Post on 13-Jan-2016
description
État de la R&D sur l’enveloppe Silicium D’après Aurore Savoy-Navarro
LPNHE-Universités de Paris 6&7
La Collaboration SilC
Progrès de la R&D dessin de l’Enveloppe-Si
Mécanique
Electronique
Programme futur
COLLABORATIONCOLLABORATION SiLCSiLC
Collaboration Internationale depuis début 2002 [ChicagoWorkshop]
But: R&D sur les détecteurs Si pour le traceur du futur LC
Qui: Santa Cruz (Dorfan et al), SLAC (Jaros et al), Colorado, Tokyo, Wayne(Bellwied et al), MIT (Fisher), LPNHE, BNL; Plusieurs instituts Européens et Asiatiques (Japon, Corée, Taiwan) intéressés
La plupart de ces groupes sont déjà experts et même certains sont parmi les tous premiers de ce domaine de R&D.
Deux détecteurs sont considérés:
L’enveloppe-Si (LD ou TESLA)
Un détecteur de traces (traceur) tout Silicium (SD)
Voir: http://lpnhe-lc.in2p3.fr/
http://blueox.uoregon.edu/~lc/randd.html
Concepts de Traceurs:
Traceur tout Silicium (SD)
Enveloppe Si
SIT
SET
FTD
Si-FCH
L’Enveloppe-Si (Dessin en CATIA)
Angles couverts par l’Enveloppe-Si
Nb de points d’impact du Traceur Si
Avec 4 plans UV dans la FCH
Assure une couverture de tracking de 7 à 90 degrés en azimut avec environ 10 points en moyenne dont 4 dans la FCH
La Collaboration SiLC réalise une R&D générique, indépendante du concept du Traceur,
focalisée sur:Plusieurs technologies de senseur:
µstrips courts, µstrips longs, SDD(contacts avec Canberra, Hamamatsu, ST
Microelectronics)
R&D sur l’Electronique Front-end pour chaque cas,
Digitisation, trigger,
Mesure du temps(SDD)
Cablage & packaging
Alimentation pulsée
R&D sur la MécaniqueTransparence, herméticité, architecture,
modularité du support , rigidité, déformation, refroidissement, alignement, cablage,
Etudes de SimulationDéveloppement des outils:
Simulation complète(GEANT4)
Simulation rapide,Pattern recognition,
Algorithms de reconstruction des traces
Etudes des besoins de la Physique (précision, dE/dX…), Performances du
Détecteur, y compris des
comparaisons entre différentes
techniques et concepts de détecteur .
Beaucoup d’activité dans la Collaboration,
avec de nombreux outils différents
(legs des expériences précédentes)
NOUS BENEFICIONS NOUS BENEFICIONS ::
d’une d’une expertise expertise déjà existante venant desdéjà existante venant des::
PrécursPrécurseueurs:rs: détecteurs Microvertex du LEP (6 senseurs à µstrip par échelle)
STAR (SDD µvertex) ALICE
Traceurs Silicium de grande surface:
CDF au Run II: 3.5 m2 de détecteurs µstrip
AMS avec 6 m2 en échelles de µstrip [ 15x4.2cm length]
ATLAS et CMS traceurs Si de très grande surface
[la prochaine génération: ~ 200 m2]
En collaboration avec ces expériences, NOTRE BUT est de partir de l’état de l’art actuel et de continuer la R&D pour le LC, ce qui sera utile aussi pour:
les upgrades des expériences LHC
le dévelopments de traceurs pour les astroparticules
!!!!DIMINUER LA MATIÈRE!!!!Longues échelles de µstrips
Longs temps de mise en forme à l’entréeAlimentations pulsées
Refroidissement passif (finalement?!) Granularité fine (valeur du pas)
haute précision (centroïde) Détecteurs Minces ( 300µm)
rapport largeur/pas!Coûts Réduits
(loi de Sadrozinsky) Structure mécanique légère
PRINCIPAUX SUJETS DE R&D
État de la R&DJ.E Augustin,M. Baubillier, M. Berggren, B. Canton, C. Carimalo, C. Chapron,
W. DaSilva, D. Imbault, F. Kapusta, H. Lebbolo, F. Rossel, A. Savoy-
Navarro, D. Vincent [LPNHE-Paris]
1) Mise en place du banc de test au Labo:
Contacts avec les Collaborations AMS et CMS, et Hamamatsu
2) Continuation de la R&D mécanique:
EUCLID CATIA (Dessin détaillé)
Progrès dans le dessin des Si-FCH
Etudes des questions de refroidissement:
sur un prototype mécanique de tiroir
avec des logiciels appropriés
Réalisation de prototypes en fibres de carbone des tiroirs et de la structure alvéolaire
1)1) BANC de TEST BANC de TEST ppoouur SENSr SENSEUEURSRS-SI-SI & & Électronique FEÉlectronique FE
SCIPP+SLAC:SCIPP+SLAC:
Développement en cours de la simu de l’impulsion du Si-detector pour c comprendre les questions liées: au B élevé, à la diffusion, au partage d’impulsion, etc… qui déterminent le chip d’entrée.
