Upgrade for high Luminosity
- a list of things to do / to understand
Contributi da Davide, Roberta, Alessia
Martellotti Roma 9 /10 /2014
• Can we reduce the DIALOG dead time (digit. formation time) ?
• Confirm/understand % of correlated e uncorrelated hits
• Better understand the long CARIOCA dead time
• Are GEM well suited for performance required in M2M3R1 ?

# Tests-Measurements to do as soon as we have beam
# Something on Analysis
# Remind of the performance  upgrade necessary / desirable
DIALOG dead time
inefficiency (effective dead time in ns)
INEFFICIENCY (effective dead time)
Inefficiency induced by DIALOG
OF MUON HITS at small dead time values strongly changes with the formation time.
 A reduction of few ns in the formation time
would give a strong inefficiency reduction.
DIALOG formation time (ns)
The inefficiency is also very sensitive to the muon
time distribution (here assumed a gaussian with
peack value at 11 ns)

Timing optimization could be different depending
on the Luminosity.
At low luminosity we could be more efficient for
high P muons and at high luminosity more
efficient for low P muons arriving later…
DIALOG dead time – can be reduced ?
(Ho intervistato Sandro Cadeddu)
• Il tempo di formazione del segnale digitale si può regolare a passi di circa 3ns
da un minimo di circa 6 ns fino a un massimo di circa 27 ns.
• Usando il tempo massimo (come nella gran parte dei dati raccolti), con l’OR di
più canali fisici nel canale logico, non si può mai avere più di un hit nello
stesso BC
• Ad alta rate, visto che la distribuzione temporale degli hit è larga (~~25 ns),
con un tempo corto di formazione l’OR può ripartire nello stesso BC.
L’aumento di hit nel BC corrente non cambia nulla per il tracking e la MisID.
Per quanto riguarda il timing, il SYNC può dare una misura di tempo sbagliata
(prende l’ultimo che arriva).
Questo non mi sembra un vero problema :
- Non credo che sia necessario ma eventualmente si potrebbero fare run di
timing a bassa rate o con tempo di formazione lungo
DIALOG dead time – can be reduced ?
 Test on beam short formation time
• Other drawback ?
- Instability - Noise …..
• Measurements (a la Giacomo) with short and long formation time
Look at the time distribution in the BC or with TAE events
• Measure efficiency
Correlated/uncorrelated hits - measure OR-AND on beam
• Old measurements (see Giacomo muon meeting 18, 25 Feb 2013)
- readout with FE of M2-M5 in OR - And
• Repete measurements at current energy (richiesta solo stabilità delle
condizioni, non necessaria alta luminosità – fare le misure all’inizio)
- with maximal DIALOG formation time (to avoid AND inefficiency)
- AND-OR also for M1 (per indicazioni sulla natura degli hit in M1)
- AND-OR in M2 - M5 with only one gap per FE
(switch off HV on the first and the second gap of the bigap)
• A measurement of correlated/uncorrelated hits can be done (a la Davide)
from the rate on physical channel counters with one or two gaps on.
- with one gap on per bi-gap we can COMPARE the two measurements
OSSERVAZIONE
In M1 abbiamo una sola gap per FE e abbiamo aumentato la tensione di circa 100 V
(rispetto ad M2) per avere un Guadagno doppio e quindi una migliore efficienza….
Questo è una buona cosa per le tracce penetranti che vogliamo rivelare ma per
quanto riguarda il dead time ha un effetto deleterio. Infatti il fondo di bassa
energia è di «single gap tracks» e quindi è uguale nella bi-gap e nella single-gap
dove però abbiamo alzato il guadagno di un fattore 2 peggiorando l’effetto di
saturazione dell’amplificatore in M1R2 rispetto a M2R2
Questo può mettere in crisi la possibilità di alimentare una sola gap per FE nelle
regioni ad altissima occupancy
 Importante fare i test menzionati con una sola gap alimentata
Tempo morto del CARIOCA
Misure di rate sui canali fisici vs Luminosità
Fare misure con più alta statistica in modo da poter misurare
bene il dead time nelle diverse regioni (anche R3, R4).
BLU
R1
ROSSO R2
VERDE R3 R4
Ogni punto è un rapporto di rate
misurate a due luminosità in un PAD.
Lo spread verticale delle misure è
dovuto all’ errore statistico
Le misure in R3 R4 non permettono di
determinare la slope che misura il
tempo morto del CARIOCA
Tempo morto del CARIOCA
Misure di rate sui canali fisici vs Luminosità
• Interessante separare la dipendenza dalla capacità del detector e la
dipendenza dalla carica rilasciata dalle particelle nelle diverse regioni
 Fare misure a 2 Luminosità con 2 HV diverse  2 tempi morti diversi
corrispondenti ai due Guadagni diversi nella stessa regione
(la spiegazione che ci diamo è che per grande carica rilasciata si ha
saturazione dell’amplificatore e allungamento del tempo morto)
Le misure si possono fare appena sono raggiunte condizioni stabili di alta
luminosità.
