Pixels CMOS : une PLUME pour l’envol de BELLE II

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Pixels CMOS : une PLUME pour l’envol de BELLE II

(cliquez sur chacune des images pour visualisation en haute-définition)

BEAST et BELLE II

L’expérience BELLE II a pour but principal de mettre en évidence des manifestations quantiques de processus non décrits par le modèle standard de la physique des particules. Le détecteur BELLE II est installé au point d’interaction de l’accélérateur SuperKEKB, au laboratoire KEK (à Tsukuba, au Japon) qui délivrera des collisions e+e de nano-faisceaux à une luminosité de 8 x 1035 cm-2 s-1, la plus élevée jamais atteinte. En plus des particules produites par les collisions, cette très haute luminosité produira de nombreuses particules générant un fort bruit de fond, qu’il est nécessaire de caractériser précisément pour la réussite de l’expérience. Cette étude est l’objectif du projet BEAST (Beam Exorcism for A STable experiment) auquel l’IPHC (Strasbourg) participe depuis 2014. Un des détecteurs constituant le dispositif BEAST est un détecteur PLUME (Pixelated Ladder with Ultra-Low Material Embedding), équipé de CPS (CMOS Pixel Sensors) Mimosa 26 conçus par le groupe de micro-électronique de l’IPHC (mIcPHC). Ce détecteur a été installé avec succès selon le calendrier imposé par le démarrage du mode collisionneur de SuperKEKB et est opérationnel depuis le 19 Mars 2018. Il a généré des données de très grande qualité, sans interruption de service jusqu’à la fin de la prise de données de BEAST le 17 Juillet 2018.

Belle II @ KEK, BEAST@ KEK, Belle II @ IN2P3, Belle II @ IPHC

Une R&D amont en microélectronique au service des futurs détecteurs

Le groupe mIcPHC (mIcroélectonique pour la PHysique subatomique et ses développements Connexes) dirigé par Christine Hu, conduit depuis près de 20 ans une R&D sur les CPS pour les détecteurs des expériences de physique des particules et notamment pour les futurs collisionneurs électron / positrons. Ce programme de R&D amont a permis le premier déploiement des CPS sur le détecteur de vertex de l’expérience STAR auprès de l’accélérateur RHIC à Brookhaven (USA) en 2013. Cette R&D a aussi conduit au choix de la technologie CPS pour l’ITS (Internal Tacker System) de l’expérience ALICE au CERN, équipée du circuit ALPIDE, à la conception duquel le groupe mIcPHC a contribué.

Le groupe est fort d’une vingtaine d’ingénieurs, doctorants, post-doctorants (dont 16 ITA permanents), il couvre toutes les étapes de la vie d’un CPS, de sa conception et sa caractérisation jusqu’à son installation sur site d’expérience. Nous avons ainsi livré des solutions clef en main de CPS, DAQ et intégration système pour les projets EUDET (FP6), AIDA (FP7) et BEAST, et apporté notre expertise à la construction de grands détecteurs tels que celui de l’expérience STAR.

Micro-électronique (mIcPHC), Les CPS (CMOS Pixel Sensors)

Deux détecteurs PLUME dans BEAST

Deux échelles PLUME conçues par l’IPHC sont opérationnelles depuis février 2018 au sein du projet BEAST phase 2 de mise en service de l’accélérateur SuperKEKB et de l’expérience BELLE II. Ces échelles PLUME sont installées à deux positions angulaires azimutales (135° et 225°) autour du tube de faisceau. Une échelle est pratiquement parallèle (-2°) au tube de faisceau (axe Z), la seconde présente un angle de 18°, de façon à mesurer le bruit de fond aux rayons correspondants aux différentes couches du détecteur de vertex.

PLUME se distingue des autres détecteurs FANGS (FE-I4 ATLAS Near Gamma Sensors) et CLAWS (fast scintillators SiPM) qui constituent BEAST, par son faible budget de matière apporté (0,42 % X0), sa très haute granularité (18.4×18.4 µm2) et sa structure double-face. Cette dernière caractéristique apporte plusieurs informations uniques, notamment elle rend possible l’association des impacts aux particules. En effet, les motifs d’impacts générés par les particules (cf. illustrations ci-dessous) sont caractéristiques de leur origine, selon qu’elles sont issues du point d’interaction et traversent une seule fois les deux faces de PLUME, ou qu’elles sont produites dans le matériau environnant et spiralent le long du champ magnétique.

Particule traversant une échelle PLUME  Particule spiralant dans PLUME

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L’échelle PLUME et le capteur à pixels Mimosa-26

L’échelle double face PLUME est basée sur le capteur à pixels CMOS MIMOSA 26 (Minimum Ionising particle MOS Active pixel sensor). Elle comporte six capteurs sur chaque face de 1 cm x 12 cm, soit 8 x 106 pixels au total, de dimension 18.4×18.4 µm2, lus à une cadence de 8680 images/s. La résolution spatiale atteinte est de ~3,3 µm.

