LABORATORI NAZIONALI DI FRASCATI www.lnf.infn.it MPGD_NEXT: WP1 - R&D on µ-RWELL 2016 & 3/2017 Resp.Locale: G. Bencivenni G. Bencivenni - LNF-INFN - riunione preventivi 2017

The µ-RWELL architecture Drift/cathode PCB Copper top layer (5µm) DLC layer (0.1-0.2 µm) R ̴50 -100 MΩ/□ Rigid PCB readout electrode Well pitch: 140 µm Well diameter: 70-50 µm Kapton thickness: 50 µm 1 2 3 µ-RWELL PCB G. Bencivenni et al., 2015_JINST_10_P02008 The µ-RWELL detector is composed by two elements: the cathode and the µ-RWELL_PCB . The µ-RWELL_PCB is realized by coupling: a “suitable WELL patterned kapton foil as “amplification stage” a “resistive stage” for the discharge suppression & current evacuation “Low particle rate” (LR) < 100 kHz/cm2: single resistive layer  surface resistivity ~100 M/ (CMS-phase2 upgrade - SHIP) “High particle rate” (HR) > 1 MHz/cm2: more sophisticated resistive scheme must be implemented (MPDG_NEXT- LNF & LHCb-muon upgrade) a standard readout PCB G. Bencivenni - LNF-INFN - riunione preventivi 2017

2016 IL PROGRAMMA PER IL 2016 è STATO COMPLETATO CON SUCCESSO: STUDI DIPENDENZA DELLE PERFORMANCE DEL DETECTOR DAL PIANO RESISTIVO CON PROTOTIPI SINGLE –RESISTIVE-LAYER (LOW RATE APPLICATIONS - PUBBLICAZIONE PRONTA PER ESSERE SOTTOMESSA). TEST DI DEPOSIZIONE PER SPUTTERING DI DLC EFFETTUATI CON SUCCESSO PRESSO «Be-sputter» IN GIAPPONE (A.OCHI) ANCHE SE SI VORREBBE CERCARE UNA SOLUZIONE EUROPEA SE NON ITALIANA (CONTATTI IN CORSO – vedi richiesta supporto) REALIZZAZIONE DELLA VERSIONE DEL RIVELATORE AD ALTA RATE, BASATA SU SCHEMA A DOPPIO LAYER RESISTIVO CON «CONDUCTIVE VIAS» DI CONNESSIONE TRA I DUE LAYERS: PROTOTIPI REALIZZATI CON READOUT A STRIP (400 um STRIP-PITCH), TEST CARATTERIZZAZIONE IN LAB COMPLETATI (pubblicazione in preparazione  milestone – 100%) TEST BEAM - FINE 2016 PER MISURE DI RISOLUZIONE TEMPORALE (FINANZIATO PARZIALMENTE DA COMMISSIONE-5 TRAMITE LO SBLOCCO DEI FONDI SJ DI MISSIONE di 4 K€ ): pubblicazione in preparazione NEL 2016 (COME GIA’ NEL SECONDO SEMESTRE DEL 2015) ABBIAMO COLLABORATO CON IL POOL DI ELETTRONICA LNF (M.GATTA) PER PROGETTAZIONE CIRCUITI R/OUT DEL RIVELATORE.

1. µ-RWELL performance vs resistivity Gas gain ≥ 104 Rate capability up to 107 Hz/cm2 Ar/ISO=90/10 Space resolution < 60 µm Performance vs resistivity: minimum ~100 MΩ/□ G. Bencivenni - LNF-INFN - riunione preventivi 2017

2. DLC - sputtering Ar/ISO=90/10 DLC sputtering on Kapton foils (w/copper on one side) performed @ Be-Sputter Co., Ltd (Japan) – VARI TEST EFFETTUATI PER CALIBRARE IL PROCESSO IN FUNZIONE DELLO SPESSORE DELLA DEPOSIZIONE DI DLC (DIAMOND LIKE CARBON) Foil 1 (800A) Foil 2 (1300A) Foil 3 (1800A) Foil 4 (1500A) Foil 5 (1500A) Average Surface Resistivity M/ 433±90 68±9 41±12 122±22 180±17 Ar/ISO=90/10 5

3. Double-resistive layer scheme for High Rate La versione doppio layer resistivo con conductive-vias di connessione tra i due layers, a parità di resistività dei piani resistivi, ha performance che permettono di ridurre il normale drop di tensione (locale) fino a un fattore 20 rispetto alla versione singolo layer (see Morello’s model: appendix A-B, G. Bencivenni et al., 2015_JINST_10_P02008). WELL amplification stage, on 1st DLC layer 2nd resistive kapton layer “through vias” for grounding Pubblicazione in preparation Φ = 3.4 MHz/cm2 Φ = 2.8 MHz/cm2 Φ = 1.6 MHz/cm2 For double layer la “local irradiation” is practically equivalent to global irradiation

