1 RD51 Relazione di referee CSN1 – 24 Settembre 2010 M. Costa

RD51 Micro-Pattern Gas Detectors Technologies Collaboration news 24/07/2009 CD INFN Firma MoU (valido fino al 31 Dicembre 2013) Impegno a versare annualmente 2000 CHF per ogni Istituto/Sezione La collaborazione continua a crescere : ~430 Autori, 75 Instituzioni, 25 paesi (un anno fa 350 autori, 56 istituzioni, 20 paesi ) RD51 e’ il primo progetto pilota al CERN per il trasferimento delle tecnologie Dal Report del CERN Council Settembre 2009 :

Coinvolgimento INFN: CSN1+CSN3 Italy, Bari Universita & INFN, Bari (15 participant(s)) Team Leader: Maria Gabriella CATANESI Marcello ABBRESCIA, Vincenzo BERARDI, Francesco CAFAGNA, Maria Gabriella CATANESI, Anna COLALEO, Raffaele DE LEO, Giuseppe DE ROBERTIS, Onofrio ERRIQUEZ, Flavio LODDO, Eugenio NAPPI, Salvatore NUZZO, Vincenzo PATICCHIO, Gabriella PUGLIESE, Emilio RADICIONI, Antonio RANIERI Universita & INFN, Bari Italy, Frascati Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) Laboratori Nazionali di Frascati (LNF) (6 participant(s)) Team Leader: Giovanni BENCIVENNI Giovanni BENCIVENNI, Giulietto FELICI, E.DeLucia, J.Dong, D.Domenici, M.Pistilli Laboratori Nazionali di Frascati (LNF) Italy, Monserrato Università di Cagliari/INFN (4 participant(s)) Team Leader: Alessandro CARDINI Walter BONIVENTO, Adriano LAI, Rudolf OLDEMAN Università di Cagliari/INFN Italy, Naples Università & INFN, Napoli (4 participant(s)) Team Leader: Mariagrazia ALVIGGI Mariagrazia ALVIGGI, de Asmundis, Raffaele GIORDANO, G.Sekhniaidze Università & INFN, Napoli Italy, Pisa INFN, Sezione di Pisa Universita' Degli Studi di Siena & INFN Pisa (9 participant(s)) Team Leader: Stefano LAMI M.G. Bagliesi, R.Cecchi, G. Croci, V. Greco, S. Lami, G.Latino, E. Oliveri, A. Scribano, N. Turini. Universita' Degli Studi di Siena & INFN Pisa Italy, Trieste Università & INFN, Trieste (5 participant(s)) Team Leader: Silvia DALLA TORRE Andrea BRESSAN, Silvia DALLA TORRE, Stefano LEVORATO, Giorgio MENON, Fulvio TESSAROTTO Università & INFN, Trieste Italy, Turin Università & INFN, Torino (3 participant(s)) Team Leader: Daniele PANZIERI Maxim ALEKSEEV, Daniele PANZIERI, Elena ROCCO Università & INFN, Torino Italy, Rome Università & INFN, Roma I INFN, Sezione di Roma I Istituto Superiore di Sanità (4 participant(s)) Team Leader: Evaristo CISBANI Evaristo CISBANI, Salvatore FRULLANI, Franco GARIBALDI, Guido URCIUOLI Istituto Superiore di Sanità ~44 fisici CSN1 CB chair(wo)man

19 Presentazioni ai Meeting RD51 nel corso dell’ultimo anno (Settembre 2009-Settembre 2010) Large GEM( TOTEM Upgrade) Bari + Pisa-Siena -VFAT readout for the GEM telescope (E. Oliveri) -GEM telescope & CMS GEM prototype preliminary results (G. Croci) -Update about the Geant4 simulation of a Single GEM setup irradiated by a neutron beam (G.Croci) -GEM foils made by laser micromachining (V.Berardi) -A triple GEM Detector exposed to high flux neutrons beam (G.Croci) -Results from June 2010 test beam and work in progress (M.Alfonsi on behalf of CERN and Siena/PISA INFN group) Thick GEM (Compass Upgrade) Trieste+Torino -Summary of the RICH2010 conference (S. Dalla Torre) -THGEM for RICH application - test beam goals and programme (S.Levorato) -October Test beam results: THGEM group ( J. Polak on behalf of Liberez- Torino-Trieste groups). Large GEM Cilindriche (KLOE2) Frascati + Bari -Results on a large area triple-GEM detector at LNF (D.Dominici) -June Testbeam - INFN-LNF & INFN-Ba: Readout studies with Planar GEM (G.Morello) Attivita’ Frascati (non collegate con KLOE2) -Portability and policapillary for X ray imaging F. Murtas -Preliminary results with CMS Triple GEM prototypes (F.Colafranceschi) MicroMegas (Atlas Upgrade) Napoli -Experience with micromegas chambers with resistive strips (Givi Sekhniaidze) -MAMMA R&D, a progress report (POLYCHRONAKOS, Venetios for the Atlas –Mamma Group) -Update on the micromegas R&D for the ATLAS muon upgrade (POLYCHRONAKOS, Venetios for the Atlas –Mamma Group) JLAB (Gr III) -Status of the Front Tracker development for the new SBS spectrometer at Jefferson Lab (E.Cisbani) -Status VME-based readout system for Jlab GEM tracker (E.Cisbani) -APV25 based readout system, VME based for GEM tracker for JLab (P.Mu

