R&D Ponts Diviseurs pour Super ATLAS Réunion CSP, 5 mars 2009 François Vazeille  Contexte général SATLAS et échéances  Objet de la demande de R&D  Justifications.

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1 R&D Ponts Diviseurs pour Super ATLAS Réunion CSP, 5 mars 2009 François Vazeille  Contexte général SATLAS et échéances  Objet de la demande de R&D  Justifications physiques et techniques  Programme de travail et planning  Besoins  Conclusion 1 Version finale

2 Contexte général SATLAS et échéances 2 - Soumission du Proposal de R&D Tilecal à ATLAS mi-mars. - Fin 2009: SATLAS Letter of Intend (LOI) et IMOU. - 2010: SATLAS Technical Proposal (TP). - 2011: Essais en faisceau et SATLAS Technical Design Review (TDR). - 2011: Production Readiness Review (PRR) et MOU final. - 2012: Lancement de la construction pour Tilecal. - Fin 2016: Début de l’installation.  La R&D pour SATLAS a commencé depuis plusieurs années, notamment en France (Pixels, Argon…).  Pour chaque sous-détecteur, des  Steering groups  organisent les projets et les soumettent à SATLAS.  Un calendrier précis est défini pour Tilecal et SATLAS  Dernière et prochaine réunions au CERN des  ATLAS Upgrade Weeks  - 23-27 février, avec bonne participation du LPC (~10 personnes). - 26-30 octobre. Tilecal Steering group: Bohm, Ferrer, Price, Vazeille.

3 EOI: Expression d’intérêt (Expression of Interest) Résume l’intérêt de personnes et/ou d’Instituts pour une action concertée sur un projet donné, sans engagements officiels de quiconque. LOI: Lettre d’intention (Letter Of Intent) Va un peu plus loin, mais peut être remis en cause pour différentes raisons: Le choix final ne convient pas, les personnes ou Instituts ont changé d’avis… TP : Proposition technique (Technical Proposal) Décrit différentes propositions d’appareillage susceptibles d’atteindre les performances souhaitées. Les coûts et délais sont parties prenantes des critères de choix, et les Instituts commencent à apparaître de façon plus officielle. TDR: Document technique (Technical Design Review) Document décrivant la conception détaillée avec les choix définitifs, y compris les plannings. MOU et IMOU: Memorandum Of Understanding et Interim Memorandum Of Understanding Présente les tâches, financements, personnels et engagements des Instituts correspondants. Interim correspond à une version préliminaire. PRR: Revue du programme de production juste avant démarrage (Production Readiness Review) Un organisme officiel de la collaboration (avec des membres extérieurs) examine ce qui est prêt à être produit et donne son avis. L’avis doit être positif ou suspendu à des modifications qui doivent être effectuées. Rappel des définitions des sigles (mon interprétation) de la Démarche Qualité: 3

4 Instituts Tilecal: 21 ( 20/22 + 1)Contacts Argonne National Laboratory and Northern Illinois University, USALawrence Price University of AthensNikos Giokaris IFAE, Barcelona, SpainIlya Korolkov University of Bratislava, SlovakiaStano Tokar CERN, SwitzerlandAna Henriques University of Chicago, USAMark Oreglia LPC Clermont-Ferand, Université Blaise Pascal CNRS-IN2P3, FranceFrancois Vazeille University of Illinois, USASteve Errede Kirchoff-Institute fur Physik University of HeidelbergKarlheinz Meier LIP- Coimbra and Lisbon, PortugalAmélia Maio Michigan State University, USAJoey Huston Nat. Scientific Education Center of Particle and High Energy Physics, MinskValentin Gilewsky University of Pisa, ItalyVincenzo Cavasinni Charles University in Prague, Czech RepublicRupert Leitner Institute for High Energy Physics, ProtvinoAlexandre Zaitsev Institute of Physics AS CR, Czech RepublicMilos Lokajicek Romanian National Institute of Physics and Nuclear EngineeringSanda Dita University of Stockholm, SwedenChristian Bohm Tbilisi State University, GeorgiaJemal Khubua IFIC - CSIC and Univ. of Valencia, SpainJuan Valls Ferrer Yerevan Physics Institute, ArmeniaHrachya.Hakobyan 4  Motivation évidente. Nouveau

