M. Citterio Roma 17 Settembre Attivita di upgrade per il Calorimetro Elettromagnetico ad Argon...

Roma 17 SettembreM. Citterio

Attivita’ di upgrade per il Calorimetro Attivita’ di upgrade per il Calorimetro Elettromagnetico ad Argon Liquido di Elettromagnetico ad Argon Liquido di

AtlasAtlas

Mauro Citterio

INFN Milano


Problematiche introdotte da un upgrade di LHC in Problematiche introdotte da un upgrade di LHC in LARGLARG

(luminosita’ 10(luminosita’ 103535 cm cm-2-2 s s-1-1, 12.5 ns), 12.5 ns) Effetti sul rivelatore

Gli aumentati livelli di radiazione potrebbero introdurre “rotture” nella raccolta di carica nell’argon ridotta mobilita’ degli ioni Ar+ ed effetti di “space charge”, effetti di creazione di strati di ioni

in prossimita’ degli elettrodi La radiazione potrebbe contaminare l’argon (con molecole elettro-negative) riducendo l’efficienza

nella raccolta del segnale potrebbe essere necessario avere purezze superiori alle attuali 1 ppm

L’attivazione dei materiali potrebbe aumentare il rumore e creare problemi di sicurezza nel caso di perdite di liquido.

Possibile transizione di fase del LAr per effetto del calore generato nella beam pipe. Operare il rivelatore in condizioni di instabilita’ del liquido potrebbe essere estremamente difficile se non impossibile.

Il problema potrebbe essere particolarmente severo nel FCAL, dove la potenza da dissipare potrebbe raggiungere ~ 400 Watts.

Per effetto del lungo tempo di deriva della carica che costituisce il segnale, il pile-up dei segnali risultera’ significativamente piu’ elevato degradando le performance del rivelatore.

Vista la struttura del rivelatore non e’ tuttavia pensabile una modifica dell’apparato. Gli studi degli effetti sul rivelatore sono quindi importanti nell’ottica di massimizzare le performance del rivelatore anche nelle nuove condizioni operative.

Effetti sul Detector Control System

Un alto rate di radiazione ionizzante produrra’ sia uno “shielding” del campo elettrico nei gap, sia un notevole aumento nella corrente assorbita dal calorimetro. Il valore di corrente tollerabile, per i vari calorimetri, non e’ al momento noto e deve essere studiato

Il sistema di HV dovra’ essere rivalutato in termini di affidabilita’ in presenza di fluttuazioni di tensione per quanto riguarda il software “intelligente” di controllo

I filtri di HV dovranno essere riprogettati per ridurre al minimo le fluttazioni ed il rumore indotto


Overview 2Overview 2

Effetti sull’Elettronica:

1. Gli aumentati livelli di radiazione porteranno molti componenti dell’elettronica di Front End ad operare oltre i limiti di funzionamento per i quali sono stati sino ad ora qualificati.

2. Occorrera’ monitorare, durante l’esperimento, i livelli di radiazione per valutare realisticamente quale sia la “lifetime” dei vari componenti dell’elettronica di Front End.

3. La maggior parte dei componenti non potranno essere sostituiti quando inizieranno a degradarsi. - Il presente sistema usa 13 differenti ICs (COTs, DMILL, DMS e AMS)- Usa inoltre 20 regolatori di tensione !!!- Inoltre sara’ difficile se non impossibile, sostituire nella architettura

esistente solo i componenti che si dovessero rompere, a causa dell’evoluzione della tecnologia (per esempio DMILL non esiste piu’), del cambiamento delle tensioni di lavoro, della frequenza di interazione , etc.

4. L’elevata “occupancy ” del nuovo regime di operazione richiede una catena di lettura sostanzialmente differente da quella attuale

5. Il sampling rate attuale si basa su un clock distribuito a 40 MHz (TTC). Se si deve operare a piu’ alto sampling rate occorre modificare o la profondita’ della pipeline o il numero di campioni.


Front-end Board (FEB): OverviewFront-end Board (FEB): Overview

functionality includes: receive input signals from calorimeter, amplify and shape them store signals in analog form while awaiting L1 trigger digitize signals for triggered events transmit output data bit-serially over optical link off detector provide analog sums to L1 trigger sum tree


10 different custom rad-tol ASICs, relatively few COTs

32 SCA 16 ADC 8 GainSel

1 GLink1 Config.2 SCAC

1 SPAC

1 MUX32 Shaper

1 TTCRx7 CLKFO14 pos. Vregs+6 neg. Vregs

2 LSB

32 0T

128input

signals

1 fiber to RODAnalog

sumsto TBB

DMILL

DSM

AMS

COTS

2 DCU

TTC,SPACsignals

Overview dei principali componenti di una FEBOverview dei principali componenti di una FEB


Shaping Timing vs. Pileup NoiseShaping Timing vs. Pileup Noise

pileup2 = E

2 Ipileup

Tc

10

10

~ 1035

Ipileup = Tc g2(tk)k=1

Nb

Tc bunch crossing

Probably change in time constants of electronics to

reduce overall pileup

Optimal hardware shaping time scales as L-1/4

=> tp() ~ 28ns @1035


Overview 3Overview 3

All’interno della comunita LAr esiste interesse a sviluppare una nuova architettura del sistema di lettura.

