Published April 1, 2020 | Version v1
Publication Open

Phase I Upgrade of the Readout System of the Vertex Detector at the LHCb Experiment

Creators

  • 1. Universidade de Santiago de Compostela
  • 2. University of Liverpool
  • 3. European Organization for Nuclear Research
  • 4. National Institute for Subatomic Physics
  • 5. University of Glasgow
  • 6. University of Manchester
  • 7. Lomonosov Moscow State University
  • 8. AGH University of Krakow
  • 9. Universidade Federal do Rio de Janeiro
  • 10. University of Bristol
  • 11. University of Oxford
  • 12. University of Warwick

Description

This article describes the high-speed system designed to meet the challenging requirements for the readout of the new pixel VErtex LOcator (VELO) of the upgraded LHCb experiment. All elements of the electronics readout chain will be renewed to cope with the requirement of ~40-MHz full-event readout rate. The pixel sensors will be equipped with VeloPix ASICs and placed at ~5 mm from the Large Hadron Collider (LHC) beams in a secondary vacuum tank in an extremely high and nonhomogeneous radiation environment. The front-end (FE) ASICs with the highest occupancy will have to cope with pixel-hit rates above ~900 Mhits/s using up to four 5.13-Gb/s data readout links. Each module comprises six VeloPix ASICs, wire-bonded to two FE hybrid boards, while a third hybrid will employ a GBTx ASIC as the control interface. High-speed data will reach the wall of the vacuum chamber through low-mass flexible copper tapes. A custom board routes the signals outside the vacuum tank. On the air side, an optical and power board converts the electrical high-speed signals into optical signals for transmission from the underground cavern to the off-detector electronics that process data and send them to a farm of computers for further analysis. Several tests allowing the validation of the system are described here with special emphasis on a test with proton beams that confirms the correct operation of the whole readout hardware.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تصف هذه المقالة النظام عالي السرعة المصمم لتلبية المتطلبات الصعبة لقراءة جهاز بيكسل VErtex LOcator الجديد (VELO) لتجربة LHCb المطورة. سيتم تجديد جميع عناصر سلسلة قراءة الإلكترونيات للتعامل مع متطلبات معدل قراءة الحدث الكامل ~ 40 ميغاهرتز. سيتم تجهيز مستشعرات البكسل بأجهزة VeloPix ASIC ووضعها على بعد حوالي5 مم من حزم مصادم الهدرونات الكبير (LHC) في خزان تفريغ ثانوي في بيئة إشعاعية عالية للغاية وغير متجانسة. سيتعين على أجهزة ASIC الأمامية (FE) ذات الإشغال الأعلى التعامل مع معدلات ضرب البكسل التي تزيد عن 900 ميجا هرتز/ثانية باستخدام ما يصل إلى أربعة روابط لقراءة البيانات بسرعة 5.13 جيجابايت/ثانية. تتكون كل وحدة من ستة أجهزة VeloPix ASIC، مربوطة بسلك بلوحين هجينين FE، بينما سيستخدم هجين ثالث ASIC GBTx كواجهة تحكم. ستصل البيانات عالية السرعة إلى جدار غرفة التفريغ من خلال أشرطة نحاسية مرنة منخفضة الكتلة. تقوم لوحة مخصصة بتوجيه الإشارات خارج خزان التفريغ. على الجانب الهوائي، تقوم لوحة بصرية وقوية بتحويل الإشارات الكهربائية عالية السرعة إلى إشارات بصرية للإرسال من الكهف تحت الأرض إلى الإلكترونيات غير الكاشفة التي تعالج البيانات وترسلها إلى مجموعة من أجهزة الكمبيوتر لمزيد من التحليل. يتم وصف العديد من الاختبارات التي تسمح بالتحقق من صحة النظام هنا مع التركيز بشكل خاص على اختبار باستخدام حزم البروتون التي تؤكد التشغيل الصحيح لأجهزة القراءة بأكملها.

