CONSUNTIVO TECNICO -- SCIENTIFICO DI CMS PER IL 1999
MAGNETE SOLENOIDALE
Sezione di GENOVA
Nel corso del 1999 la Sezione di Genova ha partecipato attivamente alla progettazione del solenoide attraverso lo sviluppo delle attivita’ di preindustrializzazione con l’ANSALDO. Ha inoltre effettuato test di qualificazione delle giunzioni.
1- Attivita’ di progettazione
- E’ stata verificato il sistema di supporto del solenoide nella camera da vuoto tramite calcoli meccanici effettuati con ANSYS e sono state completate le analisi meccaniche sulla cold mass.
- Sono stati effettuate numerose analisi termiche per calcolare il riscaldamento ohmico di giunzioni inter-strato.
- Sono stati completati i calcoli di stabilita’ termica rispetto a disturbi tramite analisi basate sul codice HEATING.
2- Pre-industrializzazione dell’avvolgimento
l’INFN-Genova ha la responsabilita' connessa alle attivita' di studio preliminare (sia progettazione che test di prototipi) necessarie per la definizione delle specifiche di gara. Le attivita’ di pre- industrializzazione del 1999 state:
- Costruzione e prove di un prototipo di linea di avvolgimento. Con la linea sviluppata si e’ proceduto alla costruzione di un modello (attualmente in fase di ultimazione).
- Definizione delle specifiche tecniche per l’avvolgimento dei 5 moduli componenti il magnete.
- Partecipazione ai lavori della Commissione nella gara che ha assegnato la manifattura del magnete all’ANSALDO ENERGIA.
3- Qualificazione delle giunzioni. Sono state provate elettricamente numerose giunzioni tra cavi superconduttori prototipo, effettuata sia con tecniche MIG che a fascio di elettroni. Le misure sono state effettuate alla temperatura di 4.2 K, campi magnetici da 3 a 5 T e correnti intorno ai 20 kA.
CAMERE A DERIVA PER MUONI
Sezioni di BOLOGNA, PADOVA, TORINO
L'attivita' nel 1999 si e' sviluppata lungo le seguenti linee:
Durante il 1998 erano stati apportanti cambiamenti significativi nel disegno della cella elementare di deriva. Era quindi necessario, prima di finalizzare il progetto e le attrezzature necessarie per la produzione e prima di procurare materiali per la costruzione, verificare l'effetivo comportamento del disegno finale. Un prototipo realizzato, con il contributo di tutti i collaboratori, utilizzando la linea di produzione di Madrid e' stato provato su fascio durante l'estate. I risultati sperimentali confermano pienamente le aspettative, sia per quanto riguarda i tempi di assemblaggio e messa in funzione di una camera, sia per le prestazioni in termini di precisione spaziale e temporale. Sulla base di questo positivo risultato e' proseguito il lavoro di finalizzazione del disegno delle camere e dei loro servizi, con l'obbiettivo di massimizzare l'accettanza dello spettrometro per mu ma garantendo nel contempo la compatibilita' con le altre strutture dell'esperimento. La finalizzazione del disegno ha anche permesso di continuare con il lungo lavoro di acquisizione dei materiali necessari per la produzione.
La produzione ed il test in quattro anni di 250 camere con un totale di circa 200.000 canali impone l'utilizzo di sofisticate attrezzature per automatizzare il piu' possibile il lavoro di assemblaggio. Le responsabilita' dei gruppi italiani al riguardo sono le seguenti:
Il disegno del chip di frontend e' stato completato ed il contratto per la fornitura della produzione globale e' stato assegnato. I primi cento prototipi della produzione finale hanno prestazione perlomeno pari alle aspettative, con uno yield superiore al 85%.
E' anche continuata l'attivita' di progettazione dell'elettronica per il trigger; che sara' localizzata sulle camere a mu. Per questo deve essere costruita e provata in tempo per l'installazione nell'esperimento delle prime camere. I primi prototipi del chip ASIC per la correlazione degli elementi di traccia forniti dai diversi quadrupletti di una camera (TRACO) hanno purtroppo evidenziato un cattivo funzionamento a causa di un possibile errore di layout da parte della ditta produttrice. Sono in corso le verifiche necessarie a individuare con certezza la causa del problema. Questo ha impedito l’effettuazione del test di una catena completa di trigger.
E' pure continuata l'attivita' di sviluppo della parte di elettronica di trigger che seleziona le tracce di piu' alta qualita' tra quelle individuate dal TRACO. Nel 1999 e' stato realizzato il primo prototipo di Track Sorter Master (stadio finale del trigger di camera e master del server), curandone in particolare la ridondanza in caso di avarie dei componenti e la configurabilita' da remoto. Il TSM ha passato con successo i tests preliminari (TRIDAS milestone) ed e' ora in fase di tests dettagliati. I Track Sorter Slaves prototipati nel 1998 hanno continuato la fase di tests nel 1999 e sono ormai pronti per la produzione, previo test combinato con tutta l'elettronica di trigger di camera.