Il principale goal e’ quello di ridurre il numero di componenti sulle schede di Front-End. Questo implica inoltre lo studio dei protocolli ad alta velocita’ di trasferimetno dei dati dal rivelatore all’elettronica di “Back-End”

Condizione al contorno: non introdurre nessun cambiamento sostanziale nelle infrastrutture meccaniche (pedestals, crates, base-planes) o nelle interfacce verso il sistema di raffreddamento dell’elettronica (ovvero non aumentare la potenza).

Non tutte le architetture possono essere studiate: Le risorse disponibili limitano il numero di diverse opzioni

perseguibili. La comunita’ LAr ha cercato di definire un gruppo coerente

di attivita’ di studio.


Interessi 1Interessi 1

Item Attivita’ Descrizione Istituzioni

1 Charge build-up Effects

Study the effect of high Luminosity on Forward Cal.

Arizona TRIUMF-Canada

2 HV Supply System

Upgrade and improvement of the high level software to monitor and control the HV system. New Design of the multichannel HV supplies, eventually.

CERN, INFN-Milan, MPI, Wuppertal

3 System Architecture Integration

Study of System Architecture. Layout of Board. Enevelope studies, Integ. In Atlas

All institutions (BNL, INFN-Milan, LAL Orsay, LAPP-Annecy, Nevis, SMU, Pitts.)

4 Analog Front-End ASIC

Develop a IC with PA Shaper and T&H. Radiation hardness, dynamic range, min power requirements.

BNL, INFN-Milan, LAL-Orsay

All’interno della collaborazione LAr gli interessi delle varie Istituzioni si sono al momento concentrate sui seguenti argomenti:(elencati in ordine arbitrario)


Interessi 2Interessi 2

Item Attivita’ Descrizione Istituzioni

5 Digital Readout Architecture

COTS ADC, ASIC Mux and Digital Gain Selector

Nevis

6 Optical Links Develop Digital Optical Link for FEB. SMU

7 Level I Interface

Develop a Level I interface. Driver and receiver consistent with the new Architecture

BNL, Pittsburgh

8 Analog Optical Links

Investigate 12 bit Analog Optical link for use in the Level 1 Trigger output.

BNL

9 ROD Follow up and evaluate DSP, FPGA technologies. Develop and upgrade path for the Back end system consistent with the Front end.

BNL, LAPP-Annecy (?)

10 LV Power Supplies

Study for an alternative design of radiation hard power supplies. High density with the Voltages requirements for the ATLAS upgrade

BNL

Altri possibili sviluppi in fase di definizione


Perche’ Milano ha interesse:Perche’ Milano ha interesse:

Milano ha costruito meta’ dei preamplificatori in tecnologia ibrida impiegati nell’elettronica di lettura del calorimetro (oltre 100000 canali di preamplificazione) contribuendo quindi in modo significativo allo sviluppo della presente architettura delle schede di elettronica di Front-End.

Milano ha inoltre la responsabilita’ del sistema di controllo delle alte tensioni dei calorimetri elettromagnetici, per il quale ha sviluppato tutta l’interfaccia SCADA in PVSSII.


Upgrade delle FEB (1)Upgrade delle FEB (1)

Possibile schema di lettura “upgradato”:


Upgrade delle FEB (2)Upgrade delle FEB (2)

Lo schema proposto che deve essere ritenuto la soluzione “base” per un upgrade e’ caratterizzato da:

Un preamplificatore, uno shaper ed un selettore di guadagno integrati se possibile in un singolo ASIC;

Un link ottico ad elevata banda passante per trasmettere segnali digitalizzati ai moduli di “back-end”.

La nuova archittetura potrebbe inoltre includere che le “layer sums” da ogni scheda di Front-End, vengano digitalizzate localmente e poi inviate al L1-trigger per mezzo di un interfaccia ottica.

