CSP sATLAS du 6 octobre 2009 sur 3 nouvelles R&D au LPC François VAZEILLE  Le point sur la politique de R&D sATLAS et Tilecal  Rappel sur les nouvelles.

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1 CSP sATLAS du 6 octobre 2009 sur 3 nouvelles R&D au LPC François VAZEILLE  Le point sur la politique de R&D sATLAS et Tilecal  Rappel sur les nouvelles orientations Tilecal  Le point sur les options de R&D au LPC  R&D sur l’ASIC des cartes 3en1  R&D sur le système de régulation des Hautes Tensions  R&D sur la mécanique des tiroirs  Conclusions La demande porte sur 3 nouvelles R&D qui impliquent les Services de microélectronique, électronique et mécanique. avec indications des besoins en personnels 1

2 Le point sur la politique de R&D sATLAS et Tilecal LoI First (System) upgrade R&D proposal Electronics Upgrade R&D proposal Notre document initial très avancé Nouvelle contrainte ATLAS: novembre Document utile pour agences de financement Electronics Upgrade R&D proposal: submitted September 1st Review committee: Francesco Lanni – Lar; Norman Gee – TDAQ; Matteo Cavalli – TileCal. Report submitted to USG: September 16th Modified proposal draft in Agenda to be submitted to review committee end of next week. Aim at approval of proposal in next USG meeting: October 20th. Extrait Tilecal week (semaine dernière) 2

3 Rappel sur les nouvelles orientations Tilecal Pont Diviseur PMT3en1 Interface avec GBT Système HT LV Finger 4 Tensions Préprocesseur Trigger et RODs TiroirBasses Tensions USA15 - Moins de cartes, de Basses Tensions différentes, de connexions… - Tiroirs indépendants. - Transmission vers USA15 à grand vitesse (GBT) de l’information numérisée  Préprocesseur Trigger et pipeline dans USA1. - DCS utilisant le même type de fibres. 3

4 Le point sur les options de R&D au LPC  Accès à tous les documents sur Intranet  Nombreuses discussions et rencontres avec les Services techniques, avec définitions des cahiers des charges et des orientations.  Réunions récentes (juillet et septembre 2009) avec les chefs de service et ingénieurs les plus concernés.  Meilleure définition des options de R&D et des besoins en personnels. Outils/agenda/activités de recherche/ sATLAS - Analyse critique des systèmes actuels, avec l’éclairage des fonctionnements en vraie grandeur dans ATLAS et de nombreux mois en cosmique avec ATLAS complet. - Intégration dans le nouveau contexte sLHC. 4

5  Aperçu global de la R&D sATLAS au LPC Upgrade Phase I (~2013-2014): Laser 2 : Accord CSP (le point bientôt) Upgrade Phase II (~2018-2019): Ponts Diviseurs: Accord CSP ASIC carte 3en1 Système HT Mécanique Tiroirs + évolutions Laser: non traitées maintenant. CSP aujourd’hui 5

6 R&D sur l’ASIC des cartes 3en1  Rappels sur le système actuel Fer µ métal Mixeur 3 en 1 Support plastique PMT/Pont Diviseur Petites pièces Blocs PMT (9856) Cartes 3en1 (idée LPC au départ): 3 fonctions + autres services - Mise en forme après PMT avec 2 Gains  ADC Digitiseurs sur Tiroirs. - Sortie Trigger - Calibration en mode courant + Injections de charges calibrées + Logique de contrôle 6

7 DATA CLK & CTRL anode signal Digital @ 40 MHz LV POWER Front End Board From PMT To / From Readout Interface Board PMT 1 Front End Board – 1/PMT – Replaces 3-in-1 Card DATA CONTROL anode signal Digital @ 40 MHz LV POWER Preamp Hi Gain POL REGs ADC Shaper Preamp Lo Gain 12 Bit ADC 12 Bit Data Selector & Output Driver Imon ADC CAL DAC 16 Bit Timing To / From Readout Interface Board POL REG = “Point of Load” Regulator ASIC  Nouveau concept - ADC dans 3en1 - Plus de Trigger dans 3en1 - Données toutes transférées dans USA15 7

8 - Reprise des spécifications ATLAS (Tableaux non donnés ici), avec contraintes radiations x 10. - Partage des 5 activités sur ASIC  travail pour plusieurs laboratoires, et différentes options: conception totale et/ou intégration IP - Difficultés majeures: Dynamique globale (16 bits) et résolution (10 bits), avec une très bonne linéarité (à préciser).  Stratégie de la R&D - 2 laboratoires identifiés Chicago: J.F. Genat (+ autre ingénieur) à temps très partiels. Clermont-Ferrand 2 Ingénieurs identifiés + passage relais en raison départ à la retraite. Activités commencées, mais planning détaillé à préciser (Décision Tilecal technique à l’automne 2010). Remarque: actions un peu voisines dans d’autres équipes LPC. 8