Attività RPC
Sezione di BARI
Durante lo scorso anno il gruppo ha completato la fase di R&D ed ha incominciato la fase di ingegnerizzazione, in vista della produzione di massa. Di seguito vengono elencati i principali argomenti oggetto di studio:
-) Invecchiamento
Sono stati effettuati test di invecchiamento presso la GIF del CERN irraggiando per parecchi mesi un prototipo in scala ridotta di una camera di CMS ed effettuando periodiche verifiche delle caratteristiche di funzionamento con fasci di muoni. In parallelo presso il Dipartimento di Fisica–Sezione di Bari e’ continuato il test di invecchiamento con il telescopio per muoni orizzontali. I risultati di entrambi i test hanno mostrato l’affidabilità degli RPC anche nelle regioni di più alto fondo e la loro capacita’ di "resistere" ad una dose equivalente a quella attesa in 10 anni di funzionamento di CMS.
-) Costruzione e test di RB2
Un prototipo funzionante della camera del barrel RB2 e’ stato costruito utilizzando i concetti sviluppati per la produzione finale. Il funzionamento della camera e’ stato poi studiato presso la GIF del CERN.
-) Elettronica
E’ stato ultimato lo sviluppo del VLSI di front-end ed e’ stata effettuata una pre-produzione di 1000 pezzi. E’ stato anche ultimato lo sviluppo della scheda di front-end, una cui pre-produzione partirà a breve.
-) Singole gap
Sono state definite e congelate le dimensioni delle singole gap ed sono state effettuate e concluse le procedure per l’assegnazione della commessa.
-) Tavolo di assemblaggio
Sono stati ultimati i disegni tecnici ed effettuati gli ordini per il tavolo di assemblaggio e le torri di stoccaggio. Queste ultime sono ultimate e montate presso il Capannone del Dipartimento di Fisica –Sezione di Bari.
-) Capannone : il capannone che ospiterà le stazioni per il montaggio dell’elettronica ed i test e’ stato ristrutturato secondo le richieste e le necessita’ di CMS.
Sezione di PAVIA
Nel 1999 le attivita' del gruppo RPC-CMS Pavia si sono concretizzate lungo le seguenti direttrici:
1) studio dei parametri necessari per il quality control della bakelite per gli RPC di CMS.
2) progetto di un tavolo di misura automatica della bakelite
3) progetto per il test delle schede di front-ent e dei chip che costituiscono l'elettronica di read-out delle camere RPC.
4) aging della bakelite sottoposta a radiazione gamma
5) aging della bakelite sottoposta a neutroni
6) simulazione della Gamma Irradiation Facility del Cern
7) partecipazione ai test beam alla GIF di Ginevra
I risultati delle misure, delle procedure e dei test sono stati raggruppati in un contributo nel documento ``RPC Barrel Engineering Design Review'' dellacollaborazione CMS.
Il lavoro svolto nel 1999 ha poermesso di essere pronti a ordinare tutta la bachelite necessaria a CMS e a riceverla nell’anno 2000.
CALORIMETRO ELETTROMAGNETICO
Sezione di ROMA1
Nel 1999 il gruppo ha contribuito alle attività di R & D ancora in corso riguardanti il calorimetro elettromagnetico a cristalli di PWO concentrandosi su tre punti principali:
- la caratterizzazione dei cristalli e il problema della loro resistenza alle radiazioni,
- lo sviluppo di un sistema per alimentare i fotodiodi ad amplificazione interna APD
- la ottimizzazione del progetto della struttura meccanica
Parte rilevante delle attività del 1999 è stata la messa a punto del Centro Regionale INFN/ENEA per l’assemblaggio e il test del calorimetro di cui Roma ha la responsabilità. La fase di R&D inerente il danno da radiazione dei cristalli nel 1999 ha riguardatoesclusivamente i cristalli provenienti dai produttori cinesi. Lo studio sul doping è stato esteso a drogaggi misti con ioni trivalenti e pentavalenti su cristalli di 23 cm. Sono state misurate le variazioni in resa di luce e trasmissione dovute all’irraggiamento a diversi rate di dose e diverse dosi integrate per oltre 70 cristalli. I risultati di queste misure sono stati regolarmente discussi con i produttori ed hanno portato ad un significativo miglioramento delle proprietà dei cristalli.
