Introduction au ECAL IPNL 25 Novembre 2013

Généralités : cristaux Propriétéscristaux PbWO 4 Density (g cm -3 )8.28 Radiation length X 0 (cm)0.85 Molière radius R M (cm)2.19 Wavelength peak (nm)440 Fast decay constant (ns)<10 Light yield (  per MeV) 100 cristal tonneau, trapézoïdal 34 types, ~2.6 x 2.6 cm 2 à l’arrière cristal bouchon, trapézoïdal 1 type, 3 x 3 cm 2 à l’arrière

Généralités : photo-détecteurs Tonneau: photodiodes à avalanche (APD) Hamamatsu type S8148 Deux APDs 5 x 5 mm 2 par cristal - Gain: 50 QE: pic = 420 nm - Dépendance du gain vs temperature : %/ o C - Dépendance du gain vs V bias : 3 %/V - Capacité : 80 pF Tonneau: photodiodes à avalanche (APD) Hamamatsu type S8148 Deux APDs 5 x 5 mm 2 par cristal - Gain: 50 QE: pic = 420 nm - Dépendance du gain vs temperature : %/ o C - Dépendance du gain vs V bias : 3 %/V - Capacité : 80 pF

Généralités : photo-détecteurs  = 26.5 mm MESH ANODE Bouchons: Phototriodes à vide (VPT) Produites par RIE, St Petersburg, Russie Plus résistantes aux radiations que diodes Si (avec fenêtres verre UV) - Surface active ~ 280 mm 2 - Gain ~10 (B=4T) Q.E.~ 20% (420 nm) - Rapides (structure planaire simple) Bouchons: Phototriodes à vide (VPT) Produites par RIE, St Petersburg, Russie Plus résistantes aux radiations que diodes Si (avec fenêtres verre UV) - Surface active ~ 280 mm 2 - Gain ~10 (B=4T) Q.E.~ 20% (420 nm) - Rapides (structure planaire simple)

Caractéristiques en faisceau test JINST 2 (2007) P04004 Central impact Uniform impact Etudes en faisceau test –e.g. pas de champ magnétique, de matière devant, peu de variation des canaux Résolution en énergie au centre d’une matrice de 3x3 cristaux du tonneau : –Le terme constant est dominé par la non-uniformité longitudinale de collection de lumière Contribution additionnelle à la résolution en énergie dans CMS: –Terme constant: stabilité environnementale et uniformité de la réponse à maintenir < 1% (0.4% dans le TDR) –Bremsstrahlung des électrons/ conversion des photons dans la matière devant ECAL  affecte tous les termes Stochastique Bruit Constant

présentation générale ECAL Tonneau : |  | < 1.48 –36 Super Modules (4 modules chacun): cristaux PbWO 4 –(2.2×2.2×23 cm 3 ) ~26X 0 Bouchons: 1.48 < |  | < 3.0 –4 Dee’s:cristaux PbWO 4 –(3.0×3.0×22 cm 3 ) ~25X 0 Preshower: 1.65 < |  | < 2.6 –3X 0 of Pb/Si strips –1.90 × 61 mm 2 x-y view Caractéristiques de CMS: –Couverture du trajectographe: |  | < 2.5 –Champ magnétique : B = 3.8 T –ECAL complètement à l’intérieur de l’aimant

présentation générale ECAL fabricants de cristaux : russe : BTCP (Bogorodisk) chinois : SIC (Shanghaï)

Le tonneau 36 Super modules (FED) chacun: 1700 cristaux (85 en , 20 en  ) 4 modules (500 cristaux, 3 x 400) 17 x 10 sous-modules (5 (en  x 2 (en  ) cristaux)

Le tonneau Notions de tours de trigger (TT) : 5 x 5 cristaux Canaux HV : 2TT (5 x 10 cristaux) Canaux LV : 4TT (100 cristaux) Token rings HV (300/500 V): alimentation des APDs LV (2.5V) : alimentation de l’électronique LVRB : régulateurs basse tension HV LV

Les bouchons 4 Dees 2 x 9 FEDs (secteurs) cristaux au total Super Crystal : 5x5 SCs partiels

Les bouchons Déclenchement : pseudo strips En général 5 cristaux

L’électronique dans le détecteur tonneau A D A D A D A D A D A D A D A D A D A D Crystal 100 kHz  energy for 40 MHz Gigabit Optical Links Multi-Gain Pre-Amplifier (MGPA) AD41240 ADC PbWO 4 crystals APDs VFE card FE card

L’électronique dans le détecteur GOH déclenchement VFEs LVRB QPLL CCU GOH données

