Research and development in Micromegas detector for the ATLAS upgrade

Abstract

My candidacy as a Ph.D student begun officially on September 2010. It was at the time that the MAMMA collaboration performed R&D on micromegas detectors transforming them spark resistant. This was done by adding a foil of resistive strips on top of the readout strips. Joining the collaboration I started to be active in the test beam periods dedicating time to understand the detector behaviour. In parallel I developed simulation procedures to understand further the detector and finally describe the physical processes taking place when a charged particle traverses the detector. Moreover, the unexplored at that time μTPC method was studied.In late 2011 the micromegas technology was a candidate for the ATLAS New Small Wheel (NSW) upgrade to which I dedicated most of my time in order satisfy the requirements and prove that the detector will work in the ATLAS environment including the magnetic field conditions. Most of the work at that time was dedicated to understand the spatial resolution of the detector and its trigger capabilities through the test beam data and by means of simulation.In 2012-2013 most of the time was dedicated to study the behaviour of the VMM ASIC along with the resistive micromegas detectors. For this a data acquisition and control application was developed allowing the data recording and the study of the conditions under which the ASIC should be operated. After gaining experience through a long calibration of the ASIC, the micromegas performance with the μTPC method was studied. In parallel more studies were done to satisfy the ATLAS requirements for the NSW upgrade. This includes the contribution to the Technical Design Report micromegas and electronics chapters and the simulation and layout developments within the ATLAS software framework. The upgrade project was finally approved in the summer of 2013.The rest of my time was denoted to study the detector layout for the NSW upgrade with the stereo strip layout. Moreover I actively took part in the electronics design for the frontend and backend electronics of the NSW detectors. I was also part of several task force to study the micromegas performance.In parallel to the above described work I developed the Detector Control System for the Cathode Strip Chambers (CSC) as well as the front-end electronics monitoring for the Monitored Drift Tubes (MDT) of the ATLAS muon spectrometer. A substantial part of my time was denoted not only to the development but on the efficient operation of the CSC and MDT detectors during the ATLAS data taking as CSC DCS coordinator and DCS expert for both systems.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αποτελείται από τις εξής γενικότερες θεματικές ενότητες: Ανάπτυξη των συστημάτων ελέγχου, DCS (Detector Control System), του ανιχνευτή ATLAS στο πείραμα του LHC, και συγκεκριμένα στα υπό-ανιχνευτικά συστήματα ανίχνευσης μιονίων MDT (Monitored Drift Tubes) και CSC (Cathode Strip Chambers). Μελέτη και ανάπτυξη του ανιχνευτή micromegas, ο οποίος έχει επιλεχθεί ως μια από τις ανιχνευτικές τεχνολογίες που θα χρησιμοποιηθεί για την αναβάθμιση του φασματομέτρου μιονίων του ανιχνευτή ATLAS στα έτη 2018-2019.