INFN Roadmap
“SLHC: Costo per R&D nel
quinquennio
Convener: M. de Palma
Out line




Schedule dell’upgrade
Necessità di ATLAS e costi per INFN*
Necessità di CMS e costi per INFN*
Costo totale e conclusioni
* Limitatamente agli item in cui INFN è coinvolto
Roma, 11 Gennaio 06
M de Palma, WG SLHC
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Schedule
I tempi assunti dal WG:
 2007-2008 Programma generale di R&D.
 2009-2010 Definizione del progetto di upgrade (entro
un chiara definizione della macchina SLHC); prototipi
 2010-2012(?)
 2012- 2015(?)
preserie, inizio costruzione
Costruzione
 2015(?)- 2017(?) Assemblaggio, integrazione,commissioning….

Roma, 11 Gennaio 06
Running
M de Palma, WG SLHC
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Considerazioni
Per ATLAS, le valutazioni sviluppate dai singoli gruppi sono armonizzate da
un Documento preparato dall’Atlas High Luminosity Upgrade Steering
Group “Cost estimate for an ATLAS upgrade for a high luminosity LHC
(SLHC)” (draft del 22/11/2005):
Tale documento contiene ancora elevati livelli di incertezza ma è un utile
sistema di riferimento
Per CMS, manca ancora una armonizzazione a livello di collaborazione,
pertanto le stime dei costi, anche se limitate agli R&D, sono solo
elaborazioni dei singoli gruppi e quindi potrebbero essere non molto precise.
Per entrambi si assume lo share degli attuali MoU ma questi ovviamente
potranno cambiare o essere ricontrattati.
La fase di R&D per i tracciatori è attualmente stimata separatamene per i
due esperimenti. Si dovrebbe cercare degli item comuni e farli convergere
in una unica linea di sviluppo con probabili risparmi .
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ATLAS- Muon system
MDT: le detector performance, l’elettronica di Front-end e quella del
LV1 dovrebbero essere OK con un accettabile degrado.
Al momento, la quantificazione dei costi è dettata dal rischio:
 se livello basso  0 €;
 se livello alto (test di irraggiamento a GIF)  scelta
 se occorre rimpiazzare camere  ???
RPC: Le detector performance e l’elettronica di Front-end dovrebbero
essere OK ( necessari test alla GIF)
Shielding upgrade: è indispensabile (beam pipe in berillio e nuovi schermi
in avanti) ed ha un costo per INFN
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Atlas – Calorimeters
LAr: Il rivelatore (con qualche limitazione per ionizzazione, carica
spaziale,……) è assunto Ok
E’ probabile l’upgrade (non la sostituzione)del sistema di HV e
del DCS
E’ sicuro l’upgrade dell’Elettronica di read-out system
Specifico interesse dell’INFN per R&D, con partecipazione al
costo totale con lo share dell’ MoU
Tile: Si assume che il detector, i PMT non saranno cambiati, parti non
resistenti alla rad. (LVPS) saranno sostituite, mentre l’elettronica
di F.E. sarà ridisegnata e sostituita. Si parteciperà al costo degli
R&D e dell’upgrade.
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ATLAS Tracker
Si ricorda che il tracciatore interno va completamente sostituito e l’idea è di avere
un sistema tutto basato su silici.
La stima dei costi è basata su un layout preliminare.
Si assume una parte interna coperta da rivelatori a Pixel e una parte esterna coperta
da microstrip,probabilmente suddivisa in 2 regioni di differente granularità.
(I parametri precisi dovranno essere ottimizzati )
Si conserva lo share dell’ MoU: nell’ID è del 6.3 % e nel Pixel del 31.8 %.
L’ INFN intende confermare l’ impegno nella parte a pixel





