Transcript Gas detectors for ATLAS upgrade Aleksandr Khodinov

Газовые детекторы для
модернизации эксперимента
АТЛАС в ЦЕРН
А.С. Романюк, А.И. Ходинов
НИЯУ МИФИ
24.11.2011
ИТЭФ,
24 ноября 2011
А. Ходинов, МИФИ
1
Muon Spectrometer and Inner Detector of ATLAS
Технологии для высокоточной регистрации треков мюонов:
CSC: разрешение 60 μm на 1 слой детектора
MDT: разрешение 80 μm на 1 трубку/350 тыс трубок 5,500 м2
В эксперименте АТЛАС в области по псевдобыстротам |h|>2.0 в условиях
повышенной нагрузки более 200 Гц/см2 используются
катодно-стриповые камеры CSC
24.11.2011
А. Ходинов, МИФИ
Pixel (3 high res. 3D-space points):
~ 11 μm
SCT (4 3D-space points):
~ 16 μm in rφ, 500 μm in r
TRT (36 measurements):
~ 130 μm
2
Single counting rates in the Muon Chambers, Hz/cm2
LHC upgrade to happen in two phases:
LLHC=1034 cm-2s-1
Lphase1 ~ 3 LLHC (~2018)
Lphase2 ~ 5-10 LLHC (sLHC ~2022)
Bunch Crossing Phase2= 25 ns / 50 ns
m
Muon Spectrometer affected regions :
• End-Cap Inner (CSC,MDT,TGC)
• End-Cap Middle |η|>2 (MDT,TGC)
Total area ~400 m2
Goal: Replace the Small Wheels (CSC+MDT+TGC)
24.11.2011
А. Ходинов, МИФИ
3
Muon Atlas MicroMegas Activity (MAMMA)
collaboration
Arizona, Athens (NTU, U, Demokritos), Brandeis, Brookhaven,
U Carlton, CERN, Istanbul (Bogaziçi, Doğuş), JINR
Dubna,
LMU Munich, MEPhI Moscow, Naples, CEA Saclay,
USTC Hefei, South Carolina, Thessaloniki
24.11.2011
А. Ходинов, МИФИ
4
MAMMA proposal for 2018
The Small Wheel of ATLAS
TGC
4 chambers based on the bulk-micromegas per sector
2 x 4 layers per chamber
h strips for precision (pitch ≈ 0.5–1 mm)
f strips for 2nd coordinate (pitch 1–2 mm)
Precision measurement and 2nd coordinate in same layer
Max strip length ≈1.2 m
Total number of readout channels ≈ 2 M
24.11.2011
А. Ходинов, МИФИ
Total number of trigger channels ≈ 30k
5
Why micromegas?
Many good characteristics to fulfill ATLAS specs:
Able to operate in high rate environment 10 kHz/sm2
Chambers will be operated with an Ar:CO2 (93:7)
gas mixture (safe and cheap gas, no flammable
components)
Detector efficiency ~ 99%
Spatial resolution 60-80 mm at angles up to 45 degree
Time resolution 5 ns
Level-1 trigger capability BCID (angle ≈ 1 mrad)
200 Hz/cm2 due to neutrons with E>100 keV
Technology challenges:
• Discharges due to heavily ionizing events
• Fabricate large size chambers (~ 1x2 m2)
• Frontend electronics 2M channels
24.11.2011
Micro-TPC mode of operation to improve
resolution of inclined tracks
А. Ходинов, МИФИ
6
Bulk-micromegas structure
The bulk-micromegas technique uses PCB production tools and methods
The mesh is placed at a well controlled distance on top of a PCB, what opens the door to industrial fabrication
Standard configuration





Pillar distance on photo: 2.5 mm
24.11.2011
А. Ходинов, МИФИ
Pillars every 5 (or 10) mm
Pillar diameter ≈350 µm
Dead area ≈1.5 (0.4)%
Amplification gap 128 µm
Mesh: 325 lines/inch
7
MM performance at H6 CERN
Ar:CF4:iC4H10 (88:10:2)
Standard micromegas
Safe operating point with
excellent efficiency
Gas gain: 3–5 x 103
Superb spatial resolution



