Design and development of the Level-1 Data Driver Card (L1DDC) for the New Small Wheel upgrade of the ATLAS experiment at CERN

Abstract

ATLAS is one of the four main experiments located in the Large Hardon Collider at CERN.During Long Shutdown 2 (2019-2020) the innermost muon stations of ATLAS called the Small Wheels will be replaced by the New Small Wheel upgrade project. This upgrade is motivated by the high particle ux (up to 15 kHz/cm2), the high radiation during Run-3 (2021-2023) and ultimate luminosity of 7.5 × 1034 cm−2 s−1 expected in High-Luminosity Large Hadron Collider (after 2026). The number of interactions per bunch-crossing (every 25 ns) will be increased up to 140, resulting in a dramatically large amount of produced data. The New Small Wheel is a set of precision tracking and trigger detectors able to work at high rates with excellent real-time spatial and time resolution. The new detectors consist of the resistive Micromegas and the small-strip Thin Gap Chambers. Furthermore, a radiation dose up to 1700 Gy (innermost radius) and a magnetic eld up to 0.4 T in the end cap region, create a hostile environment for the front-end electronics. To read out the large number of electronic channels (about 2.1 million for the Micromegas and about 332 thousand for the sTGC) and in order to survive in such a harsh environment new electronics must be fabricated and installed. In addition, correction mechanisms for Single Event Upsets (this is a change of state caused by a high-energy particle strike to a micro-electronic device) must be implemented to assure the integrity of the transmitted data. The whole readout and trigger architecture of the NSW was redesigned including the fabrication of new electronic boards and Application Specic Integrated Circuits compatible even with the Run-4 data rates. The aim of this dissertation was the research and development of the Level-1 Data Driver Card which is part of the data acquisition system for both detector technologies and consists of radiation tolerant components. The development of the cards included a series of prototypes and their extensive testing independently, and as part of the nal system as well. A major andextensive study to make these cards compatible even with the future (and demanding) upgrades of the experiment was performed. Up to now, eight dierent versions of these cards have been manufactured and tested. The latest prototypes, after their debugging, are the reference cards for mass production of 1056 Level-1 Data Driver Cards. Additionally for the needs of the experiment and for a more complete control and testing of the cards and the nal system, a series of Front-Ends, a Low Voltage distributor and a series of auxiliary cards were designed and fabricated. Furthermore for the testing procedure of the boards dierent pieces of rmware were developed using the Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language. This development includes communication of the control system with the Level-1 Data Driver Card through optical link, the programming of the Application Specic Integrated Circuits on the Level-1 Data Driver Card card, the acquisition of environmental variables (voltage levels and temperatures) and their evaluation by a personal computer through the Ethernet interface and UDP/IP protocols. In order to validate the nal system, a low-level code was also developed, tested and debugged to congure the Venetis MicroMegas Application Specic Integrated Circuit (on the Front-Ends) to collect data from the detectors and transfer them via the UDP/IP protocol to a computer for storage and subsequent evaluation.

