Stato del rivelatore di µ di LHCb

• Breve overview del detector e delle responsabilita`• Test di prototipi di MWPC: LNF, Ferrara• Test di aging: MWPC (LNF e CERN)• Situazione nei centri di produzione: tooling,

materiale, prospettive per l’inizio della produzione• Stato delle infrastutture: strutture di sostegno delle

camere, degli assorbitori, dei racks,...• Stato del software per il sistema µ

C.Forti (LNF) – CSN1 – Lecce 24 settembre 2003

LHCb Muon detector

5 stazioni 435 m2

M1 davanti M2-M5 dietro icalorimetri20 λ di assorbitore(inclusi i calorimetri)

Rivelatore pronto(fully commissioned)per Aprile 2007

• Identificazione dei muoni• L0 triggering misurando il PT (concidenza 5-fold entro 25 ns del bunch cross.)

• Alta rate capability delle camere (fino a ~75 kHz/cm2 in M1R2).• Risoluzione ∆ PT / PT ~ 20% appropriata granularita`• Buon timing e ridondanza ogni stazione con ε > 99% in 20 ns• Resistenza all’ageing (655 mC/cm in M1R2 in 10 anni LHC a L=2 1032)

LHCb-mu: vista frontale di un quadrante

Region 4

Region 3

Region 2

4804

2002

1001

500

250

250

300 300 600 1200 2402

4003

Beam Pipe Sheilding

50mm x 250mm

25mm x125mm

12.5mm x 63mm

6.3mm x31mm

Logical channel

Logical channel

Logical pad

Reg 1

4 Regioni in ogni stazione,con granularita`

~ 1x2 to 10x20 cm2

• variabile con la distanzadall’asse del fascio

• maggiore in M2, M3(seeding stations)

• minore in M4, M5• intermedia in M1

1380 camere in totale126 k canali

Profilo di una quadrigap

All chambers 4 wire layers (*) for time resolution and redundancy

4 separateHV suppliesto anode wires

Cathode padsPCB

HV

HV

HV

HV

2 independent ASDORed on FE Board

similar ORing schemealso applies to cathodepads

CathodePCB

Structuralpanel

(*) except M1, see later

Divisione delle responsabilita`

Ferrara264M2-M4, R3 / M4-M5,R1-R2Firenze192M5 R4

Responsabilita`N. Camere(incluso 10% spare)

Regione

CERN80M2-M3, R1-R2

Ferrara72M1 R4LNF290M1-M3-M5, R3LNF120M1 R4PNPI634M2 - M3 - M4, R4

• Single cathode pad readout• Active area : 129.6 x 27 cm2

• 2 x 48 pads, 2.7 x 13.5 cm2 each

Test di un prototipo full size per M3R3 (LNF)

Cathode pad readout

Passo tra i fili 2 mm invece di 1.5 mmperche’ permette di lavorare a HVpiu` bassa di 400 V

Test prototipo M3R3 (full size) con passo 2 mm

HV (kV)

ε (20 ns)

∆V ~ 350 V

rms

(ns)

HV (kV)

RMS ~ 3.6 ns @ 2.75 kVRichiesta RMS < 5 nsWP

• Punto di lavoro @ 2.75 kV per 2 mm, @ 3.15 kV per 1.5 mm• Il plateau inizia @ 2.55 kV, 400 V prima che per passo 1.5 mm• Lunghezza plateau ~ 350 V per 2 mm, ~ 250 V per 1.5 mm• minor sensibilita` del guadagno alle imperfezioni costruttive

Uniformita` delle prestazioni

rms

pad numberpad number

ε

ε ~ (99.1+-0.5) %Time RMS ~ (3.5 +- 0.14) ns<N.hits> < 1.2 su tutta la camera.

• Solo alcune pads (~ 4%) con qualche problema di connessione/saldatura,...

