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L’électronique

L’acquisition des 200.000 canaux de détection du calorimètre d’Atlas nécessite une électronique adaptée. Les différentes cartes électroniques nécessaires au fonctionnement du détecteur sont conçues dans les laboratoires participants à l’expérience Atlas, et notamment au LAPP.

L’acquisition des données du calorimètre nécéssite plusieurs étapes : acquisition proprement dite, déclenchement, et calibration.

L’électronique d’acquisition, dite Front-End, a pour rôle de lire et de mettre en forme les signaux provenant des cellules de détection du calorimètre, et de stocker les informations dans une mémoire analogique. Ces cartes sont très proches du détecteur et soumises à d’intenses radiations. Elles ont donc bénéficié d’une conception spécifique pour être peu sensibles aux radiations.

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Les collisions dans le détecteur se succèdent à un rythme de 40 millions par secondes. A cette fréquence, il n’est pas possible d’enregistrer et de stocker toutes les données provenant du détecteur. Un signal déclencheur, le trigger, indique quelles informations suffisamment intéressantes pour la physique sont à récupérer dans la mémoire analogique. Les cartes Front-End numérisent alors l’information intéressante, et l’envoient à l’étage d’acquisition suivant : les cartes ROD. Ce mécanisme de trigger permet de réduire significativement le débit de données envoyé au reste de la chaine d’acquisition.

Les cartes ROD, ou Read Out Boards, reçoivent les informations du calorimètre par fibres optiques au rythme de 1.6Gbit/s depuis les cartes Front-End. Le rôle principal des cartes ROD est de convertir le signal électrique reçu du Front-End en énergie, qui est une valeur plus facilement exploitable par les physiciens. Les ROD associent également le temps d’arrivée du signal au pic d’énergie correspondant. Pour réaliser ces fonctions, les cartes ROD sont basées sur des composants électroniques programmables (FPGA) associés à des processeurs spécialisés pour le calcul (DSP). Les données sont ensuite envoyées par fibres optiques à une ferme d’ordinateurs.

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Le LAPP à entièrement conçu et supervisé la réalisation des cartes ROD. Le fonctionnement du calorimètre à Argon Liquide et la lecture des 200.000 canaux de détection nécessite au total l’utilisation de 192 cartes RODs.

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Le vieillissement du détecteur et de l’électronique, les variations dans les processus de fabrications des cellules de détection du calorimètre, ou encore la température sont autant de paramètres susceptibles de modifier le signal provenant des cellules du détecteur. Afin de s’affranchir de ces fluctuations, il est nécessaire d’injecter dans les cellules de détection un signal connu, afin de pouvoir corriger le signal de réponse. Pour ce faire, le LAPP, associé à d’autres laboratoires, a conçu la carte Calibration. Cette carte a pour rôle d’injecter un signal de référence dans chacune des cellules du calorimètre. Chaque carte est capable de gérer 128 cellules.

Lors de la phase II d’amélioration du détecteur Atlas prévu vers 2018, une grande partie de l’électronique du détecteur devra etre remplacée, et ce pour deux raisons principales : le vieillissement des cartes électroniques, qui augmente la possibilité de panne, et les limitations du processus de sélection des données (trigger) en termes de granularité, de latence et de bande passante, qui seront clairement insuffisantes face à l’augmentation de la luminosité délivrée par le LHC lors de la phase II.

La chaine de sélection doit donc être améliorée avec une électronique adaptée en termes de vitesse d’acquisition ( 800Gbps/carte) et de traitement des données. le LAPP s’occupe actuellement de concevoir un tout nouveau type de cartes dédiées au trigger. Pour cette prochaine carte, il est prévu de s’affranchir du signal trigger qui arrive sur les cartes Front-End, ce qui permettra une plus grande souplesse dans le choix des collisions intéressantes pour la physique.

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Pour cette phase de développement, le LAPP travaille sur un démonstrateur permettant de valider un certain nombre de points, notamment la possibilité de recevoir et de renvoyer un tel débit de données, la capacité à réaliser les calculs dans le temps imparti et la maîtrise du standard ATCA (Standard de systèmes électroniques largement utilisé pour les télécommunications). Ce démonstrateur sera installé sur le détecteur en 2013. Il sera capable de recevoir et d’émettre des données sur 24 fibres optiques simultanément, avec un débit de 8.5 Gigabits par seconde.




mis à jour le mardi 21 mars 2017

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