T11: Scintillator Material & Tiles Vishnu Zutshi, L4 Manager, - - PowerPoint PPT Presentation

T11: Scintillator Material & Tiles

Vishnu Zutshi, L4 Manager, [402.04.06.01] November 30, 2017

§ Design, prototyping and production of the active portion (scintillator tiles and modules) for the Endcap Hadron Calorimeter upgrade § Definition of interfaces of the active layer to the front-end electronics, cassette mechanics and SiPMs in co-ordination with the respective L4 tasks

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Scope

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Conceptual Design

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§ Driven by event pileup and radiation tolerance considerations in the high luminosity environmentà high granularity (transverse and longitudinal) § Transverse & longitudinal segmentation: S/N to allow for MIP calibration, two-particle separation, sampling of longitudinal development of showers, particle-flow, pileup mitigation § Precision timing: pileup mitigation

§ Cold operation: heat dissipation and noise mitigation (has mechanical implications for scintillator part of the detector) § Cost: fine-granularity scintillator media for a part of the detector § MIP calibration: S/N > 5 at end-of-life § Compactness and ease of assembly: “SiPM-on-Tile” design

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Requirements

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Conceptual Design

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Defined ¡by ¡making ¡some ¡interface ¡choices: ¡ Ø Scin*llator-­‑sensor: ¡fiber ¡or ¡fiberless ¡ Ø Sensor-­‑PCB: ¡in-­‑*le ¡or ¡surface-­‑mounted ¡on ¡PCB ¡ Ø Scin*llator-­‑PCB: ¡*les ¡or ¡*le ¡arrays ¡ Ø Scin*llator-­‑LED: ¡light ¡or ¡pulse ¡distribu*on ¡

Robust ¡w.r.t. ¡*le ¡ shape ¡ Source ¡and ¡test ¡beam ¡ measurements ¡

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Conceptual Design

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Conceptual Design

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S/N ¡(MIP) ¡> ¡5 ¡aWer ¡3000 ¡X-­‑1 ¡used ¡as ¡the ¡ criteria ¡to ¡set ¡the ¡scint.-­‑SiPM ¡boundary ¡ 30o ¡“hybrid” ¡wedges ¡(FH9 ¡onwards) ¡ Tile ¡segmenta*on ¡in ¡φ ¡is ¡1o ¡in ¡FH ¡ and ¡1.25o ¡ ¡in ¡BH ¡for ¡a ¡total ¡of ¡~400k ¡ *les ¡

η=3.0 η=2.9 η=2.7 η=2.4 η=2.2 η=2.0 η=1.8 η=1.6 η=1.48

FH Layer 10R

Whole modules : 17 Odd modules : 3

FH Layer 10R

Whole modules : 17 Odd modules : 3

η=3.0 η=2.9 η=2.7 η=2.4 η=2.2 η=2.0 η=1.8 η=1.6 η=1.48 η=1.4

BH Layer 6R

Whole modules : 6 Odd modules : 2

§ Coordination needed for:

§ Tiles à Photosensors (size, packaging, spectral response) § Tiles à Tile Board (SiPM & LED placement, cables & connectors, mechanical fixation) § Tiles à Cassette (constraints from silicon services, installation)

§ Implemented through:

§ Regular meetings (US-CMS and International) § Workshops § Planning, preparation and assembly of mechanical and realistic prototypes

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Interfaces

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§ No major issues specific to Tiles & Modules: Ø Radiation areas (e.g. FTBF): appropriate training in place Ø Sources: Lab and universities have appropriate training in place Ø SiPM operation: generally in the 25-60V range (FESHM standards) Ø UV LEDs: safety glasses Ø Lab operations: minimal hazards (soldering, epoxy etc.)

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Safety and Hazards

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R&D and Engineering

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§ Realistic and tested CALICE prototypes inform this endcap calorimeter upgrade § The prototypes cover a wide range in scintillator material, surface treatments and assembly techniques § Present R&D: Ø adapt and validate for LHC/CMS specific conditions Ø cost-performance optimization

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R&D

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§ Fermilab: F. Chlebana, J. Freeman, D. Lincoln, A. Pla, P. Rubinov § Florida State University: T. Kolberg, R. Yohay § Northern Illinois University: G. Blazey, A. Dyshkant, K. Francis, V. Zutshi

Ø Developed the “SiPM-on-Tile” concept i.e. fiberless coupling of tiles or mega-tiles to SiPMs surface-mounted on PCBs that carry both the scintillator and FEE.