Passo 1.5mmCatodo 8 x12 pads~352 x 293 mm2

Uniformita` in efficienzadelle bigap AB e CD

Mean = 99.3 %RMS = 0.5 %

Mean=3.58 nsRMS=0.19 ns

Uniformita` in risoluzionetemporale di AB e CD

PrototipoPrototipo M4R1 (Ferrara)M4R1 (Ferrara)

soglia=240mV (6.5 fC)

Working point = 3.15 kVEfficienza > 97% gia` a 3.0 kV

~ 2% of pads with low efficiencywe suppose bad connections

2.2%0.1%

3.8%0.2%

Pad U2 3 / 14AB

CD

Out-of-time In-timet

Crosstalk time distributions

Conclusions: Good stability up to 3.4 kVWide plateau: 3.0 – 3.4 kV Efficiency > 99% @ 3.15 kVIn-time xtalk < 4%

(richiesto <5%)

In-time = entro 20 nsecdal primo hit in tempo

• Source Co60 (~25,000 curie)Eγ ~ 1.25 MeV

• T0 = reference MWPC(LNF 2)

• T1 = test MWPC (LNF 3)

• T2 = test MWPC(LNF 1, CERN1, CERN2)

• T, P = temperature and atmospheric pressure sensors

• MWPC Open Mode ~ 5-6 l/hr

• MWPC Closed loop:fresh gas ~ 1.35 l/hrcirculating gas ~ 6.5 l/hr

T0T2

GEM

PC

Co60

BO

TT

LE

SHV

CONTROLROOM

4.5

m

P

T

win

dow

T1

GA

S R

AC

K

~ 16 Gy/hr

0.3-0.6 Gy/hr<< 0.1 Gy/hr

Aging test @ ENEA CasacciaCalliope facility

MWPC – LNF aging test

Rapporto delle correnti LNF(A,B,C)/D

TEST CHAMBER: LNF 1Passo 2 mmLunghezza totale fili ~ 6030 cmActive area 1200 cm2

HV=2.75 kVgap di reference= D accesa per ~5 ore ogni 2-3 giorni

I ~ 1200-1500 µA/gapdensita` I ~ 1 µA / cm2

Gas = OPEN Mode.

Rapporto rispetto alla gap direference costante entro ~ 4 %

Carica integrata in LNF 1

~ 290-440 mC/cm

M1 M2

R1 1,619 0,264

R2 0,655 0,187

R3 0,282 0,092

R4 0,088 0,017

C/cm in 10 years equivalent• TDR with safety factors• L=2 x 1032

16 anni M1R36.7 anni M1R22.7 anni M1R1

~ 430 mC/cm ~ 380-480 mC/cm

Carica integrata in CERN 1 and 2

Closed loop 2 mm pitch Open mode 1.5 mm pitch

480 mC/cm equivale a:17 anni M1R37.3 anni M1R23.0 anni M1R1

Test LNF + CERN sufficienteper convalidare la scelta di mettere MWPC in M1R2.Per M1R1: questione aperta

Stato del tooling nei centri di produzione: LNF

filatricesaldatrice Tavoli

incollaggi

Tutti i macchinari trasferiti in camera pulita ad agosto.Avremo 2 camere complete per la fine di ottobre (PRR)

Camera pulita LNF Pulizia, rifinituredopo la saldatura

Incollaggio barretrasversali (cornice)

Assemblaggiocamera

Camera pulita LNF

Filatrice

Saldatrice

Incollaggio cornici Misura tensione fili

Assemblaggio camera

colla

distanziatorecornice

Test di uniformita` con sorgente

Macchina realizzata da Roma 1 pronta e installata accanto alla camera pulita LNF

Ferrara – Firenze – Potenza / CERN - PNPILe camere pulite sono in preparazione

FERRARA : la maggior parte del tooling e` pronto (il WTM inpreparazione su disegno di Roma1)

FIRENZE : la maggior parte del tooling e` stato ordinato.Tutti i disegni delle HV bars e delle pads sono quasi pronti

POTENZA : la macchina per l’incollaggio delle HV bars sui pannelli e`funzionante (richiede solo piccole modifiche)

CERN: Iniziata la pre-produzione (fase di training).2 camere M3R2 saranno pronte per meta` ottobre (PRR). PNPI ha ricevuto il tooling dal CERN alla fine di agosto e lo stanno installando. A ottobre gente del CERN fara` il setup del tooling e il training del personale inloco. PRR previsto per fine Novembre.