Bari Cagliari Trieste PisaSiena Torino Bari LNF Napoli LHCb KLOE2 Compass TOTEM ATLAS CMS Attiva collaborazione fra le sedi che condividono programmi scientifici comuni sullo sfondo di un organizzazione su scala nazionale principalmente di carattere amministrativo (MoU) Dopo la sollecitazione della CSN1 di gen2010 G. Catanesi contact person per RD51 Italia verso la commissione RD51/CSN1 Overview

RD51 Bari Gruppo TOTEM/T2K V. Berardi, F.S. Cafagna, M.G. Catanesi, E.Radicioni Read-out del Telescopio T2 a GEM (gia' realizzato). Design e prototipi nuovo telescopio T1 sempre a GEM per l'esperimento TOTEM TPC a GEM e MicroMegas T2K (CSN2) Gruppo KLOE2 G.De Robertis,O. Enriquez,F.Loddo, A. Ranieri Sviluppo e prototipi rivelatore a GEM di vertice per KLOE2, Elettronica di ReadOut (Gastone) Gruppo CMS M.Abbrescia, A. Colaleo, S.Nuzzo, G. Pugliese Sviluppo e caratterizzazione rivelatori a gas. Simulazione Montecarlo Attivita’ 2010 Realizzazione di un laboratorio in sede per la caratterizzazione di prototipi MPGD di nuova generazione Sviluppo della tecnica di ablazione laser per realizzare piani di GEM e MM Sviluppo di elettronica di readout (GASTONE) specifica per GEM. Test su fascio della versione finale (Prototipi KLOE2) Ottobre 2010

Laboratorio GEM Bari 2010 Realizzato e messo in funzione un laboratorio per rivelatori a GEM e MM a Bari per lo studio delle miscele (sono disponibili 6 tipi di gas differenti) e delle caratteristiche dei detectors al fine di ottimizzarne le performances Realizzata un scatola (a flussaggio forzato di azoto) per l’assemblaggio e il test in camera pulita dei piani di GEM (foto a destra in alto ) Assemblate 2 camere a tripla-GEM (10x10cm) realizzate rispettivamente con la tecnica a singolo e doppio etching (confronto delle performances in corso) Sperimentata la tecnica della microlavorazione laser che utilizza laser a impulsi brevi (100 ps ) e bassa potenza Realizzati i “primi” prototipi con tecnica laser su fogli “standard” 10x10cm (foto in basso) Allo studio la possibilita’ di utilizzare una tecnica simile per realizzare “Thick GEM” (Allumina) e MicroMegas Mesh

GEM al “laser” perche’ ? I laser ad impulsi ultrabrevi (<ns) che hanno una durata inferiore al tempo di interazione elettrone-fonone caratteristico del materiale irraggiato permettono di effettuare una ablazione “fredda” senza materiale fuso (vedi foto a destra). I vantaggi della ablazione “fredda” sono rilevanti nel caso di materiali multistrato (come il caso dei rivelatori GEM) in cui la radiazione laser interagisce progressivamente con materiali le cui proprietà termiche sono molto differenti tra di loro come il rame ed il kapton. Si utilizza un laser a Fibra ottica (sperimentale) Maximum power 10W frequency >100kHz Laser pulse = 100 ps; La tecnica usata per fare i fori prende il nome di “Mechanical trepanning” Flessibilita’ (nelle dimensioni, nel pattern, nelle forme, nella scelta dei materiali) Alta densita’ dei fori Possibilita’ di realizzare grandi dimensioni Mancanza di zone “morte” Semplicita’ nella realizzazione.... E inoltre Precisione nella realizzazione dei fori Automazione e standardizzazione in qualita Vantaggi della tecnica “Laser” d sper = 69,49 ± 0,75 µm

Prossimi passi : Completamento e assemblaggio della prima camera completa realizzata con questa tecnica Test in laboratorio e poi su fascio Preparazione di una prima pubblicazione su questo argomento Studii preliminari su altri materiali Dopo i primi test di fattibilita’ abbiamo realizzato altri prototipi al fine di ottimizzare i parametri di produzione E’ stata fatta un analisi al SEM e i piani ottenuti sono stati confrontati con quelli prodotti con tecniche “chimiche” standard Benche’ la qualita’ sia molto migliorata stiamo ancora lavorando su parametri quali Stabilita’ del laser possibili “bruciature” del Capton bagno chimico finale per “ripulire” da eventuali residui

