1 Plan Electronique

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P. Puzo / 2007-2008 R&E - UE6 - Détection en physique des hautes énergies - VII 1/23

Plan

I.

Quelques points de physique des hautes énergies

II.

Quelques notions sur les accélérateurs

III.

Energie perdue dans la matière

IV.

Partie active des détecteurs

V.

Identification des particules et reconstitution de traces

VI.

Calorimétrie

VII.

Electronique et système d’acquisition

VIII.

Détecteurs de physique des hautes énergie

De loin, cela peut parfois paraître un peu fouillis …

Electronique



Pour obtenir les meilleurs performances, l’ensemble (détecteur + électronique) doit être optimisé



Deux types d’information :



Amplitude du signal, forme du signal ⇒ énergie déposée



Temps ⇒ temps de passage de la particule



Caractéristiques des signaux :



≈ 10

³

e

^-

(fC) ou 10

⁶

e

^-

(pC)



Impulsions parfois très brèves (ns ↔ ps). Les temps de dérive des électrons dans l’argon liquide (ATLAS) et surtout dans les gaz (TPC) sont beaucoup plus élevés



La distance entre le détecteur et l’ADC peut être de l’ordre de 100 m (accessibilité, tenue aux radiations, caractéristiques des cables..)

Sam pling a t 40 MHz and dititization

• 12 bits ADC in 3 gains

• Ionization signal is sample every 25 ns

• n = 5 samples are recorded in normal mode (up to 32 for special purposes)

• Energy and time are computed online:

Amplitude (∝ Energy)

Pedestal subtracted

From digits to energy

E = a

_i

( ADC

_i

"P )

i=1 n

# $ = 1

E b

_i

( ADC

_i

" P )

i=1 n

#

The optimal filtering coefficients ai and bi are evaluated once minimizing the dispersion in E from electronics and pile-up

(2)

L’électronique en 3 schémas

ENC : Equivalent Noise Charge

Quelques objets fréquemment utilisés



Détecteur à seuil : discriminateurs



ADC ≡ Analog to Digital Converter



TDC ≡ Time to Digital Converter

Utilité d’un bruit faible



Possibilité de détecter des très faibles signaux (exemple des muons dans le calorimètre électromagnétique d’ATLAS)



Redondance pour le système d’identification des particules (particulièrement utile dans un environnement « hostile »)

Calorimètre électromagnétique de ATLAS

(Argon liquide)

Quelques critères importants

Souvent déterminant

(3)

Le résultat final



Des cartes électroniques généralement très complexes Carte de

calibration du calorimètre électromagnétique

de ATLAS

La logique interne est également

complexe !!

Effets des radiations sur l’électronique embarquée (LHC presque uniquement)



SEU ≡ Single Event Upset : Changement d'état introduit par une particule énergétique. Concerne les circuits logiques, analogiques et optiques. Ce n’est pas dramatique si cela se traduit par une erreur de la logique par contre cela peut l'être si ce SEU se traduit par une erreur de la logique de configuration



MBU ≡ Multiple Bit Upset : Un upset concernant plusieurs bits



SEL ≡ Single Event Latchup : C'est un effet qui peut être destructif. Il introduit un fort courant transitoire dans le système parasite propre aux technologies MOS



SHE ≡ Single Hard Error : C'est un SEU causant une erreur permanente. Par exemple un bit mémoire qui reste collé a un niveau 0 ou 1

Le système d’acquisition (1/2)



Consiste à enregistrer les signaux issus du détecteur sur un support informatique pour pouvoir les analyser ultérieurement

Signal

Front end mémoire

Unité de

Traitement 1 Unité de

Traitement 2

Lecture Traitement

Le système d’acquisition (2/2)



Pour augmenter le débit, il suffit de rajouter de la puissance de calcul …

Signal

Frot end mémoire

Unité de Traitement 1

Lecture

Traitement

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Section efficace proton proton

Nécessité d’un déclenchement

« intelligent »

Déclenchement (1/3)



Couramment appelé trigger



C’est un système qui défini les conditions d’acceptation ou de rejet d’un évènement. Il doit :



Sélectionner les évènements intéressants



Réduire le bruit de fond



Minimiser la dimension de l’évènement enregistré



L’idéal serait de n’enregistrer que les données intéressantes, sans en omettre une seule



Par exemple, pour l’étude de Z → e

⁺

e

^-

, le trigger doit comporter la reconnaissance de toutes paires e

⁺

e

^-

dont la masse est celle du Z

Déclenchement (2/3)



Un exemple simple de trigger : enregistrer les particules diffusées à l’angle θ

Tous les événements ne vérifiant pas la condition seront rejetés

Déclenchement (3/3)



Pour les cas plus complexes, on utilise souvent une 1

^ère

analyse

« en ligne » des données expérimentales (online analysis)



Par exemple : reconstruction grossière de la masse de la particule



Il faut pour cela stocker les événements pendant que la décision se prend

⇒ utilisation de mémoires tampons (buffer)

Buffer ou pipeline

Trigger

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Principe d’un trigger sur une expérience LHC

Toutes les données du détecteur doivent être conservées jusqu’à ce que le trigger ait pris une décision !



Le but est surtout de ne pas rater d’événements intéressants

CMS - M=130 GeV 1 année

On cherche

Exemple du L1 de ATLAS

Le temps de décision du trigger de niveau 1 ne peut pas excéder 25 ns !

Pendant le temps de latence du trigger, les données du détecteurs sont conservées dans des mémoires tampons

Architecture d’une expérience sur collisionneur

Electronique frontale (front end) (électronique

analogique et numérisation)

Enregistrement ATLAS : 40 Mhz

1-10 Gbs

μs ms s 100 Mbs

1000 Gbs

L1 (trigger level 1)

Processeurs électroniques câblés

L2

(trigger level 2) L3

(trigger level 3)

Fermes de

processeurs en réseau

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