Il grande progresso complessivo del progetto dell'esperimento è evidenziato dalla presentazione di quattro Technical Design Report, e dai sostanziali progressi nella stesura dell'ultimo. Per quattro di essi (Magnete, Mu, Ecal, Tracker) il contributo dei gruppi italiani è stato molto importante se non decisivo.

MAGNETE

Nel corso del 1997 la Sezione di Genova ha partecipato all'ingegneria del magnete ed ha effettuato numerosi test di qualificazione dei conduttori e delle giunzioni.

a) Ingegneria
Dopo la presentazione del Preliminary Design Report (Ottobre 1996), di cui la Sezione di Genova ha scritto i capitoli relativi al conduttore, la stabilità e l'analisi meccanica, il progetto è stato rivisto in vista della presentazione del Technical Design (Giugno 1997) . Proprio a partire da una proposta di Genova è stato cambiato il layout del conduttore disponendo la lega di rinforzo sopra e sotto invece che ai lati. Ciò infatti conferisce al magnete una maggiore robustezza rispetto alle sollecitazioni meccaniche.
In seguito ad una richiesta dell INFN di avere maggiori responsabilità nel progetto e di farsi carico della fornitura dell'avvolgimento, la Sezione di Genova è diventata responsabile della macchina avvolgitrice e delle operazioni di avvolgimento. Questo ha comportato che il programma di pre-industrializzazione per l' avvolgimento fosse svolto dall INFN, che lo finanzierà con i fondi 5% Superconduttività e Criogenia.
Un importante risultato dell'attività di pre-industrializzazione svolta con ANSALDO Energia è stata la modifica del progetto della massa fredda da bobina monolitica (6.5 m di diametro x 12 m di lunghezza) ad una bobina composta da 5 moduli. Questa soluzione costruttiva fa si che la realizzazione dell avvolgimento sia meno critica.

b) Qualificazione dei conduttori
Sono stati messi a punto metodi di misura più raffinati per le caratterizzazioni dei conduttori. Tali metodi sono stati sviluppati in laboratorio utilizzando prototipi esistenti dei cavi di ATLAS. È ora possibile misurare la corrente critica con 2% di indeterminazione. Inoltre è possibile effettuare sui campioni di cavo anche misure di RRR e stabilità.
Sono state effettuate misure di resistenza di giunzioni elettriche realizzate sia presso ETH-Z che il CERN. Le misure hanno permesso di stabilire che la tecnica di EB-welding è ottimale nella realizzazione di giunzioni intra-layer.

TRACCIATORE CENTRALE

L'attività si è concentrata principalmente su tre temi:
a) realizzazione delle milestones di sistema per il barrel ( SiB1) e per il forward (SiF1)
b) R&D sui rivelatori e qualificazione su fascio di moduli irraggiati
c) definizione del nuovo layout del tracciatore al silicio

a) Realizzazione delle milestones di sistema SiB1 e SiF1

Sono stati costruiti i due sistemi previsti completi di meccanica, rivelatori, sistema di acquisizione. In particolare è stata equipaggiata una "ruota" completa per il "barrel" ed un disco per il "forward". In entrambi i casi, la meccanica, realizzata in fibra di carbonio speciale, comprendeva un sistema di raffreddamento integrato ed incorporava i cavi e le schede di elettronica necessarie per la gestione del sistema di lettura.
Per quanto riguarda la ruota del barrel, il sistema è stato equipaggiato con 15 moduli funzionanti (60 rivelatori al silicio per un totale di circa 30.000 canali di lettura) e 99 moduli dummy (396 rivelatori dummy) utilizzati per fare prove realistiche di assemblaggio e survey, e per misurare il comportamento del sistema sotto gravità e carico termico. Il disco del forward è stato equipaggiato con 12 moduli veri (24 rivelatori, circa 12.000 canali di lettura) e 48 moduli dummy (96 rivelatori).
Per entrambi i sistemi è stata messa a punto la procedura completa di test/controllo dei componenti (elettronica, ibridi, rivelatori, meccanica) , di assemblaggio e test dei moduli (jigs di montaggio e di microsaldatura, procedure di survey) e di assemblaggio finale nella meccanica previsti per la costruzione.
I due sistemi sono stati presentati in settembre ai referee dell'LHCC ed hanno ricevuto l'approvazione del comitato.

