Research and development of the detector control & data acquisition systems for the new small wheel upgrade of the ATLAS experiment at CERN and performance evaluation of the micromegas detector

Abstract

This dissertation presents the research and development of the Detector Control and Data Acquisition Systems for the New Small Wheel (NSW) upgrade within the ATLAS experiment at CERN, alongside a comprehensive performance evaluation of the Micromegas detector. The NSW upgrade is pivotal for adapting the ATLAS detector to the challenges created by the increased luminosity of the future Large Hadron Collider (LHC) runs. This work navigates the complexities of integrating complex technologies into a high-radiation environment, demonstrating a critical contribution to the successful deployment and operation of the NSW project. The upgrade involves the replacement of the existing ATLAS Small Wheel Muon detector with a new, advanced system capable of operating in high background radiation levels-up to 22 kHz/cm2, while maintaining high precision in muon track reconstruction and Level-1 trigger information. The NSW consists of two innovative gaseous detector technologies: small-strip Thin Gap Chambers (sTGCs) for rapid trigger response and high- precision tracking, and Micromegas (MM) detectors, which are micro-pattern gas detectors offering excellent spatial resolution due to their small conversion region and fine strip pitch. This thesis highlights the design, the operational principles and the integration of these technologies across 16 detection layers, detailing the challenges and solutions in configuring such a complex system. A significant focus is placed on the ATLAS Data Acquisition (DAQ) system, particularly the FELIX system- an FPGA based interface facilitating communication between the detector’s front-end electronics and back-end software components. The intricacies of the GBT protocol, the GBT-SCA ASIC’s role in signal processing, and the development of a robust control and monitoring network through the SCA ecosystem are discussed in detail. This includes the creation of novel tools and mechanisms for enhancing data integrity and system reliability. Moreover, the thesis delves into the Detector Control System (DCS), emphasizing its critical role in ensuring the detector’s consistent and safe operation. The development and implementation of control systems for various operational aspects, such as high voltage and gas leak validation for Micromegas detectors, are examined. This segment high- lights the bespoke architecture of the NSW DCS and its integration to the broader ATLAS DCS framework, showcasing the advanced electronics monitoring capabilities developed for overseeing more than 100 000 parameters. The experimental section presents a thorough analysis of the Micromegas detector’s performance, including the operational gaseous detector principles, signal generation and the impact of various operational parameters. Results from extensive testbeam campaigns at H8 and GIF++ facilities offer insights into the detector’s response under high