5  Faisant suite à des informations données au LPC (et aux Services techniques) et à l’IN2P3, et à des études et un soutien de la Collaboration. - 7 exposés SATLAS depuis 2005, dont 5 dédiés aux Services techniques (dernier en date le 27 janvier pour définir des orientations de R&D). - 12 décembre: Conseil Scientifique. LPC IN2P3 et ATLAS/IN2P3 - 5 décembre: informations des Laboratoires ATLAS/IN2P3. - 12 décembre: rencontre avec Directeur Adjoint E. Auger. Tilecal et ATLAS - R&D Ponts diviseurs retenue par document Tilecal (Transparent suivant). - Document déposé à la mi-mars dans ATLAS (version provisoire jointe).  Dernière phase au LPC …  avant travaux  : Avis de la CSP. Objet de cette demande de R&D Activités de R&D sur les Ponts Diviseurs des PMTs du Tilecal d’ATLAS 5

6 Activités de R&D sur les Ponts Diviseurs Inscrites dans le Work Package 2 de la Phase II du programme de R&D de l’Upgrade du Tilecal. WP1: Spécifications physiques, simulations et performances du nouveau système. WP2: Electronique sur le détecteur. WP3: Préprocesseur pour le Trigger (DAQ-PP). WP4: ROD. WP5: Evaluation de solutions alternatives aux Tiroirs actuels. WP6: Installation TileCal phase II upgrade R&D program ATLAS Upgrade Document No:Institute Document No. Created : 08/01/2009 Page: 1 of 8 Modified : 23/02/2009 Rev. No.: 0.053 6

7 WP 2 On-detector electronics Extrait du document officiel Tilecal/ATLAS 7

8 Justifications physiques et techniques Justifications physiques Linéarité de la mesure d’énergie des jets sur toute la dynamique (16 bits), en particulier aux plus hautes énergies. + Effet secondaire: impact sur la résolution en énergie via le terme constant b  /E = a /  E + b [a dépend des caractéristiques de l’appareillage (Sampling), b dépend de la qualité du fonctionnement et de l’étalonnage]. Processus physique le plus exigeant sur la linéarité:  compositivité  des quarks en jets inclusifs. Ecart / à la forme attendue: effet physique ou instrumental ? Conditions de Luminosité au SLHC: 10 fois plus de jets à haute énergie  Plus grande sensibilité aux hautes énergies aux effets de non linéarité. Nb jets Energie  Retrouver les performances attendues au LHC (Non-linéarité finale ≤ 2%, soit ~ 1% au niveau du PMT seul) et peut-être faire mieux (≤ 1%). 8 QCD Quarks composites

9 Justifications techniques  Rappels sur le couple PMT/Pont Diviseur Fer µ métal Mixeur 3 en 1 Support plastique PMT/Pont Diviseur Petites pièces À l’intérieur du Bloc PMT  45 mm Localisation et nombre Nombre de couples dans le détecteur: 9 856 (+ Modules de réserve). Nombre de Ponts diviseurs produits pour ATLAS: 11 000. 9

10 Conception pour ATLAS actuel - Minimum de câbles: connexions directes PMT/Pont diviseur/Carte 3 en 1. - Aucune sensibilité aux radiations: composants passifs. - Designs  PMTs: optimisés par Clermont-Fd. En particulier: Contrainte de Linéarité  8 étages (au lieu de 10 initialement).  Ponts Diviseurs: optimisés par Clermont-Fd (et Chicago). En particulier: 2 niveaux de masse pour avoir un bruit constant/position dans le Super-Tiroir (Justifié par tests dans les Super-Tiroirs)   Masse HV  et  Masse analogique . L’optimisation résulte des contraintes: - De Gain PMT et de Linéarité. - De l’effet du courant continu additionnel induit par l’empilement des événements dits Minimum Bias (MB): le  Bruit physique . 10

