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

Problematiche introdotte da un upgrade di LHC in LARG (luminosita’ 1035 cm-2 s-1, 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 Roma 17 Settembre

Overview 2 Effetti sull’Elettronica: 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. Occorrera’ monitorare, durante l’esperimento, i livelli di radiazione per valutare realisticamente quale sia la “lifetime” dei vari componenti dell’elettronica di Front End. 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. L’elevata “occupancy ” del nuovo regime di operazione richiede una catena di lettura sostanzialmente differente da quella attuale 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. 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 Roma 17 Settembre

Overview dei principali componenti di una FEB DMILL AMS Overview dei principali componenti di una FEB DSM COTS 10 different custom rad-tol ASICs, relatively few COTs 128 input signals 32 0T 32 Shaper 32 SCA 16 ADC 8 GainSel 1 MUX 1 fiber to ROD Analog sums to TBB 2 LSB 2 SCAC 1 Config. 1 GLink TTC, SPAC signals 14 pos. Vregs +6 neg. Vregs 2 DCU 7 CLKFO 1 TTCRx 1 SPAC Roma 17 Settembre

Shaping Timing vs. Pileup Noise Optimal hardware shaping time scales as L-1/4 => tp(D) ~ 28ns @1035 ~ 1035 Probably change in time constants of electronics to reduce overall pileup Tc bunch crossing Roma 17 Settembre

Overview 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. Roma 17 Settembre

Interessi 1 All’interno della collaborazione LAr gli interessi delle varie Istituzioni si sono al momento concentrate sui seguenti argomenti: (elencati in ordine arbitrario) 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 Roma 17 Settembre

Altri possibili sviluppi in fase di definizione Interessi 2 Altri possibili sviluppi in fase di definizione 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 Roma 17 Settembre

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. Roma 17 Settembre

Upgrade delle FEB (1) Possibile schema di lettura “upgradato”: 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 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. Roma 17 Settembre

Summary of the R&D proposal (submitted to LAR) 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. 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 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 Roma 17 Settembre

Cost 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’. 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 Roma 17 Settembre

Roma 17 Settembre

Overview of LHC upgrade possibilities (I) Time scale of upgrade: 2014 Rad. Damage limit: ~700 fb-1 High Rad. Doses: life expectancy of LHC IR quadrupoles is < 10y Error “halving time” is >5y by 2011-2012 Conceivable to plan a luminosity upgrade based on new low- IR magnets before 2014 approx. Error “halving time” defined as the machine running time required to multiply x4 the integrated luminosity Roma 17 Settembre

Pile-Up Signal samples No Pile-up Method: 40 Pile-up events/crossing 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 40 Pile-up events/crossing 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 Roma 17 Settembre