R&D des Detektorkontrollsystems für den ATLAS-Pixeldetektor im HL-LHC

Jennifer Boek, Susanne Kersten, Peter Kind, Peter Mättig, Lukas Püllen und Christian Zeitnitz Bergische Universität Wuppertal

DPG Tagung in Karlsruhe

31. März 2011

Inhalt

Phase 2 Upgrade zum HL-LHC Das Detektorkontrollsystem (DCS)

– Das DCS-Netzwerk Analoges Chipdesign

– Physical Layer Chip

2R&D des Detektorkontrollsystems für den ATLAS-Pixeldetektor im HL-LHC – Lukas Püllen

3R&D des Detektorkontrollsystems für den ATLAS-Pixeldetektor im HL-LHC – Lukas Püllen

Das HL-LHC Upgrade Geplantes Phase 2 Upgrade für 2020:

– Luminosität L=5·1034cm-2s-1– Integrierte Luminosität 3000fb-1– 400 Events pro bunch crossing ?

→ Komplette Erneuerung des inneren Detektors mit Hinblick auf– Strahlungshärte (570 MRad im Pixeldetektor)– Power und Kühlung für mehr Kanäle– Minimierung der Strahlungslänge und Materialeinsparung (weniger

Platz für Kabel und Elektronik)

4R&D des Detektorkontrollsystems für den ATLAS-Pixeldetektor im HL-LHC – Lukas Püllen

Der neue ATLAS-Pixeldetektor

Aktuelle Planung für Pixel:– Bis zu 3 (konventionelle) feste äußere Lagen und bis zu 5

Disks/Endkappe– 2 innere Lagen um die Beampipe– η <= 2.5– Stavekonzept im Barrelbereich wird beibehalten– Kontrolle/Datenauslese pro Halfstave

Inhalt

Phase 2 Upgrade zum HL-LHC Das Detektorkontrollsystem (DCS)

– Das DCS-Netzwerk Analoges Chipdesign

– Physical Layer Chip

5R&D des Detektorkontrollsystems für den ATLAS-Pixeldetektor im HL-LHC – Lukas Püllen

Was ist DCS?

Das Detector Control System: Zuständig für die Sicherstellung der Datennahme Sicherheit von Mensch und Maschine

Aufgaben: Versorgung des Detektors mit Energie (Fern-)Steuerung des unzugänglichen Detektors Überwachung und Steuerung der Umgebungsbedingungen Archivierung wichtiger Größen wie Spannungen, Ströme und

Temperaturen

6R&D des Detektorkontrollsystems für den ATLAS-Pixeldetektor im HL-LHC – Lukas Püllen

DCS Konzept für den HL-LHC

7R&D des Detektorkontrollsystems für den ATLAS-Pixeldetektor im HL-LHC – Lukas Püllen

DCS Konzept für den HL-LHC

8R&D des Detektorkontrollsystems für den ATLAS-Pixeldetektor im HL-LHC – Lukas Püllen

Drei unabhängige Pfade: Safety

– Fest verdrahtetes Interlocksystem– Höchste Verlässlichkeit– Geringe Granularität

Control & Feedback– Bearbeitet Benutzeranfragen– Steuerung / Überwachung des Detektors– Hohe Verlässlichkeit, autarke Datenübertragung

Diagnostics– Datennahme nur bei Bedarf (z.B. Kalibration)– Höchste Granularität– Datenübertragung in die Datenauslese integriert

Das DCS-Netzwerk

9R&D des Detektorkontrollsystems für den ATLAS-Pixeldetektor im HL-LHC – Lukas Püllen

Zwei ASIC-Chips: DCS-Chip (End Of Stave)

– Analogteil (ADC)– Digitalteil (Kommunikation)

DCS-Controller (Service Point)– Digitalteil (Kommunikation)

Kompromiss zwischen der Minimierung toten Materials und Maximierung der Granularität:

4 x 4 DCS Chips pro DCS-ControllerI²C-HC (mod. I²C, differenziell)

DCS-Controller ist mit PCs im Counting room verbunden

CAN mit geringerem Spannungshub

Inhalt

Phase 2 Upgrade zum HL-LHC Das Detektorkontrollsystem (DCS)

– Das DCS-Netzwerk Analoges Chipdesign

– Physical Layer Chip

10R&D des Detektorkontrollsystems für den ATLAS-Pixeldetektor im HL-LHC – Lukas Püllen

Analoges Chipdesign Prozess: 130 nm (cmrf8sf)

→ Strahlenhart Erstes analoges Design: 3

Studien zu unterschiedlichen Teilen des DCS-Chips:– Transceiver zur diff.

Datenübertragung– 4 Bit R-2R Netzwerk zur D-A-

Wandlung– Inverter & Schmitt-Trigger zur

Takterzeugung Fläche 1000 x 1000 µm² Submittiert: November 2010 Erwartete Ankunft: März 2011...

11R&D des Detektorkontrollsystems für den ATLAS-Pixeldetektor im HL-LHC – Lukas Püllen

Physical Layer Physical Layer: Physikalische

Verbindung zwischen Knoten und Bus

Datenübertragung nach dem CAN-Prinzip– Differenzieller Bus mit mehreren Knoten

Dominanter Zustand– „0“, Spannungsdiff. 300mV

Rezessiver Zustand– „1“, Spannungsdiff. 0V

Übertragungsrate durch Leitungslänge begrenzt

12R&D des Detektorkontrollsystems für den ATLAS-Pixeldetektor im HL-LHC – Lukas Püllen

TxD

RxD

CAN_H

CAN_L

120 TxD

RxD

120

TxD

CAN_L

CAN_H

Beispiel mit VP230 (kommerzielle Lösung)

R&D des Detektorkontrollsystems für den ATLAS-Pixeldetektor im HL-LHC – Lukas Püllen13

5. November 2009

Unser integrierter Sender Dominanter Zustand:

– Beide MOSFETs eingeschaltet– Dioden begrenzen den

Spannungshub

Rezessiver Zustand– Beide MOSFETs ausgeschaltet– Potenzialdifferenz fließt durch

Terminierung ab– τ = Kabelkapazität · Terminierung Kabellänge 20m

Kabellänge 60m

TxD

Spectre Simulation

Unser integrierter Empfänger

14

Unsymmetrische Last erzeugt unsymmetrische Verstärkung

Pegelschwellen bei ~75mV und ~170mV – 95mV Hysterese

Schmitt-Trigger liefert steile Flanken

R&D des Detektorkontrollsystems für den ATLAS-Pixeldetektor im HL-LHC – Lukas Püllen

Spectre Simulation

CAN_H

CAN_L

RxD

Ausblick

15R&D des Detektorkontrollsystems für den ATLAS-Pixeldetektor im HL-LHC – Lukas Püllen

Testen des Physical-Layer Chips– u.a. in Kombination mit den Digitalchips (siehe

nächster Vortrag)

Nächste Submission vermutlich wieder reines Analogdesign– Chipinterne Referenzspannung (Bandgap und Beta-

Multiplier)– Evtl. erste Studien für einen Sample&Hold

Mechanismus– Weitere Studien zu den Elementen des Physical-

Layer Chips (abhängig von den Testergebnissen)