Testarea cu surse radioactive, cu raze cosmice si in fascicul a prototipului TRD de dimensiuni reale. Optimizarea propagarii zonelor ineficiente in ar

Transcriere

1 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 de a 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 pad uri. Propagarii zonelor ineficiente in arhitectura statiilor CBM TRD in scopul maximizarii eficientei geometrice de detectie. Realizarea unei noi placi de baza pentru noua versiune a chip ului ASIC FASP V02 care sta la baza cartelei electronice front nd de prelucrare a semnalelor a prototipului TRD. 1

2 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 vis a vis de pioni produsi copios in astfel de reactii si respectiv de a masura pozitia incidenta in detector a particulelor produse. Performantele obtinute vis a vis 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 read out a semnalelor prin segmentarea electrodului de citire in pad uri triunghiulare. Aceasta segmentare deschide posibilitatea de a accesa si informatia de pozitie atat d a lungul firelor anodice cat si perpendicular pe firele anodice (posibilitate inexistenta pentru geometria clasica a electrodului de read out) fara folosirea de canale de read out 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. S a realizat optimizarea eficientei geometrice de detectie a subdetectorului CBM TRD, 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, FASP 02 Test Board V.1, realizata pe circuit imprimat cu patru straturi pentru testarea noii versiuni a microcircuitului ASIC denumit FASP V02. FASP 02 TEST BOARD V.1 va fi folosita pentru evaluarea performantelor versiunii FASP V02 din seria zero. 2

3 Introducere 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 vis a vis de pioni produsi copios in astfel de reactii si respectiv de a masura pozitia incidenta in detector a particulelor produse. Performantele obtinute vis a vis de ultima sarcina a detectorului TRD fac subiectul acestui raport, ele fiind determinate in conditii variate asa cum se va arata in continuare. Fig. 1: Segmentarea electrodului de citire in pad-uri triunghiulare cu dimensiunea 7.5 x 27.7 mm2 si electrodul anodic (liniile orizontale) cu fire la o distanta de 3mm. Prototipul TRD dezvoltat in Bucuresti Prototipul dezvoltat in departamentul nostru se bazeaza pe o geometrie de baza a unei camere multifilare (MWPC) de 60x60 cm 2 cu zona de drift de 4 mm si 2x4 mm zone de amplificare. Cele 3 zone sunt 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 face prin cuplaj capacitiv folosind un electrod segmentat in zone izolate triunghiulare de dimensiuni 7.5 x 27.7 mm 2 separate intre ele de spatii de 0.2 mm (vezi Fig. 1). Aceasta geometrie a electrodului de citire deschide posibilitatea de a construi corelatii intre semnalele masurate si astfel sa se poata masura pozitia particulelor incidente in doua coordonate cu o rezolutie de pozitie de sute de microni, fara introducerea unor canale de citire suplimentare asa cum exista deja. Pentru a se pune in evidenta noile caracteristici ale prototipului (masurarea pozitiei in doua dimensiuni) s au realizat masuratori diverse incepand de la expuneri la surse de raze X in laborator pana la masuratori in fascicule de electroni si pioni in teste efectuate in conditii reale la acceleratorul CERN PS. In toate cazurile s a folosit o electronica front end (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 fiecare pad triunghiular este citit de un canal FASP sau dreptunghiulara atunci cand 2 pad uri triunghiulare sunt puse in scurt iar semnalul sumat este analizat de un canal FASP. Achizia de date s a facut folosind convertoare 3