10 Attivita` in RD51 di Pisa/Siena Partecipanti: M.G. Bagliesi, R.Cecchi, G. Croci, V. Greco, S. Lami, G.Latino, E. Oliveri, A. Scribano, N. Turini. Ricerca con MPGD: –Telescopio T2 a triple-GEM di TOTEM –Upgrade del telescopio T1 di TOTEM (attualmente basato su camere CSC) con rivelatori a grandi GEM In quest’ambito:In quest’ambito: 1.Costruzione di un primo prototipo di grandi dimensioni con la tecnica “Single Mask” 2.Sviluppo di Readout Electronics (VFAT2 & TURBO) 3.Tests in laboratorio e su fascio

Readout Electronics And DAQ: VFAT2 & TURBO Parallel Operation(RD51 Test Beam Set Up) TURBO: SLOW Control and DAQ Interface Parallel (*) and Daisy Chain (**) Operation (*) Ready (**) Under Development Daisy Chain Operation VFAT2 : Triggering and tracking synchronous front-end ASIC designed primary for the TOTEM experiment and characterized by: Preamplifier-shaper-comparator readout chains (128) to detect signals above a programmable threshold. Fast-OR lines (up to 8) that merge channels of programmable sectors to provide a trigger signal.

TURBO Slow Control & Readout RD51-GDD Tracker Large GEM installation RD51 June-August 2010 Test Beams: SPS-H4

RD51 June-August 2010 Test Beam Data Analysis High Voltage Calli Charging up effects for high intensity beam (to be checked) Time Resolution measurement Gas Mixture: Ar/CO2 70/30, H.V.=-5.25kV, 875uA Pad Type:Larger, VFAT2 MSPL=4clk, VTh=-40VFAT2 DAC step Efficiency vs High Voltage

Le attività in cui il gruppo è coinvolto sono: task1: single mask technology for large area GEM  realizzate GEM planare di area attiva 40x70 cm 2 task2: R&D on an innovative Ultra-light Vertex Detector based on the Cylindrical-GEM technology  R&D concluso;  Rivelatore finale in costruzione;  TestBeams in corso. Partecipazione del Gruppo LNF a RD51 G. Bencivenni, E.DeLucia, J.Dong, D.Domenici,G.Felici, M.Pistilli Two large (300x700 mm 2 ) planar chambers with the new single-mask GEM foils and XV readout realized The prototype has been assembled with the final KLOE-2 readout: XV strips with 650 μ m pitch (~220k vias) Gastone (Bari)

Preliminary tests The detector has been flushed with Ar/CO 2 (70/30) and tested in current- mode with a 137 Cs source (660 keV photons). Cosmic ray test as preparation of the test beam at CERN-PS next October 137 Cs gamma source cosmic ray

Gain measurement The different shape of the hole affects the gain of the GEM Gain ~25% lower in single-mask GEM Only ~20 V increase in the operating voltage of a Triple-GEM to reach same gain NO discharge observed up to gain Very stable operation

Cagliari partecipa a RD51 con la costruzione, il commissioning, le operazioni e lo studio delle performances dei rivelatori a GEM in LHCb. Tutte queste ativita’ sono in collaborazione con LNF. Le attivita’ del gruppo si svolgono nell’ambito dei seguenti working groups (WG) di RD51: - WG3 (Application: tracking and trigger): - Building, installing and running 3-GEM detectors for muon triggering in LHCb - WG2 (Characterization: Discharge protection, Aging, Rate Capabilities) - Evaluation of the first year of data taking for what concerns detector stability issues, and at end of 2010 report on the performances of the triple-GEM detector - Long-term performances of GEM detectors in LHCb and aging issues - Continue to work on discharge damage evaluation in a generic GEM- based detector Composizione gruppo: Alessandro Cardini, Walter Bonivento, Adriano Lai, Rudolf Oldeman Partecipazione del Gruppo di Cagliari a RD51 A destra: le correnti dei detector 3GEM in LHCb durante due fill consecutivi. Le correnti viste dai rivelatori durante il fill permettono di monitorare continuamente la luminosita’ in LHCb

Stazione di monitoring della miscela di gas delle GEM di LHCb Nel corso del 2010 si e’ cominciata l’installazione della stazione di misura del guadagno delle GEM in LHCb Il setup preliminare: 1 rivelatore 10x10 cm 2, 1 alimentatore HVGEM, misuratore corrente, PC per il monitoraggio della corrente di rivelatore quando viene illuminato con una sorgente radioattiva Questo setup e’ stato assemblato questa estate e le prime misure effettuate nel pit di LHCb dimostrano che si riescono a monitorare le variazioni di guadagno con la precisione voluta Il setup finale sara’ costituito da 2 rivelatori per poter effettuare un’analisi differenziale del guadagno con le due miscele di gas “fresco” e “di ritorno dal detector” Un possibile upgrade di questo sistema consisterebbe nella misura diretta del guadagno utilizzando una sorgente di 55Fe e analizzando la carica prodotta in gas e amplificata dal detector – under study Detector Rack PC HV GEM Current meter HVG EM LV P.S.