C’est une échelle ultra légère de 7 g, qui présente un faible budget de matière 0,42 % X0, et dont les capteurs Mimosa-26 amincis à 50 µm d’épaisseur sont collés sur deux câbles souples en kapton assemblés de chaque côté d’une mousse en carbure de silicium de 2 mm d’épaisseur.

L’échelle PLUME et ses capteurs Mimosa-26

Le projet PLUME est une collaboration formée en 2010 entre l’IPHC, l’université de Bristol et le laboratoire DESY.

Le projet PLUME : PLUME @ IPHC

Le câble souple (flex) en kapton qui constitue le support des capteurs Mimosa 26 du module PLUME a été conçu par le service Microélectronique (mIcPHC). Le positionnement, le collage et le micro-câblage des Mimosa-26 sur les modules ont été effectués par le service Micro-Technique de l’IPHC. L’assemblage des deux modules pour former une échelle PLUME a été réalisé par l’université de Bristol.

Les caractérisations au laboratoire des échelles PLUME ont été effectuées par l’IPHC et les tests en faisceaux se sont déroulés en collaboration avec le laboratoire DESY (I-M. Gregor) sur l’un des nombreux télescopes de faisceau EUDET (FP6).

Rappelons que Mimosa 26 a été conçu en 2009 pour le télescope de faisceau du projet Européen EUDET (FP6) qui a été un grand succès auprès des utilisateurs, il a ainsi été dupliqué et déployé en sept exemplaires par la collaboration.

Le Télescope de faisceau EUDET (FP6)

Mimosa-26 comporte 663552 pixels de pas 18,4 µm sur une surface de 2 cm², en technologie AMS C35B4/Opto. Il a été conçu pour détecter les particules chargées jusqu’à une densité de 106 hits/cm²/s. Il acquiert 8680 images/s (temps d’intégration de 115,2 µs), sa résolution spatiale est < 4 µm et son efficacité de détection est ~ 99,5 %. Il intègre une logique de sparcification qui extrait seulement les pixels produisant un signal, générant ainsi un flux de données maximal de seulement 20 MB/s sur deux liens LVDS série synchrones à 80 Mb/s.

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Le télescope de faisceau EUDET et Mimosa 26

Les supports mécaniques et le système de refroidissement des échelles PLUME

La fixation des échelles PLUME sur le détecteur BEAST a nécessité la réalisation de supports mécaniques composés de deux parties en aluminium et en PEEK (PolyEtherEtherKetone) pour répondre aux contraintes de budget de matière, de stabilité mécanique et de réglementation incendie (sans halogène, résistance aux radiations et au feu UL94 V0). Il a aussi été nécessaire de concevoir et développer un système de refroidissement de l’échelle PLUME par un flux d’azote de 4 l/min sur les capteurs et effectuer une validation thermique.

L’étude, la conception et la fabrication du support ainsi que les simulations thermiques du système de refroidissement ont été prises en charge par le service de Mécanique de l’IPHC. La coordination et l’interface avec la collaboration BEAST pour ces développements ainsi que les tests de validation et l’intégration dans le détecteur ont été effectués par un ingénieur du groupe Microélectronique. Un modèle 3D du détecteur a permis de bien identifier les contraintes de conception, il a été ensuite validé par la réalisation de prototypes par imprimante 3D avant la fabrication des pièces finales.

Modèle 3D des échelles avec leurs supports
Détecteur BEAST en cours d’assemblage sur le tube à vide
Image thermique de l’échelle


L’électronique et le système d’acquisition de PLUME

 Le détecteur PLUME est entièrement configurable par slow control JTAG, il génère un flux de données maximal de 480 MB/s sur 48 sorties série synchrones @ 80 Mb/s. L’acquisition est réalisée par une solution NI (National Instruments) basée sur deux cartes Flex RIO PXIe 7962R dans un châssis PXIe 1082 avec CPU PXIe 8135, que nous avons déjà déployée dans les télescopes de faisceau EUDET (FP6) et AIDA (FP7). Son temps mort est inférieur à 10 % lorsqu’il soutient le flux de données maximal.

Plus de treize cartes ont été conçues pour répondre aux besoins du détecteur : slow control, monitoring consommation et température, protection contre le latchup. Une explication détaillée est disponible dans la présentation effectuée aux Journées VLSI 2018.

Ces cartes ont été conçues par les ingénieurs de mIcPHC, routées et assemblées par le service Micro-Technique.

Note : une solution matérielle VME par lignes à retard programmables a été préférée pour le réalignement (deskewing) des signaux de données à une implémentation firmware par le FPGA (Virtex 5) de la carte Flex RIO. Les raisons de ce choix sont la dynamique élevée requise de 12 ns, et cela pour un grand nombre de signaux, ainsi que des contraintes de testabilité inhérentes au projet.

