High-rate irradiation of 15mm muon drift tubes and development of an ATLAS compatible readout driver for micromegas detectors

Zibell, Andre (2014): High-rate irradiation of 15mm muon drift tubes and development of an ATLAS compatible readout driver for micromegas detectors. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

The upcoming luminosity upgrades of the LHC accelerator at CERN demand several upgrades to the detectors of the ATLAS muon spectrometer, mainly due to the proportionally increasing rate of uncorrelated background irradiation. This concerns also the "Small Wheel" tracking stations of the ATLAS muon spectrometer, where precise muon track reconstruction will no longer be assured when around 2020 the LHC luminosity is expected to reach values 2 to 5 times the design luminosity of $1 \times 10^{34} \text{cm}^{-2}\text{s}^{-1}$, and when background hit rates will exceed 10 kHz/cm$^2$. This, together with the need of an additional triggering station in this area with an angular resolution of 1 mrad, requires the construction of "New Small Wheel" detectors for a complete replacement during the long maintenance period in 2018 and 2019. As possible technology for these New Small Wheels, high-rate capable sMDT drift tubes have been investigated, based on the ATLAS 30 mm Monitored Drift Tube technology, but with a smaller diameter of 15 mm. In this work, a prototype sMDT chamber has been tested under the influence of high-rate irradiation with protons, neutrons and photons at the Munich tandem accelerator, simulating the conditions within a high luminosity LHC experiment. Tracking resolution and detection efficiency for minimum ionizing muons are presented as a function of irradiation rate. The experimental muon trigger geometry allows to distinguish between efficiency degradation due to deadtime effects and space charge in the detectors. Using modified readout electronics the analog pulse shape of the detector has been investigated for gain reduction and potential irregularities due to the high irradiation rates and ionization doses. This study shows that the sMDT detectors would fulfill all requirements for successful use in the ATLAS New Small Wheel endcap detector array, with an average spatial resolution of 140 $\mu$m and a track reconstruction efficiency of around 72\% for a single tube layer at 10 kHz/cm$^2$ irradiation rate. A second proposal for a New Small Wheel detector technology are Micromegas detectors. These highly segmented planar gaseous detectors are capable of very high rate particle tracking with single plane angular resolution or track reconstruction. The ATLAS community has decided in 2013 in favor of this technology for precision tracking in the New Small Wheels. A prototype Micromegas detector will be installed in summer 2014 on the present ATLAS Small Wheel to serve as test case of the technology and as template for the necessary changes to the ATLAS hardware and software infrastructure. To fully profit from this installation, an ATLAS compatible Read Out Driver (ROD) had to be developed, that allows to completely integrate the prototype chamber into the ATLAS data acquisition chain. This device contains state-of-the-art FPGAs and is based on the Scalable Readout System (SRS) of the RD51 collaboration. The system design, its necessary functionalities and its interfaces to other systems are presented at use of APV25 frontend chips. Several initial issues with the system have been solved during the development. The new ROD was integrated into the ATLAS Monitored Drift Tube Readout and into a VME based readout system of the LMU Cosmic Ray Facility. Additional successful operation has been proven meanwhile in several test cases within the ATLAS infrastructure. The whole data acquisition chain is ready for productive use in the ATLAS environment.