11 - Plus d’infos sur le schéma des Ponts diviseurs actuels. - Choix des résistances  conditionné par le courant traversant le Pont. - Règles empiriques appliquées pour un Pont complètement résistif (Pas de composants actifs): Règle 1: Comment gérer les événements d’empilement? En prévoyant un courant de Pont 100 fois supérieur au courant anodique moyen Le pire cas lors de la conception: ~2 µA  Courant dans le Pont de 200 µA. Règle 2: Comment gérer les impulsions très élevées? En prévoyant des condensateurs de stockage dans les derniers étages pour contrebalancer la chute de tension due au grand flux de courant induit. Remarque: Des simulations ultérieures ont donné un courant anodique max de 576 nA pour la première couche de Tuiles scintillantes (les plus proches du faisceau)  Facteur 4 de sécurité supplémentaire … si l’on croit les simulations. 11

12 PMT#100 nA1 µA2µA4µA 1~0.2-0%~0.8-0.5%~1.2-1.0%~1.8-2.0 2~0%~0.9-0.5%~1.3-1.0%~2.8-2.5% 3~0%~0-0.4%~1.2-0.5%~2.1-0.8% 4~0-0.2%~0.4-0.6%~0.8-0.9%~2.0-1.8% - Performances atteintes avec les Ponts actuels Variation du Gain en fonction du  signal  (courant anodique ~18 à 180 nA) pour différents niveaux de  bruit physique  (courants DC d’empilement de 100 nA à 4 µA) … et 4 PMTs.  Courant DC Courant Anode100 nA1 µA2 µA4 µA Variation Gain~ 0%< 1%~ 1%> 2%  Soit: - Comportement presque plat en fonction du courant anodique  signal . - Variations moyennes en fonction du  bruit physique  ci-dessous: 12  Les Ponts satisfaisaient bien les spécifications LHC, … sous réserve de la qualité des simulations physiques … mêmes pessimistes.  G/G

13  Pourquoi changer les Ponts diviseurs pour SATLAS? 1.Vieillissement naturel: Application de la règle des 100 000 heures de fonctionnement appliquée aux produits électroniques  commerciaux .  Ce sera le cas en 2017-2018. 2. Augmentation du courant continu qui va rendre inacceptable la non-linéarité  MB: 23 événements MB/Croisement  230. Courants pouvant atteindre et dépasser 2 µA. Simulations de Barcelone. 3. Bénéficier de l’expertise clermontoise des PMTS et des Ponts… tant que l’expert est encore là. Mais il est utile de prévoir un facteur de sécurité sur les simulations au moins égal à 2  Courants max entre 2 et 7.2 µA 13

14  Y a-t-il une solution de départ? OUI Déjà exploitée au LPC par Michel Crouau pour LHCb au LPC. (PMTs/Ponts de LHCb étant eux-mêmes des évolutions d’ATLAS) Plusieurs solutions pour augmenter le Gain sur les dernières dynodes: -  Pont Booster  (Requiert des tensions additionnelles sur les derniers étages). -  Pont Cockcroft-Walton  (Via un oscillateur alimenté par une BT). -  Pont avec Transistors  (Avec des transistors sur les derniers étages). Solution retenue: le minimum de composants ajoutés. Pont résistif: 2 µA dans le Pont Pont avec 2 Transistors: 400 µA dans le Pont anode  400 µA à travers le Pont est suffisant pour s’accommoder d’un courant anodique de … 100 µA. 14 LHCb

15 Exemple de montage avec 3 Transistors. 15 Remarque pour SATLAS: l’abaissement du courant de Pont a un impact positif sur la consommation des cartes HT … que pourrait de nouveau étudier le LPC.

