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Progetto Low Voltage MDTProgetto Low Voltage MDT

Matteo Beretta

Agostino Lanza

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Caratteristiche generali• Per limitare la dissipazione di potenza nei cavi al di sotto del 20%, i distributori LV devono essere posizionati in vicinanza delle camere.

• Per evitare dissipazione della potenza non inviata al carico all’interno dei distributori, ovvero della caverna, questi ultimi devono essere realizzati con convertitori DC-DC.

• Il sistema e’ quindi composto da distributori, piazzati nei rack sulle impalcature intorno ad Atlas, e da generatori DC primari che alimentano i convertitori DC-DC, posizionati nella sala chiamata US15, dove i livelli di radiazione e di campo magnetico sono molto bassi. La distanza fra i distributori e gli MDT varia tra un minimo di pochi metri fino ad un massimo inferiore ai 30 m. La distanza fra i distributori e i generatori primari e’ invece dell’ordine di 100 m.

• Il controllo del sistema (DCS) risiede invece nella sala chiamata USA15. La distanza fra il controllo e i distributori e’ dell’ordine di 100 m.

• I distributori devono risiedere in crate di dimensioni compatibili con i rack di Atlas (90 cm di profondita’ per 19” di larghezza) ed essere propriamente raffreddati. A causa della presenza del campo magnetico, e’ necessario che il sistema di raffreddamento sia ad acqua, o che i crate siano compatibili con il sistema di raffreddamento misto aria/acqua, sviluppato appositamente dal Cern per funzionare in ambiente magnetico.

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Caratteristiche generali• Per ragioni economiche, il sistema prevede di alimentare due MDT in parallelo con un singolo canale.

• La tensione di uscita dei distributori deve essere sufficientemente alta da evitare che gli stabilizzatori da 3.3V del front-end funzionino vicino al loro limite di tensione inferiore (4V), e deve essere sufficientemente bassa da evitare un’eccessiva dissipazione interna agli stabilizzatori. Quindi la tensione di uscita dei distributori deve essere compresa in una finestra da 5 a 7 V.

• Per ragioni di spazio, cavi di sense non sono previsti. La tensione di uscita deve quindi essere programmabile a livello del singolo canale.

• La corrente minima richiesta ad ogni canale dipende dal numero di schede (mezzanini) di front-end presenti su ciascun MDT. Varia da un minimo di circa 9A ad un massimo di 17A, considerando 2 MDT per canale.

• Il sistema di controllo deve raccogliere in tempi ragionevoli, inferiori al minuto, tutti i parametri di tutti i canali. Deve quindi essere basato su protocolli veloci ma seriali, per minimizzare il diametro dei cavi. CANbus e’ un buon esempio di protocollo efficiente in questo senso.

• La gestione del sistema deve consentire accessi remoti e fornire interfacce software che lo facilitino. Esso deve quindi essere dotato di OPC server.

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Potenza dissipata Gli MDT da alimentare sono 1168, suddivisi in 656 nel Barrel (8054 mezzanini di front-end) e 512 negli Endcap (6760 mezzanini di front-end).

Gli assorbimenti di corrente misurati al testbeam H8 hanno confermato i valori aspettati di 0.4 A per mezzanino e 1 A per CSM. Di conseguenza, la corrente totale per l’MDT piu’ grande, 18 mezzanini e 1 CSM, e’ di 8.2 A. La corrente totale per l’intero rivelatore e’ di 7.1 kA.

La potenza dissipata dal rivelatore, supposti 5 V di ingresso al front-end, e’ di 35.5 kW.

I cavi che alimentano gli MDT, uno per camera, hanno una lunghezza media di 25 m, sono composti da 4 conduttori di 6 mm2, per un totale di 24 mm2 di sezione, e sono schermati. La caduta di tensione sul singolo cavo medio e’ di 0.63 V, quindi la potenza dissipata dai cavi e’ di 4.5 kW.

La potenza che devono fornire i distributori LV e’ quindi di 40 kW. Tenendo un margine di sicurezza medio del 30%, la potenza installata deve essere di 52 kW, a cui si somma la dissipazione interna dei distributori, valutabile intorno al 20% della potenza installata. La potenza totale in ingresso ai distributori deve quindi essere di 63 kW.

Considerando sempre un margine del 30%, la potenza fornita dai generatori primari per alimentare i distributori deve essere di 82 kW. Il valore finale di progetto e’ di 85 kW.

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Condizioni ambientali

L’ambiente in cui dovranno operare i distributori, a circa 12 m dal centro di interazione, e’ radioattivo e con presenza di forte campo magnetico. I valori minimi richiesti sono, dalle “Atlas self-extraction tables”:

- TID: 180 Gy integrati su 10 anni - NIEL: 1.2 * 1012 neutroni/cm2 integrati su 10 anni - SEE: 2.6 * 1011 adroni/cm2 integrati su 10 anni - campo B: 100 mT in qualsiasi direzione

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Layout Generale

LV and HV Generators

LV and HV distributor

&Local

Controller

Main Controller

La figura illustra la posizione delle due sale di controllo USA15 e US15 relativa ad Atlas.Il sistema di controllo di HV e LV degli MDT sara’ installato nei rack disponibili in USA15 , mentre i generatori di potenza primari per HV e LV saranno ospitati nei rack di US15.