b) R&D sui rivelatori e qualificazione su fascio di moduli irraggiati

Come risultati principali dell'R&D sui rivelatori nel corso del '97 sono state messe a punto modifiche nel processo standard di produzione dei rivelatori che hanno portato ad una notevole semplificazione della tecnologia con conseguente riduzione dei costi. Questo risultato è stato provato in particolare per i rivelatori a faccia singola. Già nelle serie di prototipi realizzati si sono ottenute le rese molto elevate nella produzione dei condensatori integrati che avevamo indicato come obbiettivo della produzione di massa (99%).
È notevolmente aumentata anche la tensione di breakdown dei dispositivi prima e dopo l'irraggiamento. Si è passati dai valori medi intorno ai 200-300 V del 1996 a valori medi fra 450 V e 500 V. Questa caratteristica dei rivelatori aumenta la loro intrinseca resistenza agli effetti del danno da radiazione.
Infine la semplificazione della tecnologia ha portato ad una notevole riduzione dei costi di produzione per i rivelatori singola faccia p+ su n rendendo possibile una considerevole espansione del volume equipaggiato con rivelatori al silicio.
Le prove su fascio si sono concentrate sul comportamento di rivelatori pesantemente irraggiati. Sono stati sottoposti a test rivelatori prodotti da diverse compagnie ed irraggiati con dosi elevate (valori tipici di fluenze per neutroni comprese fra 10exp13 e 2x10exp14). Sono stati valutate diverse geometrie ( rettangolari e a "wedge") e diversi pitch di lettura (valori compresi fra 50 e 240 micron). Sono state esaminate diverse condizioni di operazione in funzione della tensione di polarizzazione e della temperatura del sistema. Sono state ripetute le misure a distanza di mesi per verificare la stabilità del comportamento. Sono state effettuate misure anche su rivelatori sottoposti ad irraggiamenti altamente non uniformi per studiare eventuali risposte anomale nei rivelatori del forward. Sono stati infine valutati anche diversi tipi di rivelatori double-sided compresi i rivelatori n+ su n scelti come baseline da Atlas.
Come risultati principali di questo lavoro abbiamo provato che è possibile operare stabilmente rivelatori single-sided irraggiati fino a dosi corrispondenti a 10 anni di operazione di LHC. Per questi dispositivi abbiamo misurato un rapporto segnale/rumore di 16:1 con elettronica operata in peak mode, efficienza superiore al 99% per particelle al minimo con tensioni di bias superiori a 250V e risoluzione spaziale inferiore ai 15 micron previsti nell'esperimento

c) Definizione del nuovo layout del tracciatore al silicio.

Dopo un intenso lavoro di ottimizzazione è stato definito il nuovo layout (V4) del tracciatore al silicio.
Consiste di un barrel organizzato in 5 strati cilindrici compresi fra i raggi di 21 e 63.5 cm con i piani 1, 2 e 5 a doppia lettura ed i piani 3 e 4 a lettura singola. Il passo di lettura r-phi varia dai 62 micron dei piani 1 e 2 agli 83 micron dei piani 3-4 fino ai 124 micron del piano 5. Il passo di lettura r-z è di 124 micron per i piani 1 e 2 e di 248 micron per il piano 5. Nel barrel saranno installati 36.9 metri quadrati di silicio per un totale di 2.72 milioni di canali di lettura. La parte in avanti consiste di 20 dischi equipaggiati con anelli di rivelatori a singola e doppia lettura delle coordinate. Il passo di lettura varia fra i 62 e gli 83 micron in r-phi e fra i 124 ed i 248 micron in r-z. Nel forward saranno installati 29.5 metri quadrati di silcio per 1.82 milioni di canali.

Come baseline per gli strati con lettura di entrambe le coordinate abbiamo adottato la scelta più conservativa di utilizzare due rivelatori single- sided accoppiati.
Per costruire il tracciatore al silicio di CMS è previsto di produrre 5896 moduli di rivelatori da assemblare su trenta strutture meccaniche in fibra di carbonio ( 20 dischi per il forward e 10 semicilindri accoppiati per il barrel).

