ATLAS Pixel G. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 2002 ATLAS Pixel Giovanni Darbo / INFN-Genova  Stato del progetto:

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1 ATLAS Pixel G. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 2002 ATLAS Pixel Giovanni Darbo / INFN-Genova Email: Giovanni.Darbo@ge.infn.it  Stato del progetto: (enfasi su Elettronica DSM e Assiemi DSM).  Attività nei laboratori.  M&O, C&I e Supplementary Costs  CORE  Richieste 2002 Copia della presentazione: http://www.ge.infn.it/ATLAS/PixelItalia/home.html

2 ATLAS Pixel G. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 2002 2 Rivelatore ATLAS Pixel ATLAS ha deciso, per necessità di risparmio, di iniziare la presa dati con un layout ridotto. Le maggiori limitazioni sono state imposte al TDAQ e ai Pixel (layer-1 staggiato). Stiamo studiando gli effetti sulla Fisica della riduzione di un layer:  Migliora (4 %) H->  e H -> e+e-e+e-, ma peggiora il b-tagging (in fase di studio) Nel frattempo l’inizio di LHC è stato spostato al 2007. Stiamo considerando se non sia il caso d’introdurre il layer-1 prima del 2007:  In ogni caso la mancanza di un layer non scala il risparmio: Cavi, Meccanica, Sensori, Elettronica (forse, se la resa è elevata) prodotti per tutto il rivelatore.

3 ATLAS Pixel G. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 2002 3 Primo Run DSM  Primo engineering run elettronica DSM (1/02):  12 wafer / 112 possibili reticoli buoni / 10 chip.  FE-I (tipo A[10fF]/B[5fF]), MCC, DORIC/VDC e chip di test risultano funzionanti.  Alcune modifiche e correzione d’errori minori saranno necessarie per passare a chip di produzione. MCC-DSM Reticle DSM-1 è un grosso successo: Tutti i chip funzionano.Tutti i chip funzionano. Numero d’errori minimo.Numero d’errori minimo. Completo ridisegno.Completo ridisegno. Complessità dei chip.Complessità dei chip. Produzione può essere pianificata

4 ATLAS Pixel G. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 2002 4 Primo Run DSM: Problemi di Yield  Yield di produzione dei FE-I~15% con chip buoni al centro e ai bordi:  I reticoli che hanno un FE-I/B buono (in nero nelle fig. a destra) normalmente hanno anche un FE-I/A buono (fig a sinistra)  Test su 15 MCC scelti “random” - 1 buono  Test su 15 MCC da reticoli con un FE-I buono- risultato 14 buoni. Wafer 23 Wafer 0 GOOD BAD MCC No of Good FE-I COL.

5 ATLAS Pixel G. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 2002 5 Secondo DSM Run - Yield  IBM ha prodotto 2 lotti di 25 wafer (potremo acquistare i wafer che consideriamo buoni - 55 k$/lotto)  Testati 12 wafer su 25, resa ~ 70% !. Gen’02 SESB23T Giu’02 WZ8P5BZ Test OK: FE-IA: 81 FE-IB: 82 Selected: FE-IA: 25 FE-IB: 19

6 ATLAS Pixel G. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 2002 6 FE-I - Caratteristiche Principali  Global Register (202 bit)  Higlights: 14 DAC (I F degli amplificatori, I th per controllo globale soglie, V cal per selezionare la carica da iniettare per calibrazione, etc..)  Configurazione dei Pixel (14 bit):  Higlights: 5 bit per valore della soglia, “kill bit” per spegnere l’amplificatore in caso di noisy pixel, select bits per calibrazione, per HitBus e per digital readout.  Digital Readout:  8 bit time stamp -> 6.4 µs di L1 latency  64 end of column buffer (24 nei precedenti) -> sufficienti anche per il b-layer a massima luminosità.  Caratteristiche analogiche  Noise (senza sensore) 200 e-, Dispersione soglia (900-1000 e- untuned, 90 e- tuned, timewalk -> test beam (efficienza in time > 99%).

7 ATLAS Pixel G. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 2002 7 MCC-I - Caratteristiche Principali Ridisegno completo dell’architettura del MCC-I rispetto al MCC-AMS:  Profondità FIFO = 128 hit (32 hit),  Delay line programmabile per cal. FE-I  Output data selezionabile tra 40 e 160 Mb/s (40 Mb/s) -> minore inefficienza B-layer;  Consumo tipico: 110 mA @ 2V/40MHz (70 mA @ 3.3V / 40MHz); Fino ad oggi trovati solo errori minimi nel disegno del chip che verranno corretti alla prossima sottomissione. Irraggiamento al PS (fine Giu ’02): problema principale potrebbe essere SEU -> ridisegno registri critici. Die Size 6.38 x 3.98 mm 2 650.000 Transistors

