1 CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE COMPASS: progresso RICH upgrade

2 OUTLINE CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE Attività periodo settembre 2013 – settembre 2014 I prototipi di grandi dimensioni Validazione del fotorivelatore ibrido 300 x 300 mm 2 Fotorivelatore ibrido con 2 THGEM Catodo resistivo a componenti discrete Prototipo 300 x 300 mm 2 ibrido con catodo resistivo Rivelatore 600 x 600 mm 2 Test beam agosto-settembre 2014 In parallelo Primi risultati col sistema Leopard Sistema di stabilizzazione guadagno Upgrade sistema ottico QC THGEM a passo micrometric o Documentazione periodo settembre 2013 – settembre 2014 Stato della definizione del progetto

3 OUTLINE CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE Attività periodo settembre 2013 – settembre 2014 I prototipi di grandi dimensioni Validazione del fotorivelatore ibrido 300 x 300 mm 2

4  Costruzione e test di un ibrido (THGEM + MICROMEGAS) di superficie utile 300 x 300 mm 2   In precedenza test con rivelatori 30 x 30 mm 2   la superficie e’ aumentata di un fattore 100   ancora solo un fattore 4 per arrivare alla dimensione finale di 600 x 600 mm 2   Costruito e validato nel trimestre ottobre-dicembre 2013   REPORT COMPLETO INVIATO AI REFEREE IL 20 DICEMBRE 2013 PRIMO IBRIDO 300 X 300 PRIMO IBRIDO 300 X 300 mm 2 CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE

5  Test di ogni singolo componente   La stessa risposta in guadagno dei rivelatori piccoli PRIMO IBRIDO 300 X 300 PRIMO IBRIDO 300 X 300 mm 2, cont. CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE

6 OUTLINE CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE Attività periodo settembre 2013 – settembre 2014 I prototipi di grandi dimensioni Fotorivelatore ibrido con 2 THGEM

7 IBRIDO 300 X 300 mm 2 con 2 THGEM Stessa camera, diverso allestimento interno Misurati guadagni fino a 2.7 x 10 5 Stabile con sorgente X fino a ~3 x 10 4 CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE   Mesh   After 600 V a leakage current   appears that creates instability   [Vmesh] Vmesh = 560 V Vmesh = 580 V Vmesh = 600 V The ratio of the number of events from the two peaks is compatible with geometric factors: expected ratio (from geometry) of 0.04 ratio from spectra:    Detector well-understood Varying only THGEM1 voltage THGEM staggered !

8 OUTLINE CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE Attività periodo settembre 2013 – settembre 2014 I prototipi di grandi dimensioni Catodo resistivo a componenti discrete

9 ANODO RESISTIVO 1/3 CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE  COME ?   schema (non in scala)   Mostrata 1 sola pad   Il principio   pad blu: HV attraverso connesione nel PCB con carico resistivo SMD sulla faccia esterna del PCB   pad rossa: segnale indotto dall’accoppiamento RC PCB 0.15 mm fiberglass Metallicpads

10 CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE ANODO RESISTIVO 2/3 Rivelatore dedicato al test (triple THGEM)  Si leggono 2 pad adiacenti  Una direttamente dalla pad  L’altra attraverso l’accoppiamento capacitivo con resistenza nel range di qualche M 

11 CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE ANODO RESISTIVO 3/3   AMPLITUDE REDUCTION: ~ 10 %   resistance-value can easily be optimized

12 OUTLINE CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE Attività periodo settembre 2013 – settembre 2014 I prototipi di grandi dimensioni Prototipo 300 x 300 mm 2 ibrido con catodo resistivo

13 IBRIDO 300 X 300 mm 2 con 2 THGEM, ANODO RESISTIVO Stessa struttura con MICROMEGAS costruita su anodo resistivo   Nelle MM l’anodo capacitico/resistivo permettere di avere la mesh a massa CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE Resistor Array (from HV line to blue pads) Signal connector (from red pads) THGEM staggered ! THGEM staggered !

