RiunionerefereesBelle2 11 Se0embre2014 Introduzione’...Belle 11/09/2014( 3 Time (h) 0 50 100 150...

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Belle Riunione referees Belle2 11 Se0embre 2014 Introduzione Update on R&D and upgrade ac@vi@es Future ac@vi@es Richieste 2015 C. Cecchi for the ECLIT group 11/09/2014 1

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Belle

Riunione  referees  Belle2  11  Se0embre  2014  

-­‐   Introduzione  

-­‐   Update  on  R&D  and  upgrade  ac@vi@es  -­‐ Future  ac@vi@es  

-­‐     -­‐   Richieste  2015  

C.  Cecchi  for  the  ECL-­‐IT  group  

11/09/2014   1  

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Introduc@on  

-­‐ This  R&D  has  started  to  demonstrate  the  feasibility  of  using  pure  CsI  crystals  with  APD  readout  for  the  BelleII  experiment  (could  be  adopted  by  other  experiments).  -­‐   Why  APD’s  and  no  photopentodes  (BelleII  proposal)?    mechanics,  space,  redundancy,  cost    -­‐   At  the  last  meeJng  in  May  we  have  presented  the  progress  made  in  this  R&D  studying  different  aspects  of  two  APD’s:  LAAPD  from  Hamamatsu  and  APD  from  Excelitas.  -­‐   The  study  has  covered  many  fundamental  points  to  eventually  qualify  such  photodetectors  in  order  to  be  used  with  pure  CsI  crystals:  

-­‐   gain  of  the  APD’s  for  different  bias  voltages  checking  that  a  minimum  difference  between  the  applied  voltage  and  the  breakdown  point  was  present  -­‐   sum  up  the  signal  of  the  2(4)  LAAPD’s  (Excelitas)  before  the  shaping  to  check  that  a  good  signal  was  present    -­‐   shaping  of  the  signal  to  gain  in  the  raJo  S/N  and  to  obtain  a  good  value  of  the  equivalent  noise  energy  (fixed  for  our  caloriemter  at  1  MeV)  -­‐   check  of  the  gain  variaJon  with  the  temperature  with  calibrated  sensors    

All  this  has  showed  good  results  compa@ble  with  our  requirements  

We  have  also  shown  that  there  is  a  possibility  of  readout  the  pure  CsI  crystals  with  two  small  photopentodes  (1”  instead  of  2”  preserving  the  redundancy)  

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Time (h)0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Ampl

itude

(A.U

.)

0.9

0.95

1

1.05

1.1

LAAPD vs Time

LAAPD 4932

LAAPD 4936

Time (h)0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Am

plitu

de (A

.U.)

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

LAAPD vs Time

LAAPD 4932

LAAPD 4936

R&D  LAAPD:  long  term  stability  (NEW)  

Stability  within  1.4%  before  a  drop  we  suppose  caused  by  the  umidity.  Nitrogen  finished  during  vacaJon  in  August!  

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ENE  for  APD’s:  final  results  for  the  lab  measurements  

Our  requirement  is  to  have  ENE<  1MeV  

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R&D  ac@vi@es  for  CsI  +  APD:  We  have  decided  to  use  the  LAAPD  from  Hamamatsu  

as  photodetectors  for  the  final  step:  TEST  BEAM  BTF  O0obre  2014  

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End  of  R&D  CsI  +  APD’s:  test  beam  

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Matrix  of  4x4  pure  CsI  crystals  with  LAAPD  Hamamatsu  photosensors.  

Material  is  available  and  already  tested.  

To  be  fixed:  temperature  sensors  have  to  be  placed  near  APD’s,    material  has  been  ordered  

Matrix  will  be  assembled  and  tested  with  cosmic  rays  star@ng  from  end  of  September.  Move  to  BTF  end  of  October    data  analysis  to  be  completed  by  end  2014  

End  of  R&D  pure  CsI  +  APD:  TEST  BEAM  

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-­‐ We  presented  the  uSOP  (Service  Oriented  Plaaorm  for  slow  control)  -­‐   Designed  as  a  possible  general  placorm  for  Belle2  slow-­‐controls  -­‐   status  of  the  hardware  good:  assembly  of  a  protoJpe  during  the  summer  then  test,  debugging  -­‐   Status  of  the  sodware  good  and  well  progressing  

Summary  of  what  you  have  seen  about  the    control  system  (monitoring  of  volatges,  temperatures…)    

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BelleAnd  then….  