interaction rates, illustrating the successful adaptation of the technology for high-luminosity environments. This research not only contributes to the ATLAS experiment’s readiness for future LHC runs, but also advances the field of particle physics instrumentation. By addressing the challenges of high-luminosity data acquisition and control in one of the most demanding experimental environments, this work sets a precedent for future detector technologies and their implementation in large-scale scientific research. Through meticulous design, testing and validation, the thesis underscores the pivotal role of innovative detector and control technologies in pushing the boundaries of particle physics research, offering valuable lessons for the development of future experiments in high energy physics and beyond.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αναφέρεται κυρίως στην έρευνα και ανάπτυξη του συστήματος ελέγχου του ανιχνευτή & συλλογής δεδομένων για την αναβάθμιση του πειράματος ATLAS στο CERN με τους δύο νέους ”μικρούς τροχούς” (New Small Wheels, NSW) και την αξιολόγηση της απόδοσης του ανιχνευτή Micromegas. Η κύρια πρόκληση αυτής της διατριβής ήταν η κατανόηση και η επίλυση προβλημάτων ενός τόσο πολύπλοκου και μεγάλου συστήματος όπως το NSW. Η παρούσα διδακτορική διατριβή είχε βασικό ρόλο στην επιτυχή ολο- κλήρωση, εγκατάσταση και λειτουργία των δύο τροχών του NSW στο πείραμα ATLAS. Ο ανιχνευτής μιονίων του ATLAS, Small Wheel (SW), θα αντικατασταθεί από έναν νέο ανιχνευτή Small Wheel, προκειμένου να αντεπεξέλθει στις μελλοντικές αναβαθμίσεις του LHC υψηλής φωτεινότητας. Προκειμένου να αντι- μετωπιστεί αποτελεσματικά η αυξημένη φωτεινότητα που θα παρέχει ο LHC φωτεινότητας (HL-LHC), θα πρέπει να αντικατασταθεί το SW του Φασματομέτρου Μιονίων του ATLAS. To NSW θα πρέπει να λειτουργεί σε μια περιοχή υψηλής ακτινοβολίας υποβάθρου (έως και 22 kHz/cm2), ενώ παράλληλα θα ανακατασκευάζει τις τροχιές των μιονίων με μεγάλη ακρίβεια, καθώς και θα παρέχει πληροφορίες για το trigger του Level 1 (L1). Οι τεχνολο- γίες των ανιχνευτών που θα χρησιμοποιηθούν προέρχονται από την οικογένεια των ανιχνευτών αερίων, η πρώτη ονομάζεται small Thin Gap Chambers (sTGCs) και η δεύτερη προέρχεται από την κατηγορία των ανιχνευτών αερίων με micromesh και ονομάζεται Micromegas (Micromesh Gaseous Structure (MM)). Η νέα πειραματι- κή διάταξη θα αποτελείται από 16 στρώματα ανίχνευσης συνολικά, ήτοι 8 στρώματα ανά τεχνολογία ανίχνευσης (οχτώ στρώματα sTGC και οχτώ στρώματα Micromegas). Οι ανιχνευτές sTGC έχουν σχεδιαστεί για να παρέ- χουν γρήγορη ενεργοποίηση και παρακολούθηση μιονίων υψηλής ακρίβειας υπό τις συνθήκες του HL-LHC. Από την άλλη πλευρά, οι ανιχνευτές Micromegas έχουν μικρή περιοχή μετατροπής της τάξεως των 5 mm και βήμα λωρίδας ανάγνωσης (readout strip pitch) της τάξεως των 0.45 mm με αποτέλεσμα εξαιρετική χωρική ανάλυση. Στο κεφάλαιο 1 & 2, θα γίνει μια σύντομη εισαγωγή στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC), το πείραμα ATLAS και την αναβάθμιση του NSW. Θα παρουσιαστεί η αρχή λειτουργίας των δύο νέων ανιχνευτών, sTGC και Micromegas, καθώς και το