Phase II: Prospective TileLPNHE, 14 octobre 2013

François Vazeille

●Le point sur les 4 R&D en cours au LPC●Conclusion et prospective

Réunion importante "Tilecal upgrade" à Stockholmen Juin 2013

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Le point sur les 4 R&D en cours au LPC

PMT D VFE

Mother Board 2

Mixer

Daugther Board

HT

BlocPMT

Mini-Tiroir

OutillageTiroir

1. Pont Diviseur "actif" 

2. Option2 du Very Front End: version ASIC IBM 130 nm

3. Haute Tension version non embarquée (dans USA15)

4. Outillage de mise en place des Mini-Tiroirs

Mother Board 2

Electronique USA 15

2

Ponts Diviseurs actifs

PMTSpecifications

ATLAS sATLAS

Tilecal ITC Tilecal ITC

Maximumanode current(µA)

2 8 10 40

Maximum non-linearity

1% 1%

Passive Active

● Cahier des charges

● Comparaison systématique de 20 ponts actifs/passifs/PMTs

Transistors+ Diodes

sur les 3 derniers étages 3

Passifs Actifs

10 µA 3.4 ± 0.6 50 µA < 0.5

40 µA 13.5 ± 2.4 120 µA < 1

Non-linéarités en % (valeurs moyennes sur 20 bases)

- Les Ponts Passifs actuels ne suivent plus les spécifications pour sATLAS.- Les Ponts Actifs conviennent avec une grande marge de sécurité.- Les résultats sont en parfait accord avec les simulations (non montré ici).

Þ Décision de produire 350 Ponts Actifs … pour ATLAS 2015 (Cracks et MBTS).Þ Certifications (Banc Test rénové) puis livraisons depuis juillet pour installation.

● Tests de radiation- Application stricte des règles ATLAS transférées sur sATLAS ( 3000 fb-1 )

avec tous les facteurs de sécurité et au moins 20 bases testées.

TID (Gammas) 525 Grays

NIEL (Neutrons) 1.5 1013 1 MeV eq.n/cm2

Remarque: ces valeurs pourraient être abaissées comparaisons mesures ATLAS/simulations 4

- Tests complets (Règles ATLAS) en cours par LPC

3 derniersétages Transistors

Diodes

PCB irradié

Avec électronique associéepour suivi total on-line.

- Tests aux neutrons: 9-10 septembre sur réacteur PROSPERO à Valduc (CEA) Effets réels des neutrons: pertes de gain des transistors. Analyses en cours, mais effets sur non-linéarités toujours < Ponts Passifs (insensibles radiations) Simulations, avant tests Ponts irradiés … pas encore retournés par Valduc. Attente de nouvelles règles ATLAS.

- Banc Test confié prochainement à Argonne pour tests Gammas équivalents.

● R&D bientôt achevée avec rédaction de 2 Tilecal Notes (Comparaisons, radiations). 5

- Tests préliminaires aux Gammas sur 4 Ponts à Argonne OK.

Very Front End (ASIC)et Mother Board 2

· Démonstrateur option 2 un seul lien à l’électronique Back End, avec le maximum de fonctionnalités dans un custom-made ASIC IBM CMOS 130 nm. - Convoyeurs de courant. - ADCs. - Intégrateur Digital pour calibration Cs. - Partie de calibration CIS (DAC en dehors).

· FATALIC: rien de nouveau depuis dernière réunion- Convoyeur de courant 3-gains + étages shaping. - Testés au LPC, puis au CERN. FATALIC 1 (Juin 2010) FATALIC 2 (Déc. 2010) Tests au CERN (LED, Cosmiques) FATALIC 3 (Nov. 2011) Tests au CERN (Int. digitale)

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●TACTIC: ADC 12 bits

- Pipeline ”Classique”. - Résolution 12 bits.- 2 bits/étage.- 40 Msamples/seconde.- Technologie IBM 130 nm.- Soumis en aout 2012,

◊ Architecture

TACTIC 1 (1.8 x 1.8 mm2)

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reçu en février 2013.

◊ Simulations

- ENOB de 10,81 bits @ 40 MS/s.- Consommation : 112 mW.

◊ Tests statiques et dynamiques

- Résultats très dépendants de la qualité du signal en entrée.

Travail sur le banc test précision souhaitée.

◊ Premiers tests basiques chip vivant ?

L’ADC marche,® Bcp de parasites dus à l’environnement.