Le distanze fra i rack e gli MDT sono stimate essere mediamente di 25 m, mentre quelle fra i rack e le sale USA15 e US15 sono circa 120 m.

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Layout dei rackI distributori LV sono inseriti nei rack posizionati sulla struttura metallica che circonda Atlas, tranne che per le Big Wheel e le Outer Wheel. Questa scelta e’ determinata dalla necessita’ di minimizzare la lunghezza dei cavi che portano le correnti di alimentazione al front-end degli MDT.

Il numero di crate e rack riportato sotto si riferisce all’ultima versione della tabella di assegnazione dei rack, in cui alle camere di ciascun settore del Barrel sono assegnate le specifiche posizioni dei corrispondenti crate di alimentazione LV e HV. Le assegnazioni per Big Wheel e Outer Wheel sono state proposte recentemente, e sono in via di approvazione da parte del Technical Coordination.

Crates LV Racks (con HV)

Barrel 16 8

EIL4 + EEx 2 1

Small Wheel 2 1

Big Wheel 4 4 miniracks

Outer Wheel 4 4 miniracks

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Attuale layout della disposizione dei rack in Atlas per il Barrel e le Small Wheel, lato USA15. I rack per i distributori HV e LV degli MDT sono evidenziati. Piccoli cambiamenti sono stati proposti al TC per minimizzare la lunghezza dei cavi LV

Rack per Barrel e SW, lato USA15

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Attuale layout finale della disposizione dei rack in Atlas per il Barrel e le Small Wheel, lato US15. I rack per i distributori HV e LV degli MDT sono evidenziati. Piccoli cambiamenti sono stati proposti al TC per minimizzare la lunghezza dei cavi LV

Rack per Barrel, lato US15

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Raffreddamento dei crateIl gruppo Cern TS-LEA ha disegnato un sistema di raffreddamento utilizzabile sui rack di Atlas. Esso e’ composto da un’unita’ (alta 4U) contenente due ventilatori assiali schermati contro il campo magnetico, da uno o piu’ scambiatori di calore (alti 1U) alimentati ad acqua, e da un deflettore di aria, alto 2U. La schermatura e la particolare composizione dei ventilatori ne consente il funzionamento fino a 0.15 T.

Ventilatore assiale con gabbia di scoiattolo in materiale composito. Il motore del ventilatore e’ elettrico, e schermato con una blindatura di ferro dolce

L’unita’ di ventilazione con due ventilatori schermati in posizione. Il peso dell’unita’ e’ di circa 30 kg

Lo scambiatore di calore usato per il raffreddamento ad acqua. E’ composto da una serpentina a cui viene collegato il circuito ad acqua.

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Raffreddamento dei crate

45U

19”

Tangential Fans

High Voltage Crate

Low Voltage Crate

Heat Exchanger

Deflector

HOT AIR

COLD AIR

Il funzionamento del sistema di raffreddamento del Cern e’ rappresentato in figura. L’aria viene fatta circolare

dalle turbine

verso i lati del rack, che sono chiusi. Il deflettore in fondo convoglia l’aria verso i crate, e gli scambiatori di calore intermedi la raffreddano. La figura rappresenta la struttura tipica di un rack standard. La potenza

dissipabile dal sistema e’ di circa 4 kW.

1U

2U

6U

6U

4U

High Voltage Splitter Crate

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I sistemi investigati come possibili candidati sono stati tre:

1) Progetto custom, Atlas Tile,

2) Sistema EASY di CAEN e

3) Sistema Maraton di Wiener.

Progetto Tile: a novembre 2003 un convertitore DC-DC e’ stato testato per la prima volta in campo magnetico al Cern. A poco piu’ di 20 mT e’ bruciato. Attualmente, il progettista sta ridisegnando il convertitore DC-DC per avere almeno un fattore due di sicurezza sul livello di B previsto per il Tile, appunto di 20 mT. Il raggiungimento del livello di campo magnetico per gli MDT, 200 mT, non e’ previsto nemmeno in questa nuova versione.

Il progetto Tile non soddisfa le richieste degli MDT in termini di campo magnetico, e di conseguenza non e’ piu’ considerato come candidato.

Stato dei sistemi candidati

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Sistema EASY: prodotto da Caen,fornisce sia LV che HV, con loro possibile combinazione nello stesso crate, ed e’ commercializzato dal novembre 2003.E’ gia’ stato adottato dalla maggior parte dei rivelatori di CMS.

E’ composto da distributori LV (o HV) con modularita’ variabile operanti in area ostile, e dotati di controllore incorporato. Essi sono gestiti da un mainframe della famiglia SY1527 operante in area sicura (USA15). Necessita di generatori a 48 VDC operanti in area sicura (US15).

Le specifiche tecniche soddisfano ampiamente le richieste degli MDT. Deriva direttamente dai prototipi SASY, testati numerose volte da gruppi Atlas e CMS sia in radiazione che in campo B.

