Performance characterization of the NSW Micromegas detector, services design and development of the slow control adapter for the ATLAS upgrade

Abstract

The ATLAS experiment is one of the largest LHC experiments at CERN. It is a general purpose experiment that detects particles originating from proton collisions at its center. This thesis was carried out in the frame of an ATLAS upgrade, namely the New Small Wheel, which is meant to allow ATLAS to cope with higher requirements when the LHC starts up again. In the following chapters, a brief description of ATLAS and its operation will be given. Then, the focus will be presenting the work for this thesis. Namely: 1) the motivation for the New Small Wheel upgrade and its composition. 2) the operation of Micromegas detectors, which are included in the New Small Wheel. This will include description of the principle of operation as well as the multiple tests of prototypes and production modules of this detector during the development phase in order to create a system to cope with the requirements of the HL-LHC upgrade. 3) the outline of the control system of ATLAS, focusing on software development for this system. This module includes study of the Slow Control Adapter integrated circuit, which will be used for configuration and monitoring of the front-end electronics in ATLAS. Moreover, it includes software development for preparation of the corresponding packets and communication with the integrated circuit. Finally, there were tests and demonstrator cases for the operation of the software with the chip and electronics. 4) the design of the services system of the New Small Wheel upgrade. This system was developed in cooperation with multiple expert teams on gas, cooling, fibre optics, high voltage and other sub-systems. Their design, requirements and limitations will be described.

Το πείραμα ATLAS είναι ένα από τα μεγαλύτερα πειράματα στον επιταχυντή LHC στο CERN. Είναι ένα πείραμα με γενικό σκοπό την ανίχνευση σωματιδίων που παράγονται από συγκρούσεις πρωτονίων στο κέντρο του. Η παρούσα διατριβή έγινε στα πλαίσια της αναβάθμισης του ανιχνευτή ATLAS και συγκεκριμένα του φασματομέτρου μιονίων, μέσω της αντικατάστασης του Small Wheel με το New Small Wheel, της οποίας σκοπός είναι να μπορεί το πείραμα να ανταπεξέλθει στις νέες απαιτήσεις που θα επέλθουν με την επανέναρξη της λειτουργίας του LHC. Στα κεφάλαια που ακολουθούν θα δοθεί σύντομη περιγραφή του ATLAS και του τρόπου λειτουργίας του. Ύστερα, επίκεντρο θα είναι η παρουσίαση της δουλειάς που έγινε στα πλαίσια της παρούσας διατριβής. Συγκεκριμένα: 1) το κίνητρο για την αναβάθμιση New Small Wheel και η δομή της. 2) η λειτουργία των ανιχνευτών Micromegas, που περιλαμβάνονται στο New Small Wheel. Θα γίνει περιγραφή της αρχής λειτουργίας αλλά και της δοκιμής πολλαπλών πρωτοτύπων του ανιχνευτή, κατά τη διάρκεια της έρευνας και ανάπτυξης του ανιχνευτή ώστε να ανταπεξέλθει στις απαιτήσεις του αναβαθμισμένου HL-LHC. 3) η δομή του συστήματος ελέγχου του ATLAS, και συγκεκριμένα η ανάπτυξη λογισμικού για τον έλεγχο και παρακολούθηση των συστημάτων του New Small Wheel. Σε αυτή την ενότητα έγινε μελέτη του ολοκληρωμένου κυκλώματος Slow Control Adapter το οποίο θα χρησιμοποιηθεί για τον αργό έλεγχο και την παρακολούθηση των ηλεκτρονικών στο πείραμα ATLAS. Επιπλέον έγινε ανάπτυξη λογισμικού για την προετοιμασία πακέτων και επικοινωνία με το κύκλωμα αυτό. Τέλος έγινε δοκιμή και επίδειξη της λειτουργίας του ανεπτυχθέντος συστήματος. 4) ο σχεδιασμός των υπηρεσιακών συστημάτων της αναβάθμισης New Small Wheel. Το σύστημα αυτό αναπτύχθηκε σε συνεργασία με πολυάριθμες ομάδες ειδικών για συστήματα αερίου, ψύξης, οπτικών ινών, υψηλής τάσης και άλλων. Θα γίνει περιγραφή όλων των συστημάτων και μελετών που έγιναν κατά τη διάρκεια της διατριβής αυτής.