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Now  we  are  confident  that  CsI  +  APD  can  make  a  good  calorimeter  for  the  BelleII  experiment  purposes……  

-­‐  SJll  to  be  checked:  radiaJon  hardness  of  pure  CsI  crystals,  but  also  of  CsI(Tl)  (actual  ECL  Belle)  crystals  because  we  want  to  know  if  all  the  ECL  has  to  be  replaced  or  only  a  part  and  eventually  which  part.  

-­‐   Rad  hard  of  APD’s  

-­‐   ECL  group  gave  us  CsI(Tl)  crystals  from  Belle  to  irradiate    them  and  study  their  radiaJon  hardness        

Theta  ID  

First  and  mandatory  is  to  know  the  level  or  radia@on  present  in  the  region  of  the  detector  that  we  are  studying,  unfortunately  this  is  not  really  known  at  the  moment!  

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Belle

       Op@cal  characteriza@on  of  coupling  materials         Transmi0ance  (long-­‐trasv)  and  LY  measurements  of  CsI                  

 crystals    

Dry  box    and  Lumen  spectrophotometer    

     R&D  on  wavelength  shifers  (CsI  emission  toward  blue  region)       APD  irradia@on  (gamma,  neutrons)  

25m2  dark  room  with  air  condiJoning  built  for  CMS-­‐ECAL  R&D  

Dry  box  for  LY  meas.  

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R&D  CALLIOPE:  ac@vi@es  for  BelleII  

11/09/2014  

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Belle

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R&D  ac@vi@es  in  Italy  Test  di  qualifica  di  colle  grassi  ogci  +  irraggiamen@  

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BelleOne  of  the  most  used  opJcal  coupling  materials  (scinJllator-­‐photodetector)    High  Transmihance  ,  sample  thickness  dependent      Abrupt  transmihance  drop    in  the  UV  range  (270-­‐280  nm)  

Measurements  are  made  on  BC630    applied  on  quartz  substrate  

(quartz  light  ahenuaJon  is  always  subtracted)  using  Perkin-­‐Elmer  Lambda  950  spectrophotometer  +  integraJng  sphere  

BC630  opJcal  grease  

12  

Before  irradiaJon  

BC630  

Quartz  

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Belle

13  

Dose/Fluence  

13.2  Gy  

530  Gy  

1500  Gy  

1x1013  n/cm2  

Gamma  irradia2on  

1  mm  on  quartz  support  

770  micron  self-­‐standing  disk    

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Belle

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Radia@on  hardness  study  of  CsI(Tl)  at    ENEA  Casaccia  

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Belle

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BelleII  requirements  and  goal  of  the  study  

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Belle

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CsI(Tl)  crystal  measurements  

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Belle

Transmihance  spectra  of  CsI:Tl  AM005  and  AM006  

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afer  irradia@on:  •  transmihance  decreases  in    the  whole  range  •   no  evidence  of  Tl  absorpJon  peaks  (300-­‐600  nm)  •   parJal  recovery  ader  the  end  of  irradiaJon  

%T  error:    ±  2%  

Crystals  stored  in    dry  air  atmosphere  

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BelleRadiaJon  damage  evaluaJon  of  Cs:Tl  

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RadiaJon  Induced  AbsorpJon  Coefficent  (μ)  

used  to  quanJfy  color  center  formaJon  due  to    ionizing  radiaJon  

µ =1dln T0

T!

"#

$

%&

Gamma  irradia@on  tests:  

Dose  rate:      5  Gyair/h  

Total  absorbed  dose:        up  to  88  Gy  (Amcrys  005)    

                             up  to  142  Gy  (Amcrys  006)  

Irradia@on  condi@ons:      in  Argon  atm.,  at  RT,  keeping  the  crystals  in  the  dark  

430  nm  

520  nm  

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BelleCsI(Tl)  Amcrys  LY  pre-­‐post  irradiaJon  

•  Two  CsI(Tl)  samples  irradiated  up  to  142  Gy  TID  with  gammas  

•  LY  measured  with  137Cs  source,  PMT+QDC,  AC-­‐coupling    

htempEntries 10001Mean 959.2RMS 569

QDC0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

0

100

200

300

400

500

htempEntries 10001Mean 959.2RMS 569CH0

htempEntries 10001Mean 1129RMS 715.6

QDC0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

0

50

100

150

200

250

300

350

400

htempEntries 10001Mean 1129RMS 715.6CH0

Before  irradiaJon  

Solid:  Am006  Dashed:  Am005  

Solid:  Am006  Dashed:  Am005  

Ader  irradiaJon  

Time from irradiation (h)0 100 200 300 400 500 600 700

LY (a

.u.)

