testarea cu surse radioactive, cu raze cosmice si in fascicul a...
TRANSCRIPT
Testarea cu surse radioactive, cu raze cosmice si in fascicul a prototipului TRD de
dimensiuni reale. Optimizarea propagarii zonelor ineficiente in arhitectura statiilor
CBM-TRD. Proiectarea si construirea unei noi placi de baza pentru interfatarea chip-ului
ASIC FASP
Cuprins
1. Obiectivele generale
2. Obiectivele fazei de executie
3. Rezumat
4. Descrierea stiintifica si tehnica
5. Concluzii
6. Bibliografie
Obiectivul general al proiectului: dezvoltarea unui aranjament experimental pentru masuratori de
precizie ale corelatiilor multidimensionale dintre diferite observabile, incluzand particule cu sectiuni de
producere foarte mici cum ar fi hiperonii, nucleele hiperonice, hadronii constituiti din cuarci grei sau
obiecte inca necunoscute formate din combinatii de cuarci si gluoni, folosind fascicule intense de ioni
grei (de pana la 109 ioni/s), furnizate de acceleratoarele FAIR.
Obiectivul fazei de executie:
Realizarea reconstructiei de pozitie bidimensionale (atat dea lungul firelor anodice cat si transversal pe
firele anodice), folosind geometria triunghiulara a celulelor de citire a semnalelor ale prototipului TRD
de dimensiuni reale. Reconstructia pozitiei firelor anodice folosind geometria triunghiulara de paduri.
Propagarii zonelor ineficiente in arhitectura statiilor CBMTRD in scopul maximizarii eficientei
geometrice de detectie. Realizarea unei noi placi de baza pentru noua versiune a chipului ASIC
FASPV02 care sta la baza cartelei electronice frontnd de prelucrare a semnalelor a prototipului TRD.
1
Rezumat
Viitorul experiment CBM (Compressed Baryonic Matter) din cadrul facilitatii experimentale FAIR
(Facility for Antiproton and Ion Research) ce urmeaza a fi construit in Darmstadt – Germania foloseste
diferite tipuri de detectori pentru a caracteriza produsii de reactie obtinuti, in scopul descrieri
interactiilor ionilor grei pe tinta. In acest cadru detectorul TRD (Transition Radiation Detector) propus
prin design are un dublu rol; pe de o parte de a creste probabilitatea identificarii electronilor visavis
de pioni – produsi copios in astfel de reactii si respectiv de a masura pozitia incidenta in detector a
particulelor produse. Performantele obtinute visavis de ultima sarcina a detectorului TRD fac
subiectul acestui raport, ele fiind determinate in conditii variate asa cum se va arata in continuare.
In cadrul activitatii de R&D intreprinsa pentru dezvoltarea unui prototip TRD pentru experimentul
CBM de la FAIR a fost dezvoltata o noua metoda de readout a semnalelor prin segmentarea
electrodului de citire in paduri triunghiulare. Aceasta segmentare deschide posibilitatea de a accesa si
informatia de pozitie atat da lungul firelor anodice cat si perpendicular pe firele anodice (posibilitate
inexistenta pentru geometria clasica a electrodului de readout) fara folosirea de canale de readout
suplimentare prin identificarea firelor anodice in jurul carora are loc amplificarea semnalelor. Metoda a
fost pusa la punct prin construirea unei noi observabile qq si testata atat in laborator cat si in fascicul cu
surse punctuale de ionizare (raze X) cat si MIP (minimum ionizing particles). Toate masuratorile au
confirmat caracteristicile speciale ale noului prototip.
Masuratorile viitoare sunt menite sa testeze mai in detaliu performantele prototipului si sa
defineasca o “fisa tehnica” a acestuia in ceea ce priveste rezolutia de pozitie pe cele doua coordonate
dar si modificarea acestor performante in conditii de rata mare de particule si/sau numar mare de
particule pe suprafata.
Sa realizat optimizarea eficientei geometrice de detectie a subdetectorului CBMTRD, prin
determinarea pozitiei si dimensiunilor maxime ale ramelor fiecarei statii, astfel incat acestea sa fie
incadrate in zone deja ecranate.
A fost proiectata, construita si testata o noua unei placi de baza, FASP02 Test Board – V.1,
realizata pe circuit imprimat cu patru straturi pentru testarea noii versiuni a microcircuitului ASIC
denumit FASPV02.
FASP02 TEST BOARD V.1 va fi folosita pentru evaluarea performantelor versiunii FASPV02 din
seria zero.