Lo schema privilegia la digitalizzazione immediata dei dati e la trasmissione dei dati all’elettronica di back-end

In questa fase di studio non si possono a priori escludere architetture alternative. Soprattutto perche’ la tecnologia e’ in un periodo di forti cambiamenti.


Summary of the R&D proposalSummary of the R&D proposal(submitted to LAR)(submitted to LAR)

3. Development of integrated analog front-end electronics, which may include preamplifier, shaper and track and hold (T&H) or equivalent analog gain selection (AGS) mechanism.

The investigation aims at identifying the technologies, radiation hardening techniques and circuit configuration suitable for the readout of the ATLAS calorimeter at the higher rate and radiation levels of the proposed LHC upgrade. Rad-hard CMOS technology (0.13mm process) and Bi-CMOS technology in SiGe by IBM and AMS will be main objective of this R&D activity. This work should be realized as part of a collaboration between BNL, INFN-Milan and LAL-Orsay, which already express some interest in participating.


Schema TemporaleSchema Temporale

Alcuni elementi costruttivi della macchina acceleratrice in prossimita’ del punto di interazione hanno una resistenza alle radiazioni limitata, corrispondente ad una luminosita’ integrata di 700 fb-1 che, negli attuali scenari di funzionamento di LHC, si prevedono possano essere raggiunti nel 2012-2014. Questa data rappresenta un possibile schema temporale sul quale ragionare per eventuali attivita’ di upgrade sia della macchina che dell’esperimento.

Le attivita’ di R&D dovrebbero iniziare nel 2006-2007 in modo da poter essere ultimate non oltre il 2010-2011 per poi passare alla parte costruttiva nei due-quattro anni seguenti


Cost ProfileCost Profile

Il costo globale dell’upgrade non e’ al momento stimabile con precisione Si considera un periodo di R&D (Elettronica + HV) di 3-4 anni seguito da una fase di

produzione per l’elettronica dopo il 2010 L’upgrade proposto comporta un aumento nella complessita’ progettuale del sistema. La “fisiologica” diminuzione dei costi dell’elettronica compensa solo in parte i costi

associati all’attivita’ di upgrade. Una prima stima per queste attivita’ di upgrade (elettronica di front-end e sistema di

HV) porta ad un valore di ~ 2 Meuro: i costi si possono suddividere come:

Acquisto di apparecchiature e software 20% Costruzione di componenti 70% Varie (metabolismo, trasferte, etc.) 10%

da una tipica suddivisione in percentuali usate per sviluppo di componenti elettronici, ci aspettiamo che:

Prototipizzazione 20 % Preproduzione 10 % Produzione 70 %

la stima si basa su un’estrapolazione di quanto gia’ fatto in LAR e su un fattore di scala

Nei costi di produzione hanno particolare importanza i costi di produzione dei circuiti integrati (NRE): molto alti per tecnologie da 0.13 micron o SiGe (~ 600 k$).

Non e’ escluso che si possano trovare metodi per ridurre parte dei costi, soprattutto di prototipizzazione e preproduzione, ottimizzando e dividendo i costi fra le istituzioni coinvolte nella stessa attivita’.


ConclusionsConclusions

The LAr calorimetry system will probably work OK at the sLHC Propose test to confirm and set ultimate limit Any failure will be at high psuedo-rapidity

Milano would like to maintain the present commitments inside LAR community, at least: Depending on the accelerator pulse structure,

developments in electronics, radiation hardness and old age of present LAr electronics, we will have to upgrade the electronics

Discussion on the best architecture is in progress! The HV system must be carefully reviewed


Overview of LHC upgrade possibilities (I)Overview of LHC upgrade possibilities (I)

Time scale of upgrade: 2014

Rad. Damage limit: ~700 fb-1

Error “halving time” defined as the machine running time requiredto multiply x4 the integrated luminosity

High Rad. Doses: life expectancy of LHC IR quadrupoles is < 10yError “halving time” is >5y by 2011-2012Conceivable to plan a luminosity upgrade based on new low- IR magnets before 2014 approx.


Pile-UpPile-Up

0 100 200 300 400 500 600 time, ns

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0 Signal samples

No Pile-up

40 Pile-up events/crossing

Method:

• Liquid Argon gives a triangle pulse.

• To get a signal that is not pedestal shifted with beam rate and approximately optimally corrected for pileup… differentiate the pulse.

• Use optimal filtering to get optimum S/N

• Sum cells to get an energy… in the case on the left trigger on events with ZZ & WZ production by triggering on Z -> l l with the other boson (Z or W) going to j j

Intermediate mass Higgs search pp-> ZH ; WH , Resolution and pile-up studies, Higgs Study Group, L. Poggioli, CERN 90-10 Vol II, 3rd Dec 1990

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