8 ATLAS Pixel G. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 2002 8 MCC-I Test @ Genova - Ricostruzione Ev. Sim. MCC#4 - Receiver # 7 Disabled Mode 40 x 1 LV1 COMMAND TO MCC LV1 COMMAND TO FE’s HITS FROM FE’s MCC DTO/2

9 ATLAS Pixel G. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 2002 9 Assiemi DSM  Vari assiemi di singoli chip (FE-I con sensore) con sensori CiS e Tesla di pre- produzione caratterizzati in laboratorio. Tipici valori (vedi slide FE-I#7)  Noise 250 e -, soglia 3000 e - con dispersione di 80 e - dopo il tuning (900 e - untuned).  Assiemi di singoli FE-I sono stati irraggiati (inizio maggio) e sono stati testati al fascio H8 (fine Maggio / Giugno).  Disponiamo di chip FE-I per produrre fino a 6 moduli (bassa resa del lotto di Gennaio). Con i nuovi lotti -> nuovi moduli. Primi 3 moduli con bump-bonding AMS montati a Genova nelle scorse 2 settimane (altri moduli con bump IZM in fase di costruzione a Bonn, LBL).  Quasi tutti i 16 chip FE-I funzionano ed è possibile fare il tuning delle soglie (noise (FE-IA/B) = 280÷290 e, soglia 3000 ÷ 4000 e / sigma soglia 100÷170 e); I moduli DSM funzionano (anche se non provati su fascio) Noise quasi uguale a singoli chip ! Ridisegno TPLL / FH / MCC / FE-I !

10 ATLAS Pixel G. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 2002 10 Genova FE-IB#7 Soglia m=3140 e  = 88 e Noise Soglia Noise m = 250 e Soglia Noise Soglia Noise m=3130 e  = 955 e m = 275 e

11 ATLAS Pixel G. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 2002 11 Assiemi DSM - Time Walk e Efficienza La fluttuazione di carica (Landau) ha effetto sulla risposta temporale del discriminatore (time walk) e questo sull’efficienza nel tempo risolutivo di un bunch crossing di LHC (25 ns). 0.91.297.9D 1.01.397.7B (60 MRad 600 V) 1.41.297.4AAMS 310b 0.40.399.3GE 09 0.30.599.2GE 04 late0 hits  Conf.Device A.Andreazza, F.Ragusa e C.Traoncon Pixel Week 6/02 Non irraggiato Irraggiato (60 Mrad)

12 ATLAS Pixel G. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 2002 12 Sorgenti e FE-I: Am241 and Cd109 Usando la misura di ToT è possibile misurare la carica di ogni Pixel (8-bit).  Esempi di photopeak per Cd 109 e Am 241 per lo stesso pixel nelle figure a destra.  Una volta calibrato il rapporto tra i 2 picchi da un valore di 2.69÷2.77 (a seconda del chip), valore aspettato 2.73 Cd 109 Am 241 E’ possibile usare i FE-I e i moduli in modo “Self Trigger” molto utile per test con sorgente senza trigger esterno Plot di una sorgente di Am241 con FE-I in self trigger

13 ATLAS Pixel G. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 2002 13 Moduli: Flex Hybrid e Carta di Supporto I Flex Hybrid (V.3 - MCC-AMS e V.4 MCC-I) utilizzano una carta di supporto per test/handling fino al momento di posizionamento dei moduli sullo stave. I FH3 utilizzati per messa a punto sistema test. I FH4 sono attualmente in uso per i moduli DSM Support Card V.3

14 ATLAS Pixel G. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 2002 14 Macchina a X-ray @ Genova  I bump prodotti dall’AMS sono buoni, ma il taglio dei chip di FE è da migliorare e si sospetta che alcuni chip siano stati danneggiati durante il taglio.  In produzione il taglio wafer non sarà fatto all’AMS. Assottigliamento e taglio in US. I bump schiacciati Macchia dell’Indio I bump buoni Il bordo non è ”in contrasto”: tagliato male!

15 ATLAS Pixel G. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 2002 15 Le colonne mancanti erano note prima dell’assemblaggio DVDD shorts in both FE noise ~290e Th = 3078 e Modulo FE-IB # 3 di Genova Il FE-IB permette d’avere un noise (e soglia) un po’ più bassi, ma il time walk è maggiore

16 ATLAS Pixel G. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 2002 16 short circuit noise ~290e Non è ancora possibile usare il “self triggering” e abilitare più di un FE alla volta (software in sviluppo) : Trigger con impulsatore e Am 241 (tempo morto / sensibile = 2000/1) FE #3 Modulo FE-IB # 3 di Genova: Sorgente