4 MADC 32 produse de Mesytec controlate de sistemul Multi Branch System (MBS) dezvoltat la GSI Darmstadt Germania. Monitorarea si analiza semnalelor s a facut folosind platforma Go4 dezvoltata la GSI pe baza ROOT. Masuratori de laborator folosing sursa 55Fe si raze cosmice Pentru masuratorile de laborator prototipul a fost operat cu un amestec de gaze Ar(80%) si CO 2(20%). Prototipul a fost montat pe un dispozitiv de scanare in coordonate care permite rotirea acestuia in jurul unei axe orizontale cat si amplasarea/deplasarea controlata a sursei radioactive raportat la dimensiunile detectorului. Operarea detectorului a fost facuta in configuratia de read out triunghiulara (vezi sectiunea Prototipul TRD dezvoltat in Bucuresti pentru mai multe detalii) Sursa de 55Fe folosita are o activitate de 1.1 GBq si poate fi plasata la o distanta mare (aprox. 40 cm) de detector pentru o iluminare uniforma a acestuia cat si aproape (aprox. 1 cm) pentru iluminare punctuala, aceste operatii facandu se in paralel cu reglarea colimatorului sursei. Pentru triger s a folosit facilitatea de self trigger a FASP prin realizarea unui OR intre toate canalele de pe o placa de baza FEE. Pentru testarea cu raze cosmice s a construit ansamblul experimental prezentat in Fig. 2. Pe langa prototipul principal (notat aici TRD 12) s au mai folosit inca 2 TRD uri cu geometrie interna similara, dar de dimensiuni mai mici 10x24 cm2 (notate in figura TRD 10A si TRD 10B). Pentru triger s a folosit semnalul de coincidenta (AND) de la cele doua scintilatoare plastice identice PL 1 si PL 2 de dimensiuni 11x25 cm2. Un miuon din radiatia cosmica (figurat prin sageata rosie) care trece prin cele doua scintilatoare va declansa semnalul de achizitie pentru cele trei TRD uri. Masuratori in fascicul folosing electroni si pioni Fig. 1: Aranjamentul experimental folosit pentru masuratori de raze cosmice continand 3 prototipuri TRD si 2 scintilatoare plastice Masuratorile cu particule minim ionizante au fost facute la CERN PS folosing un fascicul monoenergetic mixat de electroni si pioni. Detectorul a fost operat cu un amestec de gaze Xe(80%) si CO2(20%) pentru detectia eficienta a radiatiei de tranzitie. Aranjamentul experimental a fost optimizat pentru reconstructia de pozitie in lungul pad urilor (perpendicular pe directia firelor anodice). Pentru acest obiectiv aranjamentul experimental a fost construit ca in Fig. 3. S a folosit pe langa prototipul principal (notat in figura TRD 12) si un detector TRD de referinta (notat in figura TRD 10) cu caracteristici descrise in capitolul Masuratori de laborator folosing sursa 55Fe si raze cosmice. Acesta din urma a fost operat in configuratia de read out dreptunghiulara (vezi Fig. 3) pentru o mai buna separare dintre semnal si zgomot pentru toata suprafata operata. Este de mentionat ca aceasta operare a prototipului il echivaleaza pe acesta cu 4

5 detectori similari folositi in experimente mari (e.g. PHENIX, ALICE), ale caror performante exista studii detaliate. Pentru fiecare din cei doi detectori s au operat 8 coloane pe 3 randuri de pad uri astfel incat pentru TRD 10 au fost folosite 24 canale de read out iar pentru TRD Incidenta fasciculului pe detectori a fost de la stanga la dreapta (vezi Fig. 3) iar triger ul a fost dat de 2 scitilatori plastici si un detector RPC montati in fata si in spatele TRD urilor (absenti din figura pentru claritate). Fig. 1: Aranjamentul experimental pentru masuratori in fascicul continand 2 protipuri TRD aranjate ortogonal Rezultate Pentru analiza performantelor de pozitie ale protipului TRD a fost pusa la punct o procedura de corelare a semnalelor acestuia prin inglobarea rezultatelor internationale existente pentru cazul detectorilor cu pad uri dreptunghiulare si dezvoltarea de proceduri noi bazate pe geometria planului de read out propusa aici. Pentru determinarea pozitiei in lungul firelor anodice s a folosit faptul ca sarcina spatiala generata de o particula incidenta prin ionizarea gazului de lucru induce semnal in aprox. 3 coloane (6 pad uri triunghiulare cuplate in geometria dreptunghiulara). Acest fapt poate fi folosit in asa fel incat pozitia interactiei particulei cu detectorul sa fie estimata cu o precizie de sute de microni prin fitarea distributiei de sarcina masurata in cele 3 coloane printr o functie Gauss. In Fig. 4 Este prezentata reconstructia pozitiei in lungul firelor anodice in cazul imperecherii pad urilor triunghiulare in pad uri dreptunghiulare (indexate pe axa orizontala a Fig. 4). Aici este prezentat un exemplu complex in care particula incidenta este incidenta aproape de limita a doua randuri de pad uri. Fig. 1: Reconstructia pozitiei in lungul firelor in detectorul Acest fapt genereaza semnal (digitizat in canale TRD printr-un fit al distributiei de semnal cu o functie Gauss ADC ADC [ch]) in 6 coloane (12 pad uri triunghiulare). Pentru fiecare rand un hit partial este reconstruit (curbele rosie si albastra a cate 3 coloane) iar in final acestea sunt combinate (curba 5

