T11: Scintillator Material & Tiles Vishnu Zutshi, L4 Manager, [402.04.06.01] November 30, 2017
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Conceptual Design T11: ¡Scin*llator ¡Material ¡and ¡Tiles ¡ Zutshi, ¡2017 ¡November ¡30 ¡ 3 ¡
Requirements § Driven by event pileup and radiation tolerance considerations in the high luminosity environment à 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 T11: ¡Scin*llator ¡Material ¡and ¡Tiles ¡ Zutshi, ¡2017 ¡November ¡30 ¡ 4 ¡
Conceptual Design 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 ¡ T11: ¡Scin*llator ¡Material ¡and ¡Tiles ¡ Zutshi, ¡2017 ¡November ¡30 ¡ 5 ¡
Conceptual Design T11: ¡Scin*llator ¡Material ¡and ¡Tiles ¡ Zutshi, ¡2017 ¡November ¡30 ¡ 6 ¡
Conceptual Design FH Layer 10R η =1.48 Whole modules : 17 Odd modules : 3 η =1.6 η =1.4 η =1.8 η =1.48 η =2.0 η =1.6 η =2.2 η =1.8 η =2.4 η =2.0 FH Layer 10R η =2.7 Whole modules : 17 η =2.9 Odd modules : 3 η =3.0 η =2.2 η =2.4 η =2.7 BH Layer 6R η =2.9 Whole modules : 6 η =3.0 Odd modules : 2 30 o ¡“hybrid” ¡wedges ¡(FH9 ¡onwards) ¡ Tile ¡segmenta*on ¡in ¡φ ¡is ¡1 o ¡in ¡FH ¡ and ¡1.25 o ¡ ¡in ¡BH ¡for ¡a ¡total ¡of ¡~400k ¡ S/N ¡(MIP) ¡> ¡5 ¡aWer ¡3000 ¡X -‑1 ¡used ¡as ¡the ¡ *les ¡ criteria ¡to ¡set ¡the ¡scint.-‑SiPM ¡boundary ¡ T11: ¡Scin*llator ¡Material ¡and ¡Tiles ¡ Zutshi, ¡2017 ¡November ¡30 ¡ 7 ¡
Interfaces § 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 T11: ¡Scin*llator ¡Material ¡and ¡Tiles ¡ Zutshi, ¡2017 ¡November ¡30 ¡ 8 ¡
Safety and Hazards § 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.) T11: ¡Scin*llator ¡Material ¡and ¡Tiles ¡ Zutshi, ¡2017 ¡November ¡30 ¡ 9 ¡
R&D and Engineering T11: ¡Scin*llator ¡Material ¡and ¡Tiles ¡ Zutshi, ¡2017 ¡November ¡30 ¡ 10 ¡
R&D § 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 T11: ¡Scin*llator ¡Material ¡and ¡Tiles ¡ Zutshi, ¡2017 ¡November ¡30 ¡ 11 ¡
Institutional and Personnel Involvement § 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 Team ¡has ¡extensive ¡experience ¡based ¡on ¡building ¡the ¡CDF ¡Plug ¡and ¡CMS ¡Barrel ¡HCal ¡ ¡ T11: ¡Scin*llator ¡Material ¡and ¡Tiles ¡ Zutshi, ¡2017 ¡November ¡30 ¡ 12 ¡
R&D Goals § 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 T11: ¡Scin*llator ¡Material ¡and ¡Tiles ¡ Zutshi, ¡2017 ¡November ¡30 ¡ 13 ¡
R&D Plans (Scintillator) Evalua*on ¡of ¡both ¡performance ¡and ¡produc*on ¡costs ¡ § 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 T11: ¡Scin*llator ¡Material ¡and ¡Tiles ¡ Zutshi, ¡2017 ¡November ¡30 ¡ 14 ¡
R&D Plans (Scintillator) T11: ¡Scin*llator ¡Material ¡and ¡Tiles ¡ Zutshi, ¡2017 ¡November ¡30 ¡ 15 ¡
R&D Plans (Assembly Techniques) § 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 T11: ¡Scin*llator ¡Material ¡and ¡Tiles ¡ Zutshi, ¡2017 ¡November ¡30 ¡ 16 ¡
R&D Plans (Assembly Techniques) § Individual Tiles § Tile Arrays T11: ¡Scin*llator ¡Material ¡and ¡Tiles ¡ Zutshi, ¡2017 ¡November ¡30 ¡ 17 ¡
R&D Plans (Optical Isolation & Containment) § 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 (TiO 2 epoxy, white RTV etc.) T11: ¡Scin*llator ¡Material ¡and ¡Tiles ¡ Zutshi, ¡2017 ¡November ¡30 ¡ 18 ¡
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