2
Introducere
Viitorul experiment CBM (Compressed Baryonic Matter) din cadrulfacilitatii experimentale FAIR (Facility for Antiproton and IonResearch) ce urmeaza a fi construit in Darmstadt – Germaniafoloseste diferite tipuri de detectori pentru a caracteriza produsii dereactie obtinuti, in scopul descrieri interactiilor ionilor grei pe tinta.In acest cadru detectorul TRD (Transition Radiation Detector) propusprin design are un dublu rol; pe de o parte de a creste probabilitateaidentificarii electronilor visavis de pioni – produsi copios in astfelde reactii si respectiv de a masura pozitia incidenta in detector aparticulelor produse. Performantele obtinute visavis de ultimasarcina a detectorului TRD fac subiectul acestui raport, ele fiinddeterminate in conditii variate asa cum se va arata in continuare.
Prototipul TRD dezvoltat in Bucuresti Prototipul dezvoltat in departamentul nostru se bazeaza pe ogeometrie de baza a unei camere multifilare (MWPC) de 60x60 cm2
cu zona de drift de 4 mm si 2x4 mm zone de amplificare. Cele 3 zonesunt separate de electrozi multifilari: planul catodic cu fire avand
distanta intre ele de 1.5 mm si respectiv planul anodic cu un pas de separare de 3 mm. Citirea semnalelor se faceprin cuplaj capacitiv folosind un electrod segmentat in zone izolate triunghiulare de dimensiuni 7.5 x 27.7 mm2
separate intre ele de spatii de 0.2 mm (vezi Fig. 1). Aceasta geometrie a electrodului de citire deschideposibilitatea de a construi corelatii intre semnalele masurate si astfel sa se poata masura pozitia particulelorincidente in doua coordonate cu o rezolutie de pozitie de sute de microni, fara introducerea unor canale de citiresuplimentare asa cum exista deja.
Pentru a se pune in evidenta noile caracteristici ale prototipului (masurarea pozitiei in doua dimensiuni)sau realizat masuratori diverse incepand de la expuneri la surse de raze X in laborator pana la masuratori infascicule de electroni si pioni in teste efectuate in conditii reale la acceleratorul CERNPS. In toate cazurile safolosit o electronica frontend (FEE) dezvoltata in departament (FASP – ASIC) special pentru aceste aplicatii,avand 8 canale. Operarea detectorului cu acest FEE se poate face in geometria triunghiulara caz in care fiecarepad triunghiular este citit de un canal FASP sau dreptunghiulara atunci cand 2 paduri triunghiulare sunt puse inscurt iar semnalul sumat este analizat de un canal FASP. Achizia de date sa facut folosind convertoare
3
Fig. 1: Segmentarea electrodului de citirein pad-uri triunghiulare cu dimensiunea7.5 x 27.7 mm2 si electrodul anodic (liniileorizontale) cu fire la o distanta de 3mm.
MADC32 produse de Mesytec controlate de sistemul Multi Branch System (MBS) dezvoltat la GSIDarmstadtGermania. Monitorarea si analiza semnalelor sa facut folosind platforma Go4 dezvoltata la GSI pebaza ROOT.
Masuratori de laborator folosing sursa 55Fe si raze cosmicePentru masuratorile de laborator prototipul a fost operat cu un amestec de gaze Ar(80%) si CO2(20%).
Prototipul a fost montat pe un dispozitiv de scanare in coordonate care permite rotirea acestuia in jurul unei axeorizontale cat si amplasarea/deplasarea controlata a sursei radioactive raportat la dimensiunile detectorului.Operarea detectorului a fost facuta in configuratia de readout triunghiulara (vezi sectiunea “Prototipul TRDdezvoltat in Bucuresti ” pentru mai multe detalii)
Sursa de 55Fe folosita are o activitate de 1.1 GBq si poate fi plasata lao distanta mare (aprox. 40 cm) de detector pentru o iluminare uniforma aacestuia cat si aproape (aprox. 1 cm) pentru iluminare punctuala, acesteoperatii facanduse in paralel cu reglarea colimatorului sursei. Pentrutriger sa folosit facilitatea de selftrigger a FASP prin realizarea unui ORintre toate canalele de pe o placa de baza FEE.
Pentru testarea cu raze cosmice sa construit ansamblul experimentalprezentat in Fig. 2. Pe langa prototipul principal (notat aici TRD 12) saumai folosit inca 2 TRDuri cu geometrie interna similara, dar dedimensiuni mai mici 10x24 cm2 (notate in figura TRD 10A si TRD 10B).Pentru triger sa folosit semnalul de coincidenta (AND) de la cele douascintilatoare plastice identice PL 1 si PL 2 de dimensiuni 11x25 cm2. Unmiuon din radiatia cosmica (figurat prin sageata rosie) care trece prin celedoua scintilatoare va declansa semnalul de achizitie pentru cele treiTRDuri.
