1

CSP Super-ATLAS Phase IILPC, 21 octobre 2013

Roméo Bonnefoy, Dominique Pallin, François Vazeille

2

●Le contexte général●Les R&D au LPC●Conclusion et perspectives

3

Le contexte général

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Périodes Calendrier Energie( TeV)

L instantanée

(cm-2 s-1)

L intégrée(fb-1)

Phase 0 2009-2013 7 puis 8 3 x 1033 puis

~ 20

LS1 2013-2015~ 20 mois

Phase 0 2015-2017 13 (14) 1 x 1034 ~ 50-100

LS2 2017-2018 14 mois

Phase I 2019-2021 14 2-3 x 1034 ~ 300-400

LS3 2021-2023 27 mois

Phase II 2023-2034 14 (33) 5-7 x 1034 ~ 3000

Remarque: le CERN va très probablement bénéficier de « l’effet Nobel »

au prochain workshop annuel à Annecy (début 2014) pour officialiser

la totalité de ce tableau.

En rouge: les valeurs nominales pour LHC

● Les différentes périodes du LHC

6 mois pour Calorimétrie

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● Principaux Documents/Conseils officiels

Date Lieu Nature Intitulé

15 avril2008

CERN Expression of Interest

R&D on Tile Calorimeter Electronics for the sLHC

Décembre2008

CNRS Conseil scientifiqueIN2P3

Activités d’upgrade sur ATLAS

Décembre2011

CERN Letter of Intent Phase-I

ATLAS Letter of Intent Phase-I Upgrade

19 janvier2012

LPC Conseil scientifiqueLPC

Activités LPC sur sATLAS

21 juin2012

CNRS Conseil scientifiqueIN2P3

Contributions du CNRS/IN2P3 à l’upgrade d’ATLAS

Décembre 2012

CERN Letter of Intent Phase-II

ATLAS Letter of Intent Phase-I Upgrade

+ Présentations en Comité Scientifique, Mini-AG, CERN et ailleurs… (Voir le site indico sATLAS cité plus loin)

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● Tableau des couts CORE pour sATLAS (LoI Phase-II, page 134)

Calo. Tuiles:7.483 MCHF

= ½ coût initial

Début du financement en 2018

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● Planning Calorimétrie/Trigger (LoI Phase-I, page 49)

Démonstrateur:≥ mi-2013

Début constructionUpgrade:≥ mi-2017

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● Les upgrades de l’électronique Tilecal

◊ Extraits de la LoI Atlas Phase-II

"… The entire calorimeter front-end and back-end electronics will be replaced … … The new electronics will digitise all channels every bunch crossing and transmits the data off the detector on high speed links to new backend electronics …" (Page 11, Calorimètres EM et Had)

"… The upgraded on-detector electronics will be organized in independent modules which cover half the size of the existing Drawers … …The mechanical design of the Drawers is being reviewed…" (Page 41, Calorimètre à Tuiles)

◊ Extraits du document ATLAS/IN2P3 soumis au CS

"… adoption du standard "IBM-130 nm" préconisé par le CERN pour tous les développements futurs en électronique. D’emblée, ce choix présente de multiples avantages: tenue aux radiations éprouvée, uniformisation des composants permettant d’homogénéiser les tensions d’alimentation et d’intégrer différents composants si besoin." (Page 24, Upgrade des Calorimètres Phase I)

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ATLAS sATLAS

SolutionIdéale

avec un ASIC

IBM-130 nm

et le minimum d’électroniqueet de câbles/connecteurs

autour(Requête Tilecal)

ASIC

10

3en 1discret

ASICASICQIE

MB1 MB22 MB33

DBB

Inté-grateu

r

Inté-grateu

r

BE

Chicago

Clermont-Fd

Argonne

MB = Mother BoardDB = Daughter Board Stockholm

ATLAS sATLAS3 options

11

3en 1discret

ASICASICQIE

MB1 MB22 MB33

DBB

Inté-grateu

r

Inté-grateu

r

BE

Chicago

Clermont-Fd

Argonne

MB = Mother BoardDB = Daughter Board Stockholm

sATLAS3 options

Clermont-Fd: solution idéale

ASIC

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″Super-Tiroir″ complet + électronique ″Back-end″ + ″MobiDICK4″

Tests dans le Hall 175 au CERN en 2013-2014 avec les 3 options ″Front End Tiroir″ concurrentes choix final. Faisceau test en 2014 (?). Equipement de 1 à 4 Modules Tilecal pour la reprise LHC en 2014.