6 neagra). In cazul in care interactia are loc spre mijlocul randului hit ul partial este suficient pentru identificarea pozitiei interactiei. Pentru masurarea pozitei pe directia perpendiculara pe firele anodice reprezentand noutatea acestui prototip s a introdus o noua functie qq conform definitiei de mai jos qq= ( Q Q Δ ) / ( Q Q Δ) 5 Q = q ki, k=,δ k i= 1 acest raport antisimetric intre sarcina totala masurata pe pad urile cu varful in sus Q fata de cel masurat pe cele cu varful in jos Q (vezi Fig. 1) are proprietatea de a fi sensibil la firul anodic in jurul caruia s a produs amplificarea. Acest lucru poate fi urmarit in Fig.5 In care este prezentata corelatia dintre observabila x reprezentand pozitia in lungul firelor anodice si qq pentru cazul unei iluminari uniforme a detectorului cu sursa de 55 Fe. Codul de culoare din Fig. 5 reprezinta numarul de evenimente definite de perechea (x, qq). Dupa cum se observa din figura aceasta corelatie prezinta 8 maxime Fig. 1: Corelatia intre observabila x masurata in lungul firelor anodice si observabila qq pronuntate pentru masurata perpendicular pe acestea pentru cazul iluminarii uniforme a prototipului TRD cu fiecare x, cu o sursa de 55Fe periodicitate dictata de dimensiunea unei coloane (variabila x in unitati de latime de pad engl. Pw = pad width) si cu o simetrie aproximativa fata de axa ce trece prin qq=0. Aceasta corelatie este folosita in cazul prototipului cu pad uri triunghiulare pentru a identifica fiecare din cele 8 maxime cu pozitia unui fir anodic in jurul caruia se dezvolta avalansa. Astfel se creaza posibilitatea accesari unor informatii la nivel de design de detector fara a masura direct e.g. semnalul pe fiecare fir anodic ceea ce ofera avantaje deosebite ale acestui design asa cum va fi descris in continuare. Suprapus peste distributia experimentala din Fig. 5 este reprezentat un model sinusoidal care descrie calitativ dependenta maximelor de x. Analiza pe baza de model a abaterilor de la curba teoretica a datelor experimentale nu face subiectul acestui raport. Pentru a testa ipoteza anterioara, respectiv identificarea maximelor din Fig. 5 cu pozitia firelor anodice s a folosit ansamblul experimental din Fig. 3, folosit in testele in fascicul la acceleratorul CERN PS. Particulele din fascicul, 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, respectiv masurarea pozitiei in lungul firelor anodice cu pad uri dreptunghiulare pentru TRD10 pentru a testa ipoteza de identificare a firelor anodice pe baza maximelor din distributia reprezentata in Fig. 5. In Fig. 6 se observa pentru 6

7 fiecare conditionare pe un fir anodic identificat (axa orizontala) o distributie cu un maxim pronuntat in pozitia masurata 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 al acestor valori pentru toate firele anodice considerate produce o valoare a pantei de mm (vezi casuta statistica 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 baza acestor rezultate se poate concluziona ca ipoteza testata este corecta si ca maximelor din Fig. 5 identifica firele anodice ale detectorului si implicit dau o estimare a pozitiei incidente a particulei pe directia perpendiculara pe firele anodice cu o rezolutie de cel putin 3/sqrt(12) mm. Este de mentionat ca in Fig. 6 s au folosit doar 6 din cele 8 fire anodice identificate in Fig. 5, cele de pe margine fiind excluse intru cat pentru acestea semnalul este inregistrat in doua randuri de pad uri si implicit identificarea firelor anodice in jurul careia se dezvolta avalansa trebuie sa tina cont de toata informatia. Desi aceasta analiza nu este prezentata aici lipsa ei nu modifica cu nimic concluziile mentionate anterior. Pentru a pune in evidenta posibilitatea de masurare a pozitei in doua dimensiuni accesibila noului prototip TRD s a realizat masuratoarea de raze cosmice folosind aranjamentul descris in Fig. 2. Dupa cum se vede din figura cei 3 detectori au fost asezati avand randurile de pad uri paralele intre ele. Toti detectori au fost operati in configuratia de read out triunghiulara pentru a se obtine informatia de pozitie pe doua dimensiuni. In aceste conditii au fost inregistrati miuoni din radiatia cosmica traversand toti detectorii. Reconstruind pozitia incidentei acestora pe fiecare detector in ambele coordonate, in lungul firelor si perpendicular pe acestea, se obtin corelatii ca cele prezentate in Fig. 7. Distanta dintre detectori a fost masurata prin mijloace mecanice cu o precizie in domeniul mm. Nici o alta procedura de aliniere a Fig. 1: Corelatia dintre metoda de identificare a firelor anodice in detectorilor nu a fost aplicata datorita lipsei prototipul TRD12 si masuratorile de pozitie in lungul firelor anodice realizate cu detectorul TRD10 pentru aranjamentulexperimental din de statistica inerenta in astfel de masuratori. Fig. 3 Cu toate acestea rezultatele calitative prezentate in Fig. 7 arata o buna corelatie intre masuratorile independente facute cu cei trei detectori pentru ambele directii de masura. Aceste confirma inca odata procedura de identificare a firelor anodice (prin corelarea lineara a pozitiei firelor din cei trei detectori) si recomanda acest protip pentru aplicatii de tracking in experimentul CBM si altele. 7