Per il rivelatore a Pixel si assume un area doppia di quella attuale (4 strati)
Si assume anche che parte dei servizi (50%) siano riutilizzabili, mentre
l’elettronica off-detector di R/O sia da ridisegnare
Alimentatori dovranno essere aggiunti per coprire in nuovi moduli (50%).
Si è considerata una contingenza del 30%
Si sono considerati pure costi di NRE (per l’elettronica) e di R&D specie su sensori
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Atlas - Costi
K€
years 2007,2008 years 2009,2010 year > 2010
R&D program
Prototypes, modules 0 Constrution
Detector
Needs
cost for INFN
cost for INFN
total Cost
%CORE INFN
PIXEL
nuovo
500
700
21000
6720
SCT
nuovo
72000
ID
installazione
7000
1050
Shield
upgrade
4000
700
RPC
elet. upgrade (12,5 nsec)
500
500
elet. upgrade (15 nsec)
1100
170
elet. upgrade (10 nsec)
300
2500
380
MDT+RPC Test invecchiamento
500
500
200
MDT
elettr. upgrade
100
150
1250
250
HLT + DAQ upgrade
7000
1100
LAr ROD
nuovo
4000
LAr Elett.
nuovo (12,5 nsec)
110
130
11000
500
LAr HV
nuovo
30
70
1000
Tile
30
70
7000
600
TOTAL
1270
1920
135750
11620
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CMS (I)
MUON System - DT
Le camere dovrebbero funzionare e non si dovrebbe intervenire Ok.
 Nell’ ipotesi di BC a 40 MHz, va rifatta l’elettronica di trigger mentre si
può conservare quella di read out (se non ci saranno problemi di danni da
rad.)
 Con Cambio del BC, il TDC va bene ma bisognerebbe cambiare anche il
resto del read-out.
C’è l’ipotesi di modifica delle HV per l’indentificazione del BX con le sole
DT, porta ad un incremento sensibile dei costi, ma va discusso in CMS
Muon system RPC
Nella parte barrel dovrebbe funzionare tutto (rivelatore, elettronica F.E.,
elettronica di trigger) Ok sebbene al limite per il rivelatore e il trigger
La situazione è molto diversa per End-Cap dove però con c’è una
implicazione INFN
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CMS (II)
.
ECAL: Considering work for disassembly and refurbishing (at least 2
years) and the costs involved, ECAL could be used even with a
degradeted performances (to be studied !) due to decrease of LY, increase
of noise and pileup.For the Endcap, the situation is more difficult.
Read out chain should be OK for BC 2 X 40 MHz
TRACKER: The silicon sensor (both strip and pixel) and electronic would
suffer substantial radiation damage strongly degrading the performance.
Most of material (frames, glues, insulators… etc.. are not tested to the
dose above.
 The inner detector system must be completely rebuilt
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CMS – Tracker
•
TIB/TID Consortium has mainly interest to rebuild the internal part of the Tracker
• Sensor development
• Electronics (including Trigger at Level-1) – see A. Ranieri talk
•
Four main sub-systems for Tracking
– 8, 11 and 14 cm, p+-on-p (current pixel technology)
• Pixel area ~ 100 m x 150 m
– 18, 22 cm, Czochralski, n+-on-p
• Pixel area ~ 160 m x 650 m
– 30, 40 and 50 cm
• Macro pixel or micro strips (area 200 m x 5 mm/ 50-80 m x 3 cm)
– Larger radii
• Silicon strip technology
•
Intermediate prototypes in about 5 years
– Layer 0 (close to the beam)
– Layer 4 (between current pixel and SST)
– Engineer prototype for outer layers
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CMS – Tracker, INFN R&D interests
• Phase I (R&D) 2007-2008
– Sensors (Learning and re-qualification)
•
•
•
•
•
Some Laboratories will use the current hybrid-pixels of CMS
Some Laboratories will start the test of the new pixel technologies (3D, EPI)
Some Labs will investigate strips
For all Labs, need some re-qualification of the test equipment
Test beams
– Electronics (new chips 0.13 mm or less technology)
• Costs of R&D
• Trigger chip
– Mechanics (+ services and cooling)
– Simulations
• Phase II (pre-series) 2008-2010
– Prototypes and pre-series of modules for all layers
Barrel only with an expect 50% from INFN
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CMS - Costi
K€
Detector
Tracker
Tracker
DT
DT
Ecal
Needs
nuovo (pixel)
elett. f.e. nuovo
upgrade Trigger e cont
upgrade Readout (12,5 nsec)
degrad. Study
TOTAL
Roma, 11 Gennaio 06
years 2007,2008
R&D program
cost for INFN
years 2009,2010
year > 2010
Prototypes, modules 0 Constrution
cost for INFN
total Cost %CORE INFN
700
1300
150
350
250
490
20
40
50
1170
M de Palma, WG SLHC
2180
0
0
13
Conclusioni
K€
EXP
ATLAS
CMS
TOTAL
years 2007,2008
years 2009,2010
R&D program
Prototypes, modules
cost for INFN
cost for INFN
1270
1920
1170
2180
2440
4100

I tempi potrebbero dilatarsi (shift di 1,2,.. Y ?)