Le logiciel de PLUME vers CSS – EPICS

Le physicien responsable du détecteur sur site contrôle PLUME via un seul logiciel nommé superviseur qui pilote dix logiciels « satellites ». Huit logiciels sont en charge du slow control des différents sous ensembles matériels et deux du système d’acquisition de PLUME.

Bloc diagramme de l’organisation logicielle (développés en C, C++ et LabVIEW

 

Les données acquises par PLUME sont analysées en ligne, ce premier niveau de traitement extrait le taux de comptage sur différentes zones des échelles ainsi que sa corrélation au cycle d’injection de l’accélérateur. Ces résultats de PLUME sont intégrés et affichés en temps réel toutes les secondes dans l’environnement CSS (Control System Studio) de monitoring du détecteur BEAST. Lorsque nécessaire les données sont stockées sur disque pour une analyse hors ligne.

Cartographie des impacts des particules par zone de 2 cm² sur chaque échelle PLUME et cumul pour chaque détecteur FANGS (bleu), CLAWS (rouge) et PLUME(vert), affichés en temps réel à la fréquence de 1 Hz.

L’installation sur site

L’installation du détecteur PLUME et de ses sous-systèmes (DAQ, refroidissement) s’est déroulée en cinq phases. En décembre 2016 un test d’intégration de l’ensemble des détecteurs de BEAST a été effectué à DESY (Hambourg). Début février 2017, les opérations à KEK (Tsukuba, Japon) ont commencé par la mise en place du câblage de la zone du détecteur au sommet de BELLE II. Puis, l’installation des échelles PLUME sur le détecteur BEAST en salle grise a eu lieu courant septembre 2018, suivie d’un test d’intégration. La finalisation du câblage et les premiers tests de mise en service du système (sans faisceau) ont été effectués fin novembre 2017. Enfin, l’expérience avec faisceau a été démarrée à la mi-mars 2018. Ceci représente 185 jours d’ITA sur sites d’expérience (KEK et DESY) répartis sur 10 missions, effectuées par les ingénieurs de l’équipe test du groupe mIcPHC.

 

1- Installation des échelles PLUME sur le détecteur BEAST 2 – Installation du détecteur
3 – Câblage détecteur/cartes de service
4 – Câblage cartes de service / sommet de BELLE II 

Conclusion

Ce projet démarré en 2014 sous la direction scientifique d’Isabelle Ripp-Baudot démontre l’adéquation des performances des CPS (CMOS Pixel Sensors) aux exigences des détecteurs des expériences de physique des particules et leur facilité d’intégration. Leurs performances essentielles sont la résolution spatiale de quelques microns et la cadence de mesure jusqu’à 100 000 à 200 000 images/s actuellement. L’intégration est aisée grâce au faible budget de matière représenté par les échelles de CPS ainsi que leur puissance dissipée réduite qui simplifie la conception des systèmes de refroidissement.

Le groupe de Micro-Electronique mIcPHC confirme ainsi sa maîtrise d’œuvre dans la conception et la caractérisation des CPS ainsi que la coordination de leur déploiement dans une collaboration internationale.

L’université de Bristol (J.Goldstein), le laboratoire DESY (I-M.Gregor) ainsi que les services Microtechnique (M.Imhoff) et Mécanique (M.Krauth) de l’IPHC ont fortement contribué à la réussite de ce projet par leur expertise dans leurs domaines respectifs. Ce projet a été possible grâce au soutien financier du CNRS-IN2P3 et de l’IdEx de l’université de Strasbourg.

Les physiciens Isabelle Ripp-Baudot, Jérôme Baudot, Daniel Cuesta, Luka Santelj du groupe BELLE II en charge de l’analyse des données ont aussi contribué au déploiement technique de ce projet, notamment dans la conception des logiciels d’analyse en ligne sous CSS/EPICS.

Les ingénieurs suivants, qui forment l’équipe Test & Caractérisation du groupe de Micro-Electronique MIcPHC ont à la fois organisé, conçu, réalisé, validé puis déployé à KEK au Japon les composants matériels, firmware et logiciels nécessaires à ce projet:

  • Gilles CLAUS (Coordination conception électronique et logiciels)
  • Mathieu GOFFE (Coordination installation à KEK, intégration, caractérisation)
  • Kimmo JAASKELAINEN (Développement électronique, firmware)
  • Matthieu SPECHT (Développements électronique et logiciel)
  • Michal SZELEZNIAK (Etude préliminaire du projet, développement électronique)
M. Specht   K.Jaaskelainen  M. Szelezniak
    G. Claus   M. Goffe

Contacts : Gilles CLAUS (IPHC), Mathieu GOFFE (IPHC)

Pour tout demande de renseignement complémentaire n’hésitez pas à nous contacter en cliquant sur l’image ci-dessous et compléter le formulaire.

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