8 Fig. 1: Traiectorii ale miuonilor din radiatia cosmica inregistrati cu dispozitivul experimental prezentat in Fig.2 in planul definit de directia firelor annodice (sus) si perpendicula pe acestea (jos) 8

9 Optimizarea propagarii zonelor ineficiente in arhitectura statiilor CBM-TRD Ansamblul experimental CBM de la viitoarea facilitate experimentala FAIR de la GSI Darmstadt este proiectat sa lucreze in doua configuratii. Una dintre ele este dedicata identificarii de electroni iar cealalta identificarii de miuoni, asa cum este prezentat si in figura 1 [1]. Sistemul cu identificare de electroni Sistemul cu identificare de miuoni Fig. 1 [1] Geometria sudetectorului CBM-TRD la SIS300 Subdetectorul CBM-TRD este format in ambele configuratii din trei statii, primele doua avand in componenta 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 poate observa 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

10 rezistente mecanic (aluminiu, stezalit), deci cu o anumita grosime, astfel incat la trecerea fasciculului de radiatii prin detector, ele ecraneaza ce se afla in spatele lor. De aceea, una din solutiile posibile pentru a minimiza procentul de arie inactiva este considerata dispunerea tuturor ramelor apartinand celor 10 staturi ale sudetectorului TRD astfel incat aceasta ecranare sa fie cat mai mica si sa se maximizeze eficienta geometrica de detectie. Pentru zona unghiurilor polare mici a statiei 1 a fost dezvoltat in Departamentul de Fizica Hadronica un prototip TRD (Prototip TRD2012), cu performante foarte bune atat in ce priveste discriminarea electron-pion cat si al reconstructiei de pozitie in doua dimensiuni, asa cum s-a aratat in prima parte a acestei raportari. Aria acestei 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

11 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 compact SIS-300: RICH RICH in, MUCH compact parked Part STS-Box Magnet RICH TRD 1 4 layers TRD 2 4 layers TRD 3 2 layers ToF PSD Cave End Z-start (mm) Z-extent (mm) Z-end (mm) > 1. -> Utilizand programul AutoCAD versiunea 2012, pentru determinarea dimensiunii zonei ineficiente creata de rama primului strat al primei statii, rama se amplaseaza, conform informatiilor din tabelul 1[4], la o distanta 11

12 de 4100 mm fata de tinta. Se genereaza apoi un con, care o imbraca (fig.4[3]), reprezentand fluxul de particule care strabat detectorul. Se separa apoi doar zonele eficiente, reprezentate in figura 6 [3] sub forma unor piramide cu 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 se extrag 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 pe axa 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 sa fie optimizata eficienta geometrica de detectie. 12

13 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 configuratie experimentala ce cuprinde sistemul de identificare de miuoni (RICH out, MUCH in). Distantele la care sunt pozitionate straturile fiecarei statii sunt prezentate in tabelul 2 [4], iar solidul rezultat prin extragerea zonelor eficiente din ansamblu si zonele umbrite din dreptul fiecarei statii sunt evidentiate in figura 10 [3]. 13

14 Tabelul 2 [4] Pozitia statiilor fata de tinta SIS300, RICH out SIS-300: full MUCH RICH out, MUCH in Part Z-start (mm) STS-Box C Absorber 1 Detector station 1 Fe Absorber 2 Detector station 2 Fe Absorber 3 Detector station 3 Fe Absorber 4 Detector station 4 Fe Absorber 5 Detector station 5 Fe Absorber 6 TRD 1 4 layers TRD 2 4 layers TRD 3 2 layers ToF PSD Z-extent (mm) Cave End Z-end (mm) Fig. 10 [3] Zone inactive RICH out Figura 11 [3] prezinta propagarea zonei ineficiente in acest caz, iar raportul dintre zona ineficienta si aria sectiunii in dreptul fiecarui strat este de 13,5%. 14

