CIRCUITI INTEGRATI PER LA CALIBRAZIONE ED IL CONTROLLO DEL RIVELATORE PER MUONI DELLESPERIMENTO LHCb C. Deplano Dipartimento di Fisica Università di Cagliari e INFN Sezione di Cagliari AREA 02: SCIENZE FISICHE Tematica di Ricerca n° 12: Studio sperimentale su quark, leptoni e loro interazioni Strumentazioni di Particolare Rilevanza: Progettazione di chip VLSI e relative schede ad alta densità per circuiti di elettronica veloce Esperimento LHCb DTS (DIALOG Test System) I 2 C signals 16 LVDS PCH DIALOG input 8 LVDS LCH DIALOG output I 2 C signals Reset Common Start Reset ROUTER BOARD DIALOG BOARD TDC BOARD REPORT FILES TEST ROUTINES I 2 C MASTER LHCb è un esperimento di fisica delle particelle ad alta energia attualmente in fase di preparazione al Large Hadron Collider (LHC) del CERN di Ginevra, un acceleratore di protoni con una circonferenza di circa 27 km. Lesperimento si propone di effettuare misure di precisione riguardanti la violazione della simmetria CP nei mesoni B (composti da un quark (antiquark) b e da uno tra gli antiquark (quark) d, s, c), di verificare la consistenza del Modello Standard, il modello teorico che descrive le interazioni elettrodeboli, e di studiare i decadimenti rari dei mesoni B, prodotti nelle collisioni tra i fasci di protoni accelerati da LHC. 20 m 12 m LHCb è caratterizzato da un apparato di grandi dimensioni, letto da milioni di sensori. Per elaborare in tempo reale la mole di informazione che questi sensori producono (migliaia di miliardi di byte per secondo), è necessario progettare circuiti microelettronici specifici ad altissima integrazione (microchip), con complessità paragonabili ai più recenti processori montati sui nostri computer. E`compito di questi microciruiti leggere i segnali prodotti dai sensori, elaborarli secondo le esigenze del sistema di misura e trasformare linformazione in forma digitale (un numero) perché possa essere memorizzata ed utilizzata nella successiva fase di analisi dei dati sperimentali. Il gruppo di Cagliari impegnato nellesperimento LHCb, ha progettato e realizzato due chip necessari alla calibrazione ed il controllo del rivelatore per muoni (particelle simili agli elettroni) dellesperimento. Tale rivelatore, che consiste di canali di lettura, gioca un ruolo fondamentale nel primo livello del sistema di trigger, il sistema elettronico necessario a selezionare Per un corretto funzionamento del sistema di trigger è richiesta una efficienza di rivelazione del 99% per ogni canale di lettura. Questo comporta un accurato allineamento (calibrazione) temporale fra tutti i canali che compongono il rivelatore per muoni. Per realizzare tale allineamento entro un errore di pochi nano secondi (10 -9 s) è necessario uno studio della distribuzione temporale dei muoni di interesse e delle particelle costituenti un fondo temporalmente scorrelato. Questo fondo complica loperazione di allineamento temporale ed occorre elaborare una strategia di misura che consenta di discriminarlo rispetto al segnale. Lelettronica realizzata a questo scopo è costituita da circuiti integrati progettati per la misura del tempo e la regolazione dei ritardi dei singoli canali. In particolare, il sistema si basa sullo sviluppo di due circuiti integrati full custom, denominati DIALOG e SYNC, interamente realizzati (progettazione e simulazione) dal gruppo LHCb di Cagliari. DIALOG (DIagnostic time Adjustment and LOGics) è stato sviluppato nella tecnologia IBM 0.25 μm (radiation tolerant) e possiede 113 pins. DIALOG rappresenta un mattone costitutivo fondamentale del sistema di lettura del rivelatore per muoni ed integra la quasi totalità delle funzioni necessarie alla calibrazione ed al monitoring del sistema. Per la progettazione e la simulazione del circuito sono stati utilizzati dei programmi dedicati per circuiti di microelettronica. La realizzazione del circuito integrato stesso è stata quindi affidata alla fonderia IBM. DIALOG chip 3,875 mm 4,9 mm Terminata la fase di progettazione, i chip devono essere validati come correttamente funzionanti. Per far questo si è realizzato un banco di test (DIALOG Test System) per la caratterizzazione semi-automatica completa dei prototipi di DIALOG. Il banco è costituito da tre schede elettroniche e da un software di gestione. Con tale apparecchiatura sono stati caratterizzati circa 500 dispositivi. Ciò ha consentito di raccogliere sufficiente statistica per stabilire gli intervalli di qualità da utilizzare per la scelta dei dispositivi nella produzione massiva del circuito DIALOG, costituita da circa unità. Completata la fase di sviluppo dei progetti DIALOG e SYNC, si è lavorato alla modellizzazione dellintero sistema di lettura dal punto di vista delle sue prestazioni temporali. Il modello è stato utilizzato per simulare la risposta del sistema stesso quando investito dalle particelle prodotte dalla collisione dei protoni in LHC. Questa simulazione è di grande utilità per studiare i tempi e le modalità di sincronizzazione dellintero rivelatore. Rivelatori per muoni: MWPC Muri che schermano le particelle Scheda elettronica di lettura: CARDIAC DIALOG chip ~ 2 m ~ 3 cm SCHEMA DEL RIVELATORE PER MUONI CRATE CAVI Modellizzazione & Simulazione Istogrammi che simulano la risposta temporale di uno dei canali del rivelatore dei muoni. BX ID ns INTERAZIONE RIVELAZIONE µ+µ-µ+µ- B 25 ns CARIOCA DIALOG SYNC SYNC IC (4000) RIVELATORI PER MUONI (MWPC/3-GEM) F/E board 8PCH ASD 8LCH DIALOG 8PCH F/E board DIALOG CUSTOM IC (8000) MODIFICA DI RITATDI E LARGHEZZE GENERAZIONE CANALI LOGICI SOGLIE PER CHIP ASD ASD: CARIOCA IC (16000) ANALOG SHAPER DISCRIMINATOR ELETTRONICA SUL RIVELARORE I 2 C MASTER BASSA TENSIONE CONTROLLI IMPULSI DI CALIBRAZIONE SERVICE board (su crate) SINCRONIZZAZIONE MISURA DEL TEMPO (FASE) FORMATTAZIONE DEI DATI DATI PER IL SISTEMA DI TRIGGER ELETTRONICA FUORI RIVELATORE 10m di cavi (LVDS) DATI DA SALVARE RICOSTRUZIONE EVENTI COUNTING ROOM Circuiti Integrati CONFERENZA DATENEO SULLA RICERCA SCIENTIFICA XVI SETTIMANA DELLA CULTURA SCIENTIFICA E TECNOLOGICA gli eventi utili allo studio delle proprietà del mesone B. La selezione viene effettuata attraverso la misura della quantità di moto dei muoni che attraversano il rivelatore stesso.