0

200

400

600

800

1000

CsI longitudinal LY (137Cs)

Black:  Am006  Blue:  Am005  

Before  irradiaJon  

LY  signal  covered  by  fluorescence  

Caveat:  LY  signal  ader  irradiaJon  could  be  reduced  by  unpredicted  long  term  fluorescence  due  to  AC-­‐coupling  to  FEE  

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Belle

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Radia@on  hardness  study  of  APD’s  at    ENEA  Casaccia  

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Belle

11/09/2014   21  

LAAPD  gamma  irradiaJon  

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Belle

11/09/2014   22  

LAAPD  gamma  irradiaJon:  GAIN  

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Belle

11/09/2014   23  

LAAPD  gamma  irradiaJon:  Dark  Current  

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Belle

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LAAPD  gamma  irradiaJon:  Recovery  of  DC  

A0en@on!  Expected  dose  at  BelleII:  13  Gy/year  

New  campaign  next  week  at  the  same  dose  per  day  expected  at  the  experiment.  See  if  increasing  of  DC  at  this  doses  is  immediately  recovered.  NEUTRONS  to  be  done  

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BelleExcelitas  APD  gamma  and  neutron  irradiaJon  

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Two  Excelitas  APDs  were  irradiated  with  photons  at  Calliope:  –  Total  Ionizing  Dose  108  Gy  – Gain  measurements  with  increasing  dose,  temperature  correcJon  applied  

No  significant  effect  of  TID  on  APD  gain  

APD  gain  vs.  Vbias  

The  same  samples  were  irradiated  with  fast  (0.1-­‐10  MeV)  neutrons  at  Tapiro,  up  to  a  fluence  of  1x1013  n/cm2  (10  years  x5  of  B2)  

–  One  device  was  biased  during  irradiaJon  –  Secondary  photons  TID  less  than  Calliope  test  

Excelitas  APDs  show  a  significant   loss   in  Quantum  Efficiency  ader  1x1013  n/cm2  :  •  Main  component  is  probably  due  to  damage  to  

resin  cover  

•  Slight  difference  could  be  due  to  biasing  during  irradiaJon  (silicon  oxides  damage)  

unbiased biased

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Belle

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Qualifica@on  of  pure  CsI  crystals  from  Optomaterials  at    ENEA  Casaccia  

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BellePure  CsI  Optomaterials:  Light  Yield  

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               PMT  

distance from PMT (mm)0 50 100 150 200 250 300 350

p.e.

/MeV

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

Optomaterials 1

Optomaterials 2

Amcrys AM02

CsI longitudinal LY (137Cs)

Longitudinal  LY  variaJon:  Optomaterials  <  5%  Amcrys  <  10%  

Measured  without  wrapping  and  without  opJcal  grease  

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BelleConclusions  on  irradiaJon  test  

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Belle

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R&D  ac@vi@es  Piani  futuri  a  breve  e  medio  termine  

Irraggiamen@  Studio  livelli  radiazione  

Simulazione  de0agliata  e  performance  ECL  

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-­‐   50%  del  finanziamento  per  l’upgrade  dell’intero  calorimetro  (Canada)  non  è  stato  approvato,  richiesta  nuova  tra  due  anni  -­‐   Richieste  da  parte  dei  gruppi  di  Novosibirsk  e  Giapponesi  sono  in  corso  -­‐   Un  proposal  dedicato  all’upgrade  di  ECL  FWD  è  in  fase  di  scri0ura  da  u@lizzare  come  documento  per  le  richieste  di  fondi  alle  agenzie  finanziatrici  

-­‐   I  NOSTRI  PIANI  LEGATI  ALLE  RICHIESTE  DEL  2015  NON  CAMBIANO!  

-­‐   Optomaterials  e  la  qualifica  della  loro  produzione  di  cristalli  è  di  fondamentale  importanza  non  solo  per  il  calorimetro  di  BelleII.  

