SSD et Upgrade de l’ITS C. Kuhn (IPHC), réunion AF, 13 Novembre 2009.

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1 SSD et Upgrade de l’ITS C. Kuhn (IPHC), réunion AF, 13 Novembre 2009

2 Nombre total de canaux: 1698 x 768 x 2 = 2,6 M ElémentCouche 5Couche 6 Rayons37,8 - 38,4 cm42,8 - 43.4 cm Surfaces2.2 m 2 2.8 m 2 Nombre d’échelles3438 Modules par échelle2225 Nombre de modules748950 Collaboration: Cern, Helsinki, Kharkov, Kiev, Nantes, NIKHEF-Utrecht, St Petersbourg, Strasbourg, Trieste, Varsovie Elément de détection: Capteur en Si: double face (p et n), 768 μ-pistes par face Electronique: 6 chips HAL25 (CMOS, techno 0.25 μm) par face Bonding: TAB des chips sur hybride et capteur Surface totale75 x 42 mm 2 Surface active73 x 40 mm 2 Epaisseur300 μmpas inter-piste95 μm Pistes par face768Angle stéréo total35 mrad Angle côté p+7,5 mradAngle côté n-27,5 mrad Haute tension20-90 VCourant bias+guard7 μA Le SSD d’ALICE

3 Activation via le DCS de la tension complémentaire (9V) des échelles SINTEF Les modules SINTEF affichaient un bruit très élevé qui a pu être réduit en appliquant une tension de 9 V entre le capteur et l’hybride La configuration actuelle est presque complète avec seulement 6 demi- échelles non-opérationnelles sur un total de 144 Evolution et état du détecteur Good High Current OFF Sintef (>~100µA) Octobre 2009 v: I>150µA x: I>220µA v x v v x v x v

4 Débits de refroidissement stables et efficaces: températures de fonctionnement nominales Cooling: régulateurs: les deux éléments qui avaient des défaillances et induisaient des augmentations de température côté A ont été remplacés Evolution et état du détecteur Le SSD a été validé dans la partition globale Configuration stable Mais problèmes d’humidité à partir de l’été 2009 -> injection d’azote pour ventiler le SSD avec de l’air sec OK à partir de septembre: ~ 30% d’humidité Un problème subsiste: taille des événements trop large (130 KB)

5 Detector algorithms, configuration, calibration Les “Detector Algorithms” du SSD ont été mis à jour : Implémentation: programme unique installé sur toutes les LDCs du SSD Appels: automatiques après la fin de chaque run piédestal Calculs: piédestaux et bruit pour chaque canal du SSD Résultats: données formatées de calibrage pour les FEROMs et l’analyse offline Fichiers de configuration et calibration: pistes défectueuses i.e mortes ou bruyantes (statique mais régulièrement mis à jour) mapping DDL configuration Transféré à l’OCDB par Shuttle et préprocesseur Etude des piedestaux, CMS vs fréquence du trigger pour la suppression des zéros Soustraction de bruit correcte dans les limites de fréquence raisonnables … Nombre de clusters par module / nombre d’événements. 5000 Hz 500 Hz0.03 clus./evt 5.3 clus./evt Run de bruit (pulser)

6 Performances: Run de cosmiques du mois dernier, avec B-ON et utilisation du TOF comme trigger Charge des clusters Charge p vs charge n VERY PRELIMINARY!!! Traces avec TPC + ≥1 point SSD Alignement du SSD OK Problèmes de timing résolus Inclu dans la procédure globale d’alignement (ITS+ TPC) au niveau d’ajustements < 10  m, pour des tests à grande statistique Validation de l’alignement: track-to-point residuals Résolution en r-φ: OK 26/√1.92 = 18.7  m

7 L’état du SSD est proche de ses caractéristiques nominales instrumentation de la totalité du détecteur (alims/cooling/contrôle) nombre de pistes mortes tout à fait acceptable Refroidissement, températures, taux d’humidité convenables Le SSD a été validé pour les premières prises de données Analyse détaillée des runs cosmiques Etudes régulières des niveaux de bruit et de leur soustraction -> Améliorer la soustraction des zéros -> Réduire la taille des événement -> Résoudre le problème des “résonances” à haute fréquence Conclusion

8 Proposition d’upgrade de l’ITS

9 Upgrades de l’ITS Pourquoi ? - Meilleure sensibilité pour la mesure des mésons charmés - Amélioration du B-jet tagging - Reconstruction des mésons beaux Mais surtout : mesure des baryons charmés! - Rapports baryon/méson (charmés) essentiels pour étudier les effets de recombinaison vs fragmentation dans le secteur du charme. - Un changement du rapport  c/D entre pp et AA pourrait affecter de façon significative le R AA des électrons provenant des saveurs lourdes ~ 20 % de suppression à pT ~ 2 GeV si Λc/D ~ Λ/K @ RHIC (G. Martinez et al: Phys. Lett. B 663 (2008) 55) (G. Martinez et al: Phys. Lett. B 663 (2008) 55) La mesure des baryons charmés nécessite une meilleure résolution sur le paramètre d’impact de leurs produits de désintégration que celle obtenue avec l’lTS actuel.