14 IBRIDO 300 X 300 mm 2 con 2 THGEM, ANODO RESISTIVO, cont. CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE Studio uniformita’ MICROMEGAS resistiva con 55 Fe Per confronto: uniformita’ micromegas standard A B C D E F

15 STUDIO IBRIDA TS  THGEM HV scan  Piena stabilita’ fino a ~  Piena stabilita’ fino a ~ 7 x 10 4 CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE IBRIDO 300 X 300 mm 2 con 2 THGEM, ANODO RESISTIVO, cont.

16 OUTLINE CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE Attività periodo settembre 2013 – settembre 2014 I prototipi di grandi dimensioni Rivelatore 600 x 600 mm 2

17 IBRIDA 600 x 600 cm 2 1/4 CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE

18 IBRIDA 600 x 600 cm 2 2/4 CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE

19 IBRIDA 600 x 600 cm 2 3/4 CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE

20 IBRIDA 600 x 600 cm 2 4/4 CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE Prototipo testato in laboratorio entro l’anno

21 OUTLINE CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE Attività periodo settembre 2013 – settembre 2014 Test beam agosto-settembre 2014

22 TEST BEAM  TEMPISTICA  Richiesto tempo specifico al PS per ottobre  Ricevuto un periodo di 3 settimane (non negoziable): 26/8-16/9  SQUADRA:  INFN: 8 fisici (6 TS, 2 TO), 4 Tecnici (3 TS, 1 TO)  Freiburg: 2; Gruppi cechi: 2; Calcutta: 1, Aveiro: 2; Budapest: 2  In totale: ~ 8-10 fisici presenti ogni giorno  Shift su 24 h  RIVELATORI TESTATI  Ibrido 300 x 300 mm 2, 2 THGEM con anodo standard  Ibrido 300 x 300 mm 2, 2 THGEM con anodo resistivo/capacitivo a elementi discreti CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE

23 THGEM, la finitura al CERN  Sopra il Cu delle THGEM, si applica:  5  m di Ni  0.2  m di Au  600 nm di CsI (solo sui fotocatodi, prima THGEM)  4 THGEM trattate, di cui 2 fotocatodi  3 THGEM stesse prestazioni prima/dopo la finitura  1 THGEM (con CsI): max  V inferiore (1550  1350) CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE

24 VERIFICA DEI COMPONENTI IN FASE DI CERN CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE  MICROMEGAS + 1 THGEM (intermedia)  spettro con 55 Fe 55 Fe main peak  total gain 55 Fe escape peak 55 Fe main peak, MICROMEGAS only  MICROMEGAS gain from the ratio  THGEM effective gain

25 FASE FINALE DELL’ASSEMBLAGGIO CON CsI CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE

26 INSTALLAZIONE al TEST BEAM CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE CERN PS, T10 Infrastruttura di supporto e sistema di trigger del test beam 2012

27 INSTALLAZIONE al TEST BEAM CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE

28 MISCELLANEA DI INFORMAZIONI  A parte i soliti inconvenienti/imprevisti di ogni test beam  Qualche modulo di elettronica che non funziona  Alcuni cavi HV danneggiati  3 componenti la squadra che si sono ammalati …  MOLTO tempo e impegno sono stati assorbiti dalla lotta contro il rumore elettronico  La MICROMEGAS con la sua grande capacita’ esalta gli effetti  Una fonte certa di rumore identificata:  Power supply CAEN N1471 (serie H) – controllo remoto e alta risoluzione su lettura e limiti di corrente  Abbiamo dovuto usare gli affidabili CAEN 471A che NON hanno controllo remoto … CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE X

29 OUTLINE CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE Risultati preliminari test beam

30 CON LETTURA ANALOGICA   Catena di amplificazione  CREMAT CR-110 (111)  ORTEC amplier model 450   Acquisizione:  GANDALF (Freiburg university)  Si acquisisce da gruppi di 16 (32) pad CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE

31 SPETTRI DI MIP CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE Gain ~ 12.5K (16 pad: the trigger covers a larger area) Gain ~ 3.8 K (32 pad: trigger fully included  100% efficiency for MIPs) Landau evolution with voltage MICROMEGAS: 600 V 650 V 675 V pedestal

32 SPETTRI DI FOTONE SINGOLO Cherenkov light CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE pedestal Gain ~ 130K beam Č photon

33 MIP – DRIFT SCAN Variando il campo di drift raccolgo un differente n. di elettroni di ionizzazione: Rilevante per MIP suppression CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE E Drift = -100 V/cm E Drift = V/cm vs E Drift vs E drift, both detectors

34 FOTONI – DRIFT SCAN Variando il campo di drift raccolgo un differente n. di photoelettroni : Rilevante per l’efficienza di fotorivelazione Misura critica: bisogna “contare i fotoelettroni”  piu’ approcci CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE Integral of the exponential spectrum normalized to n. of triggers vs E Drift, two different ranges are fitted

35 DRIFT SCAN & SIMULAZIONI CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE Silvia DALLA TORRE Silvia DALLA TORRE photoelectron trajectories from a THGEM photocathode, simulation, multiplication switched off thickness 0.6 mm, diam. 0.4 mm, pitch: 0.8 mm, ΔV = 1500 V x cross-section y cross-section external field above the THGEM : 0 x y RECALL: from 2009

36 DRIFT SCAN & SIMULAZIONI CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE photoelectron trajectories from a THGEM photocathode, simulation, multiplication switched off thickness 0.6 mm, diam. 0.4 mm, pitch: 0.8 mm, ΔV = 1500 V x y external field above the THGEM : V /cm: photoelectron lost (not entering the holes) E x cross-section y cross-section x y RECALL: from 2009

37 DRIFT SCAN & SIMULAZIONI CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE photoelectron trajectories from a THGEM photocathode, simulation, multiplication switched off thickness 0.6 mm, diam. 0.4 mm, pitch: 0.8 mm, ΔV = 1500 V x y external field above the THGEM : V /cm: photoelectron lost (too low field to extract them) E x cross-section y cross-section x y RECALL: from 2009

38 Variando il n. di fotoni Cerenkov Si sposta l’intercettore cilindrico che circonda il radiatore CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE

39 CON LETTURA DIGITALE  Catena di lettura (come su RICH-1 – MAPMT)  FE: C-MAD (montati nelle C-MAD card); chip realizzato a TO  Roof – interfaccia fra il FE e la digitizzazione/controllo  Dreisam card – digitizzazione e controllo (realizzato a Freiburg)  La lotta con il rumore non ha avuto convergenza sull’arco temporale del TB:  Impossibile accendere il read-out di tutta la superficie  Sulla parte accesa soglie alte (8-15 fC a seconda dei settori)  Per confronto: le soglie erano ~ 3 fC nel TB2012 CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE

40 GLI ANELLI SOFFRONO PER LE SOGLIE CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE OFF Log scale 2012 per confronto

41 OTTIMA RISOLUZIONE TEMPORALE CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE 9 ns t For comparison: triple THGEM time spectra from 2012 test beam lower gain

42 TB – CONCLUSIONI PRELIMINARI  Entrambi i rivelatori si sono comportati in modo simile a quanto visto in laboratorio  L’ibrido resistivo permette di applicare alla MICROMEGAs tensioni almeno 100 V piu’ alte che nell’ibrido standard   Guadagni maggiori e/o sufficiente meno guadagno dalle THGEM  V alla MICROMEGAS  un fattore 10 nel guadagno  [ nessun MPGD e’ mai stato su fascio con guadagni 10 5 ]  Ottime prestazioni temporali  E’ un bel rivelatore che offre gli alti guadagni necessari per un efficiente rivelazione dei fotoni singoli  Da capire  Read-out & rumore  alimentazione HV CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE

43 OUTLINE CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE Attività periodo settembre 2013 – settembre 2014 In parallelo Primi risultati col sistema Leopard

44 SET-UP CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE  LEOPARD setup not yet finalized; preliminary test using temporary components  Light : ~ 245 nm (LED), pulsed  Not adequate for CsI (no sizeble QE above 210 nm …)  converting in Au

45 FOCUSING CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE FOCUSING: THE NECESSARY PRELIMINARY STEP, SUCCESSFUL FOCUS DEFINITION: ± 0.5 mm

46 DRIFT FIELD SCAN 1/2 CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE E drift

47 DRIFT FIELD SCAN 2/2 CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE CRITICAL LINE FULL COLLECTION !!! Standard geometry

48  V SCAN CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE E drift

49 DIFFERENT GEOMETRIES CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE informazioni per Referee, maggio 2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE Silvia DALLA TORRE Silvia DALLA TORRE Thicker: larger gain Smaller hole diameter: reduced dead-zone Standard geometry FULL COLLECTION !!! A PARAMETER REGION OF FULL COLLECTION ALSO WITH NON STANDARD GEOMETRIES: a) a)THICKER = LARGER GAIN b) b)SMALLER HOLES = REDUCED DEAD-ZONE

50 OUTLINE CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE Attività periodo settembre 2013 – settembre 2014 In parallelo Sistema di stabilizzazione guadagno

51 VARIANDO HV IN FUNZIONE P, T CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE l’implementazione Pressure Sensor MS BA03 24 bit ADC Range: 19 to 1200 mbar Resolution: up to mbar Accuracy (25 °C, 750 mbar): ±1.5 mbar. I 2 C and SPI interface up to 20 MHz Temperature Sensor ADT bit ADC Range: -40 to +150 °C Resolution: °C Accuracy: ±0.20 °C from -10 to +85 °C, ±0.25 °C from -20 to +105 °C I 2 C interface I2C – USB adapter Uses an Attiny45 low cost microcontroller for I 2 C connection to a PC USB port by Linux libusb DETECTOR Sensorbox gas line Attiny45 + … cable I2C (up to 100 m) cable USB  Per mantenere il guadagno costante:   V/V =  P/P -  T/T (*)

52 OUTLINE CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE Attività periodo settembre 2013 – settembre 2014 In parallelo Upgrade sistema ottico QC THGEM a passo micrometric o

53 Sistema ex ALICE: La componente ICTP di COMPASS-TS interessata alla realizzazione  A. Cicuttin, M. Crespo – esperti di elettronica digitale (erano nel team che realizzo’ il primo read-out del RICH)  In fase di valutazione:  per il controllo della movimentazione e dell'acquisizione immagini si studiano diverse alternative basate sia su soluzioni commerciali che su soluzioni custom  per l'identificazione d'immagine e il riconoscimento dei difetti: sviluppo di software basati su algoritmi specifici ed ottimizzati   Il progetto dettagliato all’inizio 2015  rinunciamo al s.j   Corrispondente richiesta per il 2015 CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE upgrade sistema ottico QC THGEM a passo micrometrico

54 OUTLINE CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE Attività periodo settembre 2013 – settembre 2014 Documentazione periodo settembre 2013 – settembre 2014