Ogni sito ha un ritardo dell’ordine di ~ 2 mesi (+agosto). Bisognerebbe evitare ulteriori ritardi dovuti alla fornitura di materiale. Probabilmente un po` di tempo puo` essere recuperato abbreviando la fase di training.

Foto del Tooling a Ferrara

Filatura e saldatura

Incollaggio dei fili TOOLING A Ferrara

FIRENZE: la settimana scorsa e`stata provata la macchina che incollale HV bars sui pannelli e funziona bene.

22 PANELLI118 misure di spessoreper ogni pannello< T > = 9.1 mmRMS = 20 µmMassimo spread +-50 µm

La qualita` dei pannelli(planarita`, spessore) e`ottima.Il ritmo di produzionecome atteso.

I pannelli delle MWPC (I)

I pannelli delle MWPC (II)

• In produzione gli elementi angolari che contengono i fori per ilgas e per le spine di posizionamento

• Un nuovo stampo per gli angolari delle regioni interne (R1,R2) e` in preparazione

• I disegni degli stampi per i pannelli M2-M4-M5 sono pronti e la gara e` in partenza

Un primo prototipo di pannello di honeycomb per M1 (R2-R3-R4)(da una ditta contattata dal gruppo GEM) e` stato misuratoMisure di spessore molto buone: +- 80 micron

Costo indicativo di un pannello: 100 SF/each80 kSF per ~ 800 panelli di (M1R2-R3-R4)

Schedula tentativa della produzione iniziale

193030Materiale da ordinare

19 [32]40 (3/w) [43]40 (2.5/w) [45]Marzo

28 (2.5/w)30 (2.5/w)Febbraio

18 (2/w)20 (2/w)Gennaio

10 (1.5/w)12 (1.5/w) [25]Dicembre

4 (1/w)6 (1/w)Novembre

2Ottobre

FEPNPILNFPronte afine

[n] – Numero previsto in base alla schedula precedente

Ordini del materiale per la produzione iniziale

Abbiamo ordinato materiale per fare 15+15 camere (PNPI+LNF, M3R4+M3R3)

La produzione dei pannelli procede con ottimi risultati (a ritmo di ~10/giorno finche` c’e` un solo stampo).Schedula: 300 pannelli per PNPI (entro fine ottobre) + 100 per l’INFN

Siamo pronti per ordinare il resto del materiale.Non possiamo aspettare la gara definitiva perche’ il materiale (PNPI+INFN) non arriverebbe prima di fine marzo.

Chiediamo di poter fare dei piccoli ordini CORE per riempire la gap di tempo (questo materiale costerebbe ~10-20% in piu` rispetto all’ordine “finale”).

Si tratta di materiale per: 30 camere LNF, 30 PNPI, 19 Ferrara

Stato delle infrastrutture

Resp. CERNScheduled forDecember 2004

Struttura di supporto delle camerePrototipo del Wall

Responsabilità: Walls =INFN. Struttura epiattaforme racks = CERN.Schedulato: entro metà 2005.

Pezzi di ~5 x 2 m (peso~180kg)Assemblati verticalmente in situ

Stato del muon software coord. R. Santacesaria – RM1

• Pre-2001: studi di L0 µ trigger (RM1)• 2001-2002: Fortran C++ del programma di ricostruzione

- definizione dell’event model (RM1)- descrizione della geometria (CERN … )- progetto e scrittura in C++ della digitizzazione (RM1)- Muon-ID (Rio)

• 2003: - simulazione background di bassa energia nel sistema µ (RM1)- background dei µ dall’acceleratore (CERN-RM2)- Geant4, prima fase di validazione della simulazione (RM2)- Monitoring qualita’ della simulazione del sistema µ (LNF)- ottimizzazione del formato del DAQ (RM1)

Stato del muon software (2)

LHCb report presentato all’LHCC Computing Manpower Review 3/9/2003

Il gruppo SW dei µ e’, al momento, sottodimensionato(circa 2.5 FTE).

