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M. Citterio Roma 17 Settembre Attivita di upgrade per il Calorimetro Elettromagnetico ad Argon Liquido di Atlas Mauro Citterio INFN Milano.

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1 M. Citterio Roma 17 Settembre Attivita di upgrade per il Calorimetro Elettromagnetico ad Argon Liquido di Atlas Mauro Citterio INFN Milano

2 M. Citterio Roma 17 Settembre Problematiche introdotte da un upgrade di LHC in LARG (luminosita cm -2 s -1, 12.5 ns) Effetti sul rivelatore Gli aumentati livelli di radiazione potrebbero introdurre rotture nella raccolta di carica nellargon 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 largon (con molecole elettro-negative) riducendo lefficienza nella raccolta del segnale potrebbe essere necessario avere purezze superiori alle attuali 1 ppm Lattivazione 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 dellapparato. Gli studi degli effetti sul rivelatore sono quindi importanti nellottica 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

3 M. Citterio Roma 17 Settembre Overview 2 Effetti sullElettronica: 1.Gli aumentati livelli di radiazione porteranno molti componenti dellelettronica di Front End ad operare oltre i limiti di funzionamento per i quali sono stati sino ad ora qualificati. 2.Occorrera monitorare, durante lesperimento, i livelli di radiazione per valutare realisticamente quale sia la lifetime dei vari componenti dellelettronica 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 dellevoluzione della tecnologia (per esempio DMILL non esiste piu), del cambiamento delle tensioni di lavoro, della frequenza di interazione, etc. 4.Lelevata 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.

4 M. Citterio Roma 17 Settembre Front-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

5 M. Citterio Roma 17 Settembre 10 different custom rad-tol ASICs, relatively few COTs 32 SCA16 ADC8 GainSel 1 GLink1 Config.2 SCAC 1 SPAC 1 MUX 32 Shaper 1 TTCRx 7 CLKFO 14 pos. Vregs +6 neg. Vregs 2 LSB 32 0T 128 input signals 1 fiber to ROD Analog sums to TBB DMILL DSM AMS COTS 2 DCU TTC, SPAC signals Overview dei principali componenti di una FEB

6 M. Citterio Roma 17 Settembre Shaping Timing vs. Pileup Noise ~ T c bunch crossing Probably change in time constants of electronics to reduce overall pileup Optimal hardware shaping time scales as L -1/4 => t p ( ) ~ 35

7 M. Citterio Roma 17 Settembre Overview 3 Allinterno 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 allelettronica 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 dellelettronica (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.

8 M. Citterio Roma 17 Settembre Interessi 1 ItemAttivitaDescrizioneIstituzioni 1Charge build-up Effects Study the effect of high Luminosity on Forward Cal. Arizona TRIUMF-Canada 2HV 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 3System 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. ) 4Analog Front-End ASIC Develop a IC with PA Shaper and T&H. Radiation hardness, dynamic range, min power requirements. BNL, INFN-Milan, LAL-Orsay Allinterno della collaborazione LAr gli interessi delle varie Istituzioni si sono al momento concentrate sui seguenti argomenti: (elencati in ordine arbitrario)

9 M. Citterio Roma 17 Settembre Interessi 2 ItemAttivitaDescrizioneIstituzioni 5Digital Readout Architecture COTS ADC, ASIC Mux and Digital Gain Selector Nevis 6Optical LinksDevelop Digital Optical Link for FEB.SMU 7Level I Interface Develop a Level I interface. Driver and receiver consistent with the new Architecture BNL, Pittsburgh 8Analog Optical Links Investigate 12 bit Analog Optical link for use in the Level 1 Trigger output. BNL 9RODFollow up and evaluate DSP, FPGA technologies. Develop and upgrade path for the Back end system consistent with the Front end. BNL, LAPP- Annecy (?) 10LV 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

10 M. Citterio Roma 17 Settembre Perche Milano ha interesse: Milano ha costruito meta dei preamplificatori in tecnologia ibrida impiegati nellelettronica di lettura del calorimetro (oltre 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 linterfaccia SCADA in PVSSII.

11 M. Citterio Roma 17 Settembre Upgrade delle FEB (1) Possibile schema di lettura upgradato:

12 M. Citterio Roma 17 Settembre 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 allelettronica 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.

13 M. Citterio Roma 17 Settembre Summary of the R&D proposal (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.

14 M. Citterio Roma 17 Settembre Schema 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 Questa data rappresenta un possibile schema temporale sul quale ragionare per eventuali attivita di upgrade sia della macchina che dellesperimento. Le attivita di R&D dovrebbero iniziare nel in modo da poter essere ultimate non oltre il per poi passare alla parte costruttiva nei due-quattro anni seguenti

15 M. Citterio Roma 17 Settembre Cost Profile Il costo globale dellupgrade 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 lelettronica dopo il 2010 Lupgrade proposto comporta un aumento nella complessita progettuale del sistema. La fisiologica diminuzione dei costi dellelettronica compensa solo in parte i costi associati allattivita 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: Prototipizzazione20 % Preproduzione10 % Produzione70 % la stima si basa su unestrapolazione 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.

16 M. Citterio Roma 17 Settembre Conclusions 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

17 M. Citterio Roma 17 Settembre

18 M. Citterio Roma 17 Settembre 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 required to multiply x4 the integrated luminosity High Rad. Doses: life expectancy of LHC IR quadrupoles is < 10y Error halving time is >5y by Conceivable to plan a luminosity upgrade based on new low- IR magnets before 2014 approx.

19 M. Citterio Roma 17 Settembre Pile-Up 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 Vol II, 3rd Dec 1990


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