-­‐   Uno  studio  più  approfondito  per  l’upgrade  è  assolutamente  necessario,  non  è  sufficiente  quanto  è  stato  fa0o  per  il  TDR    da  me0ere  nel  proposal  

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ECL  FWD  upgrade:  futuro  prossimo  

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a)  From  0  to  8  b)  From  1  to  8  

a)  672  pure  CsI  +  480  CsI(Tl)  b)  48  CsI(Tl)    +  624  pure  CsI  +  480  CsI(Tl)  c)  48(?)  +  720  pure  CsI  +  384  CsI(Tl)  (exclude  1st  

layer  from  trigger  and  maintain  same  number  of  trigger  cells)    

c)  From  1  to  9  

Replacement  of  the  rings:  complete  or  par@al?  

Theta  ID  

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-­‐   Studio  dei  livelli  di  radiazione  nel  FWD  sono  fondamentali  per  poter  organizzare  una  corre0a  campagna  di  irraggiamen@  alle  dosi    corre0e.  

 CsI:  LY  and  longitudinal  transmihance  measurements  ader  irradiaJon   CsI(Tl)  Belle:  characterizaJon  ader  irradiaJon  and  recovery  of  3  crystals  

 by  cosmic-­‐rays  set-­‐up   by  T  and  LY  measurements   as  reference    

 CsI  &  CsI(Tl):  radiaJon  damage  and  recovery  by  means  of  opJcal  characterizaJon  and  LY  measurements.     AMCRYS  +  Optomaterials  crystals  will  be  compared  

   Neutron  irradiaJon  on  APD’s  and  quantum  efficiency  test  

ECL  FWD  upgrade:  agvità  2015  (irraggiamen@  e  test)  

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-­‐   Studio  dei  livelli  di  radiazione  -­‐   simulazioni  sono  in  corso  con  diverse  @pologie  di  shielding  -­‐   non  esistono  simulazioni  per  la  parte  di  radiazione  durante  l’iniezione  della  macchina  

-­‐   Una  volta  no@  i  livelli  di  radiazione  è  necessario  fare  uno  studio  di  quali  ring  sono  a  rischio  danneggiamento    studiare  la  risoluzione  del  calorimetro  in  funzione  della  variazione  di  Light  Yield  per  ogni  ring    estrapolare  il  minimo  numero  di  ring  necessari  per  mantenere  le  performance  del  calorimetro  richieste.  -­‐   Studio  della  risposta  del  rivelatore  con  even@  di  fisica  (ricostruzione  pi  zero  e  poi  canali  di  decadimento  importan@  per  ECL)  prima  in  funzione  della  variazione  del  LY  con  la  radiazione  e  poi  in  funzione  della  sos@tuzione  dei  ring  danneggia@  di  CsI(Tl)  con  CsI  puro.  

-­‐   sofware  e  tools  tu0o  da  implementare  in  full  sim,  non  esiste  una  fast  sim  in  BelleII,  s@amo  me0endo  su  un  gruppo  di  lavoro  su  questo  argomento.    

ECL  FWD  upgrade:  2015    (sofware  and  simula@on)  

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Richieste  

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Belle AnJcipi  2015  

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SJ  avanzato  14Keuro  (PG)  +  7Keuro  (NA)  consumi    costruzione  apparaJ  (56Keuro)  non  uJlizzaJ      TOT  =  77  Keuro  

 vorremmo  tenerli  per  acquistare  uno  spehrofluorimetro  per  la  qualifica  dei  cristalli  +  acquisto  cristalli  richiesJ  per  il  2015  

Diventa  di  fondamentale  importanza  dopo  il  primo  test  di  produzione  di  Optomaterials  che  ha  avuto  esito  assolutamente  posiJvo  e  quindi  molto  promehente.  

Spehrofluorimetro  32Keuro  +  IVA    =  38  Keuro  (contributo  da  Roma1  DOT  3  Keuro)  Cristalli  Optomaterials  42  Keuro  

TOT  =  80  Keuro  

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BACKUP  SLIDES  

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R&D  ac@vi@es  in  Italy  LAAPD  

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R&D  LAAPD:  control  of  the  gain  

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R&D  LAAPD:  signal  afer  shaping  for  the  two  APD’s  and  for  the  sum  

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R&D  LAAPD:  shaper  sofware  

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R&D  ac@vi@es  in  Italy  LAAPD  temperature  stability  studies  

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R&D  LAAPD:  calibrazione  del  sensore  di  temperatura  

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R&D  LAAPD:  dipendenza  del  guadagno  dalla  temperatura  

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R&D  LAAPD:  noise  equivalente  in  funzione  della  temperatura  

