Fast Frontend Electronics for high luminosity particle - PowerPoint PPT Presentation

53 rd ¡ ¡International ¡Winter ¡Meeting ¡on ¡Nuclear ¡Physics ¡ ¡ ¡Bormio, ¡27/01/2015 ¡ ¡ Fast ¡Frontend ¡Electronics ¡ for ¡high ¡luminosity ¡ particle ¡detectors ¡ Matteo ¡Cardinali ¡

Requirements ¡ { high ¡count ¡rates ¡( 10-­‑10 3 ¡ kHz) ¡ ▪ high ¡luminosity ¡experiments ¡ large ¡number ¡of ¡channels ¡(> 10 3 ) ¡ (rare ¡decays, ¡exotic ¡resonances, ¡...) ¡ Matteo ¡Cardinali ¡ 27/01/15 ¡ 2 ¡

Requirements ¡ { high ¡count ¡rates ¡( 10-­‑10 3 ¡ kHz) ¡ ▪ high ¡luminosity ¡experiments ¡ large ¡number ¡of ¡channels ¡(> 10 3 ) ¡ (rare ¡decays, ¡exotic ¡resonances, ¡...) ¡ { timing ¡resolution ¡(< 100 ¡ps) ¡ ▪ high ¡precision ¡detectors ¡ charge ¡measurement ¡ (event ¡reconstruction, ¡PID, ¡...) ¡ ¡ Matteo ¡Cardinali ¡ 27/01/15 ¡ 3 ¡

Requirements ¡ { high ¡count ¡rates ¡( 10-­‑10 3 ¡ kHz) ¡ ▪ high ¡luminosity ¡experiments ¡ large ¡number ¡of ¡channels ¡(> 10 3 ) ¡ (rare ¡decays, ¡exotic ¡resonances, ¡...) ¡ { timing ¡resolution ¡(< 100 ¡ps) ¡ ▪ high ¡precision ¡detectors ¡ charge ¡measurement ¡ (event ¡reconstruction, ¡PID, ¡...) ¡ ¡ small ¡ { A1 ¡Neutron ¡Detector ¡ PANDA ¡Barrel ¡DIRC ¡ signals ¡ (Cherenkov ¡light) ¡ ▪ versatile ¡design ¡based ¡on ¡ ¡ discriminators ¡ large ¡ (plastic ¡scintillator) ¡ signals ¡ Matteo ¡Cardinali ¡ 27/01/15 ¡ 4 ¡

A ¡Modular ¡Design ¡ ▪ Discriminator ¡card ¡ – NINO ¡ASICs ¡ ¡from ¡CERN ¡ NINO ¡(2 ¡per ¡board) ¡ ▪ differential ¡chip ¡ ¡ LVDS ¡output ¡ ▪ sustained ¡rate ¡>> ¡10 ¡MHz ¡ – single ¡ended ¡mode ¡ input ¡(16 ¡ch) ¡ – individual ¡channel ¡threshold ¡ – time ¡over ¡threshold ¡ SPI ¡ – LVDS ¡output ¡ – 70 ¡mW/ch ¡ LV ¡ ▪ Optional ¡preamplifier ¡ { { – current ¡feedback ¡amp ¡(THS3201) ¡ preamplifier ¡ discriminator ¡ – 18 ¡dB ¡ ¡ (unitary ¡gain ¡ ¡bandwidth ¡1.8 ¡GHz) ¡ ¡ 1-­‑2 ¡ ns ¡ t ¡ t ¡ 5 ¡ mV ¡ ¡ input ¡signal ¡ output ¡signal ¡ amplified ¡signal ¡ Matteo ¡Cardinali ¡ 27/01/15 ¡ 5 ¡

The ¡Readout ¡System ¡ TDC ¡ ¡Readout ¡Board ¡ 3 ¡ ▪ developed ¡in ¡GSI ¡ (TRB 3 ) ¡ ▪ 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] ¡ ¡ Matteo ¡Cardinali ¡ 27/01/15 ¡ 6 ¡

Laser ¡Studies ¡ DAQ+ Trigger+input++ TRB3+ FPGAs+ Light+Aght+box+ Gain ¡10 6 ¡ FEE+boards+ MCP/PMT+ laser+head+ + r o + t . a p n laser+driver+ m i m a e i r r c P s i D 64+ch+(4+boards)+ o 1+KHz+ o 633+nm+ o 35+ps+FWHM+ § Realistic ¡conditions ¡ t corr = t meas − ( q + m · ToT ) ü single ¡photon ¡ σ SP ≈ 122 ps → 72 ps § Electronics ¡characterization ¡ ü thresholds ¡definition ¡ 40% improvement ¡ ü Time ¡over ¡Threshold ¡proportional ¡ to ¡time ¡walk ¡ Matteo ¡Cardinali ¡ 27/01/15 ¡ 7 ¡