- Le vecchie misure erano fatte integrando i conteggi in 1 secondo.
- Non risulta che ci siano difficoltà ad aumentare molto il tempo (l’unica
condizione è la stabilità della luminosità nel tempo di misura - il tempo
totale necessario per fare tutta la misura dipende molto poco dal tempo di
integrazione)
Analisi
• In M2 abbiamo misurato un tempo morto del Carioca molto più lungo di
quanto ci si aspettava per una Mip. La interpretazione attuale è che questo
sia dovuto alla grossa carica rilasciata dal low energy background con
conseguente saturazione dell’amplificatore…
• Per testare questa interpretazione possiamo confrontare il tempo morto in
M2R2 con quello in M1R2. Se l’interpretazione è giusta mi aspetto di misurare
un dead time medio più basso in M1R2 dove mi aspetto una percentuale
molto più alta di Mip
• Risultato ???
• Nelle camere di M1 dietro la parete misuriamo una rate molto più alta (vedi
Giacomo). Nelle camere dietro le riinterazioni nel materiale della stazione e il
back splash dal calorimetro potrebbe dare effetti simili al fondo di bassa
energia in M2…  Confrontare dead time CARIOCA misurato separatamente
per camere davanti e camere dietro la parete.
Davide:
Non sembra che M1 abbia un
tempo morto minore di M2
Interpretation ???
Riguardo al confronto davanti
dietro:
significativa e piccolissima
differenza
Nelle camere dietro dove si
misura una rate più alta, si
misura anche un dead time
maggiore
GEM
• A parte il vantaggio della resistenza alla radiazione, sono le GEM
adatte/ottimali per lavorare in M2R1 M3R1 ?
- non mi riferisco (solo) alla risoluzione temporale/efficienza ma alla
- rate di hit di fondo (generazione di single gap tracks nei piani sottili di
materiale di alta densità vicino al gas)
Finora gli studi fatti hanno riguardato soprattutto le MWPC.
• La misura AND-OR in M1 ci potrebbe dare delle indicazioni riguardo a
questo punto
• Si possono avere informazioni dal Monte Carlo ?
- anche se il MC quantitativamente non dà la percentuale di hit scorrelati
che misuriamo nelle MWPC, potremmo comunque vedere se le GEM sono
relativamente meglio o peggio delle MWPC ?
• Sono possibili altre misure ?
Remind of performance
Inefficiencies reported in the TDR
inefficiency from CARIOCA
inefficiency mainly from DIALOG
Following my simulation
DIALOG inefficiency is
underestimated
UPGRADE
• General comment
Before deciding the final strategy it would be important to verify the possibility of
reducing the DIALOG dead time.
If we can significantly reduce it ..…
• For what inefficiency is concerned:
# It could be sufficient to make PAD detectors M2R1 M2R2 M3R1 (M3R2)
+ PAD readout in M2R3 and M5R4
going down to inefficiencies order of 1% in M2R1, M4R1, M5R1 and M5R4
(and lower in all the other regions)
- Note that inefficiency in M3R2 with the present layout is at the same level of
M4R1, M5R1 that are already pad detectors
# The inefficiency goes down to order of 1% in M2R1 with pad = logical pad
- If this solution brings to too many channels/cables  OR of two X-adjacent pads
in the FE would reduce by a factor 2 the cables with no change of inefficiency
and almost no change in MisID
• For what MisID is concerned :
With several % of pad occupancy we will have a very high occupancy in the FOIs
 very high accidental probability
# Assuming the rates reported in the TDR table and with present detector
PAD occupancy goes up to ~50% in M5R4, ~ 9% - 4% in M2R1-M2R2
eliminating ghosts with a PAD detector occupancy goes down by > (~) a factor 2
 necessary but not sufficient for a good performance locally (unless we have a good
surprise from shielding - but simulated M2 shielding effect was already considered)
 - PAD detector in M2R1 M2R2 M3R1 (M3R2) necessary
- PAD readout in M5R4 necessary
PAD occupancy goes up to ~2.5% - 2% in M2R3-M2R4
 - PAD readout in M2R3, M2R4 usefull (more for MUID than for efficiency)
Once eliminated the ghosts we cannot do much more for MUID but in the inner region
we could still improve with a pad size X=2X, Y=1/2Y (it would permit to reduce YFOI)
# ... too many channels …
Spares
dead time inefficiencies
Given a dead time of the electronics, the induced
inefficiency significantly depend on the time distributions
of the background and muon signals on the FE.