2) MSGC

L'attività del gruppo nell'anno '97 si è concentrata principalmente nella preparazione ed effettuazione di due periodi di test di rivelatori MSGC su fasci ad alta (CERN) ed altissima intensità (PSI) e nell'ingegnerizzazione per la produzione su larga scala del prototipo di MSGC per il barrel di CMS (B1) .

a) Test beam T10 (CERN) : pi di 3 GeV
Scopo del test :
- Studio della stabilità di risposta dei rivelatori sottoposti ad un alto flusso di particelle al minimo di ionizzazione sovrapposto ad un flusso di particelle altamente ionizzanti prodotte da interazioni inelastiche (reazioni nucleari) dei pioni con il materiale costituente set-up.
- Controllo, attraverso il monitoraggio del profilo del fascio ricostruito dalle camere e del noise di ciascun canale di lettura, di eventuali danni alle strips provocati dalla radiazione.
Utilizzate 4 MSGC, operanti alle tensioni di lavoro di Vc=3D520 V e Vd=3D3500 V(guadagno=3D1700) in atmosfera di Neon (40%) - DME (60%). In queste condizioni è stato misurato un rapporto S/N=3D44 circa doppio di quello accettato come punto di lavoro a LHC (S/N=3D20) per avere una efficienza di ricostruzione delle tracce nei jets di ET > 300 Gev/c di ~99%.
Preso dati ad un rate medio di particelle di 2 KHz/mm², con rate istantaneo di oltre 4 KHz/mm², per un totale di 155 ore corrispondenti a 7.7 ore, ad un "duty cycle" di 0.05.
Nessun danno alle strip è stato rilevato al termine del periodo di test, sia dall'analisi dei dati che dall'ispezione ottica dei rivelatori. Segnale e rapporto S/N sono rimasti costanti durante l'intero periodo.

Problemi:
- Esposizione dei rivelatori limitata per il piccolo "duty cycle" dell'acceleratore.

b) Test beam ?M1 (PSI) : ? e protoni di 350-500 MeV
Scopo del test :
- Aumentare il flusso totale integrato sulle camere.
Differenza con il precedente test beam:
- T10 (CERN PS) 5% di duty cycle
- pM1 (PSI) fascio continuo, frequenza di spill =3D 50 MHz
Aumentato di un fattore 20 il tempo di esposizione e di un fattore 10 l'area del rivelatore esposta.
Utilizzate 4 MSGC , 3 delle quali gia sottosposte al test di T10. Stesse condizioni di lavoro di T10 sia per le tensioni che per la miscela di gas.
Preso dati ad un rate 10 KHz/mm² per un periodo di 15 gioni corrispondenti a 161 ore di fascio.
Il rate atteso ad LHC @ R=3D60 cm (dove è previsto il layer più interno di camere MSGC) è di circa 5 KHz/mm².
Nessuna variazione apprezzabile nel guadagno delle camere rispetto al valore misurato prima del test a T10 è stata osservata dopo un totale di 7.7 + 161 ore di presa dati al rate di LHC.
L'ispezione ottica non ha mostrato danni sulle camere che hanno operato alle tensioni di lavoro stabilite per CMS (Vc=3D520 V e Vd=3D3500 V). "Mouse bites" sono stati rilevati unicamente nella camera portata a tensione molto elevata,Vc=3D620 V e Vd=3D3700 V, all'inizio della regione di transizione al regime "streamer".
L' efficienza di tracciatura, maggiore del 99% per run a bassa intensità, è stata valutata anche nei run ad altissima imtensità (più di 4 tracce per evento) dove è risultata >> del 90%.

Problemi:
- limitata capacità di tracking per il numero limitato di rivelatori
- elettronica di lettura non nella configurazione finale (senza deconvoluzione)e quindi un elevato numero di tracce accidentali, difficilmente ricostruibili.

c) 'Milestone project': B1
Scopo:
- Realizzazione di una preserie di moduli (50) di MSGC "full scale" con cui equipaggiare un ottante di una delle ruote del 'barrel' di CMS. Terminata la fase di sviluppo ed ingegnerizzazione del modulo, comprendente definizione delle dimensioni e scelta dei materiali, si è passati alla fase di ottimizzazione e semplificazione della procedura di costruzione ed assemblaggio dei moduli in collaborazione con 3 industrie italiane. Obbiettivo fondamentale è la produzione dei moduli in accordo con le specifiche tecniche, nei tempi richiesti ed al costo"target".
È stato iniziato il processo di messa a punto della catena di test del rivelatore.