Carte VFE : 5 canaux MGPA (IC) MultiGain PreAmplifier 3 gains : 12, 6, 1 Mise en forme du signal ADC : 4 par puce : 1 pour chaque gain, 1 inutilisé Conversion signal/nombre Adaptateur de tension (IPNL) Fonctions analogiques et numériques Connecteur vers photo-détecteurs (carte mère) Connecteurs carte FE

Carte FE : 5 VFE, 25 canaux Fonctions purement numériques 5 puces FENIX : 1 pour chaque VFE 1 FENIX + fibre données Déclenchement : Tonneau : 1 FENIX + fibre Bouchon. 5 fibres (1 par VFE/strip) Connecteurs GOL

L’électronique hors détecteur DCCDCC CCSCCS TCCTCC …… Trigger primitives Xtal Data Timing, Control & L1A VME Controller - Trigger Concentrator Card - Synchro&Link Board électronique hors détecteur Carte FE : - FENIX Strip - FENIX TCP

Tour de déclenchement 25 cristaux (TT) TCC (LLR) CCS (CERN) SRP (CEA DAPNIA) DCC (LIP) TCSTTC Primitives de Mbits/s OD DA kHz L1 Global TRIGGER Regional CaloTRIGGER Classification des tours de déclenchement (TTF) Indicateurs de lecture sélective (SRF) SLB (LIP) Données des (Xtal Datas) Trigger Concentrator Card Synchronisation & Link Board Clock & Control System Selective Readout Processor Data Concentrator Card Timing, Trigger & Control Trigger Control System Déclenchement de premier niveau (L1A) Auteur : R. Alemany LIP L’électronique hors détecteur

Carte DCC  VME64x Auto-configurable VME Slave (A32/D32) -> CERN  9 Virtex II pro FPGAs (Xilinx)  (8 Deser. 8b/10b, 8 Input Handler)  70 optical inputs (68 FE+ 2 MEM channels)  NGK 12Ch Receivers  1 SRP optical input  4 TCC electrical LVDS links  TTC-rx and QPLL  TTC, TCC, TTS interface (CCS Board)  1 S-Link64 port (J2/P2)  Spy Memory Block (16 MB)  Event Builder and Event Merger (Altera)  Output Data Bandwidth up to 528 MByte/s (64b x 66MHz)

Carte TCC68  PCB 10 couches  Classe 6 (120µm)  µ-vias laser  Vias adaptés 50   366 x 400 mm  Épaisseur : 2mm La TCC68 en chiffres :  Plus de 2700 composants  Plus de connexions  Plus de vias

L’électronique hors détecteur châssis VME : 3x(TCC;CCS;DCC)

Système de monitorage (laser)

Changements en fonction du temps LHC fill Instabilités environnementales sous contrôle :  T < 0.02 o C,  V APD < 20 mV (impact négligeable sur le terme constant ) Effets dus aux radiations – très dépendants de  APD I fuite augmente la transparence des cristaux évolue Formation de centres colorés et défauts(pas de dommage sur le mécanisme de scintillation) Dommages électromagnétiques spontanément récupérés à température ambiante Dommages et récupérations en heures Dommages hadroniques créent des défauts permanents et cumulatifs Dommages lents (mois, années) et récupération négligeable à température ambiante

Changements en fonction du temps LHC fill 2012 Nouveau régime ? 2011

Monitorage des changements La lumière du laser (447nm, ~pic émission) injecté dans chaque cristal par un ensemble de fibres –En moyenne une mesure toutes les 40 minutes Normalisée à des diodes de référence PN Corrigée des différences de parcours des lumière de scintillation et laser Corrigée des variations de largeur de l’impulsion –Corrections prêtes pour la reconstruction prompt en moins de 48 heures! Validité vérifiée en utilisant les électrons des W –Corrections hebdomadaires dans le déclenchement L1 et HLT e/  Bouchons en 2012; étendues au tonneau en 2015

Monitorage des changements :  Standard Alpha Tag Cristaux russes : 1.52 chinois : 1.16 Études en cours pour singulariser  R/R0 = (L/L0) α

Tonneau Bruit électronique : évolution

Bouchons Bruit électronique : évolution

Taux de spikes à √s=7 TeV, en fonction du taux d’événements Minimum Bias en Il y a approximativement un spike pour 370 événements Minimum Bias Signaux anormaux : spikes Des signaux anormaux, formés d’importants signaux isolés ont été observés dans le tonneau du ECAL dès Ces depôts, apparaissent à un taux proportionnel à la luminosité. Ils doivent être éliminés afin de ne pas biaiser la reconstruction en énergie.

