No Slide Title

De Beetle:
een uitlees-chip voor de VELO
Introductie
De B-mesonen die bij de botsing van de protonenbundels in de LHC worden
geproduceerd, leggen gemiddeld 7 mm af alvorens ze uiteenvallen in andere
deeltjes. Met behulp van een aantal achter elkaar geplaatste silicium detectoren
wordt dit vervalpunt bepaald in de Vertex Locator.
In deze silicium detectoren zijn cirkelvormige (voor de R-detectoren) of tangentieel
(voor de -detectoren) strippen aangebracht (zie fig. 1). Geladen deeltjes produceren
door ionisatie een signaal in deze strippen. Door de signalen in opeenvolgende
detectoren te combineren kunnen de sporen van de vervaldeeltjes, en ook van het
vervalpunt, worden bepaald.
Voor de uitlezing van de silicon detectoren van de Vertex Locator (VELO) van LHCb
wordt een speciale chip ontwikkeld, de Beetle (zie fig.2).
Fig. 1. R en  strippen op
de silicium detectoren. De
diameter van de schijfjes
is 84 mm. Iedere detector
helft bevat 2048 kanalen.
Voor de uitlezing zijn 16
uitlees-chips per halve
detector vereist.
Data reductie.
De botsende LHCb bundels produceren gemiddeld één reactie per 25 ns in de LHCb detector. Als we alle deeltjes
die bij zo’n reactie vrijkomen zouden willen bewaren, zou dat betekenen dat iedere seconde een hoeveelheid
informatie ter grootte van de hard disk in een moderne computer moet worden opgeslagen. Slechts een zeer gering
aantal van de reacties gaat gepaard met de produktie van de gewenste B-mesonen. Daarom wordt met een
klokfrequentie van 40 MHz de grootte van het signaal gemeten en dit resultaat wordt tijdelijk opgeslagen in een
analoog buffergeheugen van 176 posities diep. Dit betekent dat de gebeurtenissen van de laatste 4 ms zijn
opgeslagen. Binnen 4 ms moet uit informatie van de VELO of andere delen van de LHCb detector bepaald worden
of het om een interessante gebeurtenis gaat. Zo ja, dan wordt de informatie uit het buffergeheugen gehaald en
opgestuurd naar het centrale data acquisitie systeem.
Fig. 2. Beetle chip (5.1 x 6.1 mm2).
12 van de 128 ingangskanalen zijn
voor testdoeleinden door 17 mm
dikke draadjes verbonden aan een
printplaat (links onder op de foto).
De rest zijn voedings- en controle
kanalen.
34
mm
Uitvoering
In het LHCb experiment zullen de chips zich op ongeveer 60 mm van de botsende proton bundels bevinden.
Daardoor moeten ze in een stralingsharde technologie uitgevoerd worden. Voor de ontwikkeling van de Beetle chip
is gekozen voor de 0.25 mm deep-submicron technologie van IBM.
Om de passage van een geladen deeltje door een silicon detector te kunnen meten wordt iedere strip d.m.v. een
17 mm dik draadje verbonden met een ingangskanaal van de chip (zie fig. 3 en 4).
12
mm
Fig. 3 (links): Een silicium R-detector (het
grijze binnenstuk) met 16 Beetle chips.
Iedere chip kan de informatie van 128
strips verwerken. De steekgrootte van de
silicium strips wordt aangepast aan de
pennen op de Beetle via de “pitch
adaptor”, de gouden plaatjes op de gele
ondergrond.
Fig. 4 (rechts): Close-up van de pitch
adaptor. Duidelijk zichtbaar zijn de
verbindingsdraadjes met de strippen van
de silicium detector aan de ene kant en
met de Beetle chip aan de andere kant.
Resultaten
Recentelijk zijn tests uitgevoerd met Beetle chips gebond aan prototype silicium detectoren voor de VELO. Uit de meetgegevens zijn karakteristieken
van de chip zoals pulsvorm en signaal-ruis verhoudingen bepaald. Deze voldoen aan de eerder gedefinieerde eisen voor de uitlees-chip van de VELO.
Fig. 5 (links): Pulsvorm verkregen met
de Beetle detector tijdens recente
testmetingen. De korte puls maakt dat
deeltjes uit opvolgende reacties goed
gescheiden kunnen worden.
Tijd
(ns)
Signaalgrootte
(mV)
LHCb GROEP -
Fig. 6 (rechts): De kwaliteit van de
Beetle blijkt uit deze 3D-figuur
waarin de pulsgrootte is aangegeven
als functie van het kanaalnummer
(R1-R128) en als functie van de
diepte van het buffergeheugen
(column-number).
ASIC Lab. Heidelberg -
Oxford University