Το ATLAS είναι ένα από τα τέσσερα ϐασικά πειράµατα που ϐρίσκονται στο µεγάλο επιταχυντή αδρονίων του CERN. Στις µελλοντικές αναβαθµίσεις οι ανιχνευτές που ϐρίσκονται στους εσωτερικούς τροχούς που ονοµάζονται Small Wheels, ϑα αντικατασταθούν από ανιχνευτές νέας γενιάς, οι οποίοι προσφέρουν δυνατότητες σκανδαλισµού και τροχιών ακριβείας. Η αναβάθµιση αυτή κρίθηκε αναγκαία από τις υψηλές ϱοές σωµατιδίων (µέχρι 15 kHz/cm2), απο την υψηλή ακτινοβολία που αναµένεται κατά τη διάρκεια του Run-3 (2021-2023) και την µέγιστη στιγµιαία ϕωτεινότητα 7.5 × 1034 cm−2s−1 στον Υψηλής Φωτεινότητας Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (µετά το 2026). Ο αϱιθµός των αλληλεπιδράσεων ανά διέλευση δέσµης (κάθε 25 ns) ϑα αυξηθεί στις 140, µε αποτέλεσμα ένα δραµατικά µεγάλο όγκο παραγόµενων δεδοµένων. Οι ανιχνευτές του New Small Wheel ϑα µπορούν να λειτουργούν σε υψηλές ταχύτητες µε εξαιρετική χωρική και χρονική ανάλυσησε πραγµατικό χρόνο. Οι νέοι ανιχνευτές αποτελούνται από τους αντιστατικούς ϑαλάµους micromegas και τους small-strip Thin Gap Chambers. Ωστόσο, ακτινοβολία έως 1700 Gy (στην εσωτερική ακτίνα) και το µαγνητικό πεδίο µέχρι 0.4 T στην περιοχή του τελικού καλύµµατος, δηµιουργούν ένα εχθρικό περιβάλλον για τα ηλεκτρονικά. Για την ανάγνωση του υψηλού αριθµού ηλεκτρονικών καναλιών (περίπου 2.1 εκατοµµύρια για τους micromegas και περίπου 332 χιλιάδες κανάλια για τους small-strip Thin Gap Chamber) και για την αντοχή στο τόσο δυσχερές περιβάλλον πρέπει να κατασκευαστούν και να εγκατασταθούν νέα ηλεκτρονικά. Επιπροσθέτως, πρέπει να εφαρµοστούν µηχανισµοί διόρθωσης για ανατροπές µεµονωµένων συµβάντων (Single Event Upsets (SEU) - αλλαγή της κατάστασης που προκαλείται όταν ένα σωµατίδιο υψηλής ενέργειας χτυπάει σε µια µικρο-ηλεκτρονική συσκευή) προκειµένου να διασφαλιστεί η ακεραιότητα των µεταδιδόµενων δεδοµένων. Η όλη διαδροµή ανάγνωσης και σκανδαλισµού του New Small Wheel επανασχεδιάστηκε και περιλαµβάνει την κατασκευή νέων ηλεκτρονικών καρτών και ολοκληρωµένων κυκλωµάτων ειδικού σκοπού συµβατών ακόµη και µε τις ϱοές των δεδοµένων του Run-3. Η ανάπτυξη των καρτών περιελάµβανε µια σειρά από πρότυπες κάρτες και τον εκτενή έλεγχό τους µεµονωµένα αλλά και σαν µέρος του τελικού συστήµατος. Επίσης πραγµατοποιήθηκε σηµαντική µελέτη για να µπορέσουν οι κάρτες αυτές να είναι συµβατές ακόµα και για τις µελλοντικές (και πιο απαιτητικές) αναβαθµίσεις του πειράµατος. Μέχρι σήµερα έχουν κατασκευαστεί και ελεγχθεί οκτώ διαφορετικές εκδόσεις των καρτών αυτών. Τα τελευταία πρότυπα, έπειτα από αποσφαλµάτωση αποτελούν και τις κάρτες αναφοράς για τη µαζική παραγωγή κατά την οποία ϑα παραχθούν συνολικά 1056 κάρτες Level-1 Data Driver Card. Πρόσθετα για τις ανάγκες του πειράµατος αλλά και για έναν πιο ολοκληρωµένο έλεγχο των καρτών και του τελικού συστήµατος σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν µια σειρά από τελικές κάρτες, κάρτες διανοµής συνεχούς ϱεύµατος και µια σειρά από ϐοηθητικές κάρτες. Στόχος της διδακτορικής διατριβής ήταν η έρευνα και ανάπτυξη της κάρτας Level-1 Data Driver Card που αποτελεί µέρος της αλυσίδας ανάγνωσης δεδοµένων και των δύο τεχνολογιών ανιχνευτών και αποτελείται από εξαρτήµατα ανθεκτικά στην ακτινοβολία.