Signaux anormaux : spikes Mise en évidence : 1) mesures de l’isolation du dépôt d’énergie : Variable de ”croix suisse “ : (1 –E4/E1) Spikes : croix suisse ~1 Gerbes EM : croix suisse < 0.9 Coupure en temps : La particule atteint directement l’ APD pas de constante de lumière de scintillation (~10ns) le spike apparait avant l’impulsion de gerbe déclenchement L1

Spikes et Monte Carlo Distribution de la “croix suisse” (1 − E4/E1) pour les événements minimum bias données et Monte Carlo Une coupure sur la variable croix suisse à 0.95 est efficace pour enlever les spikes. Distribution du temps des RecHits pour les événements minimum bias données et Monte Carlo Le pic secondaire à −10 ns est dû aux spikes. Il peut être compris en comparant la forme de l’impulsion ‘normale’ (croix suisse 0.95)

Resolution Stability with Time Width of the Z  e + e - peak fitted with a Crystal Ball (CB) function convoluted with a Gaussian –Use CB width as a measure of the mass resolution “Prompt” reconstruction (<48 hours after data taken) already excellent Absolute resolution and stability improved further, especially in the endcaps, once final inter-crystal calibration applied for a “re- reconstruction” Width of the Z  e + e - peak fitted with a Crystal Ball (CB) function convoluted with a Gaussian –Use CB width as a measure of the mass resolution “Prompt” reconstruction (<48 hours after data taken) already excellent Absolute resolution and stability improved further, especially in the endcaps, once final inter-crystal calibration applied for a “re- reconstruction” CMS ECAL, IEEE/NSS Seoul, Oct/Nov 2013 David Barney, CERN

Futur : améliorations programme d’amélioration du ECAL au cours du 3 e long arrêt (LS3 : ~ 2023/2025) : Tonneau : Les cartes FE devront être remplacées pour augmenter le temps de latence du déclenchement (introduction du trajectographe au niveau 1). Les cartes VFE (prévues pour fonctionner 10 ans) seront probablement remplacées aussi permettant d’adapter les paramètres de numérisation aux nouvelles conditions du LHC (énergie, empilement) : bruit croissant des APDS rejet des impulsions parasites (‘spikes’) mise en forme du signal résolution temporelle, gamme dynamique Un programme de R&D se met en place actuellement afin de définir et construire ces cartes d’électronique embarquées.

Futur : améliorations Bouchons : le calorimètre pied de gerbe sera supprimé, les bouchons électromagnétiques et hadroniques remplacés. La couverture angulaire pourrait être étendue jusqu’à  = 4. Trois différents projets possibles : Garder la granularité actuelle en tours électromagnétiques (Shashlik) et hadroniques plus résistant aux radiations que ceux existant Les deux autres propositions intègrent les parties électromagnétiques et hadroniques dans un même concept : Calorimètre combiné (fibres scintillantes et fibres Cherenkov) sur l’avant (CFC). Calorimètre à imagerie de haute granularité (PFCAL) à la ILC/CALICE. Lecture par GEM, Micromegas ou GRPC de basse résistivité étudiée dans le groupe ILC du laboratoire

Autres informations

L’électronique dans le détecteur Installation des cartes mères

The CMS ECAL CMS ECAL, IEEE/NSS Seoul, Oct/Nov 2013 David Barney, CERN Installing barrel “supermodules” of 1700 crystals each Assembling “supercrystals” of 25 crystals each to form an endcap “Dee” Installing one of four endcap Dees in CMS Installing endcap Preshower with 4288 silicon sensors

CMS: the Early Days Criteria for design of ECAL in CMS –Hermetic, compact and granular, with excellent energy resolution to |  |<2.5  homogeneous calorimeter (minimizes sampling fluctuations) –Large dynamic range, coupled with excellent linearity, to > 1 TeV –Provide triggering info. e.g. particle ID, energy, isolation –Radiation tolerant to expected dose rates and cumulative doses/fluences Several options in the early days of CMS, including CMS ECAL, IEEE/NSS Seoul, Oct/Nov 2013 David Barney, CERN SamplingHomogeneous PropertyPb/plastic Shashlik Liquid Xenon CeF 3 crystal s PbWO 4 crystals Density (g cm -3 ) Radiation length X 0 (cm) Molière radius R M (cm) Wavelength peak (nm) Fast decay constant (ns)<102.25<10 Light yield (  per MeV) 13~5 x Selected by CMS in 1994