But actuel: démontrer le faible bruit et l’alimentation pulsée de l’amplificateur d’entrée d’un système de lecture à temps de mise en forme long.
Tests d’une échelle de 2m de long faite de senseurs de 10cm, et pas de 250µm (GLAST)
LPNHE Paris:LPNHE Paris: Installation du banc test en cours:
1er proto d’échelle: = 7 senseurs AMS (4.0 cm long, épaiss. 300 µm, double face, pas 110 et 208 µm, bonding permettant de tester des µstrips de 28, 56, 112, 224 cm… de long et divers pas de lecture) Fabrication mécanique terminée, bonding en cours.
2nd proto d’échelle: = 6 senseurs CMS-TOB, µstrips 9.45 x 6 cm long (pas de 183 µm, 500 µm épaisseur) Petits protos disponibles
ObjectiObjectiffs:s: 6 ‘’ 12 ‘’ wafers
500 µm 300 µm d’épaisseur
183 µm 50 to 100 µm de pas
Double-face (avec ou sans double
métalisation) : meilleur yield
(> 50%) …& moins cher
Études PréliminaÉtudes Préliminaiirreses du du circuit d’entréecircuit d’entrée : : Électronique FE d’AMS: Circuit VA ou: accès direct par sonde.Caractériser les signaux de sortie sur le banc test, rechercher un préampli à bas bruit adapté &/ou en développer un.
1er proto d’échelle: = 7 senseurs AMS
PPointoint de Départ de Départ: systèm: système de lecturedu e de lecturedu traceur-traceur-SiSi d’AMS d’AMS (Remerciements dûs à G. Ambrosi, Ph. Azzarello, W.Lusterman et Les groupes AMS de ETH-Zurich, Geneva U.& Peruggia U. Pour leur aide)
Front-End du Traceur Reduction de données du Traceur
Capa Entrée = 33 –72 pF
VA_hdr/AMS64:
64 charge ampli+CR-RC shaper+ S&H + 64 ch connectéa aubuffer de sorite courant-tension parun mux analog seq. RO@10 MHz ENC Measuré=(350+4/pFxC) électrons à 6 µsec peaking time
12 bit low power A/D (CLC949), as need:large dynamic range +/- 100 MIPs dig. @ 5 MHz
A/D coupled to DSP via FPGA (Xilinx XC4013)= buffer for up to 3 evts &sequencer for FE timingsignals and synchro data transfer.
16 bits-DSP @30MHz forcalib and data compression
AMS2 : new improved Readout systemAMS2 : new improved Readout system
New Front End:New hybrid: VA64_hdr9a, 0.8µ (IDEAS)Internally generated biases, internal calib capaNominal gain 1.4 µA/fCNominal peaking time 6 µsecENC=(300 + Cdet x 5/pF)e- Good gain stability & small pedestal spread
New readout scheme:Simplified and HCC(Hybrid Control Circuit)Minimize digital cable lineControl daisy chain of VAIncrease system reliabilityFollows space rules
By courtesy of G. Ambrosini
2) R&D Mécani2) R&D Mécaniqueque:: ÉÉlléments éments de base du projet dede base du projet de détect détecteueurr
Échelle
Tiroir
Structure alvéolaire
Passer d’EUCLID à CATIA
Le long tiroir est fair de 5 échelles; chacune est faite de 6 senseurs CMS-TOB. Le tiroir a environ 2.5 m de long.
