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