[论文解读] Tile Calorimeter Upgrade Program for the Luminosity Increasing at the LHC

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

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 9被引用 4

一句话总结

本文详细介绍了高亮度LHC（HL-LHC）的ATLAS量能器托勒米（Tile）量能器升级计划，重点聚焦于第二阶段（Phase-II）改进：将探测器内外的电子系统替换为前端数字化系统，直接在前端对光电倍增管（PMT）信号进行数字化处理，实现10 Gb/s的光通信数据传输。TileMuon项目整合了第三层信号以提升μ子触发效率，全尺寸演示柜已在CERN成功测试，验证了新电子架构在高亮度LHC运行条件下的可行性。

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

研究动机与目标

• 应对LHC在更高亮度条件下对触发效率和探测器性能提升的需求。
• 改进量能器中的信号处理与数据传输，以支持HL-LHC峰值亮度5–7×10³⁴ cm⁻²s⁻¹。
• 开发并测试新型前端电子系统，实现在探测器层面直接对光电倍增管（PMT）脉冲进行数字化，取代模拟信号链路。
• 集成TileMuon系统，利用第三层信号（1.0 < |η| < 1.3）提升μ子触发符合效率。
• 在2016年安装前，通过全尺寸演示柜验证新电子架构。

提出的方法

• 设计并实现新型在探测器上的电子系统，包含主控板（Main Boards）与子板（Daughter Boards），用于信号数字化与处理。
• 采用12位ADC，采样速率达40 MHz，对每块板上12个改进型三合一卡（Modified 3-in-1 Cards）的信号进行数字化，实现高分辨率前端数字化。
• 在子板（版本3）上采用双冗余FPGA（现场可编程门阵列），提升容错能力并支持高吞吐量数据处理。
• 通过GBT协议实现10 Gb/s光通信链路，将数字化数据传输至后端系统，经由超高速读出驱动器（sROD）完成。
• 构建混合型演示柜，集成模拟与数字触发系统，用于真实环境下的测试。
• 在2015–2016年期间开展实验室测试与束流实验，验证新电子系统在性能与可靠性方面的表现，为安装做好准备。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何重新设计量能器前端电子系统，以支持HL-LHC的5–7×10³⁴ cm⁻²s⁻¹亮度？
• RQ2 在确保数据吞吐量与冗余性的前提下，前端PMT信号数字化的最佳架构是什么？
• RQ3 将第三层信号（D层）整合进μ子触发系统，对提升效率的效果如何？
• RQ4 全尺寸演示柜能否在真实条件下成功模拟最终的第二阶段电子系统？
• RQ5 用前端数字化处理替代模拟信号链路，能带来多大的性能提升？

主要发现

• 采用主控板版本2与子板版本3的演示柜已成功在CERN完成生产、测试与验证。
• 新电子架构通过GBT协议实现了从前端到后端系统的10 Gb/s光通信数据传输。
• 子板版本3采用双冗余Xilinx Kintex 7 FPGA，确保系统容错能力与高数据吞吐量。
• TileMuon系统已设计、测试完成，计划于2015年底投入运行，利用1.0 < |η| < 1.3区域的D层信号。
• 在Phase-0阶段更换低压电源供应器后，电子噪声降低，探测器可靠性得到提升。
• 实验室与束流实验验证了新电子系统的可行性与性能表现，演示柜计划于2016年底安装至探测器中。