ADC output to a 10kHz sinwave @ 40 MS/s

Banc Test

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◊ Tests plus complets

Bruit mesuré de 0.83 LSB

- Bruit intrinsèque

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▪ Importante: la même sur tout les chips. Les gains à chaque étage ne sont pas à 2 comme prévu.

Explication: - Déséquilibre dans la répartition des "éléments capacitifs parasitifs" sur les éléments de contre-réaction du gain perte de gain. - Simulations les masses de comblement additionnelles sont à l’origine de ce déséquilibre.

- Non-linéarité intégrale (INL)

▪ Corrections software prenant en compte valeurs observées des gains Correction de toute la NL. ADC ENOB ~ 11 bits.

Þ Layout en cours de modification.Þ Fonderie dès que possible ( 10K€ pour 2013 provisionnés). 10

◊ Prochaines étapes

- Fonderie TACTIC2 < Fin 2013.

- Collaboration avec IPHC Strasbourg pour la carte 3in1

avec FATALIC3 + TACTIC2 "bondé" directement sur le PCB.

- Fonderie FATALIC4: fin 2014.

◊ Travaux en parallèle

Design final carte 3in1 (avec DAC) et Mother Board 2.

Amélioration de l’intégration digitale au niveau du bruit: bruits différents au LPC et au CERN: POURQUOI ? nouveaux tests au CERN requis.

Décisions sur le "peaking time"  et sur le "shaping" (actuellement non symétrique) simulations en cours, pouvant aller jusqu’à "l’optimal filtering."

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Hautes Tensions

● Deux options en compétition pour l’upgrade

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◊ HT embarquées: régulations PMT dans les Tiroirs - Solution ATLAS conçue par le LPC: reprise par Argonne et Lisbonne pour l’upgrade, mais pas par le LPC "même si c’est une solution extraordinaire"  et malgré les sollicitations Tilecal, Radiations au HL-LHC. Le coût. La non motivation des ingénieurs (et physiciens) du LPC.

Le LPC joue un rôle d’expert, mais ne contribue pas. ◊ HT non embarquées: Régulation dans USA15 Reprise des cartes actuelles. Distribution par câbles.

Performances à démontrer par le LPC.

ChassisRegulation

SourcesHT/BT

DCS Opérationnel

Cables multiconducteurs

- 1m.- 4 x 20 m long (Bât. 175)- 100 m (ATLAS)

● Le point au LPC

Problèmes de bruits à résoudre (BT ?)13

Mécanique:Mini-Tiroirs et outillages

· Validation du concept des Mini-Tiroirs Test au CERN, pour différentes positions (0°, 45°, 90°) en accord avec calculs théoriques.

Tests at 45°

Þ Décision à Stockholm de retenir ce concept.Þ Etudes ultérieures et réalisations confiées à Barcelone et Bucarest.

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· Outillages: Validation du concept de Slider et de Paniers Tests au CERN, avec modules 3 Tilecal à 90° et un Module à différents angles.

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95 cm

Possibilité de manutention dans un espace restreint

Þ Suite des travaux sur l’outillage: - Version 3 du Slider. - Version 2 du Panier. prêtes à être testées au CERN.

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Conclusion et prospectiveR&D Prospective et échéances

Ponts Diviseurs actifs- Tests Gamma par Argonne < fin 2013.- Analyse finale tests neutrons au LPC < fin 2013.- Rédaction de 2 Notes (Certification, Radiations) < fin

2013.- Fin R&D: fin 2013.

Hautes Tensions externes

- Recherche de la source de bruit.- Tests LPC ,puis CERN (Bât. 175), puis ATLAS 2015.- Fin R&D au printemps 2014 ?

Méca-nique

Mini-Tiroirs - R&D terminée Suite confiée à Barcelone et Bucarest.

Outillages- Nouveaux tests programmés au CERN < fin 2013.- Utilisation par les autres laboratoires dès 2014.- Activité (légère) maintenue en 2014 pour évolutions.

VFE/FE

VFE:FATALIC/TACTIC

- Fonderie TACTIC2 << fin 2013.- Nouveaux tests intégrateur sur FATALIC3 < fin 2013 ?- Décisions sur "Peaking time" et "Shaping"  < fin 2013 ?- Solution intermédiaire "bondée"  et tests au CERN < été

14.- TACTIC4: fonderie fin 2014.

FE: MB 2 - Première version au printemps 2014.- Version reprise pour FATALIC4 < fin 2014.

L’activité LPC sur VFE/FE sera en 2014 l’activité majeure. 17