti nelle collisioni tra i fasci di protoni accelerati da LHC. accelerati da LHC.
20 m
12 m
LHCb è caratterizzato da un apparato di grandi dimensioni, LHCb è caratterizzato da un apparato di grandi dimensioni, letto da letto da milioni di sensorimilioni di sensori. Per elaborare in tempo reale la . Per elaborare in tempo reale la mole mole di informazionedi informazione che questi sensori producono (migliaia di che questi sensori producono (migliaia di miliardi di byte per secondo), è necessario progettare miliardi di byte per secondo), è necessario progettare circuiti circuiti microelettronicimicroelettronici specifici ad altissima integrazione (microchip), specifici ad altissima integrazione (microchip), con complessità paragonabili ai più recenti processori montati con complessità paragonabili ai più recenti processori montati sui nostri computer. sui nostri computer. E`compito di questi microciruiti leggere i segnali prodotti dai E`compito di questi microciruiti leggere i segnali prodotti dai sensori, elaborarli secondo le esigenze del sistema di misura e sensori, elaborarli secondo le esigenze del sistema di misura e trasformare l’informazionetrasformare l’informazione in forma digitale (un numero) in forma digitale (un numero) perché possa essere memorizzata ed utilizzata nella perché possa essere memorizzata ed utilizzata nella successiva fase di analisi dei dati sperimentali.successiva fase di analisi dei dati sperimentali.
Il gruppo di Cagliari impegnato nell’esperimento LHCb, ha Il gruppo di Cagliari impegnato nell’esperimento LHCb, ha progettato e progettato e realizzato due chiprealizzato due chip necessari alla calibrazione ed il controllo del necessari alla calibrazione ed il controllo del rivelatore per muoni (particelle rivelatore per muoni (particelle simili agli elettroni)simili agli elettroni) dell’esperimento. Tale dell’esperimento. Tale rivelatore, che consiste di 126000 canali di lettura, gioca un ruolo rivelatore, che consiste di 126000 canali di lettura, gioca un ruolo fondamentale nel primo livello del fondamentale nel primo livello del sistema di triggersistema di trigger, il sistema , il sistema elettronico necessario a selezionareelettronico necessario a selezionare
Per un corretto funzionamento del sistema di trigger è Per un corretto funzionamento del sistema di trigger è richiesta una efficienza di rivelazione del 99% per ogni richiesta una efficienza di rivelazione del 99% per ogni canale di lettura. Questo comporta un canale di lettura. Questo comporta un accurato accurato allineamento (calibrazione) temporale fra tutti i 126000 allineamento (calibrazione) temporale fra tutti i 126000 canalicanali che compongono il rivelatore per muoni. Per che compongono il rivelatore per muoni. Per realizzare tale allineamento entro un errore di pochi nano realizzare tale allineamento entro un errore di pochi nano secondi (10secondi (10-9-9 s) è necessario uno studio della distribuzione s) è necessario uno studio della distribuzione temporale dei muoni di interesse e delle particelle temporale dei muoni di interesse e delle particelle costituenti un fondo temporalmente scorrelato. Questo costituenti un fondo temporalmente scorrelato. Questo fondo complica l’operazione di allineamento temporale ed fondo complica l’operazione di allineamento temporale ed occorre elaborare una strategia di misura che consenta di occorre elaborare una strategia di misura che consenta di discriminarlo rispetto al segnale. discriminarlo rispetto al segnale. L’elettronica realizzata a L’elettronica realizzata a questo scopoquesto scopo è costituita da circuiti integrati progettati per è costituita da circuiti integrati progettati per la misura del tempo e la regolazione dei ritardi dei singoli la misura del tempo e la regolazione dei ritardi dei singoli canali. In particolare, il sistema si basa sullo sviluppo di canali. In particolare, il sistema si basa sullo sviluppo di due due circuiti integrati full custom, denominati DIALOG e circuiti integrati full custom, denominati DIALOG e SYNCSYNC, interamente realizzati (progettazione e simulazione) , interamente realizzati (progettazione e simulazione) dal gruppo LHCb di Cagliari.dal gruppo LHCb di Cagliari.
DIALOG (DIagnostic time Adjustment and LOGics) è stato sviluppato DIALOG (DIagnostic time Adjustment and LOGics) è stato sviluppato nella nella tecnologia IBM 0.25 μmtecnologia IBM 0.25 μm ( (radiation tolerantradiation tolerant) e possiede 113 pins. ) e possiede 113 pins. DIALOG rappresenta un mattone costitutivo fondamentale del sistema DIALOG rappresenta un mattone costitutivo fondamentale del sistema di lettura del rivelatore per muoni ed integra la quasi totalità delle di lettura del rivelatore per muoni ed integra la quasi totalità delle funzioni necessarie alla calibrazione ed al monitoring del sistema. Per funzioni necessarie alla calibrazione ed al monitoring del sistema. Per la progettazione e la simulazione del circuito sono stati utilizzati dei la progettazione e la simulazione del circuito sono stati utilizzati dei programmi dedicati per circuiti di microelettronica. La realizzazione programmi dedicati per circuiti di microelettronica. La realizzazione del circuito integrato stesso è stata quindi affidata alla fonderia IBM. del circuito integrato stesso è stata quindi affidata alla fonderia IBM.
