di CMS III Congressino di sezione 27 Febbraio 2006 M.M.Obertino per CMS-TO

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1 Il contributo della sezione INFN di Torino alla costruzione dell apparato sperimentale di CMS III Congressino di sezione 27 Febbraio 2006 M.M.Obertino per CMS-TO 1

2 CMS Fasci ECM(GeV) Lum (cm -2 s -1 ) ΔT tra bunch (ns) LEP e + e Tevatron LHC p pbar p p Lunghezza ~ 21.5 m Diametro ~ 16 m Peso ~ t 2

3 CMS TRACCIATORE CALORIMETRO EM (ECAL) CALORIMETRO ADRONICO IN AVANTI PIXEL & STRIP DI SILICIO SPETTROMETRO CALORIMETRO ADRONICO CALORIMETRO ADRONICO IN AVANTI MAGNETE SUPERCONDUTTORE GIOGO DI RITORNO DI B 3

4 CMS TRACCIATORE CALORIMETRO EM (ECAL) CALORIMETRO ADRONICO IN AVANTI CRISTALLI DI PbWO 4 SPETTROMETRO CALORIMETRO ADRONICO CALORIMETRO ADRONICO IN AVANTI MAGNETE SUPERCONDUTTORE GIOGO DI RITORNO DI B 4

5 CMS SCINTILLATORE PLASTICO E RAME TRACCIATORE CALORIMETRO EM (ECAL) SPETTROMETRO CALORIMETRO ADRONICO CALORIMETRO ADRONICO IN AVANTI CALORIMETRO ADRONICO IN AVANTI MAGNETE SUPERCONDUTTORE GIOGO DI RITORNO DI B BLOCCHI DI ACCIAIO E FIBRE DI QUARZO 5

6 CMS TRACCIATORE CALORIMETRO EM (ECAL) CALORIMETRO ADRONICO IN AVANTI SPETTROMETRO CALORIMETRO ADRONICO CALORIMETRO ADRONICO IN AVANTI CRISTALLI DI PbWO 4 CALORIMETRO ADRONICO IN AVANTI 4T MAGNETIC FIELD MAGNETE SUPERCONDUTTORE GIOGO DI RITORNO DI B 6

7 CMS CALORIMETRO ADRONICO IN AVANTI Cathode Strip Chambers (CSC) SPETTROMETRO TRACCIATORE Drift Tube Chambers (DT) CALORIMETRO EM (ECAL) CALORIMETRO ADRONICO CALORIMETRO ADRONICO IN AVANTI Resistive Plate Chambers (RPC) MAGNETE SUPERCONDUTTORE GIOGO DI RITORNO DI B 7

8 CMS TO SPETTROMETRO TRACCIATORE TO CALORIMETRO ADRONICO TO CALORIMETRO EM (ECAL) CALORIMETRO ADRONICO IN AVANTI MAGNETE SUPERCONDUTTORE 4 5 8

9 DT: lo spettrometro nel barrel Ogni anello ha 4 stazioni concentriche di camere a drift (MB1, MB2, MB3, MB4) 4.0x2.5 m 2 (MB4) r 2.0x2.5 m 2 (MB1) 250 camere ~2*10 5 canali ~ 1700 m 2 9

10 La struttura delle camere a drift 2-4 m 30 cm 2 SuperLayer SL φ (coord. nel piano di curvatura) SL θ (non in MB4) Note: Pannello di honeycomb sfasamento di ½ cella tra gli strati disallineamento tra strati < 200 μm (per esigenze di trigger) Gas: Ar/CO 2 (85%/15%) a pressione atm. Guadagno ~ 10 5 Tempo di deriva massimo = 380 ns Velocità di deriva = 55 μm/ns Risoluzione spaziale della camera ~ 100 μm Risoluzione spaziale della singola cella 200 μm Efficienza > 99,5% e indipendente da B Deviazione dalla linearità < 100 μm Mylar (23mm) Aluminio (16mm) 10