17 ATLAS Pixel G. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 2002 17 Irraggaimento al PS  8 assiemi con singoli FE-I di tipo A [5] e B [3], sensori Tesla [5] e CiS [3], bumps IZM [5] e AMS [3] sono stati irradiati fino a 60 Mrad e hanno continuato a funzionare. Problemi evidenziati:  Dispersione di soglia cresce con l’irraggiamento -> necessità di re- tuning  Rate di SEU elevato (1/s per i flip-flop dei Global Reg del B- layer a massima luminosità) -> alcune modifiche nel layout per la prossima sottomissione  I FE-I hanno la possibilità della misura della corrente di leakage del sensore (dopo 60 Mrad la I leak-media = 30-50 nA/pix) AMS_310B CIS sensor, AMS bumps, temperature -6.5C during measurement, mean leakage for 400µm single pixels = 56nA. (60 MRad) Mappa della corrente di leakage

18 ATLAS Pixel G. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 2002 18 Meccanica  Produzione dei supporti globali e locali procedono (ritardo di 6 mesi nella produzione CC dovuto ad un errore di produzione: entrata aria nel forno, non critico).  Ci stiamo spostando su tooling per integrare moduli su stave (Genova) e montare il rivelatore (Milano).  Siamo coinvolti anche su parte dei servizi: ad esempio il patch panel 2 (Milano) che conterrà i regolatori di tensione.

19 ATLAS Pixel G. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 2002 19 Montaggio/Test FH-Moduli  Sistema di test dei FH in funzione (~20’ / FH), alcune ottimizzazioni nel software per ridurre tempi di test. Si prevede di testare 1/2 produzione.  Tool di montaggio/incollaggio/wire-bonding dei moduli: messi a punto o in fase avanzata di preparazione -> necessità di realizzare “hot” moduli per verifica. Sistema di Test FH sotto punte Dispenser colla per incollare FH su modulo

20 ATLAS Pixel G. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 2002 20 Robot per posizionare Moduli su Stave Genova: Genova: (assembly site di moduli, stave e barrel layer) verrà duplicato il robot (vedi fig.) messo a punto a Marsiglia.  Necessità d’acquisire motori, controller e driver per movimenti di precisione Richiesta finanziamento nel 2003

21 ATLAS Pixel G. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 2002 21 Robot montaggio moduli su stave Macchina realizzata a Marsiglia da duplicare a Genova

22 ATLAS Pixel G. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 2002 22 Integration & Testing Tool - ITT Il gruppo di Milano ha la responsabilità del progetto dei tool (ITT) per assemblare il rivelatore a pixel prima d’inserirlo all’interno del’ID. Il disegno ha passato il Conceptual Design Review (CDR 2/02) La realizzazione deve essere completata nella prima metà del 2003 per permettere i test d’integrazione del sistema Pixel. Vedi presentazione D. Giugni ai referee di ATLAS del 10-11 Giugno ‘02: http://www.ge.infn.it/ATLAS/PixelItalia/ Richiesta finanziamento nel 2003 e anticipo del 25% su 2002 (nuovo finanziamento)

23 ATLAS Pixel G. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 2002 23 Spine per l'allineamento Gomma per compensare differenze di altezza da chip a chip Molletta per tensione di svuotamento Premi modulo per evitare spostamenti in alto del sensore Test dei Bare Module Le modifiche necessarie per moduli DSM sono in fase di messa a punto.

24 ATLAS Pixel G. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 2002 24 Pixel Detector PP1 PP3 PP3 Located on the service platform. Tile Cal Lar Cal Beam Line Muon Chambers Cooling, Signal & Optical Readout Power and HV cables Type II - Twisted Pair Cables (~ 9 meters) Power and HV cables Type III - Twisted Pair Cables (~ 20 meters) PP2 PP2 for cooling Z = 0 Voltage regulation box Routing dei servizi e posizione regolatori rad-hard PP2 L’elettronica DSM è molto più sensibile a sovracarichi (max 4V) rispetto a quella DMILL (max 7V) Cavi resistivi caduta 2÷2.5V Regolazione delle tensioni a 10 m (PP2) mediante regolatori rad-hard

25 ATLAS Pixel G. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 2002 25 Regolatori ST (LHC4913) V in = 5.5 V I load from 0.72 A -> 1.55 A V out from 2.46 V to 2.55 V 100 mV 20 ns Situazione:  I primi prototipi di regolatori rad hard della ST (LHC4913) sono stati consegnati a Milano solo a dicembre  Ritardo di quattro mesi !!!  Simile ritardo per la distribuzione di regolatori in quantità commerciali: 200 regolatori sono stati consegnati solo a fine aprile  Sia i prototipi sia i dispositivi in quantità soddisfano le specifiche dichiarate da ST  I regolatori sono stati testati in condizioni “simili a quelle reali”:  il carico è stato simulato con un carico elettronico programmabile  tra regolatori e carico è stato posto un cavo da 10 metri  Progetto e prototipi delle PP2 box nei prossimi mesi. Regolatori di tensione ST - LHC4913

