Evolutions du système LASER 4 novembre 2008 S. Viret Réunion CSP 1. Statut actuel 2. Etude de faisabilité et conclusions 3. Futur proche et moins proche.

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1 Evolutions du système LASER 4 novembre 2008 S. Viret Réunion CSP 1. Statut actuel 2. Etude de faisabilité et conclusions 3. Futur proche et moins proche

2 1. Statut actuel 2. Etude de faisabilité et conclusions 3. Futur proche et moins proche

3 1 S. Viret Réunion CSP 1. Statut actuel 2. Etude de faisabilité et conclusions 3. Futur proche et moins proche  A quoi sert le LASER de calibration ? a. Présentation rapide b. Qu’est ce qui fonctionne? c. Quels sont les problèmes? Suivi en temps réel des 10000 photomultiplicateurs (PMT) du TileCal d’ATLAS Mesure et contrôle du gain des PMT Mesure et contrôle de la linéarité Le LASER est une pièce du puzzle  sans lui, un étalonnage optimal du TileCal est impossible

4 2 S. Viret Réunion CSP 1. Statut actuel 2. Etude de faisabilité et conclusions 3. Futur proche et moins proche  Comment fonctionne le système ? a. Présentation rapide b. Qu’est ce qui fonctionne? c. Quels sont les problèmes? Tête LASER PMT1PMT2 4 Photo- diodes Roue à filtres Vers diode 4 Système de contrôle en amont du diffuseur principal (à part diode 4) Tous les PMTs sont illuminés simultanément Les pulses LASER peuvent etre envoyés dans les gaps du LHC (contrôle en ligne du gain des PMTs) Miroir

5 3 S. Viret Réunion CSP 1. Statut actuel 2. Etude de faisabilité et conclusions 3. Futur proche et moins proche a. Présentation rapide b. Qu’est ce qui fonctionne? c. Quels sont les problèmes?  La pompe LASER est en fonctionnement permanent depuis cet été. Une seule réinitialisation nécéssaire.  L’électronique de déclenchement et de contrôle (LILAS II, SLAMA, LASTROD,…) fonctionne bien. Les évenements LASER sont envoyés correctement dans les gaps LHC (précision +/- 25ns), et des runs de calibration sont enregistrés (et automatiquement reconstruits) tous les trois jours.  Le software fonctionne parfaitement à tous les niveaux (LUTIN, DAQ, offline), les évenements LASER sont correctement décodés dans le software d’ATLAS (Athena).  Le DCS fonctionne et le statut du LASER est disponible sur le web.  L’alignement en temps du TileCal est contrôlé avec le LASER. Evenement LASER dans ATLAS DCS du LASER sur le web

6 4 S. Viret Réunion CSP 1. Statut actuel 2. Etude de faisabilité et conclusions 3. Futur proche et moins proche  Premiers coefficients de calibrations, premières comparaisons: a. Présentation rapide b. Qu’est ce qui fonctionne? c. Quels sont les problèmes?  La stabilité du rapport PMT/Diode est encore discutable, mais moyennant quelques corrections, on peut déjà obtenir des résultats intéressants:  Comparaison du rapport PMT/Diode pour tous les canaux du TileCal, pour deux runs de calibration successifs (pris à 2 jours d’intervalle). Une variation inférieure a 1% est observée pour presque tous les PMTs.

7 5 S. Viret Réunion CSP 1. Statut actuel 2. Etude de faisabilité et conclusions 3. Futur proche et moins proche a. Présentation rapide b. Qu’est ce qui fonctionne? c. Quels sont les problèmes?  Les problèmes arrivent au fur et à mesure que notre compréhension du système augmente…  Evolution du rapport PMT/Diode avec l’amplitude du LASER (même avec les PMTs de la boîte LASER)  Résolu pour la boîte, pas pour le TileCal (echantillonage du signal soupçonné)  Problème avec la diode 4 (ou avec les autres…):  La diode 4 (celle qui est après le diffuseur) semble mieux suivre l’évolution des PMTs que les autres Tests de linéarité impossibles pour le momentProblème non résolu pour l’instant

8 6 S. Viret Réunion CSP 1. Statut actuel 2. Etude de faisabilité et conclusions 3. Futur proche et moins proche a. Présentation rapide b. Qu’est ce qui fonctionne? c. Quels sont les problèmes?  Structure temporelle des pulses LASER émis observée sur les PMT du TileCal  Variation globale du rapport PMT/Diode  Probleme compris (désynchronisation du LHC et de la RF du LASER), mais difficile à résoudre. Peu génant pour nous, mais pourrait simplifier la vie des gens du timing si résolu…  Problème partiellement compris (roue à filtres et peut-être diffuseur). Corrigé par le software pour le moment, mais des améliorations hardwares sont à prévoir (certaines sont déjà prévues)