11 Produzione delle camere a drift 4 siti di produzione delle camere Aachen Madrid Legnaro Torino Officina meccanica 11

12 Attività CMSMU Torino G. Alampi, N. Amapane, M. Arneodo, N. Bnetski, R. Bellan, S. Bolognesi, G. Cerminara, R. Cirio, M. Cordero, D. Dattola, G. Della Casa, P. De Remigis, N. Dughera, D. Kostylev, G. Kostyleva, C. Mariotti, S. Maselli, P. Mereu, G. Mila, V. Monaco, M. Nervo, R. Panero, A. Parussa, C. Peroni, A. Romero, M. Ruocco, M. Ruspa, R. Sacchi, M. Scalise, A. Solano, A. Staiano, E. Vacchieri, A.Zampieri Lavorazione delle lastre di Alluminio necesssarie per tutte le DT di CMS Progettazione e realizzazione della macchina di taglio delle lastre Taglio di lastre Progettazione e realizzazione della macchina di incollaggio degli elettrodi di campo Produzione delle camere MB4 - Preparazione tools per la costruzionde delle camere - Produzione e test di qualità delle camere - Partecipazione ai test al Cern prima o dopo l installazione Progettazione e realizzazione della scheda DDU (Detector Dependent Unit) per il DAQ delle camere a drift 12

13 Produzione delle camere a drift HVB,HVC,HB cables (Bejing) Crimping Blocks Wires Corner blocks (Aachen) Gas covers Profiles End-plugs (Madrid) Pechiney Produttore delle lastre di Al INFN Torino Taglio lastre Produzione MB4 H-Old Produttore degli elettrodi di campo JINR Dubna Incollaggio elettrodi di campo Erbsloh Produttore degli I-beams IHEP Protvino Catodi FE boards (Legnaro) CIEMAT Madrid Build MB2 INFN Legnaro Build MB3 RWTH Aachen Build MB1 13

14 Produzione di lastre di Al 72 diversi modelli di lastre Precisione di taglio: 0.5 mm 3600 lastre tagliate tra Gen 01 e Feb 04 14

15 Incollaggio delle strip sulle lastre Strip Whole Average Position 1 pixel=100μm 5 3 Pixels Series Strip Number Monitoring cameras Mylar deposition Head 4000 Strip deposition Head N lastre prodotte 3000 Strip Production in JINR-Dubna 2000 Lavoro eseguito 1000 a Dubna con un X-Y plotter progettato e costruito a TORINO 0 29-ott apr ott mar set mar set mag-05 Data 15

16 Linee di costruzione delle camere MB4 2 linee di produzione progettate e realizzate interamente a Torino Elementi costitutivi essenziali 1. Plotter x-y-z 2. Incollatrice 3. Dima per incollaggio catodi (Dima per I-Beam) 16

17 Dima per I-beam E l oggetto che determina la precisione di costruzione delle camere ( ~ 100 μm su una lastra di 4 m! ) Progettato interamente a Torino 17

18 Fasi di costruzione SL (I) Fissaggio fili anodici pre-tensionati Verifica della tensione meccanica dei fili ( misura della frequenza di risonanza) Misura con telecamera della posizione di I-beam e fili Wire Position RMS [microns] RMS of residuals distribution FE side SL number L1 L2 L3 L4 Incollaggio lastra successiva RMS della distribuzione della differenza tra posizione nominale e misurata (precisione interna della dima) 18

19 Fasi di costruzione SL (II) Dopo il posizionamento dell ultima lastra si procede con: fissaggio cornici, elettronica di F.E., distribuzione H.V., chiusura con cornici Lato Front-End Lato H.V. Misure su SL verifica di tenuta in HV tenuta in pressione tenuta in alta tensione durante il flussaggio gas misure di rumore e risposta dell elettronica misura di planarità del SL Occorrono circa 9 giorni per produrre un SL Giorni Aachen Madrid Padova Torino phi (1-7) Numero di Super Layer 19

20 Costruzione della camera Due SL completi sono incollati con uno strato di honeycomb per formare una camera MB4 Misure su camere con COSMICI rumore celle efficienza delle celle verifica distribuzione tempi di deriva misura della velocità di deriva verifica dell allineamento 20