9 R&D sur le système de régulation des Hautes Tensions  Rappels sur le système actuel HT Opto externe HT Opto interne HT Micro LVCAN PC HT PC LVCAN HT Source fLVPS Daisy chain USA15 HT Bus interne HT bus externe HT Bus Flex Distributeurs HT d’un Super-Tiroir (6 cartes/Super-Tiroir)  2 éléments principaux: - HT Source HV (USA15) - Distributeurs HT (UX15) + Eléments associés et connexions: - CANbus et LVCAN PS (et LVCAN PC) - DCS: HT PC + interfaces CAN - BT (fLVPS) Patch P  Set-up général 4 9

10 From DAC From HT Source HT out Opto coupler  Régulation in-situ  Un chip Optocoupler/voie  HT externe (commune à 48 voies) localisée dans USA15  Boucle marchant en stand-alone, une fois la valeur DAC fixée par l’opérateur via the DCS (… même si le DCS est perdu ou si HV Micro est morte).  Elément de base: la boucle de régulation 2 transistors pour compenser effets des radiations 10

11 270 Cartes Bus Rigides Internes 270 Cartes Bus Flexibles 270 Cartes Bus Rigides Internes 540 Cartes HT Opto + spares 270 cartes HT Micro + spares Banc Test HT Micro Banc Test HT Opto Alimentations CANbus 4 châssis, 64 modules + spares  Eléments du système frontal 90x1310 mm 2 110x600 mm 2 100x170 mm 2 (Pour HT et 2 autres systèmes Tilecal) 11

12  Performances dans les vraies conditions ATLAS  Analyse en cours sur ATLAS complet et fermé sur une longue période: les 3 mois du démarrage (septembre-octobre-novembre 2008) et sur la quasi-totalité des canaux: > 9500 canaux/9856. Diane Cinca (thèse), Patrick Lafarguette, François Vazeille + Serban Constantinescu (Bucarest), + ingénieurs (Robert Chadelas et Daniel Lambert) Résultats préliminaires sur les stabilités (Exposé de Diane semaine Tilecal) - en HT: rms ~ 0.06 V (pour une spécification de 0.5 V sur = 800 V), - en températures: rms ~ 0.05 °C (Spécification ~ quelques degrés). 3 objectifs: - Connaître les vraies performances de notre système. - Disposer de données de référence + définir les niveaux réalistes de Warning et Alarm. - Produire la publication sur le système. 12

13  Critiques et améliorations possibles - Tenue aux radiations sLHC de certains composants (en particulier Optocoupleurs) ComposantsFacteur requis NominaleUltimesLHC HV Micro bipolar HV Micro cmos 70 14 352 153 35 HV Opto bipolar HV Opto cmos 70 14 318 138 32  3 cas: - Luminosité nominale: 10 34 - Luminosité ultime: 2.3 10 34 - sLHC: 10 10 34  TID Tableaux des facteurs de sécurité (règles ATLAS) - Position la plus exposée. - 5 années de fonctionnement. - Pas si loin. - Pour HT Opto: 1 canal affecté seulement. (dont 3.5 sur simulations) 13

14 Composants Facteur requis NominaleUltimesLHC HV Micro2038 (113)16 (49)4 (13) HV Opto2048 (98)21 (43)5 (11)  NIEL (Parenthèses: pré-production)  SEE pour 10 ans à 10 34 - Latch-up : 1 carte HT Micro/semaine.  OK en recyclant les tensions Tilecal 1 fois par jour Commentaire: 3 SEU par minute dans Tilecal complet. - Aucun SEU destructif pendant les tests: Que se passerait-il au sLHC? Conclusion: - Premiers résultats ATLAS sur les radiations très attendus. - Nouveaux tests requis. - Un peu plus loin, mais pas tant que cela. - Pour HT Opto: 1 canal affecté seulement. (dont 5 sur simulations) (toujours avec facteur 5 sur simulations) 14

15 - Qualité de certains composants (coûts) et de production des cartes (Cies). - Certains choix: Plans de masse, taille des cartes, connexions, noise killers (pourquoi et pas partout), environnement et protections, sensibilité aux BT (3), protocole DCS maison, stockage  hardware  des calibrations… - Nouvelles facilités: - 1 interrupteur/voie (et non pour 12 canaux), - Liaisons directes HT/BT, accès aux cartes… + nouvelles contraintes: -Tiroirs indépendants. - DCS sans CANbus et avec fibres haut débit.  Disponible dans un tableau complet (non montré ici) En gros: 10000 canaux avec une stabilité meilleure que 0.5% 15