Abstract

Die zukuenftigen Upgrades des LHC Beschleunigers am CERN erfordern mehrere Verbesserungen der Detektoren des ATLAS Myonspektrometers, hauptsaechlich wegen der damit einhergehenden Erhoehung der unkorrellierten Untergrund Trefferrate. Dies betrifft auch das "Small Wheel" des ATLAS Endkappen-Myonspektrometers. Eine praezise Myon Spurrekonstruktion kann nicht laenger sichergestellt werden, wenn die Luminositaet gegen 2020 um einen Faktor 2 bis 5 oberhalb des Designwertes von $1 \times 10^{34} \text{cm}^{-2}\text{s}^{-1}$ liegen wird, und wegen der Untergrund Trefferraten oberhalb von 10 kHz/cm$^2$. Dies, zusammen mit dem Bedarf an einer zusaetzlichen Triggerstation mit einer Winkelaufloesung besser als 1 mrad, erfordert den Bau von "New Small Wheel" Detektoren. Der Austausch ist fuer die lange Wartungsperiode 2018 und 2019 geplant. Als moegliche Technologie fuer die beiden New Small Wheels wurden sMDT Driftrohre, basierend auf der ATLAS 30 mm Monitored Drift Tube Technologie, getestet. Bei einem halbierten Durchmesser von 15 mm erwartet man diese als genuegend hochratenfest. In der vorliegenden Arbeit wurde am Muenchner Tandembeschleuniger eine sMDT Prototypenkammer unter dem Einfluss von Protonen-, Neutronen- und Photonenbestrahlung bei hohen Raten getestet, und somit die Bedingungen fuer ein LHC Hochluminositaetsexperiment nachgestellt. Spuraufloesung und Rekonstruktionseffizienz fuer minimalionisierende Myonen werden als Funktion der Bestrahlungsrate praesentiert. Die Geometrie der Myonentrigger im Experiment erlaubt es, zwischen Effizienzverlusten aufgrund von elektronischen Totzeiteffekten und Raumladungseffekten zu unterscheiden. Mittels modifizierter Ausleseelektonik wurde die analoge Pulsform der Detektoren im Hinblick auf eine Abnahme der Gasverstaerkung und potentielle Unregelmaessigkeiten aufgrund der hohen Bestrahlungsraten und -staerken untersucht. Das Ergebnis der Studie zeigt, dass die sMDT Detektortechnologie die hohen Anforderungen an die New Small Wheel Detektoren erfuellt. Bei einer Bestrahlungsrate von 10 kHz/cm$^2$ liegt die mittlere Einzelrohr-Ortsaufl\"osung bei 140 $\mu$m und die Spurrekonstruktionseffizienz bei etwa 72\% pro Rohrlage. Als weitere Technologie fuer die New Small Wheels wurden Micromegas Detektoren vorgeschlagen. Diese mikrostrukturierten planaren Gasdetektoren mit hoher Ortsaufloesung sind konstruktionsbedingt hochratenfest und erlauben zusaetzlich Winkelaufloesung und Spurrekonstruktion in einer einzelnen Detektorlage. 2013 hat sich die ATLAS Kollaboration fuer diese Technologie als Praezisions-Spurdetektoren in den New Small Wheels entschieden. Ein Prototyp Micromegas Detektor wird im Sommer 2014 auf einem der beiden ATLAS Small Wheels installiert als Technologietest und Probedurchlauf der noetigen Aenderungen an ATLAS Hard- und Software. Hierfuer ist ein ATLAS-kompatibler Read Out Driver (ROD) entwickelt worden, der es erlaubt, die Prototypkammer vollstaendig in die ATLAS Datenaufnahme zu integrieren, um somit den Erkenntnissgewinn aus der Installation zu maximieren. Die Hardware dieser Ausleseelektronik basiert auf modernsten FPGAs und wurde im Rahmen der RD51-Kollaboration als Scalable Readout System entworfen. Das Firmwaredesign, seine Funktionalitaet und die Verbindungsglieder zwischen den verschiedenen Komponenten der Auslesekette werden unter Verwendung von APV25 Auslesekarten vorgestellt. Alle anfaenglichen Probleme des Systems wurden im Rahmen dieser Arbeit behoben. Das System wurde erfolgreich in die Auslesekette des LMU Hoehenstrahl Messstandes integriert und somit sowohl mit der Ausleseelektronik der ATLAS Monitored Drift Tubes, als auch einer VME-basierten Datenaufnahme synchronisiert. Innerhalb der ATLAS Datenaufnahmekette wurden \mbox{zwischenzeitlich} weitere erfolgreiche Integrationstests durchgefuehrt. Als Ergebnis ist das Systems bereit, um innerhalb des ATLAS Detektors problemlos eingesetzt zu werden.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: ATLAS, Muon, sMDT, irradiation, particle detector, Micromegas, Read Out Driver, FPGA, SRS
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 6. Juni 2014
• 1. Bericht­erstatter:in: Biebel, Otmar