Fast Frontend Electronics for high luminosity particle - - PowerPoint PPT Presentation

Fast ¡Frontend ¡Electronics ¡ for ¡high ¡luminosity ¡ particle ¡detectors ¡

Matteo ¡Cardinali ¡

53rd ¡ ¡International ¡Winter ¡Meeting ¡on ¡Nuclear ¡Physics ¡ ¡ ¡Bormio, ¡27/01/2015 ¡ ¡

Requirements ¡

27/01/15 ¡ Matteo ¡Cardinali ¡ 2 ¡

high ¡count ¡rates ¡(10-­‑103 ¡kHz) ¡ large ¡number ¡of ¡channels ¡(>103) ¡

▪ high ¡luminosity ¡experiments ¡

(rare ¡decays, ¡exotic ¡resonances, ¡...) ¡

{

Requirements ¡

27/01/15 ¡ Matteo ¡Cardinali ¡ 3 ¡

▪ high ¡precision ¡detectors ¡

timing ¡resolution ¡(<100 ¡ps) ¡ charge ¡measurement ¡ ¡

high ¡count ¡rates ¡(10-­‑103 ¡kHz) ¡ large ¡number ¡of ¡channels ¡(>103) ¡

▪ high ¡luminosity ¡experiments ¡

(rare ¡decays, ¡exotic ¡resonances, ¡...) ¡

{ {

(event ¡reconstruction, ¡PID, ¡...) ¡

Requirements ¡

27/01/15 ¡ Matteo ¡Cardinali ¡ 4 ¡

▪ versatile ¡design ¡based ¡on ¡ discriminators ¡ ▪ high ¡precision ¡detectors ¡

timing ¡resolution ¡(<100 ¡ps) ¡ charge ¡measurement ¡ ¡

high ¡count ¡rates ¡(10-­‑103 ¡kHz) ¡ large ¡number ¡of ¡channels ¡(>103) ¡

▪ high ¡luminosity ¡experiments ¡

(rare ¡decays, ¡exotic ¡resonances, ¡...) ¡

PANDA ¡Barrel ¡DIRC ¡

(plastic ¡scintillator) ¡

{ {

(event ¡reconstruction, ¡PID, ¡...) ¡

{A1 ¡Neutron ¡Detector ¡

(Cherenkov ¡light) ¡ ¡

small ¡ signals ¡ large ¡ signals ¡

A ¡Modular ¡Design ¡

27/01/15 ¡ Matteo ¡Cardinali ¡ 5 ¡

▪ Discriminator ¡card ¡

– NINO ¡ASICs ¡ ¡from ¡CERN ¡

▪ differential ¡chip ¡ ¡ ▪ sustained ¡rate ¡>> ¡10 ¡MHz ¡

– single ¡ended ¡mode ¡ – individual ¡channel ¡threshold ¡ – time ¡over ¡threshold ¡ – LVDS ¡output ¡ – 70 ¡mW/ch ¡

▪ Optional ¡preamplifier ¡

– current ¡feedback ¡amp ¡(THS3201) ¡ – 18 ¡dB ¡ ¡(unitary ¡gain ¡ ¡bandwidth ¡1.8 ¡GHz) ¡ ¡

input ¡(16 ¡ch) ¡ discriminator ¡

LVDS ¡output ¡ SPI ¡ LV ¡

{

{

preamplifier ¡ NINO ¡(2 ¡per ¡board) ¡ input ¡signal ¡ amplified ¡signal ¡

• utput ¡signal ¡

1-­‑2 ¡ns ¡ 5 ¡mV ¡ ¡ t ¡ t ¡

The ¡Readout ¡System ¡

27/01/15 ¡ Matteo ¡Cardinali ¡ 6 ¡

TDC ¡ ¡Readout ¡Board ¡3 ¡ (TRB3) ¡

▪ developed ¡in ¡GSI ¡ ▪ multi ¡hit ¡TDC ¡based ¡on ¡FPGAs ¡ ▪ 10 ¡ps ¡RMS ¡time ¡precision ¡ ▪ 700 ¡kHz ¡max ¡data ¡readout ¡rate ¡ ▪ 67 ¡MHz ¡max ¡hit ¡rate ¡ [C. ¡Ugur ¡et ¡al., ¡JINST ¡7 ¡(2012), ¡C02004] ¡

¡

Laser ¡Studies ¡

27/01/15 ¡ Matteo ¡Cardinali ¡ 7 ¡

• r

MCP/PMT+

laser+driver+ TRB3+

DAQ+

Light+Aght+box+

FEE+boards+ laser+head+

• 1+KHz+
• 633+nm+
• 35+ps+FWHM+

64+ch+(4+boards)+

§ Realistic ¡conditions ¡

ü single ¡photon ¡

§ Electronics ¡characterization ¡

ü thresholds ¡definition ¡ ü Time ¡over ¡Threshold ¡proportional ¡ to ¡time ¡walk ¡

tcorr = tmeas − (q + m · ToT)

40% improvement ¡

σSP ≈ 122 ps → 72 ps

Gain ¡106 ¡

DIRC ¡detector ¡

27/01/15 ¡ Matteo ¡Cardinali ¡ 8 ¡

Detec.on ¡of ¡Internally ¡Reflected ¡Cherenkov ¡light ¡

§ fused ¡silica ¡bar ¡(n≈1.47) ¡ ¡for ¡produc.on ¡and ¡transmission ¡of ¡ Cherenkov ¡light ¡ § par.cle ¡ ¡iden.fica.on ¡through ¡.ming ¡(σt<100 ¡ps) ¡& ¡imaging ¡ (about ¡15.000 ¡channels) ¡ § 15 ¡– ¡20 ¡photons ¡per ¡track ¡ detector ¡ plane ¡