16  Stratégie de la R&D - 6 options.. et des variantes (*: ASIC). - 2 localisations: sur détecteur et USA15 Sur détecteurUSA15 Option 0: Reconduction intégrale - Usure: déjà 15 ans environ en 2019. - Radiations? - Compatibilité avec nouveaux tiroirs. - Aucun personnel, sauf maintenance. Option 3: Reprise des cartes actuelles - Usure: déjà 15 ans environ en 2019 - Intégration dans des baies: espace? - Câbles liaison - Personnel: 1.5 FTE (0.5Ie, 0.5Te, 0.5Tm) Option 1*: Nouveau design avec composants ordinaires - Reprises tests radiations - Nouveau design - Personnel: 3.5 FTE (2Ie, 1Te + 0.5 BT) Option 4*: Nouveau design - Conception et intégration, y compris les HT source (commerce) - Câbles liaison - Personnel: 3 FTE (1.5Ie, 0.5Té, 0.5Tm, +0.5 BT) Option 2*: Nouveau design avec composants radhard… COUT! - Tests radiations de validation - Nouveau design - Personnel: 3.5 FTE (2Ie, 1Te + 0.5 BT) Option 5: Solution commerciale (CAEN?) COUT! - Intégration et câbles liaison - Personnel: 1 FTE (0.5Ie et Te, 0.5Tm) + partout: 0.5I on-line pour le nouveau DCS. 16

17 Tableau précédent: les besoins en personnels pour une solution donnée et sur 2010-2011 Etape préliminaire <juin 2010 : analyse comparé des options dans la LoI et choix de l’option finale Personnel: ~ 1Ie Remarque: Le point aujourd’hui … mais très préliminaire L’option 4*  USA15 et nouveau design  est peut-être la plus réaliste. 17

18 R&D sur la mécanique des tiroirs  Rappels sur le système actuel: Super-Tiroir = 2 Tiroirs Bât. 180 ATLAS Opérations de manutention (Insertion et tests et extraction) très difficiles. 18

19  Critiques et améliorations possibles - La manutention (Longueur et poids) et l’accès. Pas de grandes améliorations envisageables, à moins de produire des mini-Tiroirs 2 fois moins longs par exemple, mais outillages pouvant être mieux adaptés à l’environnement maintenant connu. - La protection de l’électronique: capots prévus mais non retenus  Fragilité des cartes et autres services lors de la manutention. - La disposition et l’accès aux cartes électroniques Avoir une électronique plus simple (et donc moins de cartes)  Direction actuelle (autres R&D). - L’accès aux connecteurs du Patch Panel, difficile au fond du Finger et grande densité. - La circuiterie du Cooling: corrosion, fragilité du système (Tuyaux, connecteurs). - Les liaisons mécaniques: jeu, facilités d’emploi. - Les outillages: décentrage, manipulations, encore mieux adaptés aux conditions réelles… Mais faut-il pour autant refaire les Tiroirs, qui tiennent bien leur place dans ATLAS? Rappel: comparaison Modules/Tiroirs 19

20 La raison principale: Il parait impossible de remplacer les Tiroirs existants instrumentés par la nouvelle électronique dans les délais impartis (18 mois) en recyclant les Tiroirs actuels.  Nouvelle stratégie (idée LPC) en procédant en 4 temps: - Fabriquer une nouvelle mécanique et pré-instrumenter les Tiroirs: avant l’arrêt. - Extraire les Tiroirs actuels et récupérer les Blocs PMT (et PMTs). - Finir l’instrumentation des nouveaux Tiroirs. - Les réinsérer. 18 mois (plus?)  Quitte à refaire des Tiroirs: les améliorer. En particulier: Tiroirs indépendants. 20

21  Stratégie de la R&D 5 types de R&D identifiées, pas toutes à Clermont. 1.Faisabilité du glissement de n tiroirs, avec n  2, pour 128 demi-Modules Barrel + 128 Modules Bouchon. 2. Cooling dépendant du choix final de l’électronique frontale: HT embarquées ou non (1 côté Tiroir libéré?), consommation. 3. Services électroniques plus fiables (d’abord, moins de cartes). 4. Outillages de manutention. 5. Stratégie d’insertion. - Priorité à Clermont: conclusions < juin 2010 1.5 FTE (1Im, 0.5Tm) - Cooling pourrait suivre ou être mené en parallèle: 0.5 FTE (0.5 Im) - Outillages: autre labo ou collaboration - Services: autre laboratoire. - Stratégie: oui dans l’élaboration, faible besoin FTE. Fin 2010-2012: nouveau design  FTE à revoir. 21

22 Conclusions  Il faudra faire le point sur les R&D Laser 2 et Ponts Diviseurs.  3 nouvelles R&D sont demandées R&DEchéancesPersonnels ASIC carte 3en1Automne 2010 Fin 2011-début 2012 Microélec: 2 I + relais Microélec: suite à préciser Système HTJuin 2010: choix option 2010-2011: design final Elec: 1 I Elec et Méca: voir tableau Mécanique Tiroirs Juin 2010: glissement Juin 2010: cooling (possible) Fin 2010-2012: design final Méca: 1 I + 0.5 T Méca: 0.5 I Méca: à voir Remarque: le on-line est couvert par Patrick Lafarguette tant qu’il relève d’ATLAS, mais s’il obtient un poste fixe, cette demande s’ajoutera aux autres. 22