§ Texas Tech University: N. Ackchurin, S. Kunori § University of Iowa: Y. Onel § University of Maryland: A. Belloni, S. Eno, G-Y Jeng § University of Rochester: A. Bodek, A. Garcia-Bellido, P. Tang

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Institutional and Personnel Involvement

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Team ¡has ¡extensive ¡experience ¡based ¡on ¡building ¡the ¡CDF ¡Plug ¡and ¡CMS ¡Barrel ¡HCal ¡ ¡

§ Choice of scintillator material and fabrication technique Ø Cast (PVT, machined), Extruded (PS, machined), Molded (PS) § Choice of assembly technique Ø Individual tiles or tile arrays § Choice of surface treatment Ø Optical isolation & containment: foils, paints, reflective epoxies etc. § Demonstrate adequate radiation hardness of above § Demonstrate thermal resilience (30C to -30C) of above § Choice of calibration system

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R&D Goals

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§ Cast scintillator Ø best LY, can be used to fabricate tiles or tile arrays Ø significant machining (planing, dimpling, grooving) § Extruded scintillator Ø lower LY by 20-30% (compared to cast) Ø still involves significant machining (dimpling, grooving) § Injection molded scintillator Ø LY similar to extruded scintillator Ø no machining (cost is in die fabrication) § Surface treatment issues are similar and depend on assembly unit

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R&D Plans (Scintillator)

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Evalua*on ¡of ¡both ¡performance ¡and ¡produc*on ¡costs ¡

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R&D Plans (Scintillator)

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§ Tiles vs Tile Arrays Ø Mechanics: differential CTE may place limits on the size of the arrays

Ø Surface treatment: tiles allow for individual wrapping (minimal x-talk but some issues); higher x-talk in tile arrays (few % per side), optical separation may be labor intensive Ø Alignment: arrays may offer an advantage Ø Assembly: most probably simpler for arrays; individual tiles would require pick and place techniques Ø Optimality is likely to be tile size dependent

§ Note that the two techniques are essentially agnostic to the type of scintillator used § Elucidation of production steps and costs by prototyping

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R&D Plans (Assembly Techniques)

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R&D Plans (Assembly Techniques)

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§ Individual Tiles § Tile Arrays

§ Key to maintaining high LY and low x-talk with implementation closely linked to assembly technique used § Note that treatment applied to sides can be different from that to faces of the tiles § ESR/VM2000: a favorite since 2005 for LY & uniformity (flourescence?) § Curiosity driven look at some newer materials § Megatile optical+structural elements (TiO2 epoxy, white RTV etc.)

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R&D Plans (Optical Isolation & Containment)

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§ Both cold and room temperature irradiations planned § Sensitivity to the dose rate § Sample list of irradiation tests planned beginning mid-Jan.:

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R&D Plans (Radiation Damage)

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R&D Plans (Bench and Test Beam)

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Test ¡Stand ¡at ¡FTBF ¡ Precision ¡X-­‑Y ¡stage ¡with ¡source ¡

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Risks

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Significant ¡batch-­‑to-­‑batch ¡response ¡varia*on ¡in ¡scin*llator ¡produc*on ¡ Significant ¡batch-­‑to-­‑batch ¡dimensional ¡tolerance ¡varia*on ¡in ¡scint. ¡produc*on ¡ Damage ¡to ¡scin*llator ¡assembly ¡from ¡thermal ¡stresses ¡ Damage ¡to ¡scin*llator ¡assembly ¡during ¡transporta*on ¡ S/N ¡performance ¡does ¡not ¡match ¡es*ma*ons ¡ ¡ S/N ¡performance ¡worsens ¡faster ¡than ¡es*mated ¡

§ Fermilab Test Beam Facility § Fermi-NIU Extruder Facility § Existing injection mold dies for prototyping § University engineering resources § University machine shops § Collaboration with international groups

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Value engineering

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Milestone ¡descrip.on ¡ Milestone ¡Date ¡ Scin*llator ¡for ¡Tile ¡Board ¡Mock-­‑up ¡ 03/31/2018 ¡ Tile ¡Board ¡Mock-­‑up ¡Assembly ¡Complete ¡ 04/30/2018 ¡ Radia*on ¡Damage ¡Tes*ng ¡Results ¡ 05/15/2018 ¡ Scin*llator ¡Material ¡& ¡Module ¡Configura*on ¡Specified ¡ 12/01/2018 ¡ Scin*llator ¡for ¡Prototype ¡Cassefe ¡ 03/31/2019 ¡ Prototype ¡Cassefe ¡Assembly ¡Complete ¡ ¡ 05/15/2019 ¡ Interfaces ¡of ¡Scin*llator ¡Assembly ¡to ¡Cassefe ¡Finalized ¡ 09/15/2019 ¡ Final ¡Validated ¡Prototype ¡Ac*ve ¡Assembly ¡ 04/15/2020 ¡ Ready ¡for ¡Produc*on ¡of ¡Scin*llator ¡Assemblies ¡ 07/28/2020 ¡ 50% ¡of ¡Produc*on ¡Complete ¡ 08/23/2022 ¡ Full ¡Produc*on ¡Complete ¡ 04/04/2023 ¡

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Milestones

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§ Fine granularity scintillator-SiPM calorimetry an excellent cost-effective choice for sections of the hadronic calorimeter § Extensive experience in the US relevant to this

• ption

§ R&D plan will cover value engineering related to scintillator production, surface treatment and assembly techniques § R&D plan will quantify both performance and production and assembly costs § Staged prototyping to make optimal use of the R&D progress

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Conclusion and Outlook

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Additional Information

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