250
200
500 µm
strip pitch
Mean = (3.5 ± 1.3) mm
Sigma = (70.7 ± 1.3) mm
150
100
(MM + Si telescope)
σMM = 36 ± 7 µm
50
0
-1
Inefficient areas
y (mm)
events/(0.02 mm)

-0.8
-0.6
24.11.2011
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
xsi-xmm (mm)
А. Ходинов, МИФИ
X (mm)
8
The resistive-strip protection concept
Resistive strips connected to the
ground
Thin insulating layer in between
the resistive and readout strips
AC coupling of signals
Sparks are neutralized through
the resistive strips to the ground
100x100 mm2 chamber with 100 mm
long strips and 250 mm pitch
CHAMBER
R11
R12
R13
Resistance to
Ground (MΩ)
15
45
20
Resistance along
strip (MΩ/cm)
2
5
0.5
24.11.2011
T. Alexopoulos et al.,
NIM A 640 (2011) 110–118
А. Ходинов, МИФИ
9
Sparks in 120 GeV pion & muon beams
Gain ≈ 4000
8000
pions
15–20 kHz/cm2
pions


beam off
3–5 kHz/cm2
muons
Pions, no beam, muons

Chamber inefficient for O(100 ms)
when sparks occur
24.11.2011
Gain ≈ 104

Stable, no HV drops, low currents for
resistive MM
Same behaviour up to gas gains of > 104
А. Ходинов, МИФИ
10
Prototype R16 with 2D readout
Mesh
Resistive strips
y strips
R16 x
Resistivity values
RG ≈ 55 MΩ
Rstrip ≈ 35 MΩ/cm
PCB
event display 55Fe γ
x strips
x strips: 250µm
r/o and resistive strips
R16 y
y: 250 µm
only r/o strips
24.11.2011
А. Ходинов, МИФИ
11
MM location on Small Wheel in cavern (side A)
R13
R16xy
R11
R12
≈120 mm
Laptop
in USA15
DCS
mmDAQ
Trigger
(strips)
R16
R ≈ 2.7±0.2 Hz/cm2 at L=1034 cm-2s-1
Measured rate in close-by MDT ≈ 8 Hz/cm2
24.11.2011
А. Ходинов, МИФИ
12
The first CSC-sized chamber assembled and tested at CERN


Assembly very simple,
takes a few minutes
Signals routed out
without soldered
connectors
24.11.2011
А. Ходинов, МИФИ
13
Разработка газовых пиксельных (GasPixel)
детекторов для sLHC
Комбинация пиксельной микросхемы и газовой пропорциональной камеры в
одном приборе открывает новые возможности для детекторов ионизирущего
излучения:
•
Прецизионное измерение координаты (существенно лучшее, чем разрешение
определяемое диффузией электронов)
•
Восстановление треков частиц на основе векторной информации
•
Отличное многотрековое разрешение
•
Мощные возможности по распознаванию треков частиц при высоких загрузках
•
Возможности организации трекового Level1-trigger во внутреннем детекторе
АТЛАС
•
Улучшение идентификации типов частиц с использованием переходного излучения
за счет детальной информации на следе частицы.
24.11.2011
А. Ходинов, МИФИ
14
Принцип работы GasPixel детектора
Детектор позволяет
восстановить 3-х
мерное изображение
участка трека частицы
Газовый дрейфовый
объем (около 16 мм)
Траектория
частицы
Первичные
электроны
Сетка которая
обеспечивает газовое
усиление в промежутке
~50 mm
~50 mm
~ -500 V
55 mm
Пиксельная
микросхема
24.11.2011
А. Ходинов, МИФИ
15
Возможности в сильной степени определяются свойствами газа
Газ с малой диффузией
DME/CO2 (50/50),
Газовая смесь на основе ксенона
(необходимая компонента для регистрации
переходного излучения)
Электрон без
переходного
излучения
Электрон с кластерами
переходного излучения
24.11.2011
А. Ходинов, МИФИ
16
Результаты первых испытаний на тестовом пучке частиц в ЦЕРН
Pion efficiency
Зависимость вероятности определения пиона как электрона от
требований на эффективность регистрации электрона.
Cluster counting
1
1 layer
2 layers
0.1
0.01
0.001
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Electron efficiency
2-х слойный детектор обеспечивает фактор подавления пионов ~ 50 при
90% эффективности регистрации электронов
24.11.2011
А. Ходинов, МИФИ
17
Результаты первых испытаний на тестовом пучке в ЦЕРН
Координатное и угловое разрешение с газом с низкой диффузией
DME/CO2 (50/50)
s = 11.5 mm
s = 0.6o
Получена рекордная координатная точность для газовых камер
Угловое расcечение соответствует точности определения импульса частицы 15% при pT= 40 GeV в
одном слое детектора АТЛАС
24.11.2011
А. Ходинов, МИФИ
18
Summary