Masuratori in fascicul folosing electroni sipioni
Masuratorile cu particule minim ionizante au fost facute laCERNPS folosing un fascicul monoenergetic mixat de electroni sipioni. Detectorul a fost operat cu un amestec de gaze Xe(80%) siCO2(20%) pentru detectia eficienta a radiatiei de tranzitie.Aranjamentul experimental a fost optimizat pentru reconstructia de pozitie in lungul padurilor(perpendicular pe directia firelor anodice). Pentru acest obiectiv aranjamentul experimental a fostconstruit ca in Fig. 3. Sa folosit pe langa prototipul principal (notat in figura TRD 12) si un detectorTRD de referinta (notat in figura TRD 10) cu caracteristici descrise in capitolul “Masuratori delaborator folosing sursa 55Fe si raze cosmice”. Acesta din urma a fost operat in configuratia dereadout “dreptunghiulara” (vezi Fig. 3) pentru o mai buna separare dintre semnal si zgomot pentrutoata suprafata operata. Este de mentionat ca aceasta operare a prototipului il echivaleaza pe acesta cu
4
Fig. 1: Aranjamentul experimentalfolosit pentru masuratori de razecosmice continand 3 prototipuri TRDsi 2 scintilatoare plastice
detectori similari folositi in experimente mari (e.g. PHENIX, ALICE), ale caror performante existastudii detaliate. Pentru fiecare din cei doi detectori sau operat 8 coloane pe 3 randuri de paduri astfelincat pentru TRD 10 au fost folosite 24 canale de readout iar pentru TRD 12 48.
Incidenta fasciculului pe detectori a fost de la stanga ladreapta (vezi Fig. 3) iar trigerul a fost dat de 2scitilatori plastici si un detector RPC montati in fata siin spatele TRDurilor (absenti din figura pentruclaritate).
RezultatePentru analiza performantelor de pozitie ale protipuluiTRD a fost pusa la punct o procedura de corelare a
semnalelor acestuia prin inglobarea rezultatelor internationale existente pentru cazul detectorilor cupaduri dreptunghiulare si dezvoltarea de proceduri noi bazate pe geometria planului de readoutpropusa aici.
Pentru determinarea pozitiei in lungul firelor anodice sa folosit faptul ca sarcina spatiala generatade o particula incidenta prin ionizarea gazuluide lucru induce semnal in aprox. 3 coloane (6paduri triunghiulare cuplate in geometriadreptunghiulara). Acest fapt poate fi folosit inasa fel incat pozitia interactiei particulei cudetectorul sa fie estimata cu o precizie de sutede microni prin fitarea distributiei de sarcinamasurata in cele 3 coloane printro functieGauss.
In Fig. 4 Este prezentata reconstructiapozitiei in lungul firelor anodice in cazulimperecherii padurilor triunghiulare in paduridreptunghiulare (indexate pe axa orizontala aFig. 4). Aici este prezentat un exemplu complexin care particula incidenta este incidentaaproape de limita a doua randuri de paduri.Acest fapt genereaza semnal (digitizat in canaleADC – ADC [ch]) in 6 coloane (12 paduritriunghiulare). Pentru fiecare rand un hit partialeste reconstruit (curbele rosie si albastra a cate 3 coloane) iar in final acestea sunt combinate (curba
5
Fig. 1: Reconstructia pozitiei in lungul firelor in detectorulTRD printr-un fit al distributiei de semnal cu o functie Gauss
Fig. 1: Aranjamentul experimental pentru masuratoriin fascicul continand 2 protipuri TRD aranjateortogonal
neagra). In cazul in care interactia are loc spre mijlocul randului hitul partial este suficient pentruidentificarea pozitiei interactiei.
