ИТЭФ , 24 ноября 2011

Газовые детекторы для модернизации эксперимента

АТЛАС в ЦЕРН

А.С. Романюк, А.И. ХодиновНИЯУ МИФИ

ИТЭФ, 24 ноября 2011

24.11.2011 А. Ходинов, МИФИ 2

Muon Spectrometer and Inner Detector of ATLAS

Технологии для высокоточной регистрации треков мюонов:CSC: разрешение 60 μm на 1 слой детектораMDT: разрешение 80 μm на 1 трубку/350 тыс трубок 5,500 м2

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

В эксперименте АТЛАС в области по псевдобыстротам ||>2.0 в условияхповышенной нагрузки более 200 Гц/см2 используютсякатодно-стриповые камеры CSC


LHC upgrade to happen in two phases:

Lphase1 ~ 3 LLHC (~2018)

Lphase2 ~ 5-10 LLHC (sLHC ~2022)

Bunch Crossing Phase2= 25 ns / 50 ns

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)

Single counting rates in the Muon Chambers, Hz/cm2

LLHC=1034 cm-2s-1


Muon Atlas MicroMegas Activity (MAMMA)

collaborationArizona, 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


The Small Wheel of ATLAS MAMMA proposal for 2018

TGC

4 chambers based on the bulk-micromegas per sector

2 x 4 layers per chamber

strips for precision (pitch ≈ 0.5–1 mm)

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

Total number of trigger channels ≈ 30k


Chambers will be operated with an Ar:CO2 (93:7) gas mixture (safe and cheap gas, no flammable components)

Why micromegas?

Many good characteristics to fulfill ATLAS specs:

Able to operate in high rate environment 10 kHz/sm2

Detector efficiency ~ 99%

Spatial resolution 60-80 m 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

Micro-TPC mode of operation to improveresolution of inclined tracks

Technology challenges:

• Discharges due to heavily ionizing events

• Fabricate large size chambers (~ 1x2 m2)

• Frontend electronics 2M channels


Bulk-micromegas structure

Standard configuration Pillars every 5 (or 10) mm Pillar diameter ≈350 µm Dead area ≈1.5 (0.4)% Amplification gap 128 µm Mesh: 325 lines/inch

Pillar distance on photo: 2.5 mm

The bulk-micromegas technique uses PCB production tools and methodsThe mesh is placed at a well controlled distance on top of a PCB, what opens the door to industrial fabrication


MM performance at H6 CERN Standard micromegas Safe operating point with

excellent efficiency Gas gain: 3–5 x 103

Superb spatial resolution

500 µm strip pitch

σMM = 36 ± 7 µm

Ar:CF4:iC4H10 (88:10:2)

(MM + Si telescope)

X (mm)

y (m

m)

Inefficient areas


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

CHAMBER R11 R12 R13

Resistance to Ground (MΩ)

15 45 20

Resistance along strip (MΩ/cm)

2 5 0.5

T. Alexopoulos et al.,NIM A 640 (2011) 110–118

100x100 mm2 chamber with 100 mm long strips and 250 m pitch


Sparks in 120 GeV pion & muon beams

Pions, no beam, muons Chamber inefficient for O(100

ms) when sparks occur

Stable, no HV drops, low currents for resistive MM

Same behaviour up to gas gains of > 104

Gain ≈ 104Gain ≈ 4000 8000

pions muonsbeam off

pions

15–20 kHz/cm2 3–5 kHz/cm2


Prototype R16 with 2D readout

x strips: 250µm r/o and resistive strips

y: 250 µm only r/o strips

PCB

Mesh

Resistivity valuesRG ≈ 55 MΩRstrip ≈ 35 MΩ/cm

Resistive strips

x strips

y strips

R16 x

R16 y

event display 55Fe γ


MM location on Small Wheel in cavern (side A)

R11R12

R13 R16xy

Trigger (strips)

