Implication LPNHE-ATLAS dans la R&D SLHC CS LPNHE 2 Octobre 2007

Choix techniques machine Fréquence de collision –Initialement prévu : 12.5 ns –Difficultés pour l’électronique –(relativement) peu de pile-up. –Puissance de refroidissement nécessaire trop grande Finalement choisi : –50 ns, 403 evts/BC –25 ns, 296 evts/BC (backup)

H  ZZ   ee + minbias evts cm -2 s cm -2 s cm -2 s cm -2 s -1 LHC/2008… LHC basse luminosité, premières années LHC haute luminosité SLHC Tracker essentiel !

Quantité de matière devant le calorimètre dans ATLAS

Pourquoi le LPNHE dans le SLHC ? Le LHC sera la seule grande machine en physique des particules pour les vingt ans à venir  l’exploiter au maximum de ses possibilités. Apporter au LPNHE des projets de R&D originaux et motivants Participer à la conception d’un grand détecteur, dans un environnement favorable : –Implication précoce dans la communauté –Collaboration avec un autre groupe francais : CPPM

Calendrier (b-layer) CDR (Conceptual Design Report) - Draft by end 2007 Prototypes - Now to end of 2008 Short prototyping phase. Some alternative options evaluated. TDR (Technical Design Report) - July At this time a design should be selected for all its components. If options remains are for backup solutions. Pre-production, QC setting up and tool preparation - Till end of 2009 Production. At least two years are needed - Complete by early 2012 Integration. 7 Months. Detector ready by October Schedule is “extremely tight”  We do not have space for R&D. Minimum replacement time (to be used for the design of the project) is 6 months B-Layer Workshop Replacement Electronics PRR CDRTDR

Stratégie ces deux dernières années Rentrer dans la collaboration Pixels en apportant une aide ponctuelle : Reconception de tubes de refroidissement (fin 2005) (C. Evrard)  fait Conception de patchs panels, collab. avec le CERN  fini (maquette) Reprise de la structure mécanique  réduction de la quantité de matière, implication dans le remplacement du b-layer

Implication prévue Participation à la conception d’une nouvelle structure pour les pixels (remplacement b-layer en 2012) Evaluation mécanique et thermique de nouveaux matériaux Etude de l’intégration électronique/mécanique R&D électronique : alimentations DC-DC intégrées B-layer +SLHC SLHC

Interlocuteurs Du côté français : –ATLAS-France et CPPM-Marseille Participation et présentations aux workshops et réunions internes ATLAS : –B-Layer replacement kick-off meeting (juillet 2007) –B-layer upgrade workshop, septembre 2007

Les tendances Intégrer la fonction refroidissement et la fonction support mécanique Utilisation de nouveaux matériaux (carbone pyrolitique, mousses de carbone)  recherche de l’allègement de la structure

Stave 2 Concept for B-Layer Replacement (LBL)

Mesh design (LPNHE) Sensors + hybrid Al cooling pipe TPG Carbon fiber structure

Concept LPNHE 2 coques – 5 raquettes Foam X0=700 cm 0.15% for 1 cm Shell is a sandwich of : -Carbon/epoxy -Carbon Foam -Carbon/epoxy Rout=41 Rinner=27

Autre concept LPNHE Pour aller plus loin dans l’évaluation (2-3 mois) : Simulation mécanique Simulation thermique Protos, bancs de test Manpower !

CAD output (each colour represents one material) Proof of principle done ! Mesure automatisée du X0 Interface à développer avec simulation de physique  post-doc

Electronique Travaux moins avancés que pour la mécanique Rien de concret pour le moment sur le remplacement du b-layer, problème de manpower… A plus long terme, intérêt manifesté par le service Electronique du LPNHE pour R&D sur alimentations DC-DC intégrées Electronique 3D ?

