FEERIC : un succès pour ALICE

L’expérience ALICE est dédiée à l’étude des pro­priétés du plas­ma de quarks-glu­ons. Le spec­tromètre à muons con­tribue à ces études par la mesure de la pro­duc­tion de muons dans les col­li­sions d’ions lourds, ain­si qu’en col­li­sions p‑p et p‑A.

Le déclencheur (Muon Trig­ger) du spec­tromètre à muons per­met de sélec­tion­ner les événe­ments d’intérêt, con­tenant au moins un muon.

L’architecture élec­tron­ique du détecteur ALICE fait l’objet d’un ambitieux pro­gramme de mise à niveau prévoy­ant la lec­ture de toutes les col­li­sions et le traite­ment en ligne des don­nées. Dans ce cadre, le déclencheur change de fonc­tion, et donc de nom, pour devenir l’identificateur de muons (MID : Muon IDen­ti­fi­er).

Cette amélio­ra­tion prévoit un rem­place­ment de l’électronique frontale et de lec­ture de MID, en vue de sup­port­er l’augmentation de lumi­nosité du LHC prévue après 2020. En effet, les cham­bres à plaques résis­tives (RPC : Resis­tive Plate Cham­bers) vont être exposées à des flux de par­tic­ules jusqu’à 100 collisions/s/cm². Afin de lim­iter les effets de vieil­lisse­ment des RPC, il est prévu de réduire le gain du détecteur (en réduisant la haute ten­sion de polar­i­sa­tion), ce qui implique de rem­plac­er l’électronique frontale actuelle par des cir­cuits amplifiés.

Le cir­cuit FEERIC (Front-End Elec­tron­ics Rapid Inte­grat­ed Cir­cuit) a été conçu pour répon­dre à ce besoin.

Vidéo présen­tant l’ex­péri­ence ALICE au CERN]

Descrip­tif du cir­cuit FEERIC

L’électronique frontale des cham­bres de MID représente 20 992 voies, soit 2 720 cartes con­nec­tées aux pistes de lec­ture des RPC.

Les cartes se décli­nent en six for­mats dif­férents selon la seg­men­ta­tion des pistes de lec­ture (env­i­ron 1 cm de largeur près de l’axe du fais­ceau et 4 cm en périphérie).

Le rôle de l’électronique frontale est de pro­duire des sig­naux logiques en réponse aux impul­sions induites sur les pistes de lec­ture des RPC. Ces pistes sont ori­en­tées dans une direc­tion X sur une face des RPC et dans la direc­tion orthog­o­nale Y sur l’autre face. Les cartes frontales sont con­nec­tées à une extrémité des pistes, l’autre extrémité étant ter­minée par une résis­tance (50 Ω).

La lec­ture sur les deux faces impose au cir­cuit FEERIC d’être com­pat­i­ble avec des impul­sions pos­i­tives ou néga­tives en entrée.

L’im­age ci-dessous présente le sché­ma fonc­tion­nel du cir­cuit inté­gré FEERIC

Descrip­tif des cartes inté­grant les cir­cuits FEERIC 

Les cartes élec­tron­iques inté­grant les cir­cuits FEERIC ont été pro­duites à plus de 2 384 cartes, le sché­ma fonc­tion­nel ci-con­tre de la carte FEERIC per­met de com­pren­dre l’ar­chi­tec­ture du cir­cuit intégré.

Une présérie de 39 cartes a été instal­lée sur une RPC début 2015 dans la cav­erne d’AL­ICE, et des résul­tats sat­is­faisants ont été enreg­istrés depuis. La réduc­tion du gain de la RPC a per­mis de réduire d’un fac­teur 4 le courant dans le gaz. L’efficacité est supérieure à > 95 % (typ­ique­ment 98 %) avec une bonne sta­bil­ité dans le temps, ce qui répond à l’objectif ini­tial d’un fac­teur 3 à 5 pour ralen­tir le vieil­lisse­ment des RPC.

Banc de tests et résul­tats des mesures

Le banc de tests per­me­t­tant la val­i­da­tion finale de la pro­duc­tion a été conçu au Lab­o­ra­toire de physique de Cler­mont (LPC, CNRS/Université Cler­mont Auvergne) par Frédéric Jou­ve et a été fourni à la société en charge de la fab­ri­ca­tion. Les prin­ci­paux résul­tats de mesures (ci-dessous) mon­trent les car­ac­téris­tiques finales des cir­cuits FEERIC sur l’ensem­ble des puces pro­duites avec leur repro­ductibil­ité pour ce qui est des gains, des seuils, du temps de réponse des cir­cuits et des cartes. En effet, de même que le gain, le temps de réponse varie en fonc­tion de l’impédance des pistes de lec­ture, mais reste bien con­stant entre voies pour un for­mat don­né. Ces dif­férences seront com­pen­sées par inter­valles de 3 ns au niveau des cartes de read­out rece­vant les sig­naux logiques de FEERIC.

Rap­pels sur pro­duc­tion des cartes ain­si que inté­gra­tion dans le détecteur ALICE

La pro­duc­tion des ASICs a été livrée en avril 2016. Tous les cir­cuits ont été testés à l’aide d’un banc de test dévelop­pé au LPC. Le ren­de­ment s’élève à 98 %.

A l’issue d’une procé­dure de marché pub­lic, la pro­duc­tion des 2 720 cartes FEERIC (rechanges inclus­es) s’est déroulée du print­emps 2017 à jan­vi­er 2018. Toutes les cartes ont été testées par la firme au moyen du banc de test fourni par le LPC, et des tests com­plé­men­taires par échan­til­lon­nage ont été effec­tués au LPC.

L’installation, prévue en 2019, est en cours de pré­pa­ra­tion en vue de l’in­té­gra­tion finale dans l’ex­péri­ence ALICE et clos avec suc­cès le développe­ment de ce cir­cuit inté­gré FEERIC.

Les per­son­nes suiv­antes ont con­tribué de manière sig­ni­fica­tive aux développe­ments tech­niques pour l’électronique frontale du MID, sous la respon­s­abil­ité sci­en­tifique de Pas­cal Dupieux :

• Samuel Manen, Richard Van­daële (ASIC)
• Bap­tiste Joly, Marie-Lise Merci­er (cartes)
• Frédéric Jou­ve (banc de test de production)
• Chris­t­ian Fayard, Mar­tine Bony : câblage, out­ils de test et test de pré-série

Pho­to de l’équipe avec de gauche à droite Pas­cal Dupieux, Richard Van­daële, Mar­tine Bony, Samuel Manen, Christophe INSA, Frédéric Jou­ve, Bap­tiste Joly, Chris­t­ian Fayard, Marie-Lise Mercier