26 ATLAS Pixel G. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 2002 26 Test Sensori  Installato probe chuck a doppia faccia ( Dortmund) per le misure sui wafer  Realizzata linea di distribuzione azoto per operare il probe chuck  Acquistati elettrometro e generatori di tensione per misure di protocollo

27 ATLAS Pixel G. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 2002 27 Test dei Sensori Pre-produzione:  14 wafer CiS + 8 wafer Tesla  85% dei test sono già stati effettuati  10 wafer Tesla in arrivo per metà luglio Produzione:  8 wafer CiS già arrivati  23 wafer CiS in arrivo per metà luglio  flusso stimato di arrivo dei wafer a Udine: 12 al mese

28 ATLAS Pixel G. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 2002 28 Test (campioni) di Sensori Irraggiati Il protocollo di QA/QC richiede che 2 strutture per lotto di 8 Wafer vengano irraggiate e testate a bassa temperatura Refrigeratore chuck Chuck freddo Refrigeratore N 2 Bombola N 2 Scambiatore termico Tubo-N 2 freddo Richiesta finanziamento nel 2003 e parziale anticipo su 2002 (nuovo finanziamento)

29 ATLAS Pixel G. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 2002 29 DAQ-1  DAQ-1: Software modulare che permette l’integrazione della TPLL (lettura singolo chip/modulo) ed in secondo tempo dei ROD (sistemi multi-modulo) nel test beam.  Tale software sarà anche usato nei laboratori per test con sorgente e per la caratterizzazione dei moduli in produzione.  Responsabilità di Genova (P.Morettini - resp. progetto) e Udine (Monitoraggio on line)

30 ATLAS Pixel G. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 2002 30 Analisi Test Beam  Studio dei sensori prima e dopo l'irraggiamento  Misura della depletion depth  Misura della raccolta di carica  Studio FE-I - efficienza / noise / cross talk  Studio moduli

31 ATLAS Pixel G. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 2002 31 Conclusioni Elettronica DSM (grosso successo) funziona (correzioni minori). Singoli assiemi funzionano: basso rumore, resistono radiazione. Moduli funzionano (studi necessari): rumore come singoli assiemi. La schedule del rivelatore a Pixel potrà essere mantenuta non essendoci importanti ridisegni necessari

32 ATLAS Pixel G. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 2002 32 Date Importanti Panorama generale con particolare attenzione alle attività italiane e alle richieste finanziarie INFN.  Date Importanti: -Consegna 120 wafer di sensori (CiS) e ~50 (Tesla): 28/06/02UD -PRR Flex8/10/02GE-MI -FDR elettronica FE e MCC 10/10/02GE -10% bare staves completi 15/11/02GE -Sottomissione FEI2 e MCCI2 1/12/02GE -PRR Bare Module 10/12/02GE-MI-UD -Inizio produzione elettronica DSM 1/10/03 -Inizio produzione moduli15/04/04GE-MI-UD -Barrel (Disk) al CERN06/05 -Pixel/Beam pipe nel pozzo02/06

33 ATLAS Pixel G. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 2002 33 Milestone INFN 2002

34 ATLAS Pixel G. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 2002 34 M&O, C&I, “Supplementary Costs”  I costi M&O-B 2002 sono stati approvati dall’RRB di Aprile 2002;  I costi M&O-B 2003 sono stati presentati all’RRB di Aprile 2002.

35 ATLAS Pixel G. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 2002 35 M&O, C&I, Supplementary Cost I costi M&O, C&I e Supplementary Costs per il 2002 sono stati ripartiti all’interno della collaborazione Pixel (vedi tabella slide successiva) Per quanto riguarda la suddivisione dei costi tra le varie componenti della collaborazione Pixel per il 2003, questi verranno discussi a un prossimo “Pixel Steering Group”.

36 ATLAS Pixel G. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 2002 36 M&O, C&I, Supplementary Costs (2002)

37 ATLAS Pixel G. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 2002 37 Sblocchi S.J e Nuove Richieste 2002 Nelle richieste di M.E. ci sono (nuovi) impegni nel DAQ-1 di GE e UD. Per GE consideriamo anche un assegnista che prenderà servizio a giugno. Mentre M. Cobal (UD) come coordinatrice fisica TOP ha maggiori necessità di permanenze al CERN.

38 ATLAS Pixel G. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 2002 38 Finanziamenti Core al 2002 La tabella riepiloga i costi CORE finanziati fino a Set’01. Nella ripartizione per capitoli risulta che la meccanica dei supporti locali (1.1.1.1) ha sforato di 50 k€ la quota italiana del MoU.