C)°Temperature (14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35

ENE

(MeV

)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3 LAAPD1LAAPD2LAAPD Sum

ENE (SHP) - Temperature Dependency

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R&D  ac@vi@es  in  Italy  APD  excelitas  

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R&D  excelitas:  ampiezza  degli  APD  e  noise  equivalente  per  due  APD’s  per  cristallo  

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R&D  excelitas:  test  con  4  APD’s  per  cristallo  

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R&D  excelitas:  ampiezza  APD  e  noise  equivalente  per  double  sampling  e  dopo  lo  shaping  lineare  

Double  sampling  CSP  level  

Linear  shaping  

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R&D  ac@vi@es  in  Italy  1”  photopentodes  2/cristallo  

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No  Lead  absorber  

With  lead  absorber  

R&D  PP  2”:  comparison  with  and  wo  absorber  

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R&D  PP  1”:  raw  energy,  channel  equaliza@on,    S/N  ra@o  

Correla@on  of  the  two  channels  afer  correc@on  

Signal/noise  on  ch1  =  49.  Assuming  a  that  muon  delivers  30  MeV    noise  level  is  about  650  KeV  

Signal  to  noise  ra@o  on  ch2  =  76  under  the  same  assump@on  We  es@ate  a  noise  level  of  about  400  KeV  

No  shaping  has  ever  been  applied  to  This  analysis    

Raw  energy  

S/N  

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R&D  PP  1”:  S/N  ra@o  channels  combina@on  

Signal  to  noise  ra@o  is  78.  

We  do  not  gain  much  from  channels  combina@on.  

It  is  maybe  due  to  the  huge    difference  between  the  2  photopentodes    

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R&D  ac@vi@es  in  Italy  uSOP  (Service  Oriented  Plaaorm  for  slow  control)  

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•  Cortex  A8  uP  @  1GHz  •  Linux  OS  (Debian)  •  2  GB  Flash  •  512  MB  RAM  •  Designed  as  a  

possible  general  placorm  for  Belle2  slow-­‐controls  

•  Designed  for  easy  manteinability  

•  3U  Eurocard  form  factor  

•  Derived-­‐from  and  compaJble-­‐with  BeagleBoneBlack  open  source  project  

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uSOP:  REV  B  

USB  (device)  

Ethernet  

USB  (host)  uSD  

LEDs  

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•  Design  of  first  version  (Rev.  B)  completed  •  5  PCBs  produced  and  received  •  WaiJng  for  components:  – Two  ICs  in  back-­‐order:  16  weeks  delivery  Jme  from  RS,  Digi-­‐Key,  Mouser,  …  

– Looking  for  alternaJve  suppliers  (brokers,  …)  •  Assembly  completed  possibly  by  end  of  June  (condiJoned  by  component  availability)  

•  Then  tests,  debug,  troubleshooJng,  …  56  

uSOP:  Project  Status  of  the  HW  

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•  Linux  porJng  is  available  open-­‐source  (Debian)  •  Sodware  for  JTAG  programming  of  Xilinx  FPGA  completed  and  tested  

successfully  •  Sodware  for  ADC  read-­‐out  via  I2C  in  progress  •  Sodware  for  IPMI(*)-­‐like  features  in  progress  

•  Hot  spots:  –  IntegraJon  in  EPICS  –  DefiniJon  of  high-­‐level  sodware  architecture  :  

•  push  vs.  pull  •  publish/subscribe    •  synch.  vs.  asynch  •  Network  usage  and  role  •  web  or  stand-­‐alone  GUI  

*Intelligent  Placorm  Management  Interface  

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uSOP:  Project  Status  of  the  SW  

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•  In  this  revision,  uSOP  does  not  include  peripherals.  Instead,  it  supports  protocols  for  remote  data  acquisiJon  via  field  busses  (I2C,  SPI,  JTAG,  …)  

•  For  temperature  monitoring  in  Belle2,  LTC2499  seems  to  be  a  perfect  candidate:  –  24-­‐bit,  ΣΔ  architecture  –  50/60  Hz  line  noise  filter  –  7.5  Hz  sampling  Rate  –  Direct  Sensor  DigiJzer    –  Direct  Temperature  Measurement  –  I2C  interface  

•  uSOP  can  be  directly  interfaced  with  the  DC1012A-­‐A  board  available  from  Linear  Tecnology  for  performance  evaluaJon  

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uSOP:  Temperature  monitoring  

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