Y. Zoccarato – Journée d’étude sur les détecteurs diamant– 9 Juin 2015 Moniteur ultra-rapide pour étiquetage temporal en hadronthérapie L. Caponetto, X. Chen, D. Dauvergne, D. Delaunay, S. Deng, F. Doizon, J-L Ley, H. Mathez, J-L Montorio, E. Testa, W. Tromeur, J. K rimmer, F. Mounier, Y. Zoccarato

Y. Zoccarato – Journée d’étude sur les détecteurs diamant– 9 Juin PLAN Le Détecteur hodoscope Présentation du détecteur Tests du détecteur ASIC de lecture Présentation de l’ASIC Résultats de test Carte d’acquisition Présentation de la carte Status

Y. Zoccarato – Journée d’étude sur les détecteurs diamant– 9 Juin Hodoscope 2 prototypes Objectif : - Résolution spatiale : 1mm - Résolution temporelle : 1ns - Taux de comptage : /s Prototypes : - Fibres scintillantes croisées (1x1mm2 BCF 10/12) - 2 prototypes: 2x32 et 2x128 fibres - couplés à des MP hamamatsu H8500 par l’intermédiaire de fibres optiques FORETEC. Petit hodoscope: 2x32 voies de lecture Zone active de 3.2 x 3.2 cm Grand hodoscope: 512 voies de lecture Zone active de 12.8 x 12.8 cm

Y. Zoccarato – Journée d’étude sur les détecteurs diamant– 9 Juin Hodoscope, tests de Performance GANIL: 75MeV/u 13 C, IPN Orsay: 25 MeV protons La référence de temps : HF du cyclotron → résolution temporelle 1ns FWHM Taux de comptage > 800V [krimmer et al. ICTR-PHE 2014]

Y. Zoccarato – Journée d’étude sur les détecteurs diamant– 9 Juin Spécifications de l’ASIC de lecture Taux de comptage : 10 8 pps Capacité détecteur : 35pF Dynamique du signal : 2pC < Q q 10pC Bruit ramené en entrée : < 200fC Temps de montée du signal : 4ns Temse de descente : 16ns Gain ajustable Temps mort par voie : < 100ns Il doit mesurer le temps, la charge et la position.

Y. Zoccarato – Journée d’étude sur les détecteurs diamant– 9 Juin HODOPIC block diagram ASIC 32 voies : < V ASIC asynchrone L’horloge ne sert qu’au TDC Signal typique (courant): 10 ns Dynamique d’entrée (charge): 2 pC – 10 pC Seuil en courant ajustable (DAC) Gain ajustable sur 4b (pour chaque voie) 1 sortie analogique multiplexée (monitorer le vieillissement des fibres) Horloge de référence du MHz Résolution du TDC : 200ps Dynamique du TDC: 50 ns Bus de sortie digital sur 100 MHz Interface de slow control I2C technologie AMS BiCMOS 0.35: environ 13 mm2 ASIC en boitier CQFP120

Y. Zoccarato – Journée d’étude sur les détecteurs diamant– 9 Juin HODOPIC block diagram Front-End block: -8 chaines de lecture ayant un seuil commun -L’architecture d’une chaine de lecture est basée sur le travail de thèse de S.Deng : - Convoyeur de courant multi gain(SBC) - Préampli de charge - Comparateur en courant -8 entrées analogue -8 sorties digital -1 sortie analogue multiplexée

Y. Zoccarato – Journée d’étude sur les détecteurs diamant– 9 Juin HODOPIC block diagram TDC : L’architecture du TDC est basée sur le travail de thèse de S.Deng : - une DLL de 32 résolution de 195 ps. - 2 compteurs grossiers 3b : dynamique de 50ns - un encodeur gray pour les 32b de la VCDL

Y. Zoccarato – Journée d’étude sur les détecteurs diamant– 9 Juin HODOPIC block diagram FIFO asynchrone : - fréquence > 100MHz - donnée de 40b - position 32b - time 8b - profondeur : 4 évennements

Y. Zoccarato – Journée d’étude sur les détecteurs diamant– 9 Juin HODOPIC block diagram Interface I2C pour le slow control (27 registres 8b) - gain programmable 4b par voie - seuil commun programmable 13b - masque des voies d’entrées 32b - sélection du mux analogique 5b

Y. Zoccarato – Journée d’étude sur les détecteurs diamant– 9 Juin HODOPIC block diagram Seuil en courant ∑ de 2 courants : -un miroir de courant programmable 3b pour un réglage grossier [0uA : 350uA] -Un DAC en courant 10b (OMEGA) pour le réglage fin : LSB 21.7nA

