Y. Zoccarato – Journée d’étude sur les détecteurs diamant– 9 Juin 2015 Moniteur ultra-rapide pour étiquetage temporal en hadronthérapie L. Caponetto, X.

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1 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

2 Y. Zoccarato – Journée d’étude sur les détecteurs diamant– 9 Juin 2015 2 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

3 Y. Zoccarato – Journée d’étude sur les détecteurs diamant– 9 Juin 2015 3 Hodoscope 2 prototypes Objectif : - Résolution spatiale : 1mm - Résolution temporelle : 1ns - Taux de comptage : 10 8 1/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

4 Y. Zoccarato – Journée d’étude sur les détecteurs diamant– 9 Juin 2015 4 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 > 10MHz @ 800V [krimmer et al. ICTR-PHE 2014]

5 Y. Zoccarato – Journée d’étude sur les détecteurs diamant– 9 Juin 2015 5 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.

6 Y. Zoccarato – Journée d’étude sur les détecteurs diamant– 9 Juin 2015 6 HODOPIC block diagram ASIC 32 voies : <100 mA @ 3.3 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 TDC @160 MHz Résolution du TDC : 200ps Dynamique du TDC: 50 ns Bus de sortie digital sur 40b @ 100 MHz Interface de slow control I2C technologie AMS BiCMOS 0.35: environ 13 mm2 ASIC en boitier CQFP120

7 Y. Zoccarato – Journée d’étude sur les détecteurs diamant– 9 Juin 2015 7 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

8 Y. Zoccarato – Journée d’étude sur les détecteurs diamant– 9 Juin 2015 8 HODOPIC block diagram TDC : L’architecture du TDC est basée sur le travail de thèse de S.Deng : - une DLL de 32 elements @160MHz résolution de 195 ps. - 2 compteurs grossiers 3b : dynamique de 50ns - un encodeur gray pour les 32b de la VCDL

9 Y. Zoccarato – Journée d’étude sur les détecteurs diamant– 9 Juin 2015 9 HODOPIC block diagram FIFO asynchrone : - fréquence > 100MHz - donnée de 40b - position 32b - time 8b - profondeur : 4 évennements

10 Y. Zoccarato – Journée d’étude sur les détecteurs diamant– 9 Juin 2015 10 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

11 Y. Zoccarato – Journée d’étude sur les détecteurs diamant– 9 Juin 2015 11 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

12 Y. Zoccarato – Journée d’étude sur les détecteurs diamant– 9 Juin 2015 12 1er version du chip : Juin 2010 16 voies de lecture 16 sorties digitales 16 sorties analogiques 2.2x2.8mm 2eme chip : décembre 2011 -DLL 32b @160MHz -Encodeur gray 32-5 1.8x1.5mm HODOPIC : ASICs précédents

13 Y. Zoccarato – Journée d’étude sur les détecteurs diamant– 9 Juin 2015 13 Premier test sur faisceau Test de l’hodoscope 2x32 voies avec carte DAQ PXI, et ASIC version 1 (sans TDC)

14 Y. Zoccarato – Journée d’étude sur les détecteurs diamant– 9 Juin 2015 14 Premier test sur faisceau (ASIC version 1)

15 Y. Zoccarato – Journée d’étude sur les détecteurs diamant– 9 Juin 2015 15 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

16 Y. Zoccarato – Journée d’étude sur les détecteurs diamant– 9 Juin 2015 16 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

17 Y. Zoccarato – Journée d’étude sur les détecteurs diamant– 9 Juin 2015 17 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

18 Y. Zoccarato – Journée d’étude sur les détecteurs diamant– 9 Juin 2015 18 Linèaritè de la DLL : –DNL: < 1LSB, –INL: -1,8LSB +1,1LSB HODOPIC: résultats de test

19 Y. Zoccarato – Journée d’étude sur les détecteurs diamant– 9 Juin 2015 19 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

20 Y. Zoccarato – Journée d’étude sur les détecteurs diamant– 9 Juin 2015 20 HODOPIC: résultats de test Mesure d’un Δt (avec le détecteur et une source): –Test d’une chaine complete Résolution <1ns

21 Y. Zoccarato – Journée d’étude sur les détecteurs diamant– 9 Juin 2015 21 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 AMC40 - 36 entrées optiques 4.8 GHz - 36 sorties optiques 4.8 GHz

22 Y. Zoccarato – Journée d’étude sur les détecteurs diamant– 9 Juin 2015 22 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)

23 Y. Zoccarato – Journée d’étude sur les détecteurs diamant– 9 Juin 2015 23 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

24 Y. Zoccarato – Journée d’étude sur les détecteurs diamant– 9 Juin 2015 24 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….