Problemi:
- sfasatura tra disponibilità fondi 5% e avvio della fase di produzione della 'pre-serie' dei rivelatori.

Bibliografia

ECAL

Nel 1997 il gruppo, in continuità con l'attività del 1996, ha contribuito alla fase di R & D riguardante il calorimetro elettromagnetico a cristalli di PWO concentrandosi su tre attività principali:
- la caratterizzazione dei cristalli e il problema della loro resistenza alle radiazioni,
- il comportamento dei fotorivelatori (APD) in ambiente ad alta radiazione,
- la progettazione della struttura meccanica.
La fase di R&D inerente il danno da radiazione dei cristalli è stata estesa alla prima metà del 1998. Il gruppo intende costituire presso i Laboratori dell'Enea alla Casaccia uno dei centri regionali per l' assemblaggio di metà della parte barrel parte del calorimetro (circa 30000 cristalli). A tale fine il gruppo ha definito procedure e strumenti necessari alla verifica della qualità dei cristalli provenienti dai centri di produzione e la sequenza di assemblaggio e relativi controlli.
L'attività sui cristalli ha condotto il gruppo a proporre un drogaggio con ioni La3+ che ha portato ad un significativo miglioramento nella resistenza alla radiazione gamma non solo di campioni di piccole dimensioni ma anche di campioni di dimensione finale (23 cm). Grazie a questi risultati i cristalli sono di qualità tale da poter affrontare i livelli di radiazione che saranno presenti ad LHC permettendo di mantenere le prestazioni del calorimetro.
Nel corso dell'anno il gruppo ha ricevuto e caratterizzato diversi nuovi prototipi di APD. Sono stati fatti progressi su tutti i parametri critici di questi diodi. In particolare il gruppo ha intrapreso misure del fenomeno di recupero a breve e a lungo termine, a diverse temperature, dopo il danneggiamento con neutroni. In base a queste misure abbiamo proposto un modello per la cinetica del recupero al fine di predire le prestazioni finali del rivelatore in termini di rumore.
La progettazione della struttura meccanica dell'intero calorimetro è attualmente in via di finalizzazione. Nell'agosto di quest'anno il raggio interno del calorimetro è stato ridotto di una decina di centimetri il che, pur non togliendo nulla alla solidità del progetto, ha costretto ad una intensa attività di riprogettazione. Le responsabilità assunte dal gruppo riguardano il progetto e il disegno dei cestelli in fibra di carbonio necessari a sostenere i sottomoduli alveolari contenenti i singoli cristalli, il sistema di chiusura a griglia dei cestelli stessi e la trave di sostegno dei supermoduli costituiti da un insieme di quattro cestelli. Nel 1997 è stato effettuato un test di validazione dei calcoli agli elementi finiti su un prototipo di cestello di tipo III (a grande eta) caricato con finti cristalli metallici e chiuso da una griglia prototipo. Tale test ha pienamente confermato sperimentalmente, sia utilizzando tecniche di misura tradizionali che tecniche assai più sofisticate come la fotogrammetria, le deformazioni attese in via teorica ottenute con modelli agli elementi finiti.

SPETTROMETRO PER MU

L'attività durante il '97 dei gruppi che lavorano a questo rivelatore è distribuita sui seguenti argomenti:
a) Costruzione e test del primo prototipo in scala reale,
b) completamento del progetto delle camere, c) Sviluppo della strumentazione per la costruzione di serie,
d) Sviluppo dell'elettronica.

a) Costruzione e test del prototipo
La costruzione, iniziata nel 96, è stata completata nella primavera. La strumentazione utilizzata ha mostrato che le metodologie di base sono corrette e dovrebbero permettere la costruzione in serie delle camere nei tempi previsti, una volta che la strumentazione sarà completamente ingegnerizzata allo scopo.
La camera è stata provata su fascio durante l'estate. Le prestazioni in termini di efficienza, risoluzione e rumore sono simili a quelli ottenuti con prototipi di piccole dimensioni. È attualmente allo studio il comportamento sotto alta tensione delle celle di drift, per allargare l'intervallo di funzionamento stabile, la cui estensione non è pienamente soddisfacente.