Réunion Tilecal upgrade

à Stockholm

◊ Concept du ″Démonstrateur″

DétecteurElectronique

VFE et FEElectronique

BEBanc testou DAQ

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Les R&D au LPC

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●Historique de l’engagement- 2004-06: Dominique Pallin représentant du TILECAL dans l’upgrade ATLAS- 2007-2012: François Vazeille membre du Tilecal upgrade Steering group Christian Bohm (Stockholm) Larry Price (Argonne) Juan Vals Ferrer (Valence) François Vazeille (Clermont-Ferrand)- 2008: début des activités de R&DR&D CSP

Ponts Diviseurs actifs

5 mars 2009

11 janvier 2012 21 octobre 2013Hautes Tensions

6 octobre 2009Mécanique

ASIC VFE/FE7 décembre

2010Toutes les informations sur la R&D au LPC:http://atlas-clermont.web.cern.ch/atlas-clermont/satlas.html

Tous les exposés depuis 2005 accessibles dans la rubrique ″Liens utiles″

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●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 de 20 ponts actifs/passifs/PMTs

Transistors+ Diodes

sur les 3 derniers étages

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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 vont être abaissées comparaisons mesures ATLAS/simulations

43% 40%

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- 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. Plus favorable avec nouvelles règles ATLAS.

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

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

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◊ Derniers travaux avant clôture R&D

- Rédaction de 2 Tilecal Notes □ Comparaisons systématiques des Ponts: déposée au CERN, mais mesures de bruits manquantes □ Radiations, après analyses neutrons et mesures Gammas.

- Défauts de fabrication des 350 Ponts actifs □ 80% des Ponts rejetés à la première livraison (niveau soudure câble HT). □ Après retour (et nouveaux câbles): défauts encore persistants (soudures dans nouvelles gaines)

Réparations … au LPC: examen visuel, réparation, certification sur Banc Test.

- Clôture R&D fin 2013

Remarque: le Banc Test rénové devra être renforcé pour production finale.

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●Hautes Tensions

◊ Deux options en compétition pour l’upgrade

- 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.

◊ Six options dénombrées par le LPC

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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 ?)

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◊ Derniers travaux avant clôture R&D

- Comprendre l’origine du bruit □ 50 Hz. □ 100 KHz du probablement aux alimentations à découpage sur le châssis.

Blindage et alimentations extérieures ?

- Tests de validation/rejet □ Au LPC. □ Au CERN (Hall 175) avec les 3 longueurs de câbles.

- Equipement (si problèmes résolus) des Démonstrateurs dans le Hall 175.

- Clôture R&D vers le printemps 2014 Décision Tilecal d’équiper les Démonstrateurs dans ATLAS en 2015 ?

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● 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 manutentiondans un espace restreint:

contrainte d’installation satisfaite(6 mois maximum).

- Suite des travaux sur l’outillage uniquement - Version 3 du Slider. - Version 2 du Panier.

prêtes à être testées au CERN.

◊ Allègement de la R&D

- Utilisation sur les Démonstrateurs dans le Bât. 175 du CERN, puis dans ATLAS Evolutions possibles. Etudes possibles de Paniers en deux demi-coques (compatibles avec Mini-Tiroirs type Barcelone), et d’un Super-Panier (Tests possibles d’un Super-Tiroir in situ).

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●Very Front End (ASIC) et FE (MB2)

◊ 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 Technologie IBM CMOS 130 nm.- 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)

Cosmique (CERN)

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◊ TACTIC: ADC 12 bits

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

- Architecture

TACTIC1 (1.8 x 1.8 mm2)reçu en février 2013.

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- 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 et donc du Banc Test.

- 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

▪ Importante mais la même sur tout les chips. Les gains à chaque étage sont à 1,5 et non à 2 comme prévu.

▪ Explication simulations: les masses de comblement additionnelles sont à l’origine de ce déséquilibre. Reprise du lay-out.

□ 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).

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◊ Poursuite et renforcement de la R&D

- Fonderie TACTIC2 < Fin 2013.

- Collaboration avec IPHC Strasbourg pour la carte 3in1

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

- Fonderie FATALIC4: fin 2014.

- Design final carte 3in1 (avec DAC) et Mother Board 2. Information complète sur Daughter Board (Stockholm). Informations sur régulateurs BT ( CERN Argonne et Chicago) - 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" .  ▪Balance entre forme symétrique (Shaping supplémentaire) et forme dissymétrique (différent de la solution ATLAS)

●Comparaison au CET du 28-01-2013

- Ponts Diviseurs: tests radiation ≤ juin 2013.- Hautes Tension: ≤ septembre 2013.- Mécanique: ≤ décembre 2013.

Des retards un peu partout, mais impacts différents:informations extraites du document CET du 28-01-2013.

- VFE: □ FATALIC3: nouveaux tests intégrateur ≤ avril 2013 □ TACTIC1: tests ≤ juin 2013 OK malgré retards □ Démonstrateur 2 au CERN avec FATALIC3 + TACTIC1: ≤ novembre 2013 □ Démonstrateur 2 ci-dessus ou FATALIC4 dans ATLAS EB: printemps 2014

- FE: □ Carte 3en1: ≤ octobre 2013 □ Mother Board 2: ≤ septembre 2013

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Délais pas toutes tenus,mais non pénalisants.

