Conception et réalisation de l’électronique de lecture et de codage pour les pixels MOS du détecteur micro‑vertex développés par l’IPHC de Strasbourg

Les 5 couches de détection de ce détecteur conduisent à environ 300 millions de pixels. Chaque canal d’électronique comporte un échantillonneur‑bloqueur et un ADC « pipe line » d’une dynamique de 4 ou 5 bits. Cette réalisation est effectuée en collaboration avec l’IPHC de Strasbourg. La taille du circuit est extrêmement réduite : de l’ordre de 1 mm × 20 µm. L’extraction des signaux (~ 1 mV), la faible consommation (~ 1 mW) et la rapidité (> 10 MHz) constituent des contraintes drastiques. Les cellules de détection (« pixels ») et l’électronique seront disposées sur le même support monolithique. Des prototypes ont déjà été développés (figure 1) et les résultats ont fait l’objet d’un article dans la revue IEEE Transactions on Nuclear Science 54 (2007) 1195‑1200.

Conception de circuits convertisseurs analogiques‑numériques rapides de type « pipe line » et de grande dynamique (12 bits) pour le calorimètre électromagnétique (EM).

La faible consommation est un paramètre critique pour cette étude : nos premiers résultats ont un facteur de qualité (consommation/vitesse) de 1,5 mW/MHz à l’état actif. Le calorimètre EM sera doté d’environ 83 millions de voies électroniques. Plusieurs prototypes (sans et avec échantillonneur‑bloqueur) ont été développés et testés (figure 2).

Tous les circuits sont polarisés en mode pulsé très rapide (extinction à 1/1000 en 1 µs), pour rendre la dissipation proportionnelle au rapport cyclique du faisceau (~ 1 ms toutes les 200 ms).

Conception d’un circuit électronique pour l’étalonnage du calorimètre EM (DAC ΣΔ de 16 bits)

Un premier prototype de convertisseur DAC de type ΣΔ a été réalisé.

Les laboratoires du CNESTEN (Rabat, Maroc) et IXL de Bordeaux contribuent ponctuellement à certaines phases de ces études.

ILC - Répertoire des figures (circuits) en micro-électronique

ADC "pipe line" 5 bits

• Figures (nécessitant Microsoft Internet Explorer)

  ou Figures (fichier .pdf)

• Figure (fichier .pdf)

ADC "pipe line" 10-12 bits

• Figures (1) (fichier .ppt)
• Figures (2) (fichier .ppt)

Cartes de tests :

• Pour ADC "pipe line" 5 bits

Des prototypes du calorimètre EM et hadronique ont été testés au CERN en 2006 et 2007. Nous avons participé à toutes les campagnes de tests (juillet, août, septembre et octobre 2006, juillet et août 2007) et envisageons de poursuivre cette tâche à Fermilab aux USA où sont prévus de nouveaux tests en particulier concernant le futur module EUDET (~1,5 m de long) du calorimètre EM.

Nous prenons aussi une part très active à l’analyse des données en particulier concernant la colorimétrie EM : technique d’identification des électrons à partir de la taille des gerbes, technique d’alignement «off‑line» des différentes couches actives des cellules de détection, techniques de corrections des effets dus aux anneaux de garde des matrices de diodes, étude de la résolution en énergie sans ou avec rotation du prototype de calorimètre EM (figure 1), linéarité, comparaisons avec des simulations Monte‑Carlo. Cinq notes soumises à un comité de lecture : CAN‑001 à 005 (2007) concernant l’ensemble des tests en faisceau ont été rédigées, et un article de synthèse est en voie de rédaction.

ILC - Répertoire de figures et photos des tests en faisceau au CERN

• Le dispositif experimental (fichier .ppt)
• Gerbe produite par un électron de 50 GeV dans le calorimètre EM
• Début de gerbe produite par un pion positif de 10 GeV en fin de calorimètre EM
• Trace et gerbe produite par un pion négatif de 80 GeV dans le calorimètre EM puis hadronique et enfin dans le "tail catcher"
• Résultats préliminaires des tests en faisceau au CERN (fichier .ppt)

Ce travail, réalisé en collaboration avec l’université Hassan II de Casablanca (Maroc), a fait l’objet de deux notes soumises à un comité de lecture : LC‑DET2007‑004 et LC‑DET‑2005‑011. Outre l’étude de la résolution en énergie concernant la détection d’électrons et de photons à différentes énergies et à différentes positions selon la technique classique qui consiste à mesurer le dépôt d’énergie dans les couches actives de silicium (signal analogique), nous avons aussi estimé les performances des bouchons à partir du nombre de cellules touchées dans chaque couche (signal numérique). Bien que la réponse concernant la technique numérique ne soit pas linéaire, il est cependant possible de remonter à l’énergie de la particule incidente avec une paramétrisation adéquate. De plus, il est intéressant de constater (figure 1) qu’au-dessous de 4 GeV la technique numérique l’emporte (meilleure résolution) sur la technique analogique. Enfin, en pondérant correctement les deux techniques (qui ne sont pas totalement corrélées) il est évidemment possible d’obtenir une amélioration de la résolution en énergie.