# For the response of the bi-gap to background hits, I used
the time distribution measured for MinBias TAE events
(smoothed)
# For the muons I assumed a gaussian: Peak 11ns, σ = 5ns
Both are approximations that should be better tuned.
M2R1 pad time
For backgr hits
For muon hits
BCR = 40 MHz
inefficiency (effective dead time δeff)
Inefficiency expressed in δeff
• background hits (FE counters)
-
Muon hits
inefficiency = δeffR*
following dead time formula
R*/Rh = (1- δeffR*)
(δeff in ns, R*=rate measured/0.7 in GHz)
 Inefficiency induced by CARIOCA
dead time at 40 MHz will be higher
w.r.t. the case of 20 MHz
(+ 15% for wires + 14% for cathodes)
 Inefficiency is higher for muon hits
than for background hits
In the case of DIALOG the inefficiency
depends critically on the assumptions
made
Measured <δcar> ns
Simulation input:
Foreseen rates
reported in TDR
Note :
- The effect simulated of the new shielding
to be added at M2-inner has been put in
-
The effect of the last shielding already
added at M5R4, has to be evaluated and
put in
Rates of particles (no ghosts) at L=2x1033
Rates in kHz/cm2
EXAMPLE: M2R1 present detector
(TS=95cm2) X,Y= 6+8 phys.channels per Trig. Sect.
48x8 crossings per chamber (0.63x3.1 ~ 2cm2)
Inefficiency =
5
11 23 % at
162 327 590 kHz/cm2
Reconstructed
hits (with ghosts)
The 3 red vertical lines
correspond to the rates
foreseen at L=2x1033
in the chamber of the region
having minimal, average,
maximal population
Logical pad occupancy
Real particles
Important contribution of ghosts
Important inefficiency of a single
pad hit by a muon
5
11
23 % at
162 327 590 kHz/cm2
Rate/cm2 (kHz)
8
In M2R1, M3R1 inefficiency comes only from CARIOCA dead time. In the regions where
we have pads Ored in the readout, DIALOG inefficiency is important. In most regions the
inefficiency will come essentially from the ‘’DIALOG dead time’’ (18 ns assumed)
Inefficiencies reported in TDR
Inefficiencies from my simulation (different
definitions but significant differences)
Effect of DIALOG seems to be important not only in M5R4
 Can we further reduce DIALOG formation time ?
 Possibly increase nODE number in other regions
Min
Aver
5.0
2.0
0.7
0.0
0.7
11.0
7.5
3.9
1.7
3.2
Max
23.0 %
13.0
9.3
7.4
6.9
9
M2R1 PRESENT DETECTOR (TS = 95 cm2 )
X,Y= 6+8 phys.channels per Trig. Sect.
48x8 crossings/chamber (0.63x3.1 ~ 2cm2)
M2R1 PAD DETECTOR
X=2X, Y=1/2Y of logical pad
384 pads per chamber (1.26x1.6 ~ 2 cm2)
Inefficiency: very large improvement
0.4
0.7 1.5 % at
162 327 590 kHz/cm2
Inefficiency :
5
11 23 % at
162 327 590 kHz/cm2
Switching
off one gap
Rate/cm2 (kHz)
Pad occupancy
Logical pad occupancy
MisID: many ghosts
MisID: No ghosts
 improvement using the usual FOI
With this Ypad size , one could
use a smaller FOI (in Y) with
further improvement.
Rate/cm2 (kHz)
11
M2R1 PAD DETECTOR
X=2X, Y=Y of logical pad
192 pads per chamber (1.26x3.2 ~ 4 cm2)
Inefficiency:
0.4
0.7 1.5 % at
162 327 590 kHz/cm2
MisID:
With this Ypad size , one could
use a smaller FOI (in Y) with
further improvement.
Rate/cm2 (kHz)
Pad occupancy
Pad occupancy
M2R1 PAD DETECTOR
X=2X, Y=1/2Y of logical pad
384 pads per chamber (1.26x1.6 ~ 2 cm2)
Inefficiency increases:
0.8 1.6 3.3 %
MisID:
~ the same using the
standard FOI but no
further improvement
is possible using a
smaller FOI.