αντικείμενο και η διάταξη του NSW. Επιπλέον, θα γίνει μια σύντομη εισαγωγή στην υποδομή του NSW και στη διαδικασία ελέγχου και εγκατάστασης που έλαβε χώρα μέχρι την εγκατάσταση του NSW στο ATLAS. Ο βασικός λίθος του συστήματος DAQ του ATLAS θα είναι το FELIX, το οποίο είναι ένα σύστημα βασισμένο σε FPGA. Το FELIX θα είναι ουσιαστικά μια γέφυρα μεταξύ των ηλεκτρονικών στοιχείων του front-end όλων των υποσυστημάτων του ανιχνευτή ATLAS και των αντίστοιχων στοιχείων του back-end τους, τα οποία βασίζονται κυρίως σε λογισμικό. Το FELIX συνδέεται με τα ηλεκτρονικά του front-end του ATLAS μέσω οπτικών συνδέ- σεων ή συνδέσεων Giga-Bit Transceiver (GBT), κάθε μία από τις οποίες λειτουργεί με ταχύτητα 4.8 Gb/s. Για την περίπτωση NSW, το FELIX διασυνδέεται με τους κόμβους front-end μέσω 24 οπτικών συνδέσμων. Αυτές οι συνδέσεις μεταφέρουν το πλαίσιο GBT, το οποίο έχει εύρος 84 bit. Το GBT είναι ένα σύστημα μετάδοσης που περιλαμβάνει ASICs με ανοχή στην ακτινοβολία, τα οποία είναι ικανά να διαχειριστούν τις μεγάλες ποσό- τητες δεδομένων των πειραμάτων φυσικής υψηλής ενέργειας. Το GBT-SCA ASIC (Giga-Bit Transceiver - Slow Control Adapter) είναι ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα κατασκευασμένο σε τεχνολογία CMOS 130 nm και είναι το τμήμα του chipset GBT που έχει ως σκοπό να διανέμει σήματα ελέγχου και παρακολούθησης στα ηλεκτρονικά front-end που είναι ενσωματωμένα στους ανιχνευτές. Συνδέεται σε μια ειδική ηλεκτρική θύρα στα GBTx ASICs μέσω ενός διπλού κυκλώματος 80 Mbps πλεονάζουσας αμφίδρομης ζεύξης δεδομένων (e-links). Για τις ανάγκες της διαμόρφωσης (configuration) των διαφορετικών front-end ASIC σε διάφορα πειράματα, το SCA παρέχει έναν αριθμό ρυθμιζόμενων από τον χρήστη ηλεκτρικών θυρών διασύνδεσης, ικανών να εκτελούν ταυτόχρονες λει- τουργίες μεταφοράς δεδομένων. Η θύρες διασύνδεσης είναι οι εξής: 1 SPI master, 16 ανεξάρτητοι I2C master, 1 JTAG master και 32 IO γενικής χρήσης σήματα με ξεχωριστή προγραμματιζόμενη κατεύθυνση και λειτουργι- κότητα παραγωγής διακοπών. Περιλαμβάνει επίσης 31 αναλογικές εισόδους πολυπλεγμένες(multiplexed) σε έναν ADC 12 bit που διαθέτει βαθμονόμηση offset και διόρθωση gain, καθώς και τέσσερις θύρες αναλογικής εξόδου που ελέγχονται από τέσσερις ανεξάρτητους DAC 8 bit. Το κεφάλαιο 3 αποτελείται από μια λεπτομερή περιγραφή των ηλεκτρονικών NSW και του συστήματος συλλογής δεδομένων (DAQ). Η περιγραφή περιλαμβάνει τα κύρια μέρη του NSW DAQ, όπως το FELIX, το GBTx και το GBT-SCA. Θα παρουσιαστεί λεπτομερώς το οικοσύ- στημα SCA το οποίο περιλαμβάνει το λογισμικό, το quasar framework και τον SCA OPC UA Server & Client. Τα διάφορα ηλεκτρονικά NSW θα περιγραφούν μαζί με τις εργασίες για τον ορισμό των συνδέσεων SCA. Για τις ανάγκες της λειτουργίας του SCA OPC UA Server, αναπτύχθηκε ένα εργαλείο προκειμένου να δημιουργηθούν τα απαιτούμενα αρχεία εισόδου τα οποία περιείχαν το αναπτυγμένο σχήμα ονοματοδοσίας NSW μέσα στις λίστες OKS. Για τις ανάγκες του κοινόχρηστου καναλιού εξόδου του VMM στο SCA, δημιουργήθηκε ένας νέος μη- χανισμός προκειμένου να επιτευχθεί η επικοινωνία μεταξύ των back-ends DAQ και DCS. Η λειτουργία SCA