Y. Zoccarato – Journée d’étude sur les détecteurs diamant– 9 Juin er version du chip : Juin voies de lecture 16 sorties digitales 16 sorties analogiques 2.2x2.8mm 2eme chip : décembre DLL -Encodeur gray x1.5mm HODOPIC : ASICs précédents

Y. Zoccarato – Journée d’étude sur les détecteurs diamant– 9 Juin Premier test sur faisceau Test de l’hodoscope 2x32 voies avec carte DAQ PXI, et ASIC version 1 (sans TDC)

Y. Zoccarato – Journée d’étude sur les détecteurs diamant– 9 Juin Premier test sur faisceau (ASIC version 1)

Y. Zoccarato – Journée d’étude sur les détecteurs diamant– 9 Juin HODOPIC: résultats de test La carte de test est une carte mezzanine connectée à une carte de développement Terasic (DE2-115) Test automatique à partir : - Processeur NIOS sur Cyclone IV - Labview

Y. Zoccarato – Journée d’étude sur les détecteurs diamant– 9 Juin HODOPIC: résultats de test CSA dynamique d’entrée (CH1) – charge injectée par un géné de tension (tr=10ns) à travers une capa de 3pF – gain = 60,5 mV/pC

Y. Zoccarato – Journée d’étude sur les détecteurs diamant– 9 Juin HODOPIC: résultats de test Efficacité du trigger à 50% (CH1): –S-curves avec un scan de la charge d’entrée sur la dynamique d’entrée –Bruit du piedestal de l’ordre de 19uA –1 DAC LSB = 1,39 uA

Y. Zoccarato – Journée d’étude sur les détecteurs diamant– 9 Juin Linèaritè de la DLL : –DNL: < 1LSB, –INL: -1,8LSB +1,1LSB HODOPIC: résultats de test

Y. Zoccarato – Journée d’étude sur les détecteurs diamant– 9 Juin HODOPIC: résultats de test Mesure d’un Δt (avec un géné de tension): –Injection de 2 pulses sur 2 voies différantes avec un délai variable –Scan sur les 50ns de la dynamique

Y. Zoccarato – Journée d’étude sur les détecteurs diamant– 9 Juin HODOPIC: résultats de test Mesure d’un Δt (avec le détecteur et une source): –Test d’une chaine complete Résolution <1ns

Y. Zoccarato – Journée d’étude sur les détecteurs diamant– 9 Juin Carte d’acquisition Contexte : Plusieurs utilisations possibles de l’hodoscope (Gamma prompts, imagerie de vertex, radiographie proton) → un system d’acquisition configurable… Spécifications : o Entrées / sorties : - 1xPM par carte d’acquisition → il faut 8 cartes pour lire tout l’hodoscope (512 voies) - Le système d’acquisition est construit autour de la carte AMC40 (développé au CPPM pour LHCb) → 1 seul lien optique bi-directionnel pour passer tous les signaux ! (clock, slow control, trigger, reset et données) - 1 alimentation analogique (ASIC) + 1 alimentation digital (FPGA) o Bande passante : pour la caméra compton > 400Mbits/s o Et bien sûr ne pas dégrader les performances de l’ASIC ! (Résolution temporelle, Dynamique d’entrée et taux de comptage) Carte µTCA AMC entrées optiques 4.8 GHz - 36 sorties optiques 4.8 GHz

Y. Zoccarato – Journée d’étude sur les détecteurs diamant– 9 Juin Carte DAQ hodoscope Principales caractéristiques de la carte DAQ hodoscope : o Une carte permet d’acquérir les 64 voies d’un PM, → le PM est connecté directement sur la carte → 2xASIC « hodopic » 32 voies / carte o La carte peut fonctionner sur trigger externe ou auto-trigger, o Les données envoyées sont : - Timing du hit (résolution = 195 ps) - Position des fibres touchées, - Information charge multiplexée (pour le test)

Y. Zoccarato – Journée d’étude sur les détecteurs diamant– 9 Juin Carte DAQ hodoscope Emplacement PM HODOPIC Stratix II Gx Alim. analogique Alim. numérique Transceiver optique SFP (lien vers AMC40) ADC (mesure de charge) jitter cleaner

Y. Zoccarato – Journée d’étude sur les détecteurs diamant– 9 Juin Hodoscope status -Le détecteur est terminé, -l’ASIC est terminé, il est fonctionnel -Le 1 er proto de la carte d’acquisition est en cours de test, - elle est fonctionnelle - test de performance en cours -La Production des 8 cartes d’acquisition sera lancée cet été. -Beaucoup de travail encore à faire…. - Intégration mécanique. - tests au niveau système….