A partire dal 2004 si auspica l’arrivo di nuove risorse da esperimenti in via di conclusione.

Necessita’ per i prossimi anni:4 FTE(2004), 4.5 (2005), 4.5(2006), 6.5(2007)……

Conclusioni

Test degli ultimi prototipi MWPC di LNF, Ferrara (e CERN) molto buoni. Anche con passo 2 mm la Time Resolution e`OK.

Test di aging MWPC: 480 mC/cm equivalenti a:17 anni M1R3 7.3 anni M1R2 3.0 anni M1R1

PRR dei siti di produzione (LNF, Fe, CERN,PNPI) entro ~2 mesi.Iniziata la pre-production a LNF.

Definite responsabilita` e disegni di massima delle strutture disostegno delle camere, degli assorbitori e dei racks.

Progressi nel software dei µ nel 2003, in particolare nellasimulazione del background. Necessita` di altre risorse umane.

Spare: overview of detector

LHCb-mu (vista di profilo)

x and y projectivityto Interaction Point

Space points measurement

Readout:• wire “pads”• cathode pads• mixed (wires+pads)

Pad segmentation: • from 0.6x25 to 6x31 cm2 (wire pads)• from 1x2.5 to 6x16 cm2 (cathode pads)

M1

M2-M5

5 stations, M1-M5435 m2

20 λ absorber (total, including Calorimeters)

Calorimeters

Fe Filters

The trigger uses a5-fold coincidence

ε(b → µX) = 46%

LHCb (vista 3D)

MWPC with Cathode and Wire Readout

Cathode pad readout

Anode wire readout

MWPC with Combined ReadoutAnode wire readout

Cath

ode

pad

read

out

M2R2

329m

m

694mm

Rate in kHz/cm2 in ogni MiRi

Rate in kHz/cm2 con L=2*1032

R1 184 15 4 2,6 1,76R2 74,4 10,6 1,32 0,88 0,72R3 32 2,6 0,4 0,3 0,26R4 10 0,48 0,166 0,1 0,09

Dimensionsin mm

Note: Chambers are shown to scale

N. di camere in ciascuna regione

CERNCERN

CERN CERN

Wire Readout (960 ch)Cathode Readout (312 ch)

Wire+Cathode Readout (72 ch)To be decided (36 ch)

M1 peculiaritiesIn order to reduce material in front of SPD/ECAL, M1 layout is slightly different from M2-M5:

• MWPCs only have 2 wire gaps instead of 4• the structural panels are made from Nomex honeycomb instead of

polyurethane foam

• this reduces the average thickness of station from 33% to 15% X0• redundancy is still ensured by having the two gaps read out independently

The choice of the technology for the inner regions (R1,R2) of M1 will be madeafter an aging test to be performed in June.

FOAM

NOMEX

MWPC basic dataGas gap 5 mm, wire spacing 2 mm, wire diameter 30 µmWire length: 250 to 310 mm; mechanical tension: 60 gf~ 3 Million wires

Gas mixture: Ar/CO2/CF4 (40:40:20)Gas gain ≈ 105, charge/mip ≈ 0.8 pC, HV ≈ 2.7 kV

Field on wires: 262 kV/cm, on cathodes 6.2 kV/cm

Very good gain uniformity (≤ 30%) → tight mechanical tolerances (see later)

εgap≥ 95% in 20 ns window (σt ≈ 3.9 ns)

Rate/channel: max 2 MHz in M1, < 0.6 MHz M2-M5

Aging: 10-years at < L > = 2 1032 (average):• ~ 0.3 C/cm in M1R3• ~ 0.3 C/cm in M2R1• < 0.1 C/cm M3-M5

Note: Rate and aging include safety factors (x2 in M1, x5 in M2-M5)

(with double cathode R/O)

Spare: test con sorgente

Procedure di test

24 h

1 h

2- 4 days

1 h

1

3

2

LNF 2.5 camere/settimana = 10 pannelli

Uniformity testSource inspection of the A1 gap of the aged chamber

0

5

10

15

20

25

30

35

40

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

10.04.01

Source position along the long chamber side

Source inspection of the gap A2 of the aged chamber

0

5

10

15

2 0

25

3 0

35

4 0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

10.04.01

Source position along the long chamber side

Example of source investigations of the two gaps of the chamber used in aging test 2001

Uniformity test• Cosmic uniformity test is based on the count rate measurements from wire strips or cathode pads. These rates are consisted from noise and cosmic particle signals.The comparison of the counts when the cosmic particles are dominating will characterize the chamber uniformity.