21 Misure con raggi cosmici Rumore Elettroni secondari Coda distorta per catodo non connesso Tempo di drift massimo ~ 380 ns Efficienza media ~ 99,5 % Cella con strip non connessa Cosmics MB4 21

22 Installazione al Cern Le camere arrivano nude nel tunnel ex ISR e, dopo un periodo di certificazione con cosmici e monitoraggio sotto HV, sono equipaggiate con l elettronica di trigger, accoppiate con RPC e spedite a SX5. Il gruppo di Torino sta partecipando ai test eseguiti prima e dopo l installazione delle camere nelle ruote. 22

23 Stato dell attività Chambers OR 3 Fully Tested SuperLayers Cambers produced 80 Aachen 70 Madrid 60 Padova 50 Torino /01/ /01/ /01/ /01/ /12/ /12/2005 Date 100 % 50 % Fine produzione camere a To prevista per fine Mar 06 Complete e commissionate le due ruote a η positivo Iniziata l installazione nella ruota centrale. 23

24 Il rivelatore di tracciamento Pixel detector (5cm<r<20cm) 3 strati cilindrici + 2X2 dischi pixel di dim 150x150 μm silicon strip sensor (~ 210m 2 ) Dimensioni e spaziatura tra le strip aumentano al crescere di r 2 TEC(tracker endcap): 9 dischi da 7 anelli ciacuno (microstrip) 5.4 m TOB(tracker outer barrel): 6 strati di microstrip 2,4 m TIB: tracker inner barrel 4 strati di microstrip a 20 cm < r < 60 cm 2 TID: tracker inner discs 3 dischi da 3 anelli ciascuno (microstrip) 24

25 La costruzione dei moduli frames sensors CERN hybrids pitch adapter Sensor QAC Assembly Bonding FNAL FNAL Louvain Pisa Perugia Wien Karlsruhe Strasbourg UCSB Perugia Bari Wien Lyon UCSB Brussels Catania UCSB Padova Pisa Torino Bari Firenze Wien Zurich Strasbourg Hamburg Karlsruhe Aachen ROD INTEGRATION FNAL UCSB Shell/disks INTEGRATION Firenze Pisa Torino Louvain Brussels PETALS INTEGRATION Lyon Hamburg Strasbourg Aachen Karlsruhe TOB assembly TIB TID assembly TEC assembly TEC assembly CERN Pisa Aachen Lyon Tracker ASSEMBLY CERN 25

26 Attività CMSTK Torino M.Costa, L.Demaria, E.Migliore, A.Romero F.Benotto, R.Farano, R. Bellan, A.Bonato, S.Brasolin, F.Dumitrache, D.Gerbaudo, A.Peruzzo, M.Sertoli, P.Trapani Produzione 500 moduli TIB+TID Bonding Qualifica/Test invecchiamento Tooling (produzione bonding jigs e piastre) Integrazione dischi TID - Tooling per assemblaggio anelli e integrazione dischi - Integrazione di tutto il TID Progettazione e produzione del DOHM [scheda che distribuisce segnali digitali (clock, trigger, I2C) ai moduli] Test alimentatori LV e HV Misure di prestazioni in B e resistenza alla radiazione Sviluppo sistema di test automatico per la qualifica Qualifica dei moduli LV e HV (con Firenze) durante la produzione (2000 alimentatori) 26

27 La produzione dei moduli Assemblaggio meccanico Bonding 768 bonding/modulo (~1/2 h) 27

28 Test dei moduli Test di qualifica veloce per identificare difetti degli ibridi e/o del bonding Torino è stato il centro che si è occupato per primo dell analisi dei dati acquisiti e della definizione dei criteri di qualità dei moduli Long term test: cicli termici tra -20 C e 20 C con test continui per 2 giorni Misura della corrente di buio al crescere della tensione di bias Piedestallo e rumore Risposta a impulso di calibrazione Torino è stato il primo centro a mettere questo sistema in funzione 28