9 7 S. Viret Réunion CSP 1. Statut actuel 2. Etude de faisabilité et conclusions 3. Futur proche et moins proche  Bilan actuel: a. Présentation rapide b. Qu’est ce qui fonctionne? c. Quels sont les problèmes? Nous maitrisons de mieux en mieux le LASER de calibration Les problémes sont résolus un par un, en partant de la boîte LASER jusqu’aux PMTs du TileCal Certains peuvent être résolus sur le champ (PMTs boîte LASER), d’autres non (synchro LASER/LHC) Des améliorations du système seront nécéssaires, et cela ne concernera pas uniquement la source de lumière

10 1. Statut actuel 2. Etude de faisabilité et conclusions 3. Futur proche et moins proche

11 8 S. Viret Réunion CSP 1. Statut actuel 2. Etude de faisabilité et conclusions 3. Futur proche et moins proche  Rappel: a. Motivations b. Résultats de l’étude c. Oui mais… Le LASER est primordial pour un fonctionnement optimal du TileCal. Nous n’avons pas de spare. En cas de problème, les coûts temporels et financiers seront lourds (Exemple panne de 2005 (RF commandant le cristal acousto-optique de la tête LASER): 4500 euros et plusieurs semaines hors-service). L’idée serait de disposer d’un système ‘fait-maison’, plus économique et plus facile à entretenir. Un projet basé sur des LEDs avait été mis en avant lors du dernier CSP. Une autre idée serait d’acquérir un spare (~30000 euros, peut-être moins)…

12 9 S. Viret Réunion CSP 1. Statut actuel 2. Etude de faisabilité et conclusions 3. Futur proche et moins proche a. Motivations b. Résultats de l’étude c. Oui mais…  Conclusions de la CSP de février 2008: Travail effectué cet été par Cyrille Pornin (élève ingénieur en 2 ème année à Sup’Optique)

13 10 S. Viret Réunion CSP 1. Statut actuel 2. Etude de faisabilité et conclusions 3. Futur proche et moins proche  Ce qui a été démontré dans cette étude: a. Motivations b. Résultats de l’étude c. Oui mais…  Un système à base de LEDs classiques est inenvisageable (plusieurs milliers de LEDs seraient nécéssaires).  Des LEDs de puissance pourraient convenir, mais impossible d’avoir des pulses <100ns.  Reste les diodes LASER (du type de celles que l’on a dans la pompe). Une trentaine de diodes de forte puissance (infrarouge) suffirait à obtenir la puissance lumineuse requise (1 à 2 kW crête) A partir de là, on peut imaginer un système permettant de produire un faisceau de lumière bleue suffisamment intense

14 11 S. Viret Réunion CSP 1. Statut actuel 2. Etude de faisabilité et conclusions 3. Futur proche et moins proche  Système proposé par Cyrille: a. Motivations b. Résultats de l’étude c. Oui mais… Réflecteur parabolique Cristal doubleur de fréquence Couronne de diodes (face/profil) Fibre liquide  Le faisceau des diodes est collimé par un système optique spécial

15 12 S. Viret Réunion CSP 1. Statut actuel 2. Etude de faisabilité et conclusions 3. Futur proche et moins proche  Problème du cristal doubleur: a. Motivations b. Résultats de l’étude c. Oui mais…  Quelques problèmes se posent en effet dans notre cas: 1. Le faisceau doit pénétrer le cristal avec un angle d’incidence précis (~1 o de tolérance). Pas notre cas si plusieurs diodes. 2. La lumière doit etre monomode (même fréquence). Or chaque diode émet à une fréquence particulière (910+/-5nm), notre signal est fortement multimode Le taux de conversion dans le cristal risque d’etre extremement faible  Vérification aupres du chef du groupe ‘LASERS SOLIDES ET APPLICATION’ du laboratoire d’optique appliquée de Sup’Optique (bref un spécialiste…): “Je vous conseille vraiment de regarder les pbs liés au laser, de tenter de les régler au lieu de vous lancer dans l'aventure du doublage de diode laser....”  A partir de ce rapport, un cahier des charges plus précis a été défini en collaboration avec les électroniciens et mécaniciens. Le groupe de travail ainsi créé pourra servir de base aux autres travaux sur le LASER II.  Avant de lancer une première phase de tests, quelques points (non abordés par Cyrille faute de temps) ont été analysés plus précisément, en particulier le doublage en fréquence.