Échelle: 6 senseurs
R&D Mécanique (suite): Dessin des Si-FCH
Modularité: échelles de 4, 5 ou 6 senseurs
4 Quadrants
4 XUV formés de 6 sensors: double face: 4 XU & 2 VV
XUVVUXXUVVUX
Dessin CATIA de la partie centrale extérieure de l’Enveloppe-Si: le SET
Dessin CATIA de la structure alvéolaire des Si-FCH
Composants de l’enveloppe-Si: quelques chiffres
Composant de l’enveloppe-Si Item Total Number
Si-FCH (XUV) Nb de couches
Nb d’échelles , 4 senseurs
Nb d’échelles, 5 senseurs
Nb d’échelles, 6 senseurs
Nb canaux par bouchon
Puissancs dissipée
4 XU + 2 VV
192
480
288
983,000
393 Watts
SET Nb de couches
Nb de couches
Nb de canaux
Puissancs dissipée
2 simple- + 1 double-face
4480
2,293,760
920 Watts
SIT Nb de couches
Nb de couches
Nb de canaux
Puissancs dissipée
2 double-face
38 + 94 =132
270,336
110 Watts
R&D Mécanique (suite): PROTOS en fibre de carbone
Structure alvéolaire: Plusieurs firmes françaises contactées pas de pb attendus pour réaliser la structure proposée aux dimensions demandées
Structure en fibre de carbone des tiroirs: Étude mécanique, dessin et outils de fabrication et de collage d’une section de tiroir faits au LPNHE(/PCC )
1er proto de la structure du tiroir: épaisseur 2mm, 20cm de long.
Réduire à ép. 1mm, avec 2.5m de long Couper la structure en 2 pièces.
R&D Mécanique (suite):Études et Tests de Refroidissement sur PROTOS
Entre les résistances
27
27,2
27,4
27,6
27,8
28
28,2
28,4
28,6
28,8
0 50 100 150 200
abscisse ( cm )
tem
pér
atu
re (
° C
)
60 V
82,5 V
Résistances 1 2 3 4 5Température
( ° C )38,2 40,0 39,9 38,8 37,0
Température en fonction de la résistance
36,5
37
37,5
38
38,5
39
39,5
40
40,5
0 1 2 3 4 5 6
résistance
tem
péra
ture
( °
C )
60 V
But: Voir si le refroisissement à l’eau au bout du tiroir de 2.5 m absorbe la puissance dissipée de 0.2watt/échelle
Modèle du tiroir de 2.5 m: une plaque de fibre de carbone en 5 parties, chacune = échelle de 60cm. FEE = résistance (0.8 ou 1.4 Watt). Puissance dissipée > & très localisée: essai pessimiste.
Convection natuelle: T°C varie au plus de 8°C
Nord 40,7 33,6 29,7 28,8Est 44,1 32,7 29,6 28,7Sud 37,2 31,4 29,9Ouest 45,5 33,8 30,1 29,1
Température ( °C )
Peripherie d'une résistance
25
30
35
40
45
50
0 1 2 3 4 5 6
Eloignement par rapport à la résistance ( cm )
Tem
per
atu
re (
° C
)
NORD
EST
SUD
OUEST
Un simple refroidissement à l’eau à l’extrémité du tiroir semble suffire.
Mesure de la température au voisinage de la résistance diminution rapide
Mesure de la température sans convection naturelle (suppression de ~80% ), T(eau à 19C) résultats semblables à la convection naturelle, Grad T<<10C
Études de simulation:dévelop- pement d’une simulation complète sous GEANT4: CAD mécanique efficace comme premier niveau de DB géométrie
Tokyo développe une simulation GEANT4 complète du traceur SD
Le travail de simulation complète est actuellement en cours.
Ces activités sont toutes en cours. Beaucoup a été fait depuis la 1ère ECFA-DESY Extended Studies Workshop de Cracovie de Septembre‘01
Premiers résultats de caractérisation d’une lomgue échelle
& étude du circuit d’entrée (prochaine ECFA-DESY Workshop)
R&D Mécanique visant:
Dessin CAD détaillé avec CATIA de l’Enveloppe-Si.
Construction de protos réalistes: une longue échelle (Lab), un long tiroir (Lab), un morceau de support alvéolaire (Industrie)
Mesures de refroidissement sur un proto mécanique réaliste & comparaison avec les calculs (ACORD, SAMCEF)
Études de simulation: But: développer une simulation GEANT4 détaillée ( incluant le pattern recognition)
Continuer le développement de la Collaboration SiLC.PRC
Perspectives proches