Échéances non tenues et très pénalisantes si cela s’amplifiait.

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Feasibility tests Done

Design ASIC FATALIC 1 & 2 in IBM 130 nm Done

Test FATALIC1 & 2 @ C-F Done

Test FATALIC2 in Bld 175 Done

Design FATALIC3 Done

Test FATALIC3 @ C-F Q2-12

3in1/1 design Q1-12 3in1/1 tests @ C-F Q2/Q3-12

MB2/1 design Q1/Q2-12

MB2/1 tests @ C-F Q2/Q3-12

Design of TACTIC (ADC) Q1/Q3-12

TACTIC tests @ C-F Q4-12

Demonstrator FATALIC3 tests in Bld 175 Q3/Q4-12

3in1/2 design Q4-12

Demonstrator FATALIC3 + TACTIC tests in Bld 175 Q1/Q2-13

Design FATALIC4 Q2-13

Test FATALIC4 @ C-F Q4-13

3in1/3 and MB2/2 designs Q3-13

Demonstrator FATALIC4 tests in Bld 175 Q1/Q3-14

Tests in test beam Q3/Q4-14

Radiation tests Q4-14

◊ Dernier planning officiel pour VFE/FE (site ATLAS)

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Service Description tâches Responsables Dates mois ETP Ingé.

mois ETP Tech.

Electronique Coordination technique Roméo Bonnefoy Permanant 4

Test 220 Bases actives pour scintillateurs ? OctobreNovembre

0,2 0,1

Test aux radiations des bases actives Roméo Bonnefoy Novembre Décembre

0,5 0,05

Test de bruit avec les bases actives ? Novembre Décembre

0.5

Alimentation HV Roméo Bonnefoy Novembre 0,25

Finir les 4 Câbles HV Roméo Bonnefoy Novembre 0.1

Test Bus HV Roméo Bonnefoy Novembre 0,1

Carte VFE Roméo Bonnefoy Nov à Avril 1,5 0,5

Main Board (Mother Board) Roméo Bonnefoy Déc à Mai 4 0,5

Installation Démonstrateur au CERN Roméo Bonnefoy Entre Juin et octobre

0,5

Imprévu Roméo Bonnefoy Nov à Oct 2 0,5

Microélectronique Rapport de test de TACTIC1 Laurent Royer Nov à Déc 0.25

Carte VFE (design et test) Nicolas Pillet Nov à Avril 1,5

Installation Démonstrateur au CERN Nicolas Pillet Entre Juin et octobre

0,5

Nouvelle fonderie TACTIC2 en 2014 (design)

Nicolas Pillet Entre Janvet Juin

3+3

Test de TACTIC2 N P ou P E V Après Septembre 1

… Fonderie FATALIC4 ? Avant fin 2014 ?

Mécanique Fourniture d'un super tiroir ? Guy Savinel Nov à Déc 0,5 ?

Outillages d'insertion Guy Savinel Nov 0,5

Upgrade outillages Guy Savinel et ? Déc à octobre 2 à 4 1

Installation Démonstrateur au CERN Guy Savinel Entre Juin et octobre

0,5

Informatique Alimentation HV (Slow CTRL) Patrick Lafarguette Nov à octobre 0,1

◊ CET 2013 avec difficultés en rouge

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Conclusion et prospective

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● Prospective et échéancesR&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.- Rédaction d’une Note.

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 2014-2015 l’activité majeure.

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●Besoins

R&D 2014 Tableau CS Demande

Ponts Diviseurs 3 0

Hautes Tensions

0 2

Mécanique 15 5

VFE/FE 20 24

Equipement labo.

7

Total 38 38

Manquerécurrent

Ce qui était prévu

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◊ Trop d’activités de R&D (4 activités) ?

- Ponts Diviseurs actifs: R&D se termine avec succès: 2009 fin 2013 □ Les résultats. □ L’utilisation anticipée Phase 0.

- Hautes Tensions: R&D s’achèvera prochainement : 2009 printemps 2014 succès solution "à la LPC" ATLAS □ Option embarquée: Reprise par d’autres laboratoires des schémas LPC. ( Argonne et Lisbonne) □ Option déportée: tests en cours et utilisation dans hall 175 début 2014.- Mécanique des Tiroirs: cette R&D s ’allège avec succès 2009 fin 2014 □ Adoption du concept de Mini-Tiroirs et reprise par d’autres laboratoires (Barcelone et Bucarest) □ Adoption du concept sur les outillages et poursuite de l’activité. - Electronique VFE/FE: cette R&D continue 2010 2015 ? La seule solution située selon le "schéma idéal" . R&D majeure à partir de maintenant, avec échéances proches.