Programma atttivita’ 2011 gruppo di Cagliari Test in laboratorio e sostituzione della GEM con problemi nello stop di dicembre 2010 – gennaio 2011: apertura stazioni, sostituzione rivelatore, installazione nuovo detector, test e allineamento, chiusura stazione Completamento e messa in funzione sistema monitoring del gas delle GEM, e in seguito monitoraggio della situazione per osservare possibili effetti di aging dei rivelatori In parallelo studio della miscela di gas con gascromatografo a intervalli temporali regolari per monitorare l’eventuale alterazione della miscela quando il rivelatore e’ in funzione Studio della possibilita’ di usare quantitativamente le correnti misurate sulle GEM come luminometro di LHCb Studi sulle scariche nei rivelatori a GEM e resistenza alle scariche di questo tipi di rivelatori (a Cagliari)

Sketch of the standard MicroMegas chamber Sparks between mesh and readout strips may damage the detector and readout electronics and/or lead to large dead times as a result of HV breakdown Read-out strip 0.15mm x 100mm Mesh support pillars PCB Mesh In collaborazione con: Arizona, Athens (U, NTU, Demokritos), Brookhaven, CERN, Harvard, Istanbul, CEA Saclay, Seattle, USTC Hefei, South Carolina, St. Petersburg, Shandong, Stony Brook,Thessaloniki M.Alviggi, deAsmundis, G.Sekhniaidze, R.Giordano(PHD) RD51 Napoli : Micromegas Cathode

Read-out strip 0.15mm x 100mm Insulator Resistive strip MΩ/cm Read-out strip Embedded resistor MΩ 5mm long Ground PCB To avoid spark effect the readout strips were covered with the 64 µm thick insulator layer with resistive strips on top of it connected to the ground via discharge resistor Sketch of the resistive MicroMegas CHAMBERR11R12R13 Discharge resistor (MΩ) Resistance along strip (MΩ/cm) Resistive characteristics of the chambers

MicroMegas mesh currents and HV drop in neutron beam Standard MM: Large currents Large HV drops, recovery time O(1s) Chamber could not be operated stably R11: Low currents Despite discharges, but no HV drop Chamber operated stably up to max HV Gas: Ar:CO 2 (85:15) Neutron flux: ≈ 10 6 n/cm 2 /sec Standard chamber vs resistive HV values Mesh currents

Proposta di Assegnazione ME 2011 (su dotazioni) I meetings previsti per il 2011 sono: –Mini week al CERN Febbraio –Collaboration Meeting in Japan 2-3 Settembre 2011* –Mini week al CERN (luglio) –Collaboration Meeting al CERN (Novembre) personeRichiesteAssegn. BA CA420.5 LNF631.0 NA421.0 PI941.0 TO320.5 TS632.0 Totale * in coda al workshop MPGD (29 Agosto – 1 Settembre) resp.CB - Si suggerisce di centralizzare il pagamento dei 14kCHF MoU

BACKUP (CSN III)

Super-Big-Bite Spectrometer in JLab/Hall A New Spectrometer with: High Luminosity ( ~ ) Forward angle (down to 7 degree) Large acceptance (for Hall A) Equipment flexibility for optimal reuse in different experiments Italian responsibility on the primary tracker: 6 large area GEM (40x150 cm 2 ) chambers for tracking with resolution ~ 70 m + 2 small 10x20 cm 2 silicon detectors Able to support 0.5 MHz/cm 2 background hits Modular design for flexible reuse Development of the electronics for all trackers for more than 100k channels INFN (CSN III): BA, CT, GE, RM, RM-ISS Development within the RD51 collaboration Devoted to the study of the inner polarized structure of the nucleon at JLab/HallA

Super-Big-Bite: Current and future activities on GEMs 2010 / Prototyping the final size GEM modules; design and test of Compact 40x50 cm2 triple GEM chambers (“solder free” design using ZIF terminals) APV25 based front-end + VME64x modules DAQ for 100 k channels - minimalist design: 2 active components, suitable for lab measurements. GEANT4 based montecarlo studies 2011 / Finalization and Production: Finalize design of the chamber after beam tests Finalize electronics (hardware and firmware) Start production Small size DESY test beam ADC and Control module on VME64x Front-end Card based on APV25 GEM and Readout layers INFN + CERN design Simulation: example of avalanches distribution on the readout plane