θα παρουσιαστεί μαζί με το σχεδιασμό της αρχιτεκτονικής του περιβάλλοντος FELIX/OPC, καθώς και τις διάφορες δοκιμές επιδόσεων που πραγματοποιήθηκαν για την επικύρωση του νέου οικοσυστήματος FELIX/SCA. Τέλος, θα γίνει μια σύντομη εισαγωγή για το frontend VMM ASIC μαζί με τις δοκιμές επικύρωσης και τις δοκιμαστικές δέσμες ακτινοβολίας νετρονίων. Λόγω της πολυπλοκότητας και της μακροχρόνιας λειτουργίας του, ο ATLAS απαιτεί την ανάπτυξη ενός εξελιγμένου συστήματος ελέγχου του ανιχνευτή (DCS). Η χρήση ενός τέτοιου συστήματος είναι απαραίτητη για να επιτρέπει στον ανιχνευτή να λειτουργεί με συνέπεια και ασφάλεια, καθώς και για να λειτουργεί ως απρόσκοπτη διεπαφή με όλους τους υπο-ανιχνευτές και την τεχνική υποδομή του πειράματος. Οι διάφοροι σταθμοί ελέγχου αναπτύσσονται μέσω της εφαρμογής WinCC Open Architecture, η οποία είναι ένα σύστημα εποπτικού ελέγχου και συλλογής δεδομένων (SCADA) και διεπαφής ανθρώπου-μηχανής (HMI) της Siemens. Στο κεφάλαιο 4 παρουσιάζεται μια σύντομη εισαγωγή στο ATLAS DCS, στην εφαρμογή SCADA WinCC-OA που χρησιμοποιείται για τη δημιουργία των διαφόρων σταθμών ελέγχου και στους OPC UA Servers που χρησιμοποιούνται για τη συνδεσιμότητα του υλικού. Για τις ανάγκες της ενσωμάτωσης των ανιχνευτών NSW, η απαίτηση ήταν ο σχεδιασμός και η υλοποίηση συστημάτων αργού ελέγχου για: (α) την πιστοποίηση υψηλής τάσης; (β) την πιστοποίηση διαρ- ροής αερίου των ανιχνευτών Micromegas; (γ) την ολοκλήρωση του Micromegas sector; (δ) τον περιβαλλοντικό σταθμό; (ε) την ηλεκτρονική παρακολούθηση τόσο των ηλεκτρονικών των Micromegas όσο και των ηλεκτρονικών των sTGC πριν από την εγκατάσταση στο NSW. Ένα μεγάλο μέρος του κεφαλαίου αποτελείται από την περιγραφή της αρχιτεκτονικής και των εννοιών σχεδιασμού του συστήματος ελέγχου παραγωγής NSW. Η αρχιτεκτονική και η σχεδιαστική υλοποίηση του DCS NSW πραγματοποιήθηκε προκειμένου να επιτευχθεί η παρακολούθηση και ο έλεγχος όλων των διαθέσιμων παραμέτρων του NSW. Η αρχιτεκτονική του NSW DCS και η ενσωμάτωσή του με το ATLAS DCS έχει ολοκληρωθεί και οι γραφικές διεπαφές χρήστη ακολουθούν την υπάρχουσα εμφάνιση και δομή εντολών του Muon DCS, ώστε να διευκολυνθούν οι λειτουργίες του χρήστη. Αν και το NSW απαιτεί την ανάπτυξη ενός προηγμένου DCS για την παρακολούθηση των ηλεκτρονικών με τη χρήση του SCA, το οποίο είναι εγκατεστημένο στις πλακέτες 8000 front-end του NSW. Το σύστημα αυτό μας δίνει τη δυνατότητα παρακολούθησης περισσότερων από 100 000 παραμέτρων, οι οποίες περιλαμβάνουν όλους τους αισθητήρες ισχύος/θερμοκρασίας, τη θερμοκρασία και τις πληροφορίες των τσιπ, οι οποίες είναι συνδεδεμένες με το SCA σε όλες τις πλακέτες front-end του NSW. Θα γίνει λεπτομερής παρουσίαση του έργου Electronics που αναπτύχθηκε για τις ανάγκες των ηλεκτρονικών του MMG &STG προκειμένου να επιτευχθεί η παρακολούθηση περισσότερων από 100 000 παραμέτρων. Τέλος, θα παρουσιαστεί το έργο Detector Safety System (DSS) για την ασφάλεια του NSW μαζί με άλλα έργα NSW και το έργο επισκόπησης του Supervisor Control Station (SCS). Κύρια πρόκληση αυτής της διατριβής ήταν η ανάπτυξη συστημάτων συλλογής δεδομένων, ελέγχου και παρακολούθησης για διάφορα