Rate/cm2 (kHz)
12
M2R2 PRESENT DETECTOR (TS=380 cm2)
X,Y= 12+16 phys.ch. =12 + 4 logic. per TS
48x4=192 crossings/chamber (1.26x6.3~8 cm2)
large improvement:
0.1 0.6 1.1 %
Inefficiency :
2 7.5 13 % at
15 52
97 kHz/cm2
MisID
 Improvement (no ghosts)
 possible further improvement
reducing YFOI
Pad occupancy
HITS in Trigger Sector – pad occupancy
/48
M2R2 PAD DETECTOR
X=2X, Y=1/2Y of logical (it is convenient)
192 pads per chamber (2.5x3.1 ~ 8 cm2)
Rate/cm2 (kHz)
Rate/cm2 (kHz)
13
M2R2 PAD DETECTOR
X=2X, Y=Y of logical pads
96 pads per chamber (2.5x6.3 ~ 16 cm2)
M2R2 PAD DETECTOR
X=2X, Y=1/2Y of logical (it is convenient)
192 pads per chamber (2.5x3.1 ~ 8 cm2)
Inefficiency :
0.1 0.6 1.1 %
Inefficiency :
0.3 1.3 2.4 %
Pad occupancy
Pad occupancy
MisID :
 possible further improvement
reducing YFOI
Rate/cm2 (kHz)
MisID :
Going back to the Y pad
size = 6.3 cm, we have
lost the possibility of
reducing FOI having a
lower MisID with ~ the
same muon matching
efficiency.
14
M3R1 PAD DETECTOR
X=2X, Y=Y (#phys chan. = #logical pad/2)
192 pads per chamber (1.26x3.1 ~4 cm2)
M3R1 PRESENT DETECTOR (TS = 109 cm2 )
X,Y= 6+8 phys. channels (48 crossings/TS)
384 crossings per chamber (0.63x3.1 ~2 cm2)
Inefficiency:
0.2 0.6 1.0 %
Inefficiency:
0.7 3.2 6.9 % at
39 123 216 kHz/cm2
Pad occupancy
Logical pad occupancy
MisID:
 improvement (no ghosts)
~ same FOI can be used.
Rate/cm2
(kHz)
Rate/cm2 (kHz)
15
M3R1 PAD DETECTOR
X=2X, Y=Y (#phys chan. = #logical pad/2)
192 pads per chamber (1.26x3.1 ~4 cm2)
M3R1 PAD detector
X=4X, Y=Y (#phys. chan. = #logical pad /4)
96 pads per chamber (2.5x3.1 ~ 8 cm2)
Inefficiency:
0.2 0.6 1.0 %
Reducing granularity to 96 pads
 Inefficiency increases
= 0.3 1.2 2.3 %
Pad occupancy
Pad occupancy
MisID:
 improvement (no ghosts)
~ same FOI can be used.
Rate/cm2 (kHz)
CARIOCA inefficiency can be
recovered building the pad detector
with smaller physical channels OR-ed
in the DIALOG (without increasing
output cables)
What cannot be recovered is the
increase of MisID if FOI must be
increased to save muon matching
efficiency
Rate/cm2 (kHz)
16
M2R3 X Y= 24x4=96 phys. channels
24+ 4 logic. strips per TS
Area TS = 60x50=3000 cm2
HITS in Trigger Sector – pad occupancy
/96
Reconstructed hits
Real particles
Rate/cm2 (kHz)
With inefficiency due to DIALOG
formation time = 18 ns
= 3.9 % at 5.4 kHz/cm2
(the average rate in the region)
Here a gaussian with peak value = 11ns
and σ = 5ns was assumed for the time
distribution of the muon hits in the bi-gap.
A uniform rate in the trigger sector was also
assumed.
This is not fully correct… nevertheless this
value is significantly higher w.r.t. what
reported in the TDR (2.6 %)
And what is relevant is that, if I use the same
time distribution used for the background
hits, I get a much smaller inefficiency: 2.2 %
(to be compared with 2.6% of TDR)
M2R4 present detector (TS=12000 cm2)
X Y= 24x4=96 phys. channels
24+ 4 logic. strips per TS
Area TS = 120x100=3000 cm2
Inefficiency comes from DIALOG
HITS in Trigger Sector – pad occupancy
/96
0.
1.7
7.4 % at
0.12 0.63 2.6 kHz/cm2
M5R4 present set up (TS=18480 cm2)
X,Y= 24+4 phys. ch. = 6+4 logic. Ch. per TS
24 crossings per TS (~770 cm2)
Inefficiency from DIALOG (formation 18ns)
to be revised : TAE time distribution of M2R1
was used
Also DIALOG dead time
simulated. Inefficiency
= 1.3, 9, 30 % at
0.2, 2, 9 kHz/cm2
Pad occupancy
HITS in the Trigger Sector
ONLY CARIOCA dead time
inefficiency simulated
2.3 % at 9 kHz
Rate/cm2 (kHz)
Rate/cm2 (kHz)