16 13 S. Viret Réunion CSP 1. Statut actuel 2. Etude de faisabilité et conclusions 3. Futur proche et moins proche  Conclusions: a. Motivations b. Résultats de l’étude c. Oui mais… Cyrille a produit une étude très instructive, mais a manqué de temps. Certains détails devaient être clarifiés avant d’aller plus loin. Dans ce cas, nous avions tout intérêt à nous adresser à des spécialistes… Nous ne sommes pas des opticiens, ne cherchons pas à réinventer l’optique… Le remplacement du LASER par une source alternative est hors de propos dans notre cas (en tout cas à l’heure actuelle). Cela ne veut pas dire que le LASER ne doit pas évoluer. Les conclusions de la première partie prouvent le contraire.

17 1. Statut actuel 2. Etude de faisabilité et conclusions 3. Futur proche et moins proche

18 14 S. Viret Réunion CSP 1. Statut actuel 2. Etude de faisabilité et conclusions 3. Futur proche et moins proche a. Les évolutions programmées b. Les évolutions à envisager c. Planning préliminaire LILAS2 a été installé avec succès en Juin. Le nouvel automate est actuellement testé à Clermont, et sera installé pendant la premiere quinzaine de décembre.  Conclusions de la CSP de fevrier 2008:

19 15 S. Viret Réunion CSP 1. Statut actuel 2. Etude de faisabilité et conclusions 3. Futur proche et moins proche  Ce qu’il faut prevoir (1/7): a. Les évolutions programmées b. Les évolutions à envisager c. Planning préliminaire  Remplacement du LASER: 2 solutions en cas de panne: On dispose d’un spare (comme dans CMS) et on est tranquilles. On ne possède pas de spare, mais on peut le réparer nous-mêmes (formation d’un membre du labo à ce type de maintenance). Ce point est valable également si l’on dispose d’un spare. Prévoir également une analyse des risques liés au LASER (ce qui peut tomber en panne, combien çà peut coûter). Besoin personnels : 1 électronicien ou un mécanicien Besoins financiers : une estimation précise du prix d’un spare (~30keuros) doit être effectuée.

20 16 S. Viret Réunion CSP 1. Statut actuel 2. Etude de faisabilité et conclusions 3. Futur proche et moins proche  Ce qu’il faut prevoir (2/7): a. Les évolutions programmées b. Les évolutions à envisager c. Planning préliminaire  Monitoring précis du pulse LASER émis (à la CMS): Un des problèmes du système actuel est le manque d’information suffisamment précise sur le pulse effectivement envoyé (largeur, amplitude, timing par rapport au LHC). Une solution serait d'avoir, pour chaque évenement, un scope du pulse effectivement envoyé. On disposerait ainsi d'une info précise sur les caractéristiques du pulse émis, info que l'on pourrait corréler avec celles de la boîte LASER et de la diode 4. On pourra contacter les gens de CMS (Saclay) à ce sujet. Besoin personnels : 1 électronicien et un physicien Besoins financiers : ????

21 17 S. Viret Réunion CSP 1. Statut actuel 2. Etude de faisabilité et conclusions 3. Futur proche et moins proche a. Les évolutions programmées b. Les évolutions à envisager c. Planning préliminaire  Ce qu’il faut prevoir (3/7):  Amélioration de la roue à filtres: La plupart des éxperiences utilisent des roues à filtres plus ou moins complexes (HERMES, STACEE, ZEUS, SELEX), certaines utilisent plutôt un empilement de filtres (DELTA). Quelle solution est la meilleure ?? On peut également envisager d'augmenter la taille du faisceau avant d'entrer dans le filtre, afin de reduire les inhomogeneités (HARP). Pour tester tout çà, il faudrait un banc test avec une roue à filtres, des lentilles, et une source lumineuse (pas forcément un laser). On verifierait ainsi quel système est le plus stable et le moins sensible aux inhomogeneités des filtres. Besoin personnels : mécanicien, électronicien, physicien Besoins financiers : ????

22 18 S. Viret Réunion CSP 1. Statut actuel 2. Etude de faisabilité et conclusions 3. Futur proche et moins proche a. Les évolutions programmées b. Les évolutions à envisager c. Planning préliminaire  Ce qu’il faut prevoir (4/7):  Détruire la cohérence: Il faut essayer de détruire la cohérence de la lumière LASER dès que possible (avant que la lumière ne parte dans les diodes). Cela peut en effet avoir une influence non négligeable sur les non-uniformités observées en sortie du diffuseur primaire (meme si la fibre liquide fait office de mixeur de lumière). Ceci est fait dans la majorité des expériences, c'est même explicitement mentionné dans certaines publications (ZEUS, SELEX). Le prix à payer est une diminution importante de l'intensité, il faut donc envisager de réduire les pertes ailleurs (eg diffuseur). Besoin personnels : mécanicien (mise en place de l’élement). Peut-être collaborer avec un labo d’optique... Besoins financiers : faibles (sauf si l’on prend en charge le diffuseur)