10 Upgrades de l’ITS Comment ? Rien n’est défini! A l’étude actuellement: - Diverses configurations (nombre de couches, position des premières couches, résolutions spatiales, …) - Diverses technologies de capteurs en silicium suivant la couche Ce qui semble indispensable: 1-2 couches de pixels aussi proches que possible de l’axe du faisceau (limitation: diamètre du tube) avec une première couche aussi fine que possible et une résolution spatiale d’environ 6  m. pixels monolithiques beam pipe radius = 2 cm beam pipe thickness = 500 µm Be L0 radius = 2.2 cm L1 radius = 4 cm (~ now) L0 thickness = 0.6 % X0 L1 thickness = 1 % X0 (~ now) L0 spatial precision = 6 µm L1 spatial precision = 12 µm (~ now) Exemple de configuration: 1 ère couche (L0) à 2.2 cm et 2 ème (L1) à 4 cm F. Antinori, ALICE upgrade meeting, March 2009

11 Upgrades de l’ITS Notre implication (au niveau des 2 premières couches de l’ITS) se fera sur la base du savoir faire et des développements de pixels monolythiques (Monolithic Active Pixel Sensors) en cours dans le groupe ILC-Capteurs CMOS de l’IPHC (M. Winter) -> Collaboration entre le groupe ALICE et le groupe ILC-CMOS de L’IPHC Les développements en cours dans le groupe ILC-CMOS (ont été présentés par M. Winter lors de la dernière ALICE week, 19 oct. 09) se placent dans le contexte suivant: R&D à l’IPHC Développement de capteurs CMOS minces de haute résolution pour STAR & CBM (depuis 2000 & 2003) ⇛ design du capteur ~ abouti (capteur opérationnel sur télescope EUDET) Développement d’échelles ultra-légères pour STAR & CBM (depuis 2008) ⇛ plusieurs approches en cours d’étude -> prototypage finalisé ~ 2012/13 Premières prises de données avec STAR (charme ouvert) en 2012/13 ⇛ échelles simple face :  sp ~ 4 μm, bud. mat. ~ 0.3 % X0

12 Upgrades de l’ITS Projet/possibilité pour l’ITS d’ALICE: Développement d’une (ou deux) échelle double-face pixellisée ultra-légère Performances ambitionnées: 1.) Pixels CMOS minces (50 μm) offrant une résolution spatiale < 5 μm, un temps de lecture ~ 10-20 μs et une tolérance aux radiations de ~ 1 MRad & 10 14 n eq /cm 2 ⇛ R&D en cours sur t lect ( 300 kRad & > 10 13 n eq /cm 2 ) 3 générations de capteurs en développement: - 2D avec volume sensible non déplété: t lect ~10-20 μs & 1 MRad (2011/12) - 2D avec volume sensible déplété: 1 MRad & 10 14 n eq /cm 2 (2013) - 3D avec volume sensible déplété: t lect < 5 μs (2015) 2.) Echelle dont le budget de matière complet est ~ 0.2-0.3 % X0 Intérêt de l’échelle double-face: 2 impacts rapprochées par particule détectée ⇛ amélioration des performances sur 3 fronts: ⋄ résolution (param. d’impact) ⋄ reconstruction des trajectoires ⋄ alignement Echelle développée selon 2 approches parallèles: Classique : capteurs + câble flexible + mousse SiC + câble flexible + capteurs ⇛. 0.3 % X0 pour l’ensemble double-face Novatrice : capteurs (35 μm) enrobés dans film polymérisé (< 10 μm) ⇛ 0.1 % X0 pour 1 couche (capteurs + flex + film) + support mécanique (tube à vide ?)

13 backup

14 (4) Elément de base: le pixel actif 20 µm couche sensible substrat © LEPSI © IReS Capteur CMOS de 1 million de pixels Les capteurs CMOS sont composés d’une matrice de pixels et d’une microélectronique de contrôle et de lecture de chaque pixel. 19,4 mm 17,35 mm 1000 pixels © IReS Microélectronique de contrôle et de lecture © IReS Le signal passe alors dans le microcircuit de prétraitement Collecteur des électrons (Si type N) Si type N Monolithic Active Pixel Sensors (MAPS) Principe: Performances: Bruit ~ 10 e - ENC; S/B (Mip) ~ 20- 30 Efficacité > 99% Résolution spatiale: de 1  m (pitch de 3  m) à 10  m (pitch de 40  m) Tolérance aux radiations: jusqu’à 1 MRad Couche épitaxiale basse résistivité

15  3D sensors First proposed ~1997, S. Parker et al. Electrodes (p+ and n+) inside the bulk   lateral depletion (low depletion voltage!) Fast signal collection Very radiation tolerant Edgeless detector 3D sensors + low cost bump-bonding V. ManzariALICE upgrade kickoff meeting / CERN, 24/03/200915

16 Plotted difference between pedestal @ low reference freq (10 Hz) and @ higher freq 5.6 KHz500 Hz Common Mode Shift Event Size vs Trigger Frequency: peaks @ ~ 5.6 kHz and multiples (~ 5 kHz real)Wrt 10 Hz Difference between pedestal @ low reference freq (10 Hz) and @ 5.6 KHz: huge shift ! Solution in busy time extension ? Ongoing tests: HAL25 shaping FEROM Firmware dead time