DCSmmDAQ

Laptopin USA15

≈120 mm

R16

R ≈ 2.7±0.2 Hz/cm2 at L=1034 cm-2s-1

Measured rate in close-by MDT ≈ 8 Hz/cm2


The first CSC-sized chamber assembled and tested at CERN

Assembly very simple, takes a few minutes

Signals routed out without soldered connectors


Разработка газовых пиксельных (GasPixel) детекторов для sLHC

Комбинация пиксельной микросхемы и газовой пропорциональной камеры в Комбинация пиксельной микросхемы и газовой пропорциональной камеры в одном приборе открывает новые возможности для детекторов ионизирущего одном приборе открывает новые возможности для детекторов ионизирущего

излучения:излучения:

• Прецизионное измерение координаты (существенно лучшее, чем разрешениеопределяемое 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.


Принцип работы GasPixel детектора

~ -500 V~ -500 V~ -500 V~ -500 V

Пиксельная микросхема

Сетка которая обеспечивает газовое

усиление в промежутке ~50 m

Газовый дрейфовый Газовый дрейфовый объем (около 16 мм)объем (около 16 мм)

55 55 mm

~50 m

Детектор позволяет восстановить 3-х

мерное изображение участка трека частицы

Траектория Траектория частицычастицы

Первичные Первичные электроныэлектроны


Электрон с кластерами Электрон с кластерами переходного излученияпереходного излучения

Газ с малой диффузиейГаз с малой диффузией

Возможности в сильной степени определяются свойствами газаВозможности в сильной степени определяются свойствами газа

Газовая смесь на основе ксенонаГазовая смесь на основе ксенона(необходимая компонента для регистрации (необходимая компонента для регистрации

переходного излучения)переходного излучения) DME/CO2 (50/50), DME/CO2 (50/50),

Электрон без Электрон без переходного переходного

излученияизлучения


Результаты первых испытаний на тестовом пучке частиц в ЦЕРНРезультаты первых испытаний на тестовом пучке частиц в ЦЕРН

1 layer

2 layers

0.001

0.01

0.1

1

0.6 0.7 0.8 0.9 1

Electron efficiency

Pio

n e

ffic

iency

Cluster counting

2-х слойный детектор обеспечивает фактор подавления пионов ~ 50 при 90% эффективности регистрации электронов

Зависимость вероятности определения пиона как электрона от Зависимость вероятности определения пиона как электрона от требований на эффективность регистрации электрона.требований на эффективность регистрации электрона.


Получена рекордная координатная точность для газовых камерПолучена рекордная координатная точность для газовых камер

Угловое расУгловое расccечение соответствует точности определения импульса частицы ечение соответствует точности определения импульса частицы 15%15% при при ppTT== 40 GeV40 GeV

в одном слое детекторав одном слое детектора АТЛАСАТЛАС

Получена рекордная координатная точность для газовых камерПолучена рекордная координатная точность для газовых камер

Угловое расУгловое расccечение соответствует точности определения импульса частицы ечение соответствует точности определения импульса частицы 15%15% при при ppTT== 40 GeV40 GeV

в одном слое детекторав одном слое детектора АТЛАСАТЛАС

= 11.5 = 11.5 mm = 0.6= 0.6oo

Координатное и угловое разрешение с газом с низкой диффузиейКоординатное и угловое разрешение с газом с низкой диффузией

Результаты первых испытаний на тестовом пучке в ЦЕРНРезультаты первых испытаний на тестовом пучке в ЦЕРН

DME/CO2 (50/50)DME/CO2 (50/50)


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.


Back up


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


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


Performance in neutron beam

Standard MM could not be operated in neutron beam

HV break-down and currents exceeding several µA already for gains of order 1000–2000

MM with resistive strips operated perfectly well,

No HV drops, small spark currents up to gas gains of 2 x 104

Standard MM Resistive MM


MM setup in H6 test beam (July 2011)

Large resistive MM

R19 with 2D readout

Documents

ИТЭФ , 24 ноября 2011