Table des figures - Calorimétrie semi-digitale auprès d'un collisionneur linéaire : étude d'une

1.1 Comparaison entre l’ILC, le LHC et le TeVatron. . . 4 1.2 Schéma de l’ILC. . . 5 1.3 Calendrier global du projet ILC tel qu’il est plannifié en 2008. . . 6 1.4 Vue de l’expérience CMS montrant l’organisation de ses sous–détecteurs. . . 8 1.5 Fraction d’énergie perdue par longueur de radiation par un électron ou un

positron dans du plomb en fonction de son énergie ; détails des contributions des différents phénomènes intervenant. . . 9 1.6 Taux de perte d’énergie moyen des muons dans le cuivre en fonction de

βγ=(pc)/(Mc2_)._{. . . 10}

1.7 Section efficace totale et élastique d’un pion sur un proton, en fonction du moment du pion. . . 10 1.8 Vue simplifiée du détecteur LDC. . . 12 1.9 Vue coupée de GLD. . . 12 1.10 Vue de l’ILD. . . 12 1.11 Vue d’une gerbe électromagnétique dans un calorimètre à échantillonnage. . 13 1.12 Simulation du passage d’un électron de 24 GeVdans du fer. . . 14 1.13 Epaisseurs de fer nécessaires pour contenir 95 % et 99 % de l’énergie d’une

gerbe hadronique, sur la base de données provenant de deux grands détecteurs à neutrinos, ainsi que de la paramétrisation de Bock. . . 15 1.14 Dépôt d’énergie longitudinal et transverse de hadrons de 15 et 100 GeV dans

du marbre, de l’aluminium, du fer et du tungstène, en fonction de la profon- deur de pénétration dans le matériau (en unités de λI).. . . 16

1.15 Courbe dans un évènement à quatre jets de la masse d’un di–jet en fonction d’un autre, pour des valeurs de terme statistique de60%/√E (à gauche) et de30%/√E (à droite). . . 17 1.16 Simulation de la réponse à des pions de différentes énergies d’un scintilla-

teur parfait, structuré en cellules d’1cm2_{, lu, soit en sommant l’énergie des}

cellules touchées, soit en comptant leur nombre, soit en utilisant un réseau de neurones entraîné pour optimiser la résolution en énergie.. . . 19 1.17 Comparaison des résolutions en énergie sur la mesure des jets obtenues en

simulation pour différentes énergies dans le cas d’une lecture « analogique » et d’une lecture par comptage, en fonction de la dimension d’une cellule de détection. . . 20

1.18 Comparaison des résolutions en énergie obtenues en simulation dans le cas d’une lecture « analogique », d’une lecture binaire et d’une lecture semi– digitale 3 bits. . . 20 1.19 structure GRPC. . . 21 1.20 structure MicroMeGaS. . . 22 2.1 Structure en temps du faisceau de l’ILC. . . 26 2.2 Schéma d’ensemble d’une voie de l’électronique des trois calorimètres électro-

magnétique (ECAL), hadronique analogique (AHCAL) et hadronique digital (DHCAL) de l’ILD comparé avec une voie de l’électronique des calorimètres électromagnétique et hadronique de CMS. . . 28 2.3 Dessin de l’ASIC HaRDROC1. . . 30 2.4 Photo au microscope de la puce de l’ASIC HaRDROC1. . . 30 2.5 Schéma fonctionnels des trois ASICs d’ILD réalisés par la collaboration. . . 31 2.6 Schéma fonctionnel du latch utilisé dans l’ASIC HaRDROC1. . . 35 2.7 Schéma de la simulation fonctionnelle de la machine d’états d’acquisition de

HaRDROC1 en début et fin d’acquisition. . . 38 2.8 Schéma de la simulation fonctionnelle de la machine d’états de lecture de

HaRDROC1 en début et fin de lecture. . . 40 2.9 Schéma de la carte DHCAL1 comprenant quatre circuits intégrés avec : (1)

une interface USB pour la configuration et le pilotage de la voie d’acquisition numérique (2) une interface SCSI pour le pilotage de la voie d’acquisition analogique. . . 43

2.11 Schéma de principe de fonctionnement de la lecture externe de la voie analogique de l’ASIC HaRDROC1. . . 48 2.12 Les 2 possibilités d’empilements pour la carte DHCAL1 : dans la configura-

tion 6 couches, toutes les cellules sont routées sur un seul plan contre deux dans la configuration 8 couches. . . 49 2.13 Vue des deux types de routage adoptés pour les ASICs HaRDROC1 dans les

configuration 6 et 8 couches. Sur le schéma de droite, on voit l’ASIC numéro 3 dont les entrées ont été routées sur deux plans différents afin d’améliorer la diaphonie. . . 50 2.14 Détail du banc de mesure pour la diaphonie inter–pistes sur la carte DHCAL1. 50 2.15 Différentes vues de la carte DHCAL1 au fur et à mesure des étapes de sa