29 Rateo di produzione dei moduli Percentuale di moduli buoni ~ 97% Nei moduli buoni la frazione di strip cattive è < 1% 29

30 Assemblaggio dei dischi TID 30

31 Integrazione anello 1: lato 1 Giradischi progettato e realizzato a TO 31

32 Rotazione anello DOHM 32

33 Integrazione anello 1: lato 2 33

34 Montaggio di anello 1 su anello 3 Distanza minima tra i moduli di due dischi: mm 34

35 30/11/2005: Disco 1 finito! 3 dischi completati finora 35

36 Alimentatori LV e HV x il tracker Un modulo (PSM) costituito da 2 PSU. Ogni PSU contiene due complex channel (CC) ciascuno dei quali a sua volta ospita 2 canali HV per la polarizzazione degli ibridi e due canali LV per l elettronica. Il sistema è disegnato per funzionare in presenza di campo magnetico e di radiazione. Torino in collaborazione con CAEN ha sviluppato il sistema di test e si occupa del test delle PSM. Si è inoltre occupata dei test in radiazione e campo magnetico. 700/1000 PSM testate a Torino finora; si continua fino a Maggio 2006, poi il sistema verrà trasferito al Cern. 36

37 ECAL Calorimetro Elettromagnetico: Lunghezza: 7.8 m Raggio interno: 1.29 m Raggio esterno: 1.75 m N cristalli: ~83000 Massa totale ~90 t 2 Endcap (1.48 < η < 3) ciascuno formato da 2 D di 5382 cristalli Barrel ( η < 1.48 ) costituito da 36 supermoduli, ognuno dei quali contiene 1700 cristalli 37

38 I cristalli Energia Luce Luce Corrente Corrente Tensione tensione Bit Bit Luce Acquisizione dati Fibra ottica Cristallo Foto rivelatori MB MGPA ADC Trigger VFE FE RETICOLO Di PBWO 4 CristallidiPbWO 4 Area di base ~ 22x22mm 2 Lunghezza 23 cm (25.8 X 0 ) Pb2 + WO

39 I fotorivelatori Energia Luce Luce Corrente Corrente Tensione tensione Bit Bit Luce Acquisizione dati Fibra ottica Cristallo Foto rivelatori MB MGPA ADC Trigger VFE FE VacuumPhotoTriode negli endcap AvalacePhotoDiode nel barrel Area attiva: 25 mm 2 -> 2 APD accoppiati in 1 capsula 39

40 L elettronica di Front-End Energia Luce Luce Corrente Corrente Tensione tensione Bit Bit Luce Acquisizione dati Fibra ottica Cristallo Foto rivelatori MB MGPA ADC Trigger VFE FE 40

41 Attività ECAL Torino C.Biino, N.Cartiglia, E. Filoni, E.Menichetti, M.M.Obertino, N.Pastrone, G. Petrillo, P. Trapani Progettazione, produzione, test e installazione di 68*37 MB CalibrazioneschedeVFE Integrazione dell elettronica nei SM Partecipazione ai test beam e all attività di calibrazione 41

42 Calibrazione delle VFE Sistema di test progettato da Lione con aiuto di Cern e Torino Tramite il test si vuole : misurare i guadani per ogni canale verificare la linearità dell ADC misurare il rumore DATA CALIBRATION CRATE TRIGGER F A N O U T A T T E N U A T O R RS232 C O N T R O L L E R RS232 PULSE GENERATOR CRATE CAMAC VFE Q 10000/12880 schede calibrate TO: * verifica sistematiche e stabilità * implementazione database 42

43 Calibrazione delle VFE PICCO [conteggi ADC] Retta di calibrazione G1 A + G q CARICA [pc] G6/G1 G12/G VFE Risoluzione in energia TEST BEAM (5x5 cristalli) RUMORE G12 1 ADC count (40 MeV) Termine di rumore (b) ~ 200 MeV 43