Pentru masurarea pozitei pe directia perpendiculara pe firele anodice – reprezentand noutateaacestui prototip – sa introdus o noua functie qq conform definitiei de mai jos
qq= (Q∇−QΔ) / (Q∇− QΔ)
Qk=∑
i=1
5
q ik , k=∇ ,Δ
acest raport antisimetric intre sarcina totala masurata pe padurile cu varful in sus Q∆ fata de cel masurat pe celecu varful in jos Q∇ (vezi Fig. 1) are proprietatea de a fi sensibil la firul anodic in jurul caruia sa produsamplificarea. Acest lucru poate fi urmarit in Fig.5 In care este prezentata corelatia dintre observabila xreprezentand pozitia inlungul firelor anodicesi qq pentru cazul uneiiluminari uniforme adetectorului cu sursa de55Fe. Codul de culoaredin Fig. 5 reprezintanumarul de evenimentedefinite de perechea (x,qq). Dupa cum seobserva din figuraaceasta corelatieprezinta 8 maximepronuntate pentrufiecare x, cu operiodicitate dictata dedimensiunea unei coloane (variabila x in unitati de latime de pad – engl. Pw = pad width) si cu o simetrieaproximativa fata de axa ce trece prin qq=0. Aceasta corelatie este folosita in cazul prototipului cu paduritriunghiulare pentru a identifica fiecare din cele 8 maxime cu pozitia unui fir anodic in jurul caruia se dezvoltaavalansa. Astfel se creaza posibilitatea accesari unor informatii la nivel de design de detector fara a masura directe.g. semnalul pe fiecare fir anodic ceea ce ofera avantaje deosebite ale acestui design asa cum va fi descris incontinuare. Suprapus peste distributia experimentala din Fig. 5 este reprezentat un model sinusoidal care descriecalitativ dependenta maximelor de x. Analiza pe baza de model a abaterilor de la curba teoretica a datelorexperimentale nu face subiectul acestui raport.
Pentru a testa ipoteza anterioara, respectiv identificarea maximelor din Fig. 5 cu pozitia firelor anodice safolosit ansamblul experimental din Fig. 3, folosit in testele in fascicul la acceleratorul CERNPS. Particulele dinfascicul, electroni si pioni (dar si muoni) trec prin cei doi detectori dispusi ortogonal (si prin detectorii de triger).Prin corelarea semnalelor se obtine distributia din Fig. 6. Se foloseste aici o metoda cunoscuta, respectivmasurarea pozitiei in lungul firelor anodice cu paduri dreptunghiulare pentru TRD10 pentru a testa ipoteza deidentificare a firelor anodice pe baza maximelor din distributia reprezentata in Fig. 5. In Fig. 6 se observa pentru
6
Fig. 1: Corelatia intre observabila x masurata in lungul firelor anodice si observabila qqmasurata perpendicular pe acestea pentru cazul iluminarii uniforme a prototipului TRD cusursa de 55Fe
fiecare conditionare pe un fir anodic identificat (axa orizontala) o distributie cu un maxim pronuntat in pozitiamasurata cu detectorul de referinta TRD10. Rezultatul unui fit cu o distributie Gauss este inclus in figura,simbolurile fiind valorile medii iar barele de eroare marcand intervalul ( ,σ + )σ al distributiei. Un fit linear alacestor valori pentru toate firele anodice considerate produce o valoare a pantei de 2.98 + 0.05 mm (vezi casutastatistica din Fig. 6). Aceasta valoare este in buna concordanta cu valoarea de pasului firelor anodice de 3 mm(vezi sectiunea “Prototipul TRD dezvoltat in Bucuresti ”) iar modelul linear descrie corect datele. Pe bazaacestor rezultate se poate concluziona ca ipoteza testata este corecta si ca maximelor din Fig. 5 identifica fireleanodice ale detectorului si implicit dau o estimare a pozitiei incidente a particulei pe directia perpendiculara pefirele anodice cu o rezolutie de cel putin 3/sqrt(12) mm. Este de mentionat ca in Fig. 6 sau folosit doar 6 dincele 8 fire anodice identificate in Fig. 5, cele de pe margine fiind excluse intrucat pentru acestea semnalul esteinregistrat in doua randuri de paduri si implicit identificarea firelor anodice in jurul careia se dezvolta avalansatrebuie sa tina cont de toata informatia. Desi aceasta analiza nu este prezentata aici lipsa ei nu modifica cunimic concluziile mentionate anterior.
Pentru a pune in evidenta posibilitatea de masurare a pozitei in doua dimensiuni accesibila noului prototipTRD sa realizat masuratoarea de razecosmice folosind aranjamentul descris in Fig.2. Dupa cum se vede din figura cei 3detectori au fost asezati avand randurile depaduri paralele intre ele. Toti detectori aufost operati inconfiguratia de readout triunghiulara pentrua se obtine informatia de pozitie pe douadimensiuni. In aceste conditii au fostinregistrati miuoni din radiatia cosmicatraversand toti detectorii.Reconstruind pozitia incidentei acestora pefiecare detector in ambele coordonate, inlungul firelor si perpendicular pe acestea, seobtin corelatii ca cele prezentate in Fig. 7.Distanta dintre detectori a fost masurata prinmijloace mecanice cu o precizie in domeniulmm. Nici o alta procedura de aliniere adetectorilor nu a fost aplicata datorita lipseide statistica inerenta in astfel de masuratori.Cu toate acestea rezultatele calitativeprezentate in Fig. 7 arata o buna corelatie
intre masuratorile independente facute cu cei trei detectori pentru ambele directii de masura. Aceste confirmainca odata procedura de identificare a firelor anodice (prin corelarea lineara a pozitiei firelor din cei treidetectori) si recomanda acest protip pentru aplicatii de tracking in experimentul CBM si altele.