4. Test beam – 2016: risoluzione temporale H8 Beam Area (18th Oct. – 9th Nov 2016) Muon/Pion beam: 150 GeV/c 3 -RWELL prototypes 40-35-70 MΩ /□ VFAT (digital FEE) Ar/CO2/CF4 = 45/15/40 Pubblicazione in preparazione 97% 5.7ns The saturation at 5.7 ns is dominated by the fee (measurement done with VFAT2). The measurement will be re-done asap with VTX chip (we expect to achieve 4-4,5 ns)

2017 Realizzazione di µ-RWELL (GEOMETRY OPTIMIZATION) per VERY HIGH GAIN (105) a causa di difficoltà a fotolitografare kapton di spessore a 125 um (vedi anche FTM), è stata, per il momento, accantonata. Nel frattempo si è dimostrato di poter operare in maniera efficiente e stabile il detector fino a guadagni di 2–3x104 con opportune miscele di gas. Realizzazione di detector con PAD READOUT per applicazioni alta rate, con versione DOPPIO LAYER (che sembrerebbe però difficile da ingegnerizzare per detectors di grandi dimensioni, ~1 m2 – di competenza di Commissione-1). La proof of concept (finanziamento di G5 per prototipi 10x10 cm2) e successivo test in condizioni alta rate al PSI (di cui si sta chiedendo sblocco 4 k€ s.j): in fase di manufacturing AGING STUDIES (GIF++): IN PREPARAZIONE in questi giorni al CERN (sinergia con CMS) R&D su DLC sputtering: come già accennato questo item è in collaborazione con KOBE Insitute (Prof. A. OCHI, Japan). Chiaramente sarebbe auspicabile portare questa tecnologia in Europa (se nn in Italia). Recentemente abbiamo avuto contatti con una ditta Italiana che sembrerebbe interessata a fare dei TEST su piccole/medie e successivamente grandi dimensioni. SBLOCCO S.J di 6 k€ ????

SINERGIE single-resistive layer (low-rate): dopo la prova di fattibilità con prototipi 10x10 cm2 (finanziati da G5) si è cominciato a lavorare sulla ingegnerizzazione su medie/grandi dimensioni, CMS – upgrade fase_2: 1,2x0,5 m2 (2016) & 1,8x1,2 m2 (2017). double-resistive layer (high rate): provata funzionalità del doppio layer, con prototipi a strip 10x10 cm2 (2016) e con pad millimetriche (6x8 mm2 su prototipi di 10x10 cm2 – in corso nel 2017), stiamo cominciando a capire come poter realizzare la ingegnerizzazione del processo del doppio layer con vias conduttive (pensando eventualmente anche a schemi diversi e magari più semplici da ingegnerizzazre). Questo lavoro verrà effettuato in collaborazione e con finanziamenti RD_FA. QUINDI  “PROOF OF CONCEPT” CON GRUPPO 5  “ENGINEERING” NEL FRAMEWORK DELLE ATTIVITA’ DI G1 INTERESSATE ALL’IMPIEGO DELLA TECNOLOGIA

ANAGRAFICA LNF – 2017

G. Bencivenni - LNF-INFN - riunione preventivi 2017 Spares G. Bencivenni - LNF-INFN - riunione preventivi 2017

Combining the information Too low Too high strip/pixel r/o pad r/o Qualitatively: low resistivity  pad r/out & higher rate high resistivity  strip/pixel r/out & lower rate 02/03/2017 G. Bencivenni, LNF-INFN - INSTR2017, Novosibirsk

Technology Transfer to Industry In the framework of the CMS-phase2 muon upgrade we have developed large size µ-RWELLs , in strict collaboration with Italian industrial partners (ELTOS & MDT). The work is performed in two years with following schedule: Construction & test of the first 1.2x0.5m2 (GE1/1) µ-RWELL 2016 - DONE Mechanical study and mock-up of 1.8x1.2 m2 (GE2/1) µ-RWELL 2016-2017 ONGOING Construction of the first 1.8x1.2m2 (GE2/1) µ-RWELL (only M4 active) 01-09/2017 near future DONE 1.8x1.2m2 (GE2/1) µ-RWELL ~40 times larger than small protos !!! ~200 times larger than small protos !!! mock-up ELTOS tests 02/03/2017

Towards the High Rate scheme single resistive layer, edge grounding, 2D evac. current top layer conductive vias bottom layer d’ (1cm)d’ double resistive layer, 3D grounding r d d (50cm) (*) point-like irradiation, r << d Ω is the resistance seen by the current generated by a radiation incident in the center of the detector cell Ω ~ ρs x d/2πr Ω’ ~ ρs’ x 3d’/2πr Ω/ Ω’ ~ (ρs / ρs’) x d/3d’ If ρs = ρs’  Ω/ Ω’ ~ ρs/ρ’s * d/3d’ = 50/3 = 16.7 (*) Morello’s model: appendix A-B (G. Bencivenni et al., 2015_JINST_10_P02008) 02/03/2017 G. Bencivenni, LNF-INFN - INSTR2017, Novosibirsk