44 Test delle MB Burn-in : 40 V per 72 ore Corrente di ogni scheda controllata ogni 2.5 min Test elettrico delle connessioni (~200 connessioni per scheda) 1700/2650 schede prodotte e testate Rate di produzione: 200 schede/mese Fine prevista per luglio

45 Integrazione di MB ed elettronica Installazione MB (To) Installazione elettronica (uno stand diretto da TO) 7 SM completati ( ritardi dovuti a problemi con il sistema di cooling) 18 SM installati in CMS ad agosto Nel 2006 due test beam: - Calibazione SM (coordinamento TO) -Test combinato con HCAL 45

46 Il primo cosmico visto dalle 4 13/12/05 stazioni dei DT 46

47 BK SLIDE 47

48 Efficienza della cella Cosmics MB4 ε cell ( x) = N N cell found cell expected ( x) cathode wire cathode Detection efficiency in the active region > 99 % Lower efficiency for cells with bad HV connections not connected strip 48

49 Mean Time t 4 t3 t 2 t1 δ=2.1 cm MT t + t MT + t 2 t + t MT + t = = 3 MT T 123 = 234 = max = δ v d σ MT 3 σ x = 2 v d TB 2001 σ = 4.1 ns Cosmics MB4 σ = 6.9 ns σ MT ~ 7.0 ns σ x ~ 310 μm 49

50 Allineamento tra i layer δ=2.1 cm t 4 t3 t 2 t1 (Left) x t 3 t 4 t 1 t 2 (Right) Δx i = shift of the layer position with respect to the nominal position (Δx 1 = 0) MT MT 1 ( x ( Δx + Δ ) 123 R) MT123( L) = 3 2 vd 1 ( x 234 R) MT234( L) = 2 2 vd ( Δx Δx + Δ )

51 Sistema di test Alimentatori per le PSM 48V Power Verifica incrociata della Funzionalita della PSM e del sistema di controllo CAEN SY 1527 LIC CanBus Interlock Parallel DAQ on both TE and CAEN SY1527 TCP/IP Front Panel EASY PSM A4601 Back Board 48VPW Control + Campagne di Test in radiazione (neutroni) e in campo magnetico CAEN SY1527 Branch A V Service 51

52 APD e VPT R I C H I E S T E Insensibili al campo magnetico Con alta efficienza quantica per λ nm Amplificazione interna Veloci (40MHz) Resistenti alle radiazioni AvalacePhotoDiode (barrel) VacuumPhotoTriode (endcap) Guadagno interno usato M=50 Efficienza quantica ~ 80% dm/dv = 3%/V dm/dt = -2.3%/ o C Excess noise factor F=2.2 Guadagno: 8-10 a B=4T Efficienza quantica > 15% dm/dv < 0.11%/V dm/dt < 1%/ o C Excess noise factor F=

53 VFE (Very Front End) E la scheda in cui il segnale viene amplificato, formato e digitizzato. E costutuita da 5 canali identici ciascuno formato da 1 MGPA (Multi Gain Pre Amplifier): amplificatore con guadagni 1,6,12 1 ADC a 12 bit, 40 MHz 1 buffer HV MGPA ADC Multi-canale APD Preamp Guadagni ADC ADC ADC LOGICA 12 bit 2 bit 1 DCU : unità di controllo per la misurazione della temperatura e della corrente di buio Stesso disegno usato per barrel ed endcaps 53

54 La scelta del PWO Cristallo scintillante omogeneo -> ottima risoluzione in energia NaI(Tl) BaF2 CsI(Tl) CsI CeF3 BGO PWO X cm RM cm τ / ns LY 100% 15% 85% 7% 5% 10% 0.2% %Nal Breve cost. di tempo di scintillazione -> poco pile-up da eventi precedenti Piccolo raggio di Moliere -> possibilità di segmentazione laterale fine (buona risoluzione spaziale e buona discriminazione π 0 /γ) Lunghezza di radiazione X 0 corta -> buon contenimento longtudinale nello spazio disponibile Emissione di luce non abbondante -> uso di fotorivelatori con amplificazione Meccanismo di scintillazione non danneggiato da radiazione 54