7
Fig. 1: Corelatia dintre metoda de identificare a firelor anodice inprototipul TRD12 si masuratorile de pozitie in lungul firelor anodicerealizate cu detectorul TRD10 pentru aranjamentulexperimental dinFig. 3
8
Fig. 1: Traiectorii ale miuonilor dinradiatia cosmica inregistrati cu dispozitivulexperimental prezentat in Fig.2 in planuldefinit de directia firelor annodice (sus) siperpendicula pe acestea (jos)
Optimizarea propagarii zonelor ineficiente in arhitectura statiilor CBM-TRD
Ansamblul experimental CBM de la viitoarea facilitate experimentala FAIR de la GSI Darmstadt esteproiectat sa lucreze in doua configuratii. Una dintre ele este dedicata identificarii de electroni iar cealaltaidentificarii de miuoni, asa cum este prezentat si in figura 1 [1].
Fig. 1 [1] Geometria sudetectorului CBM-TRD la SIS300
Subdetectorul CBM-TRD este format in ambele configuratii din trei statii, primele doua avand incomponenta patru straturi de detectori TRD, iar ultima doua straturi.
O vedere intr-un plan perpendicular pe tinta a fiecari statii este prezentata in figura 2[2], unde se poateobserva dispunerea modulelor TRD in planul fiecarei statii.
Fig. 2 [2] Dispunerea modulelor TRD in planul fiecarei statii
Zona activa a fiecarui detector este delimitata de ramele suport. Aceste rame sunt realizate din materiale
9
Sistemul cu identificare de miuoniSistemul cu identificare de electroni
rezistente mecanic (aluminiu, stezalit), deci cu o anumita grosime, astfel incat la trecerea fasciculului de radiatiiprin detector, ele ecraneaza ce se afla in spatele lor. De aceea, una din solutiile posibile pentru a minimizaprocentul de arie inactiva este considerata dispunerea tuturor ramelor apartinand celor 10 staturi alesudetectorului TRD astfel incat aceasta ecranare sa fie cat mai mica si sa se maximizeze eficienta geometrica dedetectie.
Pentru zona unghiurilor polare mici a statiei 1 a fost dezvoltat in Departamentul de Fizica Hadronica unprototip TRD (Prototip TRD2012), cu performante foarte bune atat in ce priveste discriminarea electron-pion catsi al reconstructiei de pozitie in doua dimensiuni, asa cum s-a aratat in prima parte a acestei raportari. Ariaacestei zone este compusa din 8 module identice, de tipul prototipului TRD2012.
Elementele componente ale fiecarui modul (electrod de drift, plan de fire catodice, plan de fire anodice,electrod de preluare a semnalelor), sunt fixate intre ele si mentinute in pozitie de o rama, ale carei dimensiuni(600 mm x 600 mm) sunt prezentate in figura 3 [3].
Fig. 3 [3] Dimensiuni rama Prototip TRD 2012
Fasciculul de particule care strabate ansamblul ramelor celor 8 module poate defini un con cu varful in
tinta, asa cum este prezentat in figura 4 [3]. Figura 5 [3] arata un detaliu al modalitatii de imbinare al acestora.
Fig. 4 [3] Ansamblu rame zona interna, statia 1
10
Fig. 5 [3] Detaliu imbinare rame zona interna, statia 1
In cazul configurarii experimentale ce cuprinde sistemul de identificare de electroni (RICH compact)distantele la care se afla fiecare statie fata de tinta sunt prezentate in tabelul 1 [4].
Tabelul 1 [4] Pozitia statiilor fata de tinta – RICH compactSIS-300: RICH compact
RICH in, MUCH parked
Part Z-start Z-extent Z-end(mm) (mm) (mm)
STS-Box 1200Magnet 1600Clearance 1600 200 1800RICH 1800 2200 4000Clearance 4000 100 4100TRD 1 – 4 layers 4100 1800 5900 -> 1.Clearance 5900 50 5950TRD 2 – 4 layers 5950 1800 7750 -> 2.Clearance 7750 50 7800TRD 3 – 2 layers 7800 900 8700Clearance 8700 100 8800ToF 8800 1200 10000Clearance 10000 300 10300PSD 10300 1500 11800
Cave End 20050
Utilizand programul AutoCAD versiunea 2012, pentru determinarea dimensiunii zonei ineficiente creatade rama primului strat al primei statii, rama se amplaseaza, conform informatiilor din tabelul 1[4], la o distanta
11
de 4100 mm fata de tinta. Se genereaza apoi un con, care o imbraca (fig.4[3]), reprezentand fluxul de particulecare strabat detectorul. Se separa apoi doar zonele eficiente , reprezentate in figura 6 [3] sub forma unor piramidecu varful in tinta.