Gli R&D per i tracciatori dovrebbero effettivamente iniziare nel 2007

La stima dei costi è ancora abbastanza incerta

La frequenza di BC scelta per SLHC può sensibilmente cambiare i costi

Lo share per l’ INFN potrebbe cambiare, modificando ancora i costi
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14
• altre
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ATLAS - Muon system from P.Bagnaia, L. Nisati
MDT
Muon system designed with a 5 safety
margin on bck rate
The detector performance should be Ok
with a acceptable degradation of the
spatial resolution.
The Front-end electronic should be Ok
with some problems with high rate but on
DAQ side.
Single tube resolution
(bck x 5, x 2 worsening
for charge fluctuation)
SLHC
Also the LV1 electronic should be Ok
•If BC < 25 ns
•If the trigger decision can be taken on 2
and BCID done al LVL2
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LHC 16
ATLAS - Muon system from A. Di Ciaccio
At SLHC additional shielding and
beryllium beam pipe should be inserted
RPC
to further decrease (x 2 reduction) the
background rate The expected rate in
All along the test (8 ATLAS year, safety
the Barrel muon system could be
factor 5 = 100 Hz/cm2), chamber performance estimated ~50-100 Hz/cm2
(efficiency, cluster size, rate capability) have
remained largely above the actual ATLAS
requirements and cover the SLHC request.
SLHC
(provided that Temperature, RH of the
environment and gas mixture are kept at a
Few Hz
proper value)
500 Hz
The detector performance should be OK
Since all tests have been done with final
Front-end electronic that should be also OK
(without safety factor on bkg level)
RPC efficiency after 7 ATLAS year
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Atlas – LAr Calorimeter from M. Citterio
The liquid argon calorimeter was optimized for the nominal LHC
luminosity, a x 10 increase of this luminosity would rise concerns on:
Space charge effects → signal reduction
Argon contamination → signal reduction
Charge density increase → pile-up
Activation → noise increase
phase instability → operation problems
Voltage drop in the HT distribution → rate dependent response
General radiation damage of electronics → single element (now built
in 13 different ICs) could not be changed (next slide)
8) The high occupancy of SLHC require a new read-out chain design
9) A BC rate > 40 MHz require new pipeline
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
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CMS – EM Calorimeter from N. Pastrone
Crystal
The dose in the Barrel ( = 2.4) goes from 0.15 Gy/h @ 1034 to 1.5 Gy/h, in the
EndCap it reaches 30 Gy/h at  = 2,6 and 75 Gy/h at  = 3.
Those produce at SLHC a
significant change in LY:
<LY> drops by ~25% in
barrel, 30% Endcap.
In EndCap we are close to
the “saturation” condition.
Still more study are
needed ( irradiation test,
calibration study…)
Roma, 11 Gennaio 06
LY for different densities of colour centres
( Radiation damage increase colour centres)
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CMS – EM Calorimeter (II)
Photosensors
In Barrel, sensible increase of leakage current (20 A/Y at SLHC) of APD
is expected. It translates in large increase in electronic noise ( ~190 MeV
per channel with respect to ~ 40 MeV al LHC) (study performance with
higher n fluxes)
In Endcap, VTP glass window has to be tested at the expected dose.
In conclusion:
Considering work for disassembly and refurbishing (at least 2 years) and
the costs involved, ECAL barrel could be used even with a degradeted
performances (to be studied !) due to decrease of LY, increase of noise and
pileup.
For the Endcap, the situation is more difficult.
Read out chain should be OK for BC 2 X 40 MHz
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Atlas - hadron calorimeter from T. Del Prete
Detector should be OK
A decrease of the light budget produces a degradation of the energy
measurement (3-5%) which effects Jet Energy Reconstruction.
/E ≈ 10% @1034  ≈ 30% @ 1035 for Ejet = 100 GeV
All Electronic components have been tested above the rad doses for 10Y
@ 1034 . They should survive 5Y @ L = 1035 but no NO safety margin.
Some part: (Mother Boards, Digitisers, Interface…..) are more rad-fragile
If SLHC needs to increase BC rate, all the F/E logic has probably to be
redesigned.
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M de Palma, WG SLHC
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