23 19 S. Viret Réunion CSP 1. Statut actuel 2. Etude de faisabilité et conclusions 3. Futur proche et moins proche a. Les évolutions programmées b. Les évolutions à envisager c. Planning préliminaire  Ce qu’il faut prevoir (5/7):  Synchroniser le LASER avec l'horloge du LHC: Certaines expériences (HERMES, CMS) ont synchronisé leur LASER avec l'horloge de leur accélerateur respectif (HERA, LHC). Leurs LASER sont en tout point semblables au notre (Q-switch Nd:YAG doublé), c'est donc que çà doit être faisable. Cela permettrait d'avoir une bien meilleure stabilité en temps (+/- 2-3ns au lieu de +/- 25ns). SPECTRA-PHYSICS a été contacté à ce sujet, on attend la réponse. Besoin personnels : électronicien, physicien Besoins financiers : ????

24 20 S. Viret Réunion CSP 1. Statut actuel 2. Etude de faisabilité et conclusions 3. Futur proche et moins proche a. Les évolutions programmées b. Les évolutions à envisager c. Planning préliminaire  Ce qu’il faut prevoir (6/7):  Revoir le shutter: Le shutter sert à faire tourner le LASER sans envoyer de lumière dans le TileCal (tests), et à stopper l'envoi de lumière dans le Tile en cas de problème. Son remplacement a déjà été évoqué lors de précédentes réunions LASER et un cahier des charges précis a été défini. Besoin personnels : mécanicien Besoins financiers : ????

25 21 S. Viret Réunion CSP 1. Statut actuel 2. Etude de faisabilité et conclusions 3. Futur proche et moins proche a. Les évolutions programmées b. Les évolutions à envisager c. Planning préliminaire  Ce qu’il faut prevoir (7/7):  Revoir la boite photodiode: A-t'on besoin de 4 diodes? A-t'on besoin que la source d’ 241 Am soit mobile ? Cela complique beaucoup les choses mécaniquement et électroniquement. D'autres experiences ont des systèmes basés sur une source radioactive (GAMS, DELTA, E687), mais procèdent différement (en tout cas leur source n'est jamais mobile...). D'autre part les systèmes de calibration LASER existants ont TOUS un système d‘étalonnage précis après le diffuseur primaire. Nous n’avons qu’une seule diode (Diode 4). L'idéal serait d'avoir une diode pour chacune des 384 fibres qui sortent de cette boîte (principe de CMS). On peut plus raisonnablement envisager d'avoir plus de 'Diodes 4', ne serait-ce que pour avoir une meilleure idée des inhomogénéités induites par le diffuseur. Besoin personnels : physicien, électronicien Besoins financiers : ????

26 22 S. Viret Réunion CSP 1. Statut actuel 2. Etude de faisabilité et conclusions 3. Futur proche et moins proche a. Les évolutions programmées b. Les évolutions à envisager c. Planning préliminaire  Fin 2008 : Installation du nouvel automate. Réparation provisoire de la roue à filtres 2008 2009 2010  Début 2009 : Evaluations des évolutions envisagées. Prise de contact avec des personnes extérieures si nécessaire (cf. cristal doubleur...)  Fin 2009 : Evolutions précisément définies, si des tests sont nécéssaires, ils seront effectués durant cette période.  2010 : Production (en double si possible) des éléments qui seront installés dans le nouveau LASER. Installation fin 2010 durant un shutdown.

27 23 S. Viret Réunion CSP 1. Statut actuel 2. Etude de faisabilité et conclusions 3. Futur proche et moins proche a. Les évolutions programmées b. Les évolutions à envisager c. Planning préliminaire  Les personnes réferentes pour le projet: Responsable : F. Vazeille Correspondant physicien : S. Viret Correspondant mécanicien : F. Daudon Correspondant électronicien : M. Crouau

28 CONCLUSIONS

29 24 S. Viret Réunion CSP 1. Statut actuel 2. Etude de faisabilité et conclusions Conclusions  A l’heure actuelle, le LASER de calibration du TileCal ATLAS fonctionne relativement bien.  Les problèmes existent (et c’est normal) sont traités un par un (nous avons le temps…)  Certains de ces problémes nous amènent à réflechir à des améliorations possibles du système. Ces évolutions ont été présentées. Nous sommes conscients que beaucoup de points (besoins humains et financiers) restent à éclaircir, mais un upgrade du LASER fin 2010 n’est pas inenvisageable.  En paralèlle, une étude préliminaire a montré qu’un LASER est la seule source viable dans notre cas. Cela pose sérieusement la question de l’achat d’un spare…