15 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 informatii asupra dimensinilor optime ale ramelor ce pot fi incadrate in aceste zone. In figura 12 [3] este prezentata rama care ar putea fi folosita pentru ultimul strat al statiei trei in cazul sistemului cu identificare de electroni. Fig. 12 [3] Dimensiuni maxime rame 15

16 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 Front End Electronics). In acest context, a fost proiectat si realizat o noua versiune a microcircuitului ASIC denumit FASP V02. Acest microcircuit este amplasat pe o placa de baza denumita FASP V02 Board V.2, pe care s au realizat conexiunile pentru cele 88 de paduri (contacte) ale chip ului. Pentru a putea fi testate functionarea si performantele acestui ansamblu (FASP V02 + placa de baza) a fost necesara proiectarea, construirea si testarea unei placi imprimate de test (FASP 02 Test Board V.1), activitate care constituie obiectul acestei raportari. Aceasta placa asigura in principal: conditiile de functionare ale microcircuitului FASP V02 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 FASP V02, 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 FASP V02 TEST BOARD V.1. Microcircuitul FASP V02 Microcircuitul Fasp V02 este constituit in esenta din 16 canale spectrometrice si logica aferenta. Fiecare semnal analogic este insotit de un semnal logic care permite conversia analog digitala. 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 in pol sel. semnale de iesire out0...out15 a caror forma semigaussiana (G) sau flat top (FT) poate fi selectata prin out sel. semnale pentru chipurile vecine din lant nb prv si nb nxt. 16

17 Semnale logice : semnale adc cs care pot fi selectate prin tm mk sel astfel: a) la trecerea peste prag THR, atat pentru formarea gaussiana cat si pentru formarea formarea flat top, cu durata 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 flat top. 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 chip ului: functia de transferare a semnalului analogic existent intr un canal catre canalul urmator (functia pairing, de insumare a semnalelor analogice provenite de la pad uri adiacente din detector). functia de transferare a semnalului logic de trigerare care apare intr un canal (la trecerea semnalului analogic peste prag sau la atingerea valorii maxime) catre canalele adiacente ±1 (selectat prin nb en/dis). Cunoasterea si intelegerea tuturor informatiilor prezentate, referitoare la FASP 02, este necesara pentu a stabili cerintele pentru placa de test FASP 0 TEST BOARD V.1. 17

18 FASP 02 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: V com = 1 V, Vref = 0.3 V, Vth = 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 FASP 02: in pol sel, out sel, tm mk sel si nb en/dis. 7. TB trebuie sa contina puncte de test pentru urmatoarele tipuri de semnale: input, output, ADC CS, nb nxt/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 FASP V02 TEST BOARD FASP V02 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 sunt realizate 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

19 Fig. 1 Circuite integrate stabilizatoare de curent continuu de tip LH1117 Circuitele pentru tensiunile de referinta V com, Vref, Vth folosesc divizori rezistivi sau regalbili si amplificatori operationali cu repetor AD 8571A (toate componentele sunt stable cu temperatura), asa cum se poate vedea in figura 2. 19

20 Fig. 2 Circuitele pentru tensiunile de referinta Vcom, Vref, Vth Fig. 3 Straturile unu si trei ale placii de baza 20

21 Proiectarea layout ului in patru straturi, prezentata in figurile 3 6 a avut in vedere precautii pentru evitarea interferentelor, 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 FASP 02 TEST BOARD V.1 va fi folosita pentru evaluarea performantelor versiunii FASP V02 din seria zero. 21

22 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 ce urmeaza a fi amplasat la FAIR a fost dezvoltata o noua metoda de read-out a semnalelor prin segmentarea electrodului de citire in pad-uri triunghiulare. Aceasta segmentare deschide posibilitatea de a accesa si informatia de pozitie perpendicular pe firele anodice (posibilitate inexistenta pentru geometria clasica a electrodului de read-out) fara folosirea de canale de read-out 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. S-a aplicat o metoda de propagare a ramelor detectorilor TRD ce permite obtinerea de informatii cu privire la 22

23 optimizarea eficientei geometrice de detectie a subdetectorului CBM-TRD, 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, FASP-02 Test Board V.1, realizata pe circuit imprimat cu patru straturi pentru testarea noii versiuni a microcircuitului ASIC denumit FASP-V02. FASP 02 TEST BOARD V.1 va fi folosita pentru evaluarea performantelor versiunii FASP V02 din seria zero. Bibliografie [1] David Emschermann, [2] [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, September 2013; [4] - cbm.uni-muenster.de/engineering/more/much-rich-trd-tof-geometries_v1.00.xls 23