• Count rate dependencies on voltage will give not only the chamber uniformity but estimation the plateau limit (PNPI production center).

• Special test station is now being developed in CBPF (Brazil) for the CERN.

Spare: testbeam

ε

HV (kV)

100 V

(20 ns)

N.hits

HV (kV)

CD

AB

1.4

1.15

43 x 27 cm2

Richiesta: < N.hits > < 1.2

Proto with double cathode pad readout

Passo 1.5mmCatodo 8 x12 pads~352 x 293 mm2

95%ε

PrototipoPrototipo M4R1 (Ferrara)M4R1 (Ferrara)

3.0 kV 3.15 kVEff bigap 97.2% 99.6%

TH=240mV (6.5 fC)

Uniformity of efficiency and time resolution

Mean=99.27%RMS=0.53%

Time Res.

~ 2% of pads with low efficiency and high noisewe suppose bad connections

Efficiency

Mean=3.58 nsRMS=0.19 ns

Mean = 99.3 %RMS = 0.5 %

Spare: aging test

0.9

1

1.1

1.2

0 5 10 15 20 25 30

T (days)

Curre

nt ra

tios

I(A2,B2)/I(C2)

I(A1,C1,D1)/I(B1)&I(D2)/I(C2)

CERN1: Closed loop 2 mm pitch

Active area ~ 875 cm2

B=reference (every day ON 2-3 hrs) I ~ 990 µA/gapHV(A, C, D) ~ 2.65 kV HV(B) ~ 3 kV

CERN2: Open Mode 1.5 mm pitch

Active area ~ 480 cm2

C=reference I ~ 670 µA/gap

Rapporto delle correnti CERN1(A,C,D)/B e CERN2(A,B,D)/C

~ 430 mC/cm ~ 380-480 mC/cm

Carica integrata in CERN 1 and 2

Closed loop 2 mm pitch Open mode 1.5 mm pitch

480 mC/cm equivale a:17 anni M1R36.7 anni M1R23.0 anni M1R1

Test LNF + CERN sufficienteper convalidare la scelta di Mettere MWPC in M1R2.Per M1R1: questione aperta

Spare: infrastrutture

Stato delle infrastrutture

Muon Chambers

Iron WallRacks

Gantry

Support StructuresScheduled forJune 2005

Chamber Support Structures

Concept:

• Structure comes in pieces of full length (5-6m) and ~2m height (weight ~180kg)

• It will be assembled in situ

2mm Al sheet (or Fe ?) Corrugated Al

We are reducingthe thickness to28 mm

Prototipo del Wall

Racks Elettronica e Gas per M1

Top View: Side View:

Per estrarre la parete di supporto di M1 occorre smontare le rotaie che consentono lamovimentazione dei fotomoltiplicatori di RICH2 2 rack appesi uno sopra e uno sotto ?A causa dell'interferenza con la criogenia occorre ruotare i racks.Si sta esplorando la possibilità di alloggiare i racks di elettronica in un tunnel sotto RICH2.Non si prevedono ritardi dovuti al progetto della struttura per la movimentazione(eventuale) dei racks.

