[논문 리뷰] Tile Calorimeter Upgrade Program for the Luminosity Increasing at the LHC

A. S. Cerqueira|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 30.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 9인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 고광도 LHC(HL-LHC)를 위한 ATLAS 타일 캘로리메터 업그레이드를 다루며, 단계 II 개선 사항에 중점을 두고 있다: 현장 및 비현장 전자기기 교체를 통해 광전자 증폭기(PMT) 신호를 프론트엔드에서 디지털화하고, 10 Gb/s 광학적 데이터 전송을 가능하게 한다. TileMuon 프로젝트는 제3층 신호를 통합하여 뮤온 트리거 효율을 향상시키며, CERN에서 전체 시범 드로어가 성공적으로 테스트되어, 고속도 HL-LHC 운영을 위한 새로운 전자기기 아키텍처가 검증되었다.

ABSTRACT

The Tile Calorimeter (TileCal) is the central hadronic calorimeter of the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider (LHC). The LHC is scheduled to undergo a major upgrade, in 2022, for the High Luminosity LHC (HL-LHC). The ATLAS upgrade program for high luminosity is split into three phases: Phase-0 occurred during $2013-2014$ and prepared the LHC for Run 2; Phase-I, foreseen for 2019, will prepare the LHC for Run 3, whereafter the peak luminosity reaches $2-3 imes 10^{34}$ cm$^{2}s^{-1}$; finally, Phase-II, which is foreseen for 2024, will prepare the collider for the HL-LHC operation ($5-7 imes 10^{34}$ cm$^{2}s^{-1}$). The TileCal main activities for Phase-0 were the installation of the new low voltage power supplies and the activation of the TileCal third layer signal for assisting the muon trigger at $1.0

연구 동기 및 목표

• LHC의 높은 루미너시 조건에서 트리거 효율성과 검출기 성능 향상을 위한 필요성 해결.
• HL-LHC의 최고 루미너시인 5–7×10³⁴ cm⁻²s⁻¹를 지원하기 위해 타일 캘로리메터의 신호 처리 및 데이터 전송 향상.
• 저항성 신호 체인을 대체하기 위해, 광전자 증폭기 펄스를 검출기 수준에서 디지털화하는 새로운 프론트엔드 전자기기 개발 및 테스트.
• 제3층 신호(1.0 < |η| < 1.3)를 사용하여 뮤온 트리거 공명 효율을 향상시키기 위해 TileMuon 시스템 통합.
• 2016년 설치 전에 전체 스케일의 시범 드로어를 통해 새로운 전자기기 아키텍처 검증.

제안 방법

• 신호 디지털화 및 처리를 위한 메인 보드와 디터드 보드를 갖춘 새로운 현장 전자기기 시스템 설계 및 구현.
• 12비트 ADC를 사용해 40 MHz에서 샘플링하여, 보드당 12개의 수정된 3-in-1 카드에서 유입되는 신호를 고해상도 프론트엔드 디지털화 가능.
• 장애 내성 및 고처리량 데이터 처리를 위해 디터드 보드(버전 3)에 이중으로 복제된 FPGA를 구현.
• GBT 프로토콜을 사용해 10 Gb/s 광학 링크를 통해 수퍼 리드아웃 드라이버(sROD)를 통해 백엔드 시스템으로 디지털화된 데이터 전송.
• 실제 환경 테스트를 위해 아날로그 및 디지털 트리거 시스템을 통합한 하이브리드 시범 드로어 제작.
• 2015–2016년 동안 실험실 및 시험 비드 캠프이그를 통해 설치 전에 새로운 전자기기의 성능과 신뢰성 검증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HL-LHC의 5–7×10³⁴ cm⁻²s⁻¹ 루미너시를 지원하기 위해 타일 캘로리메터의 프론트엔드 전자기기를 어떻게 재설계할 수 있는가?
• RQ2 데이터 스루풋과 복제성 보장을 보장하면서도, PMT 신호를 프론트엔드에서 최적의 아키텍처로 디지털화하는 방법은 무엇인가?
• RQ3 제3층 신호(D층)를 뮤온 트리거 시스템에 통합하는 것이 효율 향상에 얼마나 효과적인가?
• RQ4 실제 조건에서 전체 스케일의 시범 드로어가 최종 단계 II 전자기기 시스템을 성공적으로 모의할 수 있는가?
• RQ5 아날로그 신호 체인을 디지털 프론트엔드 처리로 교체함으로써 달성되는 성능 향상은 무엇인가?

주요 결과

• 메인 보드 버전 2와 디터드 보드 버전 3를 포함한 시범 드로어는 CERN에서 성공적으로 제작, 테스트 및 검증되었다.
• 새로운 전자기기 아키텍처는 GBT 프로토콜을 사용해 프론트엔드에서 백엔드 시스템으로 10 Gb/s 광학적 데이터 전송을 가능하게 했다.
• 디터드 보드 버전 3는 이중으로 완전히 복제된 Xilinx Kintex 7 FPGA를 탑재하여 장애 내성과 고처리량 데이터 스루풋을 보장한다.
• D층 신호를 사용하는 TileMuon 시스템은 설계, 테스트를 거쳐 2015년 말까지 운영을 위한 콘미셔닝 단계에 진입했다.
• 단계 0에서 저전압 전원 공급장치 교체로 전자기기 노이즈가 감소하고 검출기 신뢰성이 향상되었다.
• 실험실 및 시험 비드 캠프이그를 통해 새로운 전자기기의 실현 가능성과 성능이 확인되었으며, 시범 드로어는 2016년 말까지 검출기 내 설치 예정이다.