DIALOGDIALOG chipchip
3,875 mm
4,9
mm
Terminata la fase di progettazione, i chip devono essere validati come Terminata la fase di progettazione, i chip devono essere validati come correttamente funzionanti. Per far questo si è correttamente funzionanti. Per far questo si è realizzato un banco di testrealizzato un banco di test (DIALOG Test System) per la caratterizzazione semi-automatica completa dei (DIALOG Test System) per la caratterizzazione semi-automatica completa dei prototipi di DIALOG. Il banco è costituito da prototipi di DIALOG. Il banco è costituito da tre schede elettronichetre schede elettroniche e da un e da un software di gestionesoftware di gestione. Con tale apparecchiatura sono stati caratterizzati circa . Con tale apparecchiatura sono stati caratterizzati circa 500 dispositivi. Ciò ha consentito di raccogliere sufficiente statistica per 500 dispositivi. Ciò ha consentito di raccogliere sufficiente statistica per stabilire gli intervalli di qualità da utilizzare per la scelta dei dispositivi nella stabilire gli intervalli di qualità da utilizzare per la scelta dei dispositivi nella produzione massiva del circuito DIALOG, costituita da circa 12000 unità. produzione massiva del circuito DIALOG, costituita da circa 12000 unità.
Completata la fase di sviluppo dei progetti DIALOG e SYNC, si è lavorato alla Completata la fase di sviluppo dei progetti DIALOG e SYNC, si è lavorato alla modellizzazione dell’intero sistema di modellizzazione dell’intero sistema di letturalettura dal punto di vista delle sue prestazioni temporali. Il modello è stato utilizzato per simulare la risposta del dal punto di vista delle sue prestazioni temporali. Il modello è stato utilizzato per simulare la risposta del sistema stesso quando investito dalle particelle prodotte dalla collisione dei protoni in LHC. Questa simulazione è di sistema stesso quando investito dalle particelle prodotte dalla collisione dei protoni in LHC. Questa simulazione è di grande utilità per studiare i tempi e le modalità di sincronizzazione dell’intero rivelatore. grande utilità per studiare i tempi e le modalità di sincronizzazione dell’intero rivelatore.
Rivelatori per muoni: MWPC
Muri che schermano le particelle
Scheda elettronica di lettura: CARDIAC
DIALOG chip
~ 2
m
~ 3 cm
SCHEMA DEL RIVELATORE PER MUONI
CRATE
CAVI
Modellizzazione & SimulazioneModellizzazione & SimulazioneIstogrammi che simulano la risposta Istogrammi che simulano la risposta temporale di uno dei 126000 canali temporale di uno dei 126000 canali del rivelatore dei muoni.del rivelatore dei muoni.
BX ID
45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55
25 ns
INTERAZIONE RIVELAZIONE
µ+µ-B 25 ns 25 ns
CARIOCADIALOG
SYNC
SYNC IC (4000)
RIVELATORI PER MUONI (MWPC/3-GEM)
F/E board
8PCH 8PCH
ASDASD
8LCH
DIALOG
8PCH 8PCH
F/E board
DIALOG CUSTOM IC (8000)
MODIFICA DI RITATDI E LARGHEZZE
GENERAZIONE CANALI LOGICI
SOGLIE PER CHIP ASD
ASD: CARIOCA IC (16000)
ANALOG SHAPER DISCRIMINATOR
EL
ET
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IVE
LA
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I2C MASTER
BASSA TENSIONE
CONTROLLI
IMPULSI DI CALIBRAZIONE
SERVICE board(su crate)
SINCRONIZZAZIONE
MISURA DEL TEMPO (FASE)
FORMATTAZIONE DEI DATI
DATI PER IL SISTEMA DI TRIGGER
ELETTRONICA FUORI RIVELATORE
10m di cavi
(LVDS)
DATI DA SALVARE
RICOSTRUZIONE EVENTI
COUNTING ROOM
Circuiti Integrati
CONFERENZA D’ATENEO SULLA RICERCA SCIENTIFICACONFERENZA D’ATENEO SULLA RICERCA SCIENTIFICAXVI SETTIMANA DELLA CULTURA SCIENTIFICA E TECNOLOGICAXVI SETTIMANA DELLA CULTURA SCIENTIFICA E TECNOLOGICA
gli eventi utili allo studio gli eventi utili allo studio delle proprietà del mesone B. delle proprietà del mesone B. La selezione viene effettuata La selezione viene effettuata attraverso la misura della attraverso la misura della quantitàquantità di moto di moto dei muoni dei muoni che attraversano il rivelatore che attraversano il rivelatore stesso.stesso.