AC/DCDC/DC PP PP (with Lin.Reg. in some cases) PP Module 0.5-2m 13-15m 100m 1A/channel (analog or digital), round-trip cables, and sense to nearest regulation Material budget (X/Xo) Cooling Cable crowding Radiation Magnetic field Other general constraints: Overall efficiency Cost Reliability (single point of failure) Present power distribution schemes (in trackers)

More channels required, at lower Vdd, hence overall more current! More or thicker cables: Material budget ! Cooling ! Cable crowding! LHC upgrades - Requirements AC/DCDC/DC PP PP (with “LDO” in some cases) PP Module 0.5-2m 13-15m 100m Either >>1A/channel, or 1A/channel and more modules

4 - 8 V AC/DCDC/DC PP (with DC/DC) PP Module (with DC/DC) 0.5-2m100m Same cables as today can bring more power, It requires efficient DC/DC on module for cooling V (or 4-8 V) AC/DCDC/DC PP Module (with DC/DC) 0.5-2m100m Small cables can bring all the power It requires efficient DC/DC 24 or 48 V PP Important considerations: Magnetic field, Radiation and Material Budget, Noise, plus EMI if inductor-based DC/DC Possible solutions based on DC- DC

A faire par LPNHE Contacts à prendre avec CERN-PH-MIC (quelques activités sur le sujet ont commencé là-bas) Stagiaire ingénieur, puis thèse sur le sujet ?

Autre possibilité d’upgrade

Physiciens G. Calderini (aide ponctuelle, expert détecteurs silicium) D. Lacour (à partir de 2009) J. Ocariz (à partir de 2009) Ph. Schwemling Trou de manpower en 2008, en plein dans la phase de R&D

Demandes Soutien moral / accord à continuer+étendre des activités techniques en lien avec le SLHC Services techniques : 1.3 AI (0.9 D. Laporte+0.4 C. Evrard) 0.2 I (G. Daubard) Participation service électronique Financières : quelques k euros pour achat de matériaux, montages de test Post-doc Recrutement CR/IR, profil instrumentaliste ?

Spares

Why Pixel Replacement B-layer will see the harshest radiation environment in ATLAS. It was designed to survive 3 years of LHC nominal luminosity (10 34 cm -2 s -1 ) –NIEL fluence = n eq /cm 2 (mainly from pions) –Ionising Dose = 500 kGy (50 Mrad) Note: values are estimated for 3 years of low LHC luminosity (10 33 cm -2 s -1 ) and two of nominal luminosity (10 34 cm -2 s -1 ). No headroom for uncertainties assumed in the evaluation. Sensors –Not fully depleted at 600 V  lower charge collected, lower efficiency –Leakage current (noise) –Charge trapping  lower charge collected, lower efficiency Electronics –Transistor V T shift due to charge trapping in the gate oxide (Ionisig Radiation). FE and MCC tested to 500 kGy)

7/7/2016E. Anderssen, A. Catinaccio CERN 44 Envelopes case study A Beam axis beampipe R 25R 32R 45.5 Existing B-layer envelope Realistic upgrade design parameters as of today 3 TBC Possible upgrade design parameters in the future B-LAYER INSULATION New B-layer envelope Insertion clearance4.5 6 beampipe R 17 R 24R 45.5 Existing B-layer envelope B-LAYER INSULATION New B-layer envelope Insertion clearance TBC 3 TBC 7 TBC RequiresOptimization Case A1 Case A2

7/7/2016E. Anderssen, A. Catinaccio CERN 45 Envelopes case study B Beam axis beampipe R 25R 32R 76 Existing layer1 envelope Realistic upgrade design parameters as of today 3 TBC Possible upgrade design parameters in the future B-LAYER INSULATION New B-layer envelope Insertion clearance beampipe R 17 R 24R 76 B-LAYER INSULATION New B-layer envelope TBC 3 TBC 7 TBC Fingers Existing layer1 envelope Insertion clearance 4.5 RequiresOptimization Case B1 Case B2