Prototyp Entwicklung.

Transkript

1 Prototyp Entwicklung. Analoges, hadronisches Kalorimeter für den ILC Mathias Reinecke SEI Tagung DESY, Inhalt > CALICE und ILC DESY FE CALICE: Gruppen und Detektoren Particle Flow und ILC Randbedingungen > Analoges Hadronisches Kalorimeter Aufbau für den ILC Szintillations Ziegel mit Silizium Photomultipliern (SiPMs) Auslese-Elektronik und DAQ > Zusammenfassung Szintillations Ziegel vor der Bestückung Mathias Reinecke SEI Tagung DESY Page 2

2 DESY FE Zentrale Elektronikentwicklung DESY (Servicegruppe), ca. 30 Personen Digitale Datenverarbeitung, Schnelle Bussysteme, ECAD System Administration Analoge Schaltungsentwicklung, Mikrocontroller, Systemdesign/-entwicklung Mikro- und Optoelektronik, Meßsysteme Kalorimeterprojekt: FEA und FEB für DESY FLC im Rahmen der CALICE Collaboration Mathias Reinecke SEI Tagung DESY Page 3 ILC: Detektor Konzept ILD > 4tghMagnet (5T) CALICE Tail Catcher / Muon Tracker (TCMT) Hadron. Calorimeter (HCAL) Elektromagn. Calor. (ECAL) Time-Project. Cham. (TPC) Strahlrohr Mathias Reinecke SEI Tagung DESY Page 4

3 CALICE Kollaboration Entwicklung und Realisierung von neuen Detektorkonzepten (Kalorimetrie) für den International Linear Collider (ILC), kombinierter Teststrahlbetrieb der Detektor-Prototypen. SCECAL, SiW ECAL DETEKTOREN: SDHCAL, US DHCAL AHCAL TCMT 336 Mitglieder aus 57 Instituten und 17 Ländern Mathias Reinecke SEI Tagung DESY Page 5 Particle Flow Algorithm (PFA) Simuliertes Ereignis im Detektor. > Ziel : Einzigartige Möglichkeiten zur Untersuchung von schweren Teilchen > Forderungen an den Detektor: Hohe Energie-Auflösung: Hohes Magnetfeld (5T?): Rekonstruktion jedes Teilchens eines Jets (Kombination von Tracker und Kalorimeter) Großer Durchmesser: Effizientes Tracking (aber: Magnet außen! =>Kosten) Hohe Granularität: Hohe Separation von einzelnen Schauern zur Identifikation von neutralen Teilchen im Kalorimeter. Hohe Integrationsdichte (Elektronik) Mathias Reinecke SEI Tagung DESY Page 6

4 International Linear Collider (ILC) Randbedingung für die Elektronik vom Beschleuniger > Schnelle Datennahme (5MHz), analoge Speicherung (ECAL, AHCAL), moderate Datenverarbeitung und Auslese zwischen Bunch Trains. > Keine aktive Kühlung im Front-End! AHCAL: 40µW / Kanal. > Geringe Strahlenbelastung im Vergleich zu LHC. Mathias Reinecke SEI Tagung DESY Page 7 Analoges, hadronisches Kalorimeter (AHCAL) > 48 Lagen Stahl/Wolfram - Detektor Kanäle pro Lage. > Fast 4 Millionen Kanäle im HCAL Barrel. 1/16 HCAL Modul: > 24t. > AHCAL: Eine mögliche Realisierung des HCALs für ILC. Mathias Reinecke SEI Tagung DESY Page 8

5 AHCAL Elektronik Integration Nicht-Absorber Höhe: 5.5mm (davon 3mm: Szintillator) Mathias Reinecke SEI Tagung DESY Page 9 HCAL Base Unit (HBU) und Systemaufbau Mathias Reinecke SEI Tagung DESY Page 10

6 Szintillator-Plättchen und SiPMs Bestückung HBU Rückseite > Szintillator Plättchen: 3 x 3 x 0,3 cm³ > SiPM: Verstärkung ~10^6, 796 pixel, 1.27mm² aktive Fläche. SiPMs ermöglichen hohealignment Integrationsdichte Reflector im Vgl. Foil zu HBU PMTs. > SiPMs : CPTA, Ziegel: ITEP Mathias Reinecke SEI Tagung DESY Page 11 Auslese-ASICs SPIROC2 (4 auf dem HBU) SPIROC2 Eingangsstufe (1 Kanal) > 36 Eingangskanäle mit individueller SiPM Bias Regelung (8bit-DAC). > Interner Trigger (ILC liefert keinen Trigger). 25µW/Kanal Verl.-Leistg. > Zwei Verstärkungen (1pe 2000pe), 12-bit ADCs und TDCs on-chip. Alignment Reflector Foil HBU > SPIROC2: LAL/Omega Mathias Reinecke SEI Tagung DESY Page 12

