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État de la R&D sur l’enveloppe Silicium

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 des s in de l’ Envelo p pe -Si Mécani que Electroni que Programme futur. COLLABORATION SiLC.

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État de la R&D sur l’enveloppe Silicium

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Presentation Transcript

  1. État de la R&D sur l’enveloppe Silicium D’après Aurore Savoy-Navarro LPNHE-Universités de Paris 6&7 La CollaborationSilC Progrès de la R&D dessin de l’Enveloppe-Si Mécanique Electronique Programme futur

  2. COLLABORATIONSiLC Collaboration Internationaledepuis début 2002 [ChicagoWorkshop] But: R&D sur les détecteurs Si pour le traceurdu 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 déjàexperts 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

  3. Traceur tout Silicium (SD) Concepts de Traceurs: Enveloppe Si

  4. L’Enveloppe-Si (Dessin en CATIA) Si-FCH SET SIT FTD

  5. 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

  6. 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 Mécanique Transparence, herméticité, architecture, modularité du support , rigidité, déformation,refroidissement, alignement, cablage, Etudes de Simulation Développement des outils: Simulationcomplète(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 comparaisonsentre différentes techniques et concepts de détecteur . Beaucoup d’activitédans la Collaboration, avec de nombreux outils différents (legs des expériences précédentes) La Collaboration SiLCréalise une R&D générique, indépendante du concept du Traceur, focalisée sur:

  7. NOUS BENEFICIONS : d’une expertise déjà existante venant des: Précurseurs:détecteursMicrovertex 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 AMSavec  6 m2 en échelles de µstrip [ 15x4.2cm length] ATLAS et CMStraceurs Si de très grande surface [la prochaine génération: ~ 200 m2] En collaboration avec ces expériences, NOTREBUTest de partir de l’état de l’art actuelet de continuer la R&D pour le LC, ce qui sera utile aussi pour: les upgrades des expériencesLHC le dévelopments de traceurs pour les astroparticules

  8. PRINCIPAUXSUJETS DE R&D !!!!DIMINUER LA MATIÈRE!!!!Longues échelles de µstripsLongs temps de mise en forme à l’entréeAlimentations pulséesRefroidissement passif (finalement?!)Granularité fine(valeur du pas)haute précision (centroïde)Détecteurs Minces( 300µm)rapport largeur/pas!Coûts Réduits(loi deSadrozinsky)Structuremécanique légère

  9. État de la R&D • J.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] • Mise en place du banc de test au Labo: • Contacts avecles 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

  10. BANC de TEST pour SENSEURS-SI & Électronique FE • SCIPP+SLAC: • Développement en cours de la simu de l’impulsion du Si-detector pour ccomprendre les questions liées: au B élevé, à la diffusion, au partage d’impulsion, etc… qui déterminent le chip d’entrée. • But actuel: démontrerle faible bruit et l’alimentation pulséede l’amplificateur d’entréed’un système de lecture àtemps 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: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 etdivers 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

  11. 1er proto d’échelle: = 7 senseurs AMS Études Préliminairesdu circuit 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 développerun. Objectifs:6 ‘’  12 ‘’ wafers 500 µm  300 µmd’épaisseur 183 µm  50 to 100 µmde pas Double-face (avec ou sans double métalisation) : meilleur yield (> 50%) …& moins cher

  12. (Remerciements dûs à G. Ambrosi, Ph. Azzarello, W.Lusterman et Les groupes AMS de ETH-Zurich, Geneva U.& Peruggia U. Pour leur aide) Point de Départ: système de lecturedu traceur-Si d’AMS Front-End du Traceur Reduction de données du Traceur 12 bit low power A/D (CLC949), as need: large dynamic range +/- 100 MIPs dig. @ 5 MHz A/D coupled to DSPvia FPGA(Xilinx XC4013)= buffer for up to 3 evts & sequencer for FE timing signals and synchro data transfer. 16 bits-DSP @30MHz for calib and data compression Capa Entrée = 33 –72 pF VA_hdr/AMS64: 64 charge ampli+ CR-RC shaper+ S&H + 64 ch connectéaau buffer de sorite courant-tension par un mux analog seq. RO@10 MHz ENCMeasuré= (350+4/pFxC)électrons à 6 µsec peaking time

  13. By courtesy of G. Ambrosini AMS2 : new improved Readout system New Front End: New hybrid: VA64_hdr9a, 0.8µ (IDEAS) Internally generated biases, internal calib capa Nominal gain 1.4 µA/fC Nominal peaking time 6 µsec ENC=(300 + Cdet x 5/pF)e-  Good gain stability & small pedestal spread • New readout scheme: • Simplified and HCC • (Hybrid Control Circuit) • Minimize digital cable line • Control daisy chain of VA • Increase system reliability • Follows space rules

  14. 2) R&D Mécanique:Éléments de base du projet de détecteur Échelle Structure alvéolaire Tiroir

  15. Passerd’EUCLID à CATIA Échelle: 6 senseurs Le long tiroirest fair de 5 échelles; chacune est faite de 6 senseurs CMS-TOB. Le tiroir a environ 2.5 m de long.

  16. R&D Mécanique (suite): Dessin des Si-FCH 4 XUV formés de 6 sensors: double face: 4 XU & 2 VV XUVVUXXUVVUX Modularité: échelles de 4,5ou 6 senseurs 4 Quadrants

  17. Dessin CATIA de la partie centrale extérieurede l’Enveloppe-Si:le SET Dessin CATIA de la structure alvéolaire des Si-FCH

  18. Composants de l’enveloppe-Si: quelqueschiffres

  19. R&D Mécanique(suite): PROTOS en fibre de carbone Structure alvéolaire:Plusieurs firmes françaises contactées pas de pbattendus pour réaliser la structure proposéeaux dimensions demandées Structure en fibre de carbone des tiroirs: Étude mécanique, dessin etoutils de fabrication et de collage d’une section de tiroirfaits 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.

  20. R&D Mécanique (suite):Études et Tests de Refroidissement sur PROTOS But:Voir si le refroisissement à l’eauau bout du tiroir de 2.5 m absorbe la puissance dissipéede 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

  21. Mesure de la température sans convection naturelle (suppression de ~80% ), T(eau à 19C)  résultats semblables à la convection naturelle, Grad T<<10C Mesure de la température au voisinage de la résistance diminution rapide Un simple refroidissement à l’eau à l’extrémité du tiroir semble suffire.

  22. Études de simulation:dévelop- pementd’une simulation complète sous GEANT4: CAD mécaniqueefficace comme premier niveau de DB géométrie Tokyo développeune simulation GEANT4 complète dutraceur SD  Le travail de simulation complèteest actuellement en cours.

  23. Perspectives proches Ces activités sont toutes en cours. Beaucoup a été fait depuisla 1ère ECFA-DESY Extended Studies Workshop de Cracoviede 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 refroidissementsur 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 CollaborationSiLC.PRC

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