DIRC ¡detector ¡ 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 ¡(σ t <100 ¡ps) ¡& ¡imaging ¡ detector ¡ (about ¡15.000 ¡channels) ¡ plane ¡ § 15 ¡– ¡20 ¡photons ¡per ¡track ¡ Cherenkov ¡light ¡ cos θ = 1 n β fused ¡silica ¡bar ¡ β > 1 /n charged ¡particle ¡ (with ¡known ¡momentum) ¡ P. ¡Coyle ¡et ¡al., ¡Nucl. ¡Instr. ¡and ¡Meth ¡. ¡in ¡Phys. ¡Res. ¡A ¡343 ¡(1994) ¡292-­‑299 ¡ ¡ Matteo ¡Cardinali ¡ 27/01/15 ¡ 8 ¡

PANDA ¡barrel ¡DIRC ¡– ¡Test ¡experiment ¡ § 2013 , ¡ MAMI , ¡ 855 ¡MeV ¡e -­‑ ¡beam ¡ Incident ¡e -­‑ ¡beam ¡at ¡ 57° ¡ – 4 ¡Micro ¡Channel ¡Plate ¡photomultipliers ¡ – 256 ¡readout ¡channels ¡ – 2-­‑3 ¡detected ¡photons ¡per ¡event ¡ Expansion)volume) rear)view) (inside)wooden)box)) expansion)volume) MCP)PMTs)array) fused)silica)bar) e : )beam) step)motor) ü Clear ¡Cherenkov ¡pattern ¡ rota6ng)table) Matteo ¡Cardinali ¡ 27/01/15 ¡ 9 ¡

PANDA ¡barrel ¡DIRC ¡– ¡Test ¡experiment ¡ MCP ¡ ¡ ¡ ¡ ¡FEE ¡timing ¡resolution ¡ ü charge ¡sharing ¡between ¡neighbouring ¡ pixels ¡(single ¡photo-­‑electron) ¡ ü time ¡walk ¡correction ¡validated ¡ ü optimisation ¡algorithm ¡ t corr = t meas − ( q + m · ToT ) without ¡time ¡walk ¡correction ¡ σ FEE ≈ 162 ¡ps ¡ ¡ ¡ with ¡time ¡walk ¡correction ¡ σ FEE ≈ 53 ¡ps ¡ ¡ ¡ Matteo ¡Cardinali ¡ 27/01/15 ¡ 10 ¡

PANDA ¡barrel ¡DIRC ¡– ¡Test ¡experiment ¡ MCP ¡ ¡ ¡ ¡ ¡FEE ¡timing ¡resolution ¡ timing ¡resolution ¡~ ¡40 ¡ps ¡ ¡ t corr = t meas − ( q + m · ToT ) without ¡time ¡walk ¡correction ¡ σ FEE ≈ 162 ¡ps ¡ ¡ ¡ with ¡time ¡walk ¡correction ¡ σ FEE ≈ 53 ¡ps ¡ ¡ ¡ Matteo ¡Cardinali ¡ 27/01/15 ¡ 11 ¡

A1 ¡Neutron ¡Detector ¡ 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 ¡ ¡ n Y. ¡Kohl’s ¡poster ¡ § e − γ § current ¡< ¡ 10 ¡µA ¡ ¡ π + several ¡MHz/channel ¡ § trigger ¡ Matteo ¡Cardinali ¡ 27/01/15 ¡ 12 ¡

A1 ¡Neutron ¡Detector ¡ ¡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 ¡ ¡ Matteo ¡Cardinali ¡ 27/01/15 ¡ 13 ¡

A1 ¡Neutron ¡Detector ¡ Rate ¡Studies ¡ t 1 ¡ t 2 ¡ t 3 ¡ t 4 ¡ t ... ¡ t n ¡ ¡ ¡ { ¡ 1 ¡µs ¡ ¡ n rate = ¡ 1 µ s ¡ ¡ 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 ¡ Matteo ¡Cardinali ¡ 27/01/15 ¡ 14 ¡ ¡

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 ¡ Matteo ¡Cardinali ¡ 27/01/15 ¡ 15 ¡

Backup ¡slides ¡ Matteo ¡Cardinali ¡ 27/01/15 ¡ 16 ¡

A1 ¡Neutron ¡Detector ¡ M. ¡Schoth ¡ Matteo ¡Cardinali ¡ 27/01/15 ¡ 17 ¡

MCP ¡structure ¡ Matteo ¡Cardinali ¡ 27/01/15 ¡ 18 ¡