Fig. 6 [3] Rama si zone active
Se reprezinta de asemenea si piramida exterioara (ale carei muchii trec prin colturile ramei), iar din aceasta seextrag apoi zonele active. Astfel se obtine in final doar zona umbrita de prima rama, deci cea ineficienta (fig.7[3]).
Fig. 7 [3] Reprezentare transparenta a zonei inactive
Prin sectionarea la distantele indicate in tabel, corespunzatoare fiecarui strat, cu cate un plan perpendicular peaxa fasciculului a solidului astfel generat, rezulta suprafetele zonelor umbrite ale celorlalte statii (fig. 8[3]).Astfel sunt determinate dimensiunile modulelor din componenenta straturilor statiilor succesive astfel incat safie optimizata eficienta geometrica de detectie.
12
Fig. 8 [3] Zone inactive
Fig. 9 [3] Pozitie si dimensiuni zone inactive – RICH compact
In figura 9 [3] sunt prezentate valorile suprafetelor umbrite pentru fiecare strat si pozitia acestora relativ la tinta.Procentul ariei ineficiente in acest caz, raportat la aria totala a sectiunii respective este de 14,4%.
Acelasi procedeu de determinare a zonelor umbrite se aplica si in cazul versiunii de configuratieexperimentala ce cuprinde sistemul de identificare de miuoni (RICH out, MUCH in). Distantele la care suntpozitionate straturile fiecarei statii sunt prezentate in tabelul 2 [4], iar solidul rezultat prin extragerea zoneloreficiente din ansamblu si zonele umbrite din dreptul fiecarei statii sunt evidentiate in figura 10 [3].
13
Tabelul 2 [4] Pozitia statiilor fata de tinta – SIS300, RICH out
SIS-300: full MUCHRICH out, MUCH in
Part Z-start Z-extent Z-end (mm) (mm) (mm)STS-Box 1200Clearance 1200 50 1250C Absorber 1 1250 600 1850Detector station 1 1850 300 2150Fe Absorber 2 2150 200 2350Detector station 2 2350 300 2650Fe Absorber 3 2650 200 2850Detector station 3 2850 300 3150Fe Absorber 4 3150 300 3450Detector station 4 3450 300 3750Fe Absorber 5 3750 350 4100Detector station 5 4100 300 4400Fe Absorber 6 4400 1000 5400Clearance 5400 100 5500TRD 1 – 4 layers 5500 1800 7300Clearance 7300 50 7350TRD 2 – 4 layers 7350 1800 9150Clearance 9150 50 9200TRD 3 – 2 layers 9200 900 10100Clearance 10100 100 10200ToF 10200 1200 11400Clearance 11400 300 11700PSD 11700 1500 13200 Cave End 20050
Fig. 10 [3] Zone inactive – RICH out
Figura 11 [3] prezinta propagarea zonei ineficiente in acest caz, iar raportul dintre zona ineficienta si ariasectiunii in dreptul fiecarui strat este de 13,5%.
14
Fig. 11 [3] Pozitie si dimensiuni zone inactive – RICH out
Folosind in oricare dintre cazuri solidul obtinut pentru evidentierea zonelor umbrite se pot extrage si informatiiasupra dimensinilor optime ale ramelor ce pot fi incadrate in aceste zone. In figura 12 [3] este prezentata ramacare ar putea fi folosita pentru ultimul strat al statiei trei in cazul sistemului cu identificare de electroni.
Fig. 12 [3] Dimensiuni maxime rame
15
Proiectarea si construirea unei noi placi de baza
pentru interfatarea chip-ului ASIC FASP
Departamentul de Fizica Hadronica este implicat in pregatirea experimentului CBM de la FAIR, Darmstadt atat prin realizarea de prototipuri de detectori TRD cat si de electronica asociata (FEE – FrontEnd Electronics). In acest context, a fost proiectat si realizat o noua versiune a microcircuitului ASIC denumit FASPV02. Acest microcircuit este amplasat pe o placa de baza denumita FASPV02 Board V.2, pe care sau realizat conexiunile pentru cele 88 de paduri (contacte) ale chipului. Pentru a putea fi testate functionarea si performantele acestui ansamblu (FASPV02 + placa de baza) a fost necesara proiectarea, construirea si testarea unei placi imprimate de test (FASP02 Test Board – V.1), activitate care constituie obiectul acestei raportari. Aceasta placa asigura inprincipal:
conditiile de functionare ale microcircuitului FASPV02
posibilitatea setarii unor parametrii
posibilitatea monitorarii tuturor semnalelor analogice si logice, a tensiunilor de alimentare si a tensiunilor de referinta.