7 HBU PCB: Höhenoptimierung I Schliffbild PCB Platzierung von hohen Komponenten in Ausschnitten des PCBs. HBU Größe (36 x 36 cm²) limitiert durch technologische Machbarkeit. Mathias Reinecke SEI Tagung DESY Page 13 HBU Interconnect: Höhenoptimierung II Verwendung von ultraflachen Konnektoren (0.8mm) und Flexfolien (Starr-Flex), 80pins. nach >100 Steckzyklen noch ok! Mathias Reinecke SEI Tagung DESY Page 14

8 DIF Modul ( Detector Interface ) DIF Modul: Basisplatine > Schnittstelle zur DAQ. > Kommerzielles FPGA Modul: Schnelle Inbetriebnahme > Basiert auf Xilinx Spartan3 FPGA XC3S1500 > Firmware Entwicklung bei FE. > CALIB und POWER als Mezzanine Module auf DIF > 2 Module vorhanden. > Eigenentwicklung in Arbeit. Mathias Reinecke SEI Tagung DESY Page 15 CALIB Modul (Detektor Kalibration / Gain Überwachung) Problem: SiPMs: - Nichtlineare Detektorantwort: CALIB Modul: 11 x 10 cm² ARM7 µc - Starke Abhängigkeit von Temperatur und Biasspannung (mehrere % pro Grad und 0.1V) > Steuerung des auf UV LEDs basierenden Kalibrationssystems. > Steuerung der Slow-Control Auslese (Temperatur, Us, Is). > ARM7 Mikrocontroller. Mathias Reinecke SEI Tagung DESY Page 16

9 Kalibrationssystem (auf dem HBU) > 1 UV-LED pro Ziegel (Kanal). > Kalibration über charakt. Pixelstruktur der SiPMs (Histo.) > Problem: LED-zu-LED Streuung der Lichtleistung. 1 Cent LED Mathias Reinecke SEI Tagung DESY Page 17 POWER Modul > Spannungsversorgung für die Front-End Elektronik aus 3 Eingangsspannungen. > SiPM Bias Spannung. > Power-Pulsing für den ILC Betrieb (Last schaltet mit 5Hz). POWER Modul: 12.5 x 11 cm² ARM7 µc > 4 Module realisiert und in Betrieb. > Größe muß noch an ILC Anforderungen angepaßt werden. Mathias Reinecke SEI Tagung DESY Page 18

10 Labview (LV) GUI / DAQ > LV USB Schnittstelle zum Prototyp. > Prototyp vollst. gesteuert durch LV GUI. > Datenanalyse mit weiteren LV Programm. Mathias Reinecke SEI Tagung DESY Page 19 Erste Meßergebnisse Mathias Reinecke SEI Tagung DESY Page 20

11 DESY testbeam (HBUII) > Prototyp am DESYII Elektron Testbeam (6GeV Elektronen). DIF with CALIB and POWER HBU in Cassette Mathias Reinecke SEI Tagung DESY Page 21 Zusammenfassung > Prototyp System für ein analoges, hadronisches Kalorimeter für einen möglichen Einsatz am ILC wurde fertiggestellt. > Prototyp basiert of Silizium Photomultipliern (SiPMs) mit 144 Detektorkanälen, kann auf 864 Kanäle erweitert werden (pro DAQ). > Eine eigene DAQ mit USB-Labview Schnittstelle wurde entwickelt. > Erste Meßergebnisse vielversprechend voll im Rahmen der Anforderungen. Mathias Reinecke SEI Tagung DESY Page 22

12 Ausblick AHCAL Tailcatcher (TCMT) ECAL DAQ-Electr Prototyp 1. Generation > ECAL + HCAL + TCMT: 14k Kanäle > CERN SPS Testbeam für 2 Monate > Aber: Detektor und Elektronik nicht zusammen integriert. => aktuelles Redesign (Prototyp) > Testbeam: Ziel auch für den neuen Prototypen Mathias Reinecke SEI Tagung DESY Page 23 Veröffentlichungen für weiteres Lesen > T. Buanes et al., The CALICE hadron scintillator tile calorimeter prototype, Nucl. Instr. and Meth. A (2010) > M. Reinecke for the CALICE Collaboration, Integration Prototype of the CALICE Tile Hadron Calorimeter for the International Linear Collider, IEEE Nucl. Sci. Symp, N30-178, Dresden, 2008 > J.C. Brient and H. Videau, The calorimetry at the future e+ e- linear collider'' Proc. of the APS/DPF/DPB Summer Study on the Future of Particle Physics, pp E3047, Snowmass, Colorado, 30 June - 21 July 2001 Mathias Reinecke SEI Tagung DESY Page 24