υλικά, σύστημα τροφοδοσίας CAEN για εφαρμογές χαμηλής/υψηλής τάσης, ηλεκτρονικές πλακέτες/τσίπ, μικροελεγκτή Arduino, υπολογιστή μιας πλακέτας Raspberry-Pi, κιβώτιο(crate) VME/ATCA και για αισθητήρες πολλαπλών χρήσεων. Αυτές οι υλοποιήσεις μπορούν να έχουν διάφορες χρήσεις και μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε οποιοδήποτε πλαίσιο, όπως στην πειραματική φυσική υψηλών ενεργειών ή στη βιομηχανία υψηλής τεχνολογίας, λόγω της επεκτασιμότητας και της ευελιξίας τους, η οποία αποτελεί την ιδανική επιλογή για τη δημιουργία λύσεων, συμπεριλαμβανομένων κεντρικών σταθμών ελέγχου και γεωγραφικά ευρέως κατανεμημένων συστημάτων.Ο ανιχνευτής αερίων Micromegas αποτελεί τον ακρογωνιαίο λίθο της αναβάθμισης του πειράματος ATLAS, η οποία θα έχει ως στόχο την ανακατασκευή της τροχιάς των σωματιδίων που διέρχονται από αυτόν κατά τη διάρκεια της σύγκρουσης των δεσμών στο σημείο της αλληλεπίδρασης (Interaction Point - IP). Θα αναλυθεί η αρχή λειτουργίας και η παραγωγή σήματος στον ανιχνευτή από τη διέλευση ενός φορτισμένου σωματιδίου και θα γίνει εκτενής αναφορά στην έρευνα για τη βελτίωση της τεχνολογίας του ανιχνευτή Micromegas μέχρι τον τύπο του ανιχνευτή που θα χρησιμοποιηθεί για το NSW. Η πρώτη μεγάλη μονάδα παραγωγής SM2, εξοπλισμένη με πρωτότυπες ηλεκτρονικές πλακέτες MMFE8 δοκιμάστηκε για πρώτη φορά. Ως εκ τούτου, η απόδοση του πρω- τοτύπου έπρεπε να αξιολογηθεί κατά την ανάγνωση με το VMM3. Το αντικείμενο της δοκιμαστικής δέσμης ήταν: (α) Επαλήθευση της καλής απόδοσης του SM2; (β)επικύρωση της απόδοσης των ηλεκτρονικών; (γ) δοκιμή της τρίτης έκδοσης του VMM frontend ASIC σε συνθήκες δέσμης (γ) εύρεση μιας καλής διαμόρφωσης των παραμέτρων του VMM; (δ) προσδιορισμός του βέλτιστου σημείου εργασίας υψηλής τάσης (ε)δοκιμή διαφορετικών μειγμάτων αερίων και προσδιορισμός της επίδρασης στον ανιχνευτή. Τα καλά αποτελέσματα που επιτεύχθηκαν με το τριμερές μείγμα από την άποψη της σταθερότητας HV χωρίς σωματιδιακό υπόβαθρο, προκάλεσαν μια σειρά μελετών στο GIF++ όπου είναι δυνατόν να επιτευχθεί ρυθμός αλληλεπίδρασης γάμμα υψηλότερος από αυτόν που αναμένεται στον HL-LHC στον ATLAS. Αμέσως μετά τη δοκιμαστική δέσμη Η8, ο θάλαμος SM2 εκτέθηκε στη ροή φωτονίων γάμμα του GIF++ μέχρι ρυθμού αλληλεπίδρασης 50 kHz/cm2 , 2,5 φορές μεγαλύτερο από το αναμενόμενο υπόβαθρο του HL-LHC του ATLAS. Στόχος είναι η μέτρηση του ρεύματος που παράγεται στο στάδιο ενίσχυσης σε σχέση με την εφαρμοζόμενη υψηλή τάση και την προσπίπτουσα ροή. Ιδιαίτερη προσοχή δίδεται στα προβλήματα σταθερότητας του ρεύματος και στα φαινόμενα αιχμής που ενδέχεται να θέσουν σε κίνδυνο την απόδοση του ανιχνευτή κατά τη μακροχρόνια λειτουργία εντός του ανιχνευτή ATLAS. Πραγματοποιήθηκαν πλήρεις αναλύσεις με εφαρμογή διαφορετικής τιμής υψηλής τάσης προκειμένου να μελετηθεί η σταθερότητα σε υψηλό υπόβαθρο σε όλη την καμπύλη ενεργοποίησης και κοντά στο σημείο εκφόρτισης. Το μεγαλύτερο μέρος του κεφαλαίου 5 θα περιλαμβάνει αποτελέσματα και διαγράμματα που συγκεντρώθηκαν και αναλύθηκαν κατά τη διάρκεια των διαφόρων δοκιμαστικών ακτίνων H8&GIF++ προκειμένου να αξιολογηθεί η απόδοση του ανιχνευτή Micromegas.