b) Completamento del progetto delle camere
Questa attività è in corso sia per gli aspetti di meccanica (strutture di supporto, layout dei servizi,) sia di quelli relativi all'elettronica che risiede sulla camera (affidabilità, minimizzazione degli spazi morti, facilità di manutenzione, ). Per verificare le proprietà meccaniche e la affidabilità nel tempo delle camere, la cui struttura è costituita da 51 incollaggi consecutivi, sono stati costruiti tre mock-up, completi dal punto di vista strutturale ma di larghezza ridotta (0.5 m), su cui sono in corso test distruttivi.

c) Sviluppo della strumentazione per la costruzione di serie
In ciascuna delle tre Sezioni sono in corso studi per definire i vari tipi di strumentazione che saranno necessari: per preparare componenti per l'assemblaggio, per l'assemblaggio vero e proprio ed infine per i test di qualità delle camere completate.
Particolare cura viene posta nel ricercare soluzioni costruttive che minimizzimo la quantità di personale che dovrà essere addetto alla costruzione, assicurando nel contempo che la precisione necessaria sia ottenuta anche con operatori non qualificati. Questa attività proseguirà per tutto il '98.

d) Sviluppo dell'elettronica
È stato completato il test su banco del VLSI preposto alla individuazione degli elementi di traccia per il trigger di primo livello (BTI). È stato completato il progetto, ed eseguito l'ordine, del VLSI che correla diversi elementi di traccia nella stessa camera (TRACO), è stato completato e provato il VLSI che seleziona gli elementi di traccia da inviare al trigger di mu globale (Trigger Server), sono state ordinate due diverse versioni del chip di front- end. I risultati ottenuti in queste attività rispettano pienamente le aspettative. I tempi di sviluppo sono per tutte compatibili con il piano globale di costruzione del detector.
È stato fatto un grosso lavoro sul layout delle schede di elettronica di trigger e read-out per verificare la possibilità di installarle direttamente all'esterno delle camere, anzichè all'esterno del detector. Questo lavoro sta dando risultati positivi e proseguirà nel '98.

2) RPC (Bari, Pavia)

I gruppi di Bari e Pavia, implicati nella progettazione del sistema di trigger ad RPC per CMS, hanno, nell'anno 1997, consolidato la loro conoscenza del rivelatore ed effettuato una accurata sperimentazione di rivelatori prototipo in condizioni molto simili a quelle previste ad LHC.
Nel seguito sono elencati schematicamente gli argomenti più importanti oggetto di studio:

- sviluppo di un programma di simulazione Monte Carlo della valanga all'interno di un RPC. Tale programma permette di riprodurre non solo qualitativamente, ma anche qualitativamente molti risultati sperimentali fin qui ottenuti. È di grande rilievo il fatto che, per la prima volta, i meccanismi fisici alla base del funzionamento di un rivelatore a piatti piani resistivi vengano compresi e simulati.

- sviluppo dell'elettronica di front-end. Alcuni prototipi del chip di front-end , comprendente l'amplificatore ed il discriminatore per sei canali, sono stati oggetto di test su un rivelatore prototipo fatto funzionare sul fascio H2 del Cern. I risultati, molto positivi, hanno confermato l'affidabilità del progetto e delle scelte effettuate.

- studio di uniformità della risposta di un rivelatore prototipo di grandi dimensioni. L'uniformità della risposta di un RPC a doppia gap con strip da 1.3 m (cioè della lunghezza prevista per il barrel di CMS) è stata studiata con il fascio H2 del Cern. I risultati hanno dimostrato che tutti i parametri fondamentali (efficienza, cluster size, risoluzione temporale) sono uniformi su una grande superficie e rispettano le richieste di CMS.

- studio delle caratteristiche di funzionamento di un rivelatore prototipo in condizioni di elevato background. Un piccolo RPC è stato installato e fatto operare nella GIF (Gamma Irradiation Facility) del Cern, in un ambiente di elevato background, simile a quello atteso nella parte in avanti di CMS. Il rivelatore ha risposto con piena efficienza fino a rate di circa 1 kHz/cm2, confermando la sua capacità di funzionamento ad alti flussi. Tali studi hanno anche permesso di comprendere quali parametri costruttivi (ad esempio la resistività della bachelite) influenzano il comportamento ad alti flussi.

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