Micromegas:
Created and tested series of prototypes with bulk-micromegas detectors. The results of studies with
beams allow us proposing to equip the ATLAS SW with resistive-strip bulk-micromegas detectors
The detectors deliver at the same time a track angle-based Level-1 trigger signal and measure the
trajectory with a precision far better than 100 µm
Each layer delivers a track segment and the second coordinate making it a very powerful tool for pattern
recognition and fake–track rejection
The system comprises about 2M readout channels but only ≈30k trigger channels
The active parts of the detectors will be produced in industry, assembly and testing in participating
institutes
GasPixel:
GasPixel can be used as an Outer Tracker with L1 track trigger features to significantly improve ATLAS
performance at high luminosity.
A single layer GasPixel can provide a space point accuracy of about 11 mkm and momentum resolution of
about 15% at Pt = 40 GeV.
An application of this technique to the real detector requires a 3D Front-End electronics.
24.11.2011
А. Ходинов, МИФИ
19
Back up
24.11.2011
А. Ходинов, МИФИ
20
Small Wheels trigger and readout
New BNL-designed chip:
64 channels
On-chip zero suppression
Amplitude and peak time finding
Trigger out: address of first-in-time channel with signal above threshold within BX
Data out: digital output of charge & time for channels above threshold + neighbor channels
Trigger signals and data driven out through same GigaBitTranceiver (one board/layer)
Trigger: track-finding algorithm in Content-Addressable Memory; latency estimated 25–32 BXs
Small data volumes thanks to on-chip zero-suppression and digitization
24.11.2011
А. Ходинов, МИФИ
21
Micromegas and sparks

Sparks are a well-known phenomenon in MMs




In standard MMs sparks lead to short HV breakdowns and inefficiencies, but usually do not
create any damage
The spark problem was solved by adding a layer of resistive strips above the readout
electrode, separated from it by an insulating layer
The concept was thoroughly & successfully tested in the lab (55Fe source, Cu X-ray gun,
cosmics), H6 hadron & muon beams, and with 5.5 MeV neutrons
Sparks are no longer a problem: thanks to the resistive strips they are reduced to a local
perturbation with voltage drops below 0.5 V
24.11.2011
А. Ходинов, МИФИ
22
Performance in neutron beam
Standard MM


Standard MM could not be
operated in neutron beam
HV break-down and currents
exceeding several µA already
for gains of order 1000–2000
24.11.2011
Resistive MM


А. Ходинов, МИФИ
MM with resistive strips operated
perfectly well,
No HV drops, small spark currents
up to gas gains of 2 x 104
23
MM setup in H6 test beam (July 2011)
Large resistive MM
R19 with 2D readout
24.11.2011
А. Ходинов, МИФИ
24