Stato dei sistemi candidati

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Stato dei sistemi candidatiSistema Maraton: e’ la versione funzionante in campo magnetico del PL500-F12 della Wiener. Il sistema e’ prossimo alla commercializzazione.Un crate puo’ ospitare fino a 12 moduli operanti in area ostile. Il controllo e’ effettuato tramite CANbus con interfaccia operante in area sicura (USA15). Necessita di generatori a 300 VDC operanti in area sicura (US15).Le specifiche tecniche soddisfano ampiamente le richieste degli MDT, con ancora qualche dubbio per B. Test in B sono al momento in corso a cura del pool elettronico del Cern, e i risultati sono parzialmente disponibili da fine gennaio 2004.

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Test di funzionalita’Per verificare la funzionalita’ del collegamento in parallelo di due camere sullo stesso canale di LV, sono state fatte misure sui 12 MDT operanti in H8 a settembre 2003. Purtroppo al momento del test il fascio era gia’ terminato, quindi si sono potute fare solo misure di rumore, e in condizioni non controllate.Come esempio, sotto e’ mostrato il grafico di rumore per una delle due BOL, le camere con maggiore assorbimento di corrente. Il grafico e’ relativo ad un run in cui la camera era alimentata indipendentemente dalla seconda BOL, e ad un run in cui la camera era alimentata in parallelo con la seconda BOL.

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Test di funzionalita’

La conclusione attuale e’ che alimentare due MDT con lo stesso canale LV non sembra avere evidenti controindicazioni. E’ comunque necessario verificare che anche le prestazioni fisiche (efficienza, risoluzione) delle camere non subiscano effetti negativi, quindi alla ripresa di H8, a maggio, saranno analizzati run di muoni con le camere collegate in entrambe le configurazioni.

Dei 12 MDT presenti in H8, 10 non hanno mostrato significative variazioni di rumore, mentre due hanno evidenziato un incremento di circa il 60%. Date le condizioni (poco) operative del testbeam al momento del test, non e’ stato possibile appurare l’origine dell’incremento.E’ stata fatta anche un’analisi sulle correlazioni temporali delle camere collegate in parallelo, per verificare l’eventuale presenza di crosstalk. Dai risultati non sono emersi prestazioni anomale.

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Oltre al taglio di meta’ dei canali, ottenuto alimentando due MDT in parallelo, la seconda novita’ introdotta rispetto al progetto iniziale presentato nel 2003 riguarda la caveria, di cui ora viene chiesto il finanziamento per la sola parte italiana.

Questo punto, che consente all’INFN un risparmio di circa 85 k€, e’ stato discusso a lungo e alla fine accettato dalla collaborazione MDT. L’ordine della caveria sara’ fatto centralmente al Cern, e ciascun gruppo fornira’ il finanziamento per la propria quota di MDT.

Al momento, i costi dei due sistemi candidati sono noti con un dettaglio sufficiente a consentire una valutazione precisa delle richieste. La tabella che segue riflette l’offerta piu’ economica, e include anche il 5% in piu’ di canali necessari per la certificazione rad hard e B. Non sono comprese in tabella le spese di missione e di costo del fascio per effettuare i test di rad hard e B, che saranno richieste alla CSN1 non appena saranno fissate le date dei test.

Richieste finanziarie

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voceCosto unitario

(k€)quantita’ Costo totale (k€)

Distributori, crate e controller 0.53/canale 620 canali 328.8

Generatori primari 0.0004/W 85 kW 34

Raffreddamento 1.5 16 24

Cavi per generatori primari 0.0035/m 5.6 km 19.6

Cavi LV 0.0035/m 5.5 km 19.3

Lavorazioni cavi LV e connettori 0.005 210 1.0

Cavi e conn comunicazione 0.0017/m 4.0 km 6.8

Totale 433.5

Stima dei costi

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Sono gia’ stati assegnati a Pavia per il 2004 120 k€ per l’acquisto della caveria, e 30 k€ s.j. alla presentazione e approvazione del progetto finale. Con la riduzione a 20 k€ del costo della caveria, comunque, la cifra finanziata e’ sufficiente anche per avviare la gara.

Il piano finanziario e’ diviso in soli due anni, poiche’ il sistema deve essere completato entro il 2005, e prevede:

-nel 2004, 120 k€ + 30 k€ di sblocco s.j. per caveria e avviamento gara

- nel 2005, 283.5 k€ per completamento sistema e conclusione gara.

In alternativa, e’ possibile eliminare il s.j. del 2004 e aumentare della stessa cifra il finanziamento 2005.

Piano Finanziario

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Schedula delle due gare

Nella seconda meta’ di maggio sara’ ottimizzato il grounding di tutte le camere presenti ad H8, e saranno presi dati con camere alimentate indipendentemente una dall’altra e con camere alimentate in parallelo sullo stesso canale.

Se i risultati saranno soddisfacenti, a giugno sara’ avviata la gara per l’elettronica del sistema.

La gara dei cavi LV potra’ essere iniziata non appena la collaborazione otterra’ i pledge dalle funding agencies. Essa sara’ condotta dal Cern.