2.19 Principe de fonctionnement du pilote de la carte DHCAL1. . . 65 3.1 Figure à l’oscilloscope des signaux de données de configuration en sortie du

premier ASIC de la chaîne présente sur la carte DHCAL1. . . 71 3.2 Représentation de la variation de phase entre l’horloge et les données du

chemin de configuration sur la carte DHCAL1. . . 72 3.3 Schéma de principe du système d’injection de charge dans les ASICs de la

carte DHCAL1. . . 73 3.4 Figure à l’oscilloscope des signaux des sorties des mises en formes d’un ASIC

TABLE DES FIGURES 149 3.5 Figure à l’oscilloscope montrant l’injection de charge en entrée de l’ASIC

réalisée par le front descendant du signal de démarrage de l’acquisition. . . . 75 3.6 Figure à l’oscilloscope montrant le cycle de déclenchements démarré par le

front descendant du signal de démarrage de l’acquisition et continué par le signal de déclenchement interne des ASICs. . . 76 3.7 Figure à l’oscilloscope des signaux concernant la phase de lecture des ASICs

de la carte DHCAL1. . . 77 3.8 Schéma de principe de l’efficacité de déclenchement en fonction du seuil, à

signal injecté constant. . . 77 3.9 Courbe de seuil du canal numéro 23 de l’ASIC 1 (avant correction, gain

unitaire). . . 78 3.10 Distribution des seuils sur l’ensemble des canaux des ASICs 1, 2 et 4 avant

calibration des gains et sur l’ASIC 1 après calibration. . . 79 3.11 Courbe de distribution des largeurs de seuil de l’ASIC numéro 1 après cali-

bration des gains. . . 79 3.12 Distribution du bruit sur les ASICs de la carte DHCAL1. . . 82 3.13 Courbes de gains des canaux 4 et 32 des ASICs 2, 3 et 4 de la carte DHCAL1. 82 3.14 Figure à l’oscilloscope montrant un cycle de lecture réalisée avec le système

VTC. . . 83 3.15 Figure à l’oscilloscope montrant la sortie analogique du HaRDROC1 avant

et après application du signal de maintien externe provenant de la VTC. . . 84 3.16 Vue d’une prise de données effectuée avec l’interface Labview développée pour

la VTC. . . 84 3.17 Figure à l’oscilloscope montrant la sortie analogique de l’ASIC avant et après

le démarrage de la lecture analogique réalisée avec le système VTC. . . 85 3.18 Courbes de gains des canaux 4 et 32 des ASICs 2, 3 et 4 de la carte DHCAL1

réalisées à partir des données prises par le système VTC. . . 86 3.19 Taux de perte d’énergie moyen des muons dans le cuivre en fonction de

βγ=(pc)/(Mc2_)._{. . . 87}

3.20 Taux de perte d’énergie moyen dans l’hydrogène liquide, l’hélium gazeux, le carbone, l’aluminium, le fer, l’étain et le plomb. . . 87 3.21 Courbes de dispersion de l’énergie déposée dans différentes épaisseurs de

silicium par des pions de 500MeV. . . 88 3.22 Courbe de distribution de la réponse en charge à des particules au minimum

ionisant d’une GRPC soumise à une différence de potentiel de 8.4kV pour un seuil de l’électronique de lecture de 2.2mV. . . 89 3.23 Vue de l’installation réalisée pour les tests avec des cosmiques. . . 92 3.24 Courbes représentant l’efficacité d’une GRPC en fonction de la haute ten-

sion, comparée selon le type de contact pour la haute tension (graphite ou lycron). . . 93 3.25 Courbes représentant la multiplicité d’une GRPC en fonction de la haute

tension, comparée selon le type de contact pour la haute tension (graphite à gauche et lycron à droite). . . 93 3.26 Tests avec des cosmiques : vue d’une particule traversant trois plans RPC. . 94 3.27 Tests avec des cosmiques : vue d’une particule traversant cinq plans RPC. . 95 3.28 Courbe représentant l’efficacité du prototype de DHCAL composé de 4 GRPC,

en fonction de la haute tension, après reconstruction des traces (contact haute tension en lycron).. . . 95

