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