In cele ce urmeaza se vor prezenta succint principalele caracteristici functionale ale microcircuitului FASPV02, in masura in care acest lucru este necesar pentru stabilirea cerintelor pentru placa de test care in continuare va fi prezentata in in detaliu si denumita FASPV02 TEST BOARD V.1.
Microcircuitul FASPV02
Microcircuitul FaspV02 este constituit in esenta din 16 canale spectrometrice si logica aferenta.
Fiecare semnal analogic este insotit de un semnal logic care permite conversia analogdigitala. Fiecare microcircuit poate lucra individual sau in lant. Pentru a putea lucra in lant fiecare chip poate primi si poate furniza semnale chipurilor imediat invecinate (atat semnale analogice cat si logice – de trigerare). Chipul are nevoie de doua tensiuni de alimentare pentru a functiona (pentru partea analogica, respectiv digitala) si de trei tensiuni de referinta (Vcom, Vref si Vth).
Semnalele analogice:
semnale de intrare in0 ….in15 a caror polaritate poate fi selectata prin inpolsel.
semnale de iesire out0....out15 a caror forma semigaussiana (G) sau flattop (FT) poate fi selectata prin outsel.
semnale pentru chipurile vecine din lant nbprv si nbnxt.
16
Semnale logice :
semnale adccs 0...15 care pot fi selectate prin tmmksel astfel:
a) la trecerea peste prag THR, atat pentru formarea gaussiana cat si pentru formarea formarea flattop, cudurata de 25 ns.
b) la atingerea valorii maxime a semnalului analogic, cu durata de 25 ns pentru formarea gaussiana si cu durata de 14 x perioada ceasului (CLK) pentru formarea flattop.
semnale RST primite din exterior pentru resetarea logicii chipului.
semnale EVT pentru monitorarea in exterior a numarului de semnale analogice care tranziteaza chipul (independent de canal).
semnale de ceas CLK primite din exterior.
semnale de tip NXT (8) si PRV (8) de la si catre vecinii de lant (semnale de trigerare).
Tensiuni de referinta (de curent continuu):
tensiunea de mod comun Vcom necesara stabilirii punctului static de functionare intern al fiecarui lant analogic.
tensiunea Vref pentru stabilirea ivelului de curent continuu la iesirile analogic de de semnal.
tensiunea reglabila de prag Vth pentru canalele analogice
Tensiuni de alimentare
tensiunea Vdda de alimentare a partii analogice din microcircuit.
tensiunea Vdd de alimentare a partii digitale din microcircuit.
Exista doua aspecte ale modului de lucru intern al chipului:
functia de transferare a semnalului analogic existent intrun canal catre canalul urmator (functia pairing, de insumare a semnalelor analogice provenite de la paduri adiacente din detector).
functia de transferare a semnalului logic de trigerare care apare intrun canal (la trecerea semnalului analogic peste prag sau la atingerea valorii maxime) catre canalele adiacente ±1 (selectat prin nben/dis).
Cunoasterea si intelegerea tuturor informatiilor prezentate, referitoare la FASP02, este necesara pentu a stabili cerintele pentru placa de test FASP0 TEST BOARD V.1.
17
FASP02 TEST BOARD V.1
Cerinte de proiectare pentru placa imprimata TB:
1. TB trebuie sa permita lucrul simultan pentru 2 ansamble (microcircuit + placa microcircuit) pentru a putea fi testat modul de lucru in lant.
2. TB trebuie sa contina circuitele electronice care asigura tensiunile de alimentare pentru microcircuite: +3V3A si +3V3D.
3. TB trebuie sa contina circuitele electronice care sa asigure tesiunile de referinta: Vcom = 1 V, Vref = 0.3 V, Vth =0300 mV.
4. TB trebuie sa contina circuitele necesare pentru resetare manuala a microcircuitelor RST (LVTTL/CMOS, activ H).
5. TB trebuie sa contina circuitele de distributie a semnalului de ceas (CLK) catre cele 2 microcircuite.
6. TB trebuie sa contina 'jumpere” pentru cele 4 tipuri de setari necesare FASP02: inpolsel, outsel, tmmksel si nben/dis.