Dopo avere concluso nel 1998 l’attività di R&D sugli APD che ha portato alla scelta finale del foto rivelatore il gruppo si è occupato dello sviluppo del sistema di alimentazione di cui ha la responsabilità. Si tratta di progettare un sistema "intelligente" in grado di controllare la stabilità in tensione a circa 20 mV di centoventimila canali. Il gruppo ha contribuito alla stesura delle specifiche individuando con misure di laboratorio i punti critici del sistema e dimostrandone la fattibilità. E’ stata fatta una gara per la costruzione di due prototipi del sistema finale che il gruppo seguirà verificando che i prototipi proposti soddisfino la qualità richiesta per il buon funzionamento del calorimetro.
Per quanto riguarda la struttura meccanica, il gruppo ha la responsabilità del progetto dei cestelli necessari a sostenere i sotto moduli alveolari contenenti i singoli cristalli, e del loro sistema di chiusura a griglia. È stato progettato un prototipo di modulo di tipo 2 in alluminio che è in corso di realizzazione e la cui funzionalità andrà verificata prima di affrontare la fase di costruzione vera e propria. Nel contempo sono stati ottimizzati i disegni finali di griglie e cestelli di tipo 1,3,4.
Il gruppo ha la responsabilità della messa in opera e del funzionamento di uno dei due Centri Regionali (Roma e CERN) per l'assemblaggio di metà della parte barrel del calorimetro (circa 30000 cristalli). Nel 1999 si è provveduto alla progettazione di una buona parte degli strumenti necessari ad eseguire le operazioni di montaggio e movimentazione dei moduli quali, ad esempio, il sistema di incollaggio APD-cristalli, il sistema di manipolazione dei moduli, il sistema di trasporto degli stessi dal Centro Regionale al CERN.
Inoltre è stata verificata nel dettaglio ACCOR, la macchina di misura automatica della qualità dei cristalli. Sono state eseguite su 100 cristalli di preproduzione misure atte a verificare la stabilità del sistema, ad intercalibrare ACCOR con gli strumenti di riferimento di laboratorio e con le macchine situate nel Centro Regionale del CERN.
TRACCIATORE CENTRALE
Sezioni di BARI, CATANIA, FIRENZE, PADOVA, PERUGIA, PISA, TORINO
Il 1999 e' stato un anno di fondamentale importanza per il progetto del Tracker di CMS per gli importanti obbiettivi raggiunti sia sul piano dello sviluppo technologico dei rivelatori sia sul piano dello sviluppo del sistema nel suo complesso e dell'ottimizzazione del layout. L'anno si e' concluso con la decisione molto radicale e da certi punti di vista anche molto coraggiosa di abbandonare le MSGC, sebbene fosse stato dimostrato sperimentalmente la loro completa affidabilita', in favore della semplificazione sul sistema derivante dall'uso di una sola tecnologia, quella a silicio, su tutto il tracciatore.
Il 1999 e' stato improntato da una intensa attivita' sperimentale nella realizzazione dei milestones che Il comitato LHCC contestualmente all'approvazione del TDR nel 1998 aveva richiesto prima di poter concedere l'autorizzazione a procedere alla costruzione del rivelatore. I principali milestones in cui sono state maggiormente coinvolte le istituzioni italiane sono stati i seguenti:
Per considerare il test superato positivamente fu deciso che si dovevano esporre 25 camere della preserie precedente per 15 giorni al fascio di alta intensita' del PSI (pioni da 400 MeV) e fu richiesto che solo 30 delle 12900 strip cosi' esposte risultassero danneggiate alla fine del periodo. Oltre che alla realizzazione di questi importanti milestone, la collaborazione italiana ha attivamente contribuito ai seguenti lavori assumendosene spesso la leadership:
a) Test dei chip di front end (APV6, APVM, APVD) montati sui prototipi dei rivelatori a silicio e sulle camere MSGC sia in laboratorio che sul fascio.
b) Sviluppo del DAQ e del sitema di lettura e di controllo per i test precedenti.
c) Sviluppo e ingenerizzazione dei prototipi dell'ibrido ottico e del link ottico.
d) Studio della migliore tecnologia da utilizzare per l'ibrido di read out sviluppando dei prototipi in due diverse tecnologie.
e) Definizione delle specifiche dei power supplies.
f) Studio e ottimizzazione dei cavi e dei connettori "low mass" da utilizzare nella zona attiva del Tracker.
g) Simulazione ed ottimizzazione del layout e delle performances del Tracker.
All'inizio dell'estate del 1999 la comunita' del Tracker decideva di studiare la possibilita' di concepire un rivelatore in cui utilizzare sensori di silicio anche nella parte esterna del Tracker in sostituzione delle MSGC.