Translated Description (French)

Cet article décrit le système haute vitesse conçu pour répondre aux exigences difficiles pour la lecture du nouveau pixel VErtex LOcator (VELO) de l'expérience LHCb mise à niveau. Tous les éléments de la chaîne de lecture électronique seront renouvelés pour répondre à l'exigence d'un taux de lecture complet d'environ40 MHz. Les capteurs de pixels seront équipés d'ASIC VeloPix et placés à ~5 mm des faisceaux du Grand collisionneur de hadrons (LHC) dans un réservoir à vide secondaire dans un environnement de rayonnement extrêmement élevé et non homogène. Les ASIC frontaux (FE) avec le taux d'occupation le plus élevé devront faire face à des taux de réception de pixels supérieurs à ~900 Mhits/s en utilisant jusqu'à quatre liaisons de lecture de données de 5,13 -Gb/s. Chaque module comprend six ASIC VeloPix, reliés par fil à deux cartes hybrides FE, tandis qu'un troisième hybride utilisera un ASIC GBTx comme interface de contrôle. Les données à grande vitesse atteindront la paroi de la chambre à vide grâce à des rubans de cuivre flexibles de faible masse. Une carte personnalisée achemine les signaux à l'extérieur du réservoir à vide. Côté aérien, une carte optique et d'alimentation convertit les signaux électriques à grande vitesse en signaux optiques pour transmission de la caverne souterraine à l'électronique hors détecteur qui traite les données et les envoie à une batterie d'ordinateurs pour une analyse plus approfondie. Plusieurs tests permettant la validation du système sont décrits ici avec un accent particulier sur un test avec faisceaux de protons qui confirme le bon fonctionnement de l'ensemble du matériel de lecture.

Translated Description (Spanish)

Este artículo describe el sistema de alta velocidad diseñado para cumplir con los desafiantes requisitos para la lectura del nuevo píxel VErtex LOcator (VELO) del experimento LHCb actualizado. Todos los elementos de la cadena de lectura electrónica se renovarán para cumplir con el requisito de una tasa de lectura de evento completo de ~40 MHz. Los sensores de píxeles estarán equipados con ASIC VeloPix y colocados a ~5 mm de los haces del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en un tanque de vacío secundario en un entorno de radiación extremadamente alto y no homogéneo. Los ASIC front-end (FE) con la mayor ocupación tendrán que hacer frente a tasas de píxeles por encima de ~900 Mhits/s utilizando hasta cuatro enlaces de lectura de datos de 5,13 Gb/s. Cada módulo comprende seis ASIC VeloPix, unidos por cable a dos placas híbridas FE, mientras que un tercer híbrido empleará un ASIC GBTx como interfaz de control. Los datos de alta velocidad llegarán a la pared de la cámara de vacío a través de cintas de cobre flexibles de baja masa. Una placa personalizada dirige las señales fuera del tanque de vacío. En el lado del aire, una placa óptica y de alimentación convierte las señales eléctricas de alta velocidad en señales ópticas para su transmisión desde la caverna subterránea a la electrónica fuera del detector que procesa los datos y los envía a una granja de ordenadores para su posterior análisis. Aquí se describen varias pruebas que permiten la validación del sistema, con especial énfasis en una prueba con haces de protones que confirma el correcto funcionamiento de todo el hardware de lectura.

Files

08976212.pdf.pdf

Files (245 Bytes)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:8b753b8af2d593fd42012702681a8c09
245 Bytes
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
ترقية المرحلة الأولى من نظام قراءة كاشف الرأس في تجربة LHCb
Translated title (French)
Phase I Mise à niveau du système de lecture du détecteur de sommet à l'expérience LHCb
Translated title (Spanish)
Fase I Actualización del sistema de lectura del detector de vértices en el experimento LHCb

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3003306063
DOI
10.1109/tns.2020.2970534

Is supplement to
https://openalex.org/W4287979269 (Other)
https://openalex.org/W4287109485 (Other)
https://openalex.org/W4206718347 (Other)
https://openalex.org/W2996776943 (Other)
https://openalex.org/W2753789788 (Other)
https://openalex.org/W2327291875 (Other)
https://openalex.org/W2070473608 (Other)
https://openalex.org/W2052422954 (Other)
https://openalex.org/W2048764743 (Other)
https://openalex.org/W2042435403 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Brazil

References

  • https://openalex.org/W1971466559
  • https://openalex.org/W1972762514
  • https://openalex.org/W1998413428
  • https://openalex.org/W2038001003
  • https://openalex.org/W2040294259
  • https://openalex.org/W2045411719
  • https://openalex.org/W2080567190
  • https://openalex.org/W2180392816
  • https://openalex.org/W2518926630
  • https://openalex.org/W2543450122
  • https://openalex.org/W2971667190