55 THGEM: DOCUMENTAZIONE CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE Talk a CONFERENZE settembre 2013 – settembre IEEE Nuclear Science Symposium, 27/10-2/11/2013, Seul, Korea Development of Large Size Photon Detectors based on THGEMs and Hybrid MPGD Architecture MPGD Architecture F. Tessarotto 8th International Workshop on Ring Imaging Cherenkov Detectors (RICH 2013), Hayama, Kanagawa, Japan, 2-6 Dec 2013 Status and progress of the novel photon detectors based on THGEM and hybrid MPGD architectures S. Levorato S. Levorato 8th International Workshop on Ring Imaging Cherenkov Detectors (RICH 2013), Hayama, Kanagawa, Japan, 2-6 Dec 2013 Long term experience with CsI photocathodes in gas photon detectors S. Dalla Torre S. Dalla Torre Instrumentation for Colliding Beam Physics (INSTR14) Novosibirsk, Russia, 24 February-1 March 2014 Long term experience and performance of COMPASS RICH-1 F. Tessarotto F. Tessarotto Instrumentation for Colliding Beam Physics (INSTR14) Novosibirsk, Russia, 24 February-1 March 2014 MPGD-based counters of single photons developed for COMPASS RICH-1 S. Levorato S. Levorato

56 THGEM: DOCUMENTAZIONE CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE Talk a CONFERENZE settembre 2013 – settembre 2014, cont. 3rd International Conference on Technology and Instrumentation in Particle Physics (TIPP2014), Amsterdam, The Netherlands, 2-6 June 2014 Micro Pattern Gas Detector Technologies and Applications - the work of the RD51 Collaboration S. Dalla Torre 3rd International Conference on Technology and Instrumentation in Particle Physics (TIPP2014), Amsterdam, The Netherlands, 2-6 June 2014 MPGD-based counters of single photons for Cherenkov imaging counters S. Levorato 7th International Conference on New Developments In Photodetection (NDIP2014) Tours, Francia, 30 June – 4 July 2014 Large Area Detectors of single photons based on THGEM and Hybrid MPGD Architectures F. Tessarotto F. Tessarotto

57 THGEM: DOCUMENTAZIONE CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE ARTICOLI pubblicati su rivista nel periodo settembre 2013 – settembre 2014: M. Alexeev et al., NIMA 695 (2013) 264. S. Dalla Torre, JINST 8 (2013) C M. Alexeev et al., JINST 8 (2013) C M. Alexeev et al., NIMA 732 (2013) 264. M. Alexeev et al., JINST 9 (2014) C M. Alexeev et al JINST 9 (2014) P M. Alexeev et al JINST 9 (2014) C M. Alexeev et al., NIMA (2014), nima , in press. nima M. Alexeev et al., NIMA (2014), nima , in press. M. Alexeev et al., NIMA(2014), nima , in press. F. Tessarotto et al., 2014_JINST 9 (2014) C ARTICOLI inviati a rivista negli ultimi 3 mesi M. Alexeev et al., ”The gain in Thick GEM multipliers and its time-evolution”, JINST M. Alexeev et al., ” MPGD-based counters of single photons for Cherenkov imaging counters”, PoS S. Dalla Torre, “Micro Pattern Gas Detector Technologies and Applications - the work of the RD51 Collaboration”, PoS

58 OUTLINE CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE Stato della definizione del progetto

59 LO STATO RISPETTO ALLA SCHEDULA  Mostrato a settembre 2013   milestone di fine 2013 soddisfatta   la data non ideale del test beam ci ha portato a testare i prototipi 300 x 300   in ogni caso il prototipo 600 x 600 e’ in fase di realizzazione e sara’ testato in laboratorio nel 2014  a parte un necessario swop degli item alla fine del 2014 completato il programma previsto   L’architettura del rivelatore e’ ora fissata: 2 THGEM + MICROMEGAS CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE

60 ATTIVITA’ PROSSIMI MESI2014  Finalizzazione e test rivelatore 600 x 600  Acquisti per le costruzioni  Inizio produzione THGEM finali 2015  Studio accoppiamento con elettronica digitale entro il primo trimestre 2015 e produzione schedula dettagliata costruzioni/test  Continuazione costruzioni durante tutto l’anno; costruzioni parallelizzate  Test dei rivelatori ultimati a partire dal quarto trimestre CSNI, Catania 29/9-3/10/2014 RICH&THGEMSilvia DALLA TORRE