● Des pistes de réflexion

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◊ D’autres laboratoires sont-ils impliqués ? - Cadre global des upgrades Tilecal et Atlas.- Il y a d’autres activités upgrade Tilecal en dehors de l’électronique, donc d’autres laboratoires (Grands scintillateurs, Système Césium, Trigger …), et plus globalement ¾ Instituts Tilecal pour les tests (3/4 x25 laboratoires)- La partie VFE/FE implique: Chicago, Argonne, Clermont –Ferrand, Stockholm, Valence, Lisbonne, Barcelone, Bucarest, Protvino, …

L’option LPC est la seule suivant le cahier des charges idéal - Le risque principal est de ne pas concourir à temps. - Les FATALIC ont déjà vu des particules au CERN (Cosmiques, Césium + LED). - Il n’y a pas de recherche sans prise de risque.

Notre plus grande prise de risque est derrière nous: la promotion du Tilecal !

◊ Quelle est notre visibilité ?

◊ Trois options concurrentes donc des risques ?

- Elle existe depuis longtemps.- Elle est toujours vraie dans les upgrades (Ponts, HT, Mécanique) et se poursuit avec l’électronique VFE/FE.

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◊ Activités VFE innovantes au début, moins maintenant, et attente de réponses

- Technologie IBM CMOS 130 nm nouvelle au LPC.- FATALIC1-2-3 (pièce maîtresse) et TACTIC1 (ADC) fonctionnent.- Pas encore au top R&D innovantes à poursuivre, y compris FATALIC4. qui sera l’aboutissement des innovations.- Des réponses partielles ont été données sur "peaking time"  et "shaping", après discussion dans le Tilecal ◊ Le choix actuels peuvent convenir Suffisant pour concourir ! ◊ Il restera du temps pour modifier … si requis.

◊ Le manque de physiciens- Ce serait mieux s’il y en avait plus Recrutements programmés. Les physiciens présents ont quelques compétences et ne sont pas des débutants.

- Néanmoins les R&D ont progressé - VFE: Dominique Pallin (+ Nabil Ghodbane) - Le reste: François Vazeille

Tableau intéressant: les tests en dehors du LPC.

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R&D Lieu et Date

Nature des tests Personnelstechniques

Physiciens

Mécanique

CERN Glissement des Tiroirs et Mini-Tiroirs

F. DaudonG. MagaudP. Verdier

F. Vazeille

CERN Slider 1 G. MagaudR. Bonnefoy

F. Vazeille

CERN Slider 2 Basket 1 R. Bonnefoy F. Vazeille

CERN Idem +Mini-Tiroirs Barcelone

F. Granena(Barcelone)

F. Vazeille

Hautes Tensions

CERN Insertion Châssis HT R. Bonnefoy F. Vazeille

Ponts Diviseurs

Dijon Irradiations neutrons (R. Bonnefoy) T.Theveneaux-Pelzer

F. Vazeille

Electroniqueµélectroniqu

e

CERN Fatalic1 N. PilletL. Royer

F. Vazeille

CERN Intégrateur Fatalic2 R. BonnefoyT. Edvard

G. GillesD. Pallin

F. Vazeille

Huit séries de tests en dehors du laboratoire

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◊ Organisation des travaux

- Continuer la mise à jour des exposés, réunions, etc. sur indico.- Avoir une participation plus fournie aux réunions Tilecal au CERN ou par visio.- Reprendre les réunions de suivi: 1 réunion tous les 15 jours de 30 minutes, suivie ou non d’une réunion dédiée.

L’activité upgrade Tilecal au LPC a déjà une longue histoire:- Début en 2004.- Début des R&D en 2008.- Des succès reconnus sur les 4 R&D en cours.- Convergence vers une R&D prioritaire: le VFE/FE du Tilecal, ▪ Correspondant à la solution dite idéale. ▪ Bien avancée, mais contrainte par un planning serré pour le choix.

Il appartient au LPC de définir ses priorités.

41

Réserve

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"Même si, encore une fois, la phase 2 n’était pas formellement en discussion lors de ce conseil, ces points ont fait débat: les R&D de la phase 2 doivent en effet être menées en parallèle avec les développements et constructions de la phase 1." 

◊ Conclusions CS IN2P3 Juin 2012

"La conseil souhaite avoir à en rediscuter au moins lorsque les décisions importantes seront prises pour la phase 1 en 2014."

◊ Conclusions CS LPC 19 janvier 2012"Le Conseil estime que les contributions demandées sont en continuité directe de ce que le groupe a réalisé précédemment et dans les compétences des services techniques. Ces demandes restent raisonnables et proportionnées, et doivent être encouragées dans les limites des possibilités du laboratoire. "

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ATLAS Phase I

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ATLAS Phase II

ATLAS/LPC deeply commited