3.29 Vues de l’installation réalisée pour les tests en faisceau. . . 96 3.30 Vues générale et en détail, sur une période de prise de données de 3h, de

la dispersion du contenu du compteur différentiel entre le dernier déclenche- ment interne d’un ASIC et le déclenchement externe. . . 100 3.31 Vue des données acquises par la carte DHCAL1 pendant une période d’ac-

quisition avec ou sans scintillateur pour le déclenchement externe. . . 101 3.32 Visualisation du dépôt d’énergie d’un muon faisceau avec un angle de 30

degrés dans le calorimètre (sans absorbeur) composé de 4 plans RPC. . . 102 3.33 Visualisation du dépôt d’énergie d’un pion de 6 GeV dans le calorimètre

composé de 4 plans RPC avec l’absorbeur en fer. . . 102 3.34 Vue des données acquises par la carte DHCAL1 pendant une périodes d’ac-

quisition où la haute tension était fixée à 8.0kV. . . 103 A.1 Schéma de la machine d’état d’acquisition de HaRDROC1 . . . 108 A.2 Schéma de la machine d’état de lecture de HaRDROC1 . . . 109 B.1 Schéma de la machine d’états de séquencement des ASICs . . . 115 B.2 Table de vérité de la machine d’états de séquencement des ASICs . . . 116 B.3 Premier volet de la simulation RTL de l’entité de gestion du séquencement

des ASICs : la phase d’acquisition. . . 117 B.4 Second volet de la simulation RTL de l’entité de gestion du séquencement

des ASICs : transition entre l’acquisition et la lecture . . . 118 B.5 Troisième volet de la simulation RTL de l’entité de gestion du séquencement

des ASICs : passage de jeton entre ASICs . . . 119 B.6 Quatrième volet de la simulation RTL de l’entité de gestion du séquencement

des ASICs : fin de la lecture et début de l’envoi vers l’ordinateur. . . 120 B.7 Cinquième et dernier volet de la simulation RTL de l’entité de gestion du

séquencement des ASICs : fin de l’envoi des données vers l’ordinateur, ajout du CRC . . . 121 B.8 Schéma de la machine d’états de lecture USB . . . 121 B.9 Table de vérité de la machine d’états de lecture par USB . . . 122 B.10 Simulation RTL du fonctionnement de l’entité de gestion des accès USB en

lecture . . . 122 B.11 Schéma de la machine d’états finis en charge de l’écriture USB . . . 123 B.12 Table de vérité de la machine d’états d’écriture USB . . . 123 B.13 Schéma de la machine d’états finis chargée de l’interface avec l’ordinateur

par dessus l’ USB . . . 124 B.14 Table de vérité de la machine d’états chargée de l’interface avec l’ordinateur

par dessus l’ USB . . . 124 B.15 Schéma de la machine d’états de gestion des « accès registre » . . . 125 B.16 Table de vérité de la machine d’états de gestion des « accès registre » . . . . 126 B.17 Premier volet de la simulation RTL du fonctionnement de l’entité de gestion

des « accès registre » : accès du registre mode en lecture . . . 126 B.18 Second volet de la simulation RTL du fonctionnement de l’entité de gestion

des « accès registre » : écriture d’une valeur dans le registre mode . . . 127 B.19 Troisième volet de la simulation RTL du fonctionnement de l’entité de ges-

tion des « accès registre » : lecture de la nouvelle valeur affectée au registre mode . . . 127 B.20 Schéma de la machine d’états de chargement de la configuration des ASICs 128

TABLE DES FIGURES 151 B.21 Table de vérité de la machine d’états de chargement de la configuration des

ASICs . . . 129 B.22 Premier volet de la simulation RTL du fonctionnement de l’entité de charge-

ment de la configuration des ASICs : réception depuis le FPGA de la chaîne de configuration . . . 129 B.23 Second volet de la simulation RTL du fonctionnement de l’entité de char-

gement de la configuration des ASICs : fin de la réception, vérification de l’intégrité des données et début du chargement . . . 130 B.24 Troisième volet de la simulation RTL du fonctionnement de l’entité de char-

gement de la configuration des ASICs : fin du chargement de la configuration, rendu du relais . . . 131 B.25 Schéma de la machine d’états de vérification de la configuration des ASICs 132 B.26 Table de vérité de la machine d’états de vérification de la configuration des

ASICs . . . 133 B.27 Premier volet de la simulation RTL du fonctionnement de l’entité de véri-

fication de la configuration des ASICs : vidange du registre de configuration et stockage de son contenu . . . 134 B.28 Second volet de la simulation RTL du fonctionnement de l’entité de vérifi-

cation de la configuration des ASICs : passage du stockage au rechargement de la configuration des ASICs . . . 135 B.29 Troisième volet de la simulation RTL du fonctionnement de l’entité de vé-

rification de la configuration des ASICs : accès du registre de statut par l’ordinateur pendant le fonctionnement local de la machine d’états. . . 136 B.30 Quatrième volet de la simulation RTL du fonctionnement de l’entité de vé-

rification de la configuration des ASICs : fin du rechargement et début de l’envoi des données vers l’ordinateur . . . 137 B.31 Troisième volet de la simulation RTL du fonctionnement de l’entité de vé-

rification de la configuration des ASICs : fin de l’envoi des données à l’ordinateur, génération du CRC . . . 138 B.32 Schéma de la machine d’états de l’espion . . . 139 B.33 Table de vérité de la machine d’états de l’espion . . . 139

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