Σύστημα αυτομάτου ελέγχουΤο πείραμα ATLAS, λόγω της μεγάλης πολυπλοκότητας του και της συνεχούς λειτουργίας του, επιτάσσει την ανάπτυξη ενός εξελιγμένου συστήματος αυτομάτου ελέγχου ικανό να ελέγχει όλο τον εξοπλισμό των υπο-ανιχνευτικών συστημάτων εγγυώντας την ασφαλή λειτουργίας τους. Στο πλαίσιο αυτό, αναπτύχθηκαν συστήματα αυτομάτου ελέγχου για το φασματόμετρο μιονίων και ειδικότερα για τους ανιχνευτές Cathode Strip Chambers (CSC) και Monitored Drift Tubes (MDT). Για τους ανιχνευτές CSC σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε το συστήματος ελέγχου τροφοδοσίας υψηλής και χαμηλής τάσης των θαλάμων, το σύστημα ανάγνωσης των αισθητήρων θερμοκρασίας καθώς και της γενικότερης υποδομής του συστήματος. Για τους ανιχνευτές MDT αναπτύχθηκε σύστημα ελέγχου για την αποδοτική και ασφαλή επίβλεψη των ηλεκτρονικών συστημάτων των ανιχνευτών. Και για τα δυο συστήματα του φασματομέτρου μιονίων, ένα παραθυρικό περιβάλλον χειρισμού υλοποιήθηκε δίνοντας την δυνατότητα απομακρυσμένου ελέγχου των ανιχνευτών.Ο ανιχνευτής micromegas και το σύστημα New Small WheelΟ επιταχυντής LHC στο άμεσο μέλλον θα υποστεί αλλαγές και αναβαθμίσεις έπειτα από τις οποίες θα είναι ικανός να προσδώσει δέσμες σε μεγαλύτερη λαμπρότητα. Μια τέτοια αναβάθμιση σημαίνει περισσότερες συγκρούσεις πρωτονίων εντός του ανιχνευτή και μεγαλύτερη ροή σωματιδίων στα υπο-ανιχνευτικά συστήματα. Το φασματόμετρο μιονίων του πειράματος ATLAS είναι ικανό να ανιχνεύσει την αυξημένη ροή σωματιδίων όμως ένα μέρος του, ο πρώτος σταθμός ανίχνευσης των endcaps ονομαζόμενος Small Wheel, θα επέλθει των δυνατοτήτων του και επομένως πρέπει να αντικατασταθεί. Μια τεχνολογία ανιχνευτών πρωτοεμφανιζόμενη το 1996 ονόματι micromegas μελετήθηκε για την εφαρμογή της στην αναβάθμιση του πειράματος και την δημιουργία ενός νέου σταθμού ανίχνευσης ονόματι New Small Wheel (NSW).Για την μελέτη και κατανόηση του ανιχνευτή micromegas αναπτύχθηκαν τεχνικές προσομοίωσης ικανές να περιγράψουν τις φυσικές διεργασίες που συμβαίνουν όταν ένα βαρύ φορτισμένο σωματίδιο διαπερνά τον ανιχνευτή. Στα πλαίσια της προσομοίωσης μελετήθηκε η αποδοτικότητα του ανιχνευτή χρησιμοποιώντας διαφορετικά αέρια και γεωμετρίες. Επίσης η προσομοίωση εξελίχθηκε σε μοντέλα ικανά να περιγράψουν την γεωμετρία του NSW και τα ηλεκτρονικά ανάγνωσής του.Κατά την διάρκεια εκπόνησης της διδακτορικής διατριβής, πραγματοποιήθηκε ενεργή συμμε- τοχή στις δοκιμαστικές περιόδους δεσμών σωματιδίων με σκοπό την μελέτη της χωρικής διακριτικής ικανότητας των ανιχνευτών micromegas, την επίδοσή τους υπό την επίδραση μαγνητικού πεδίου καθώς και την επίδοση των ηλεκτρονικών VMM. Τα ηλεκτρονικά VMM είναι τα κύρια ηλεκτρονικά που θα χρησιμοποιηθούν στην αναβάθμιση του New Small Wheel (NSW) για τους ανιχνευτές sTGC και micromegas.Τέλος, στα πλαίσια δοκιμής των ηλεκτρονικών VMM έγινε μελέτη για τον σχεδιασμό του συστήματος έλεγχου και ανάγνωσής των ηλεκτρονικών συστημάτων του NSW χρησιμοποιώντας τα GBTx και GBT-SCA.Το έργο συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή ́Ενωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από Εθνικούς Πόρουςστο πλαίσιο του προγράμματος «ΘΑΛΗΣ - ∆ΡΑΣΗ 7 - ΕΚΠΑ ∆ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΝΕΑΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΜΕ ΤΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ ATLAS ΚΑΙ CMS ΣΤΟ LHC» του Επιχειρησιακού Προγράμματος «ΕΚΠΑΙ∆ΕΥΣΗ ΚΑΙ ∆ΙΑ ΒΙΟΥ ΜΑΘΗΣΗ».