16 Programme de travail et planning  Optimisation du design: 2009 ▪ Tests avec les Ponts actuels et différents courants anodiques. ▪ Matériel: Banc Test des PMTs + 10 (20) PMTs. ▪ Tests identiques avec le (ou les ) nouveau(x) design(s) simultanés (sur la même grille du Banc) ou décalés (utilisation des mêmes PMTs), et comparaison, puis recherche et utilisation de composants (Transistors) peu sensibles aux radiations (Bases de données ATLAS). Question: après bilan final des idées nouvelles sur cartes 3en1?  Utile, mais pas obligatoire, car il ne s’agit que de tester la fonction Pont Diviseur. Banc Test PMT/Pont 16 Commentaire: Rénovation du Banc Test? - Remplacement des modules loués au CERN? - Acquisition: nouveau PC + on-line. Remarque: les PMTs  spares  pourraient être un peu différents des PMTS actuels  2 types de Ponts.

17  Rénovation du Banc Test des Ponts Diviseurs. Avec, en parallèle, les contributions aux LOI et IMOU (fin 2009) et TP (2010). Banc Test Pont 17 ▪ Avant octobre 2009: tests de mécanique avec Contrôle lent actuel pour évaluer les améliorations à apporter. ▪ Octobre 2009- 1 er semestre 2010: - Reprise de la mécanique. - Contrôle lent de la mécanique (on-line). ▪ 2 ième semestre 2010: - Nouvelle électronique (+ travail Sup. si 2 types de PMTs). - On-line.  Tests de radiation: 1 er semestre 2010  Electronique + Mécanique (peu) + on-line.

18 Besoins  Matériel  Matériel (pages précédentes).  Budget Remarques: * déjà demandés - La partie mécanique du Banc Test Pont pourrait commencer en 2009. - La rénovation du Banc Test des PMTs pourrait être plus coûteuse (Commentaire). 18  Locaux Hall ATLAS: Salles S3 (Banc Test PMT/Pont) et S1 (Banc Test Pont).  Personnels 200910 K€*- Designs et tests des Ponts, début rénovation Banc Test Ponts 2010>> 10 K€- Suite rénovation Banc Test Ponts + Electronique et on-line - Tests Radiations (Méca. + Elec. + on-line) + Coûts + Missions Services techniques 20092010 Trimestres 1 à 3Trim. 4Semestre 1Semestre 2 ElectronicienI (3 m) + AI (0.5 m)I ou AI (2 m) MécanicienAI (0.5 m)AI (2 m) AI (0.5 m) InformaticienI (2 m)I (3 m) Physicien: François Vazeille + Stagiaire et/ou Doctorant.

19 - Electronicien - Mécanicien - Informaticien on-line: Patrick Lafarguette. 19 1 er semestre 2010: Préparation et exécution Tests radiation.  I ou AI (2 mois) + T. 2 ième semestre 2010: Banc Test Ponts.  I ou AI (2 mois) + T. 2009: Conception et tests nouveau(x) design(s).  I (3 mois) + AI (0.5 mois) + T Avant octobre 2009: analyse Banc Test actuel  AI (0.5 mois) + T. Dernier trimestre 2009- 1 er semestre 2010: Reprise du Banc Test.  AI (2 mois) + T. 1 er semestre 2010: Préparation Tests de radiation.  AI ou T (0.5 mois). 1 er semestre 2010: Contrôle lent de la mécanique du Banc Test des Ponts.  I (2mois). 2 ième semestre 2010: Acquisition et tests du Banc Test des Ponts.  I (3 mois). Détails des besoin (Noms non indiqués… sauf Patrick)

20 Conclusion  Il s’agit de la première contribution de R&D au LPC pour SATLAS, officiellement agréée par la Collaboration et l’IN2P3.  Le LPC et ses Services techniques ont été régulièrement informés.  Le planning est bien défini: La R&D va couvrir 2009 et 2010, avec en parallèle des contributions aux divers documents Tilecal/ATLAS LOI et IMOU (fin 2009) et TP (2010), et une production commençant en 2012 (Durée: 1 an). Remarque: Installation de la nouvelle électronique prévue en 2016  Ponts disponibles au moins 3 ans avant: Couples PMT/Pont  Blocs PMT  Tiroirs  Installation Tiroirs dès 2016.  Les moyens financiers pour la R&D seront couverts par l’IN2P3.  Les besoins en personnels du LPC sont bien définis. 20  Les matériels importants et locaux sont déjà disponibles dans l’équipe ATLAS.