Spazio tra le camere per scorrere38

0mm

≈ 28mm

75mm10mm8mm

8mm

work in progress (… august effect …):several combinations of thickness/material are being investigated (steel-Al? 1-2-3 mm?)• thinner walls are feasible• perhaps they will be totally in aluminum

the wall

Cohabitation with LHC CryogenicsRemovable platform

LHC

cryogenics

platform

Platform

Platform

MF3

MF2

MF1

Electronics Racks

(adapted from)18 June 2003 Integration Review B. Schmidt

LHCb dall’alto (ingombro criogenia)

13 March 2003 Installation Review B. Schmidt 59

Overview della struttura Components:1. General support structure for

racks and chamber support

2. Movable platforms

3. Chamber support structure(not visible)

4. Muon chambers

5. Electronics and gas racks

Fissaggio e installazione camere

Spazio peri cavi

Gancio superiore

Base camera

Schedulato perLuglio 2006

Le mensole sul wall permettono diottenerel’allineamento richiesto (±1mm)

Spare: stato del tooling

Camera pulita LNF Pulizia, rifinituredopo la saldatura

Incollaggio barretrasversali (cornice)

Assemblaggiocamera

0.05 mm

Plot spessore pannelli vs. x,y

0.05 mm

Plot spessore pannelli vs. x,y

Soldi CORE ricevuti dalla CSN1

100 kE (LNF) for preseries procurements (spent)241 kE (LNF) tender of panels (waiting for completion of pre production)280 kE (FE) for Cu-cathodes (we have good reasons to go for a single

tender: Cu cathodes+Pads+HV bars 880 KE needed)

Money needed for the construction (besides cathodes) ’03-’04-’05212 kE for all the rest (frames etc…)80 kE for the rest of the wire (the bulk is paid by CERN)

153 kE for PNPI production centers

A possible scenario (if the money is available in 2003) is :~ 500 kE for the completion of the cathodes tender ~ 100 kE for preseries and production

In 2004:~ 150 kE for production~ 70 kE for PNPI production centers

Spare: test aging GEM

Curr

enti n

ormalizz a

te (

µA)

Wat

er (pp

m)

Time (days)

A

B

H20

11.4 LHCb years

8.5 LHCb years

∆itot/i ≈ -67 %

∆itot/i ≈ -60 %

2 C/cm2

1.5 C/cm2

Ar/CO2/CF4 = 45/15/40Flusso ≥ 200 cc/min

Camere A e B @ 16 Gray/h

Camera C (old 20x24 cm2) di reference @ 0.5 Gray/h

Test di aging delle GEMPrimo periodo: ~ 11 anni M1R1

Il guadagno diminuisce moltoper H2O>10 ppm.Forse e` a causa dell’etchingdel rame dei fogli di GEM causata dall’acido fluoridrico:

F- + H20 HF + OH-

La GEM di reference nonmostra aging su ~ 1 LHCb year equivalent.

Secondo periodo con H20 < 0.5 ppm

Test di aging su 2 nuovi rivelatori 10x10 cm2

Preventivamente asciugati in forno a 50 ºCIrraggiati alla Casaccia per 7 giorni a 16 Gray/h.

0.45 C/cm2 ~ 2.6 LHCb y

0.35 C/cm2 ~ 2.0 LHCb y ∆itot/i ≈ -20 %

∆itot/i ≈ -35 %

Very Preliminary

Conclusioni preliminari sull’agingAnche in assenza di acqua si osserva una diminuzione di corrente.Forse il test e` TROPPO ACCELERATO: ~40 volte piu` in fretta che in LHC,

ma non possiamo flussare >200 cc/min nelle camere per un problema di impedenza il gas si “inquina” ?

Due argomenti forti a sostegno di questa tesi:1. I test di aging con irraggiamento locale non mostrano aging:

– con raggi X (~ 1cm2, 10 LHCb year con ∆G/G ~ 5%)– al PSI (~15 cm2, ~ 5 anni LHCb senza variazioni di prestazioni)

2. La camera di reference (~1 anno LHC in ~1 mese Casaccia fattore 4) non invecchia, mentre la camera di test del secondo periodo (~2 anni LHC in ~1 settimana Casaccia fattore ~35) invecchia: ∆itot/i ≈ -35 %

Test beam CERN/PSI a novembre per verificare se c’e` stata una perditadi efficienza nelle camere invecchiate

Decisione finale su M1R1 dopo ulteriori indagini sulle GEM e sulleMWPC alla GIF (tra qualche mese)