7. TB trebuie sa contina puncte de test pentru urmatoarele tipuri de semnale: input, output, ADCCS, nbnxt/prv,PRV, NXT.
8. TB trebuie sa contina conectorii pentru injectarea semnalelor de intrare, pentru semnalul de CLK si pentru tensiunea de curent continuu ±7.
Descriere FASPV02 TEST BOARD
FASPV02 TEST BOARD V.1 a fost realizat pe o placa de circuit imprimat cu patru straturi, avand dimensiunile de 158 mm x 120 mm. Componentele electronice folosite pentru realizarea acestei placi de test suntrealizate in tehnologia SMD.
Schemele electronice:
Sursele de alimentare +3V3A si 3V3D folosesc fiecare doua circuite integrate stabilizatoare de curent continuu de tip LH1117 alimentate la +7 V, prezentate in figura 1.
18
Fig. 1Circuite integrate stabilizatoare de curent continuu de tip LH1117
Circuitele pentru tensiunile de referinta Vcom, Vref, Vth folosesc divizori rezistivi sau regalbili si amplificatorioperationali cu repetor AD 8571A (toate componentele sunt stable cu temperatura), asa cum se poate vedea infigura 2.
19
Fig. 2 Circuitele pentru tensiunile de referinta Vcom, Vref, Vth
Fig. 3 Straturile unu si trei ale placii de baza
20
Proiectarea layoutului in patru straturi, prezentata in figurile 3 – 6 a avut in vedere precautii pentru evitareainterferentelor, pentru accesibilitatea punctelor de test si pentru ecranarea zonelor sensibile.
Placa TB este ecranata deasupra si dedesubt pentru evitarea perturbatiilor electrice externe.
Figura 4. Schema stratului intermediar trei al placii de baza
FASP02 TEST BOARD V.1 va fi folosita pentru evaluarea performantelor versiunii FASPV02 din seria zero.
21
Fig. 5. Schema stratului al patrulea al placii de baza FASP V02 TEST BOARD V.1
Concluzii
In cadrul activitatii de R&D intreprinsa pentru dezvoltarea unui prototip TRD pentru experimentul CBM ceurmeaza a fi amplasat la FAIR a fost dezvoltata o noua metoda de read-out a semnalelor prin segmentareaelectrodului de citire in pad-uri triunghiulare. Aceasta segmentare deschide posibilitatea de a accesa si informatiade pozitie perpendicular pe firele anodice (posibilitate inexistenta pentru geometria clasica a electrodului deread-out) fara folosirea de canale de read-out suplimentare prin identificarea firelor anodice in jurul carora areloc amplificarea semnalelor. Metoda a fost pusa la punct prin construirea unei noi observabile qq si testata atat inlaborator cat si in fascicul cu surse punctuale de ionizare (raze X) cat si MIP (minimum ionizing particles). Toatemasuratorile au confirmat caracteristicile speciale ale noului prototip.
Masuratorile viitoare sunt menite sa testeze mai in detaliu performantele prototipului si sa defineasca o “fisatehnica” a acestuia in ceea ce priveste rezolutia de pozitie pe cele doua coordonate dar si modificarea acestorperformante in conditii de rata mare de particule si/sau numar mare de particule pe suprafata.
S-a aplicat o metoda de propagare a ramelor detectorilor TRD ce permite obtinerea de informatii cu privire la
22
optimizarea eficientei geometrice de detectie a subdetectorului CBM-TRD, prin determinarea pozitiei sidimensiunilor maxime ale ramelor fiecarei statii, astfel incat acestea sa fie incadrate in zone deja ecranate.
A fost proiectata, construita si testata o noua unei placi de baza, FASP-02 Test Board – V.1, realizata pe circuitimprimat cu patru straturi pentru testarea noii versiuni a microcircuitului ASIC denumit FASP-V02.FASP02 TEST BOARD V.1 va fi folosita pentru evaluarea performantelor versiunii FASPV02 din seria zero.
Bibliografie
[1] David Emschermann, http://cbm.uni-muenster.de/cbmroot/more/trd_rich_much_geo_v1.00/ [2] https://cbm-wiki.gsi.de[3] “Proposal for an optimized TRD inner zone architecture, layer and stack wise”, L.Radulescu, M.Petris,M.Petrovici, V.Simion, CBM Collaboration Meeting, Dubna, 23-27 September 2013;[4] - cbm.uni-muenster.de/engineering/more/MUCH-RICH-TRD-TOF-geometries_V1.00.xls
23