Cherenkov ¡light ¡ fused ¡silica ¡bar ¡ charged ¡particle ¡ (with ¡known ¡momentum) ¡

cos θ = 1 nβ

β > 1/n

• P. ¡Coyle ¡et ¡al., ¡Nucl. ¡Instr. ¡and ¡Meth ¡. ¡in ¡Phys. ¡Res. ¡A ¡343 ¡(1994) ¡292-­‑299 ¡

¡

PANDA ¡barrel ¡DIRC ¡– ¡Test ¡experiment ¡

27/01/15 ¡ Matteo ¡Cardinali ¡ 9 ¡

§ 2013, ¡MAMI, ¡855 ¡MeV ¡e-­‑ ¡beam ¡

– 4 ¡Micro ¡Channel ¡Plate ¡photomultipliers ¡ – 256 ¡readout ¡channels ¡ – 2-­‑3 ¡detected ¡photons ¡per ¡event ¡

Expansion)volume) (inside)wooden)box)) rota6ng)table) step)motor) fused)silica)bar) e:)beam) rear)view)

MCP)PMTs)array)

expansion)volume)

ü Clear ¡Cherenkov ¡pattern ¡

Incident ¡e-­‑ ¡beam ¡at ¡57° ¡

27/01/15 ¡ Matteo ¡Cardinali ¡ 10 ¡

MCP ¡

PANDA ¡barrel ¡DIRC ¡– ¡Test ¡experiment ¡

tcorr = tmeas − (q + m · ToT)

without ¡time ¡walk ¡correction ¡

σFEE≈162 ¡ps ¡ ¡ ¡

with ¡time ¡walk ¡correction ¡

σFEE≈53 ¡ps ¡ ¡ ¡

¡ ¡ ¡ ¡FEE ¡timing ¡resolution ¡

ü charge ¡sharing ¡between ¡neighbouring ¡ pixels ¡(single ¡photo-­‑electron) ¡ ü time ¡walk ¡correction ¡validated ¡ ü optimisation ¡algorithm ¡

27/01/15 ¡ Matteo ¡Cardinali ¡ 11 ¡

MCP ¡

PANDA ¡barrel ¡DIRC ¡– ¡Test ¡experiment ¡

tcorr = tmeas − (q + m · ToT)

without ¡time ¡walk ¡correction ¡

σFEE≈162 ¡ps ¡ ¡ ¡

with ¡time ¡walk ¡correction ¡

σFEE≈53 ¡ps ¡ ¡ ¡

¡ ¡ ¡ ¡FEE ¡timing ¡resolution ¡

timing ¡resolution ¡~ ¡40 ¡ps ¡ ¡

A1 ¡Neutron ¡Detector ¡

27/01/15 ¡ Matteo ¡Cardinali ¡ 12 ¡

Prototype: ¡ ¡ § 2 ¡layers ¡of ¡plastic ¡scintillator ¡bars ¡ (64 ¡x ¡2) ¡ § wavelength ¡shifting ¡fibers ¡ § 4 ¡Multi ¡Anode ¡PMT ¡(64 ¡ch) ¡ § 256 ¡readout ¡channels ¡ § Time ¡over ¡Threshold ¡as ¡particle ¡ discrimination ¡

¡

§ A1 ¡@ ¡MAMI, ¡Mainz ¡

§

• Y. ¡Kohl’s ¡poster ¡

§ current ¡< ¡10 ¡µA ¡ ¡

§ several ¡MHz/channel ¡

trigger ¡

π+

n

e−

γ

A1 ¡Neutron ¡Detector ¡

27/01/15 ¡ Matteo ¡Cardinali ¡ 13 ¡

¡Time ¡over ¡Threshold ¡

ü particle ¡identification ¡from ¡A1 ¡ spectrometer ¡ ü no ¡saturation ¡effects ¡observed ¡ ü possibilty ¡to ¡disentagle ¡between ¡ particle ¡species ¡ ¡

particles ¡

Response ¡across ¡the ¡layers ¡

ü MIP ¡uniformly ¡distributed ¡ ü neutrons ¡distribution ¡agrees ¡with ¡ simulation ¡ ¡

A1 ¡Neutron ¡Detector ¡

27/01/15 ¡ Matteo ¡Cardinali ¡ 14 ¡

Rate ¡Studies ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

ü number ¡of ¡hits ¡ ¡in ¡1 ¡µs ¡-­‑> ¡rate ¡ ü average ¡rate ¡2.8 ¡MHz/channel ¡ ü peaks ¡up ¡to ¡12 ¡MHz/channel ¡ ü no ¡saturation ¡effects ¡observed ¡ ¡

{

1 ¡µs ¡ t1 ¡ t2 ¡ t3 ¡ t4 ¡ t... ¡ tn ¡

rate = n 1 µs

Summary ¡

▪ Versatile ¡frontend ¡electronics ¡design ¡ ▪ Time ¡over ¡Threshold ¡ ¡

– time ¡walk ¡correction ¡(SP ¡case) ¡ – charge ¡measurement ¡from ¡scintillators ¡

▪ very ¡small ¡intrinsic ¡resolution: ¡40 ¡ps ¡ ¡ ▪ sustains ¡high ¡rate: ¡2.8 ¡Mhz ¡

27/01/15 ¡ Matteo ¡Cardinali ¡ 15 ¡

27/01/15 ¡ Matteo ¡Cardinali ¡ 16 ¡

Backup ¡slides ¡

A1 ¡Neutron ¡Detector ¡

27/01/15 ¡ Matteo ¡Cardinali ¡ 17 ¡

• M. ¡Schoth ¡

MCP ¡structure ¡

27/01/15 ¡ Matteo ¡Cardinali ¡ 18 ¡