La necessita' di un tale studio risultava motivato dal concretizzarsi della reale possibilita' di avere dalle industrie rivelatori a silicio in grandi quantita' su wafer di 6", a dei prezzi molto contenuti e con le specifiche necessarie per poter essere utilizzati a LHC.
L'importanza di iniziare questo studio era chiaramente suggerito anche dagli insuccessi dei gruppi di HERAb nell' utilizzare sui fasci del PSI i loro rivelatori a gas, sebbene tali rivelatori fossero basati su tecnologie diverse da quelle utilizzate nelle MSGC di CMS.
Nasceva cosi' e si sviluppava un progetto di un Tracker alternativo a quello proposto nel TDR basato solo su rivelatori a silicio. Anche allo sviluppo di questo progetto la collaborazione italiana ha dato un contributo sostanziale.
Nell'ultima Tracker Week dell'anno durante la quale, dal 13 al 17 Dicembre, era prevista una review completa del rivelatore, la comunita' del Tracker si e' quindi trovata a dover confrontare i due progetti e a decidere quale progetto convenisse proseguire.
Anche i "Reviewers" del Tracker A. Ball, P. Block, A. Newman, C. Damerell e R. Heuer hanno partecipato alla discussione ed hanno espresso il loro giudizio.
Durante queste discussioni ha impressionato il risultato dei test fatti al PSI dal gruppo MSGC di Pisa. Dire che il difficile milestone sopra descritto sulla sopravvivenza delle MSGC dopo dieci anni di LHC e' stato superato dalle camere del barrel con pieno successo e' veramente dire troppo poco: le estrapolazioni portano non a decine di anni di sopravvivenza in LHC ma addirittura a centinaia!
Per questo motivo i gruppi della comunita' del Forward, che prevedevano MSGC con GEM e non con "advanced passivation" e che avevano superato il milestone di sopravvivenza al PSI in modo non altrettanto brillante delBarrel, hanno deciso di utilizzare anche nel Forward la tecnologia della passivazione avanzata sviluppata dal gruppo di Pisa in collaborazione con la Laben-Cetev.
E' stato questo un grosso riconoscimento alla professionalita' del lavoro fatto dal gruppo MSGC dell'INFN e dall'industria italiana. Questi risultati garantivano quindi la certezza di poter costruire il Tracker per CMS quale descritto nel TDR.
Tuttavia dalla presentazione del progetto alternativo emergeva anche la possibilita' di costuire un ottimo rivelatore utilizzando una sola tecnologia con dei rivelatori a silicio anche ai raggi piu' esterni.
La discussione si spostava quindi dal piano della tecnologia del rivelatore al piano degli aspetti logistici e di sistema. I Reviewers riconoscendo ed apprezzando l'enorme lavoro fatto non solo sul piano tecnico ma anche sul piano organizzativo da parte della Comunita' MSGC unanimamente raccomandavano di procedere secondo il progetto originale del TDR.
Per contro la Collaborazione del Tracker a maggioranza decideva di adottare la soluzione tutto silicio. La preoccupazione maggiore della Collaborazione e' stata quella di cercare di massimizzare la probabilita' di arrivare in tempo con la schedule di costruzione del Tracker e pertanto, anche contro la raccomandazione dei Reviewers, veniva deciso di scegliere la soluzione tutto silicio nel tentativo di rendere il sistema il piu' omogeneo possibile minimizzando il numero di soluzioni da ingegnerizzare. L'argomento dominante nell'arrivare a questa decisione e' stato quello di avere un'unica tecnologia per tutto il tracker e quindi di dover ingegnerizzare un solo chip di front-end , un solo ibrido di lettura, un solo sistema di power supply, un solo tipo di cavi e di connettori, di evitare il sistema di distribuzione del gas, di avere singole procedure di test e di data base.... in definitiva di avere un solo sistema da ingegnerizzare, da costruire e di cui fare il commissioning in CMS.
I motivi di questa decisione non possono pertanto essere in nessun modo attribuiti ad una non sufficiente affidabilita' della tecnologia delle MSGC sviluppata dal gruppo italiano ma devono essere soltanto attribuiti al semplice fatto che oggi sta risultando possibile costruire un Tracker utilizzando una sola tecnologia basata sul silicio; cosa che chiaramente era completamente impensabile appena un anno fa.
CALCOLO
Nel corso dell'anno 1999 le attivita' legate al Calcolo ed al software sono state molteplici ed hanno visto la partecipazione di tutte le Sezioni di CMS. Tra queste le principali sono state:
Questi prodotti rappresentano il primo approccio iniziale alla valutazione di come realizzare prototipi di calcolo per gli esperimenti ad LHC, e per quel che ci riguarda per CMS.