Design and development of the Level-1 Data Driver Card (L1DDC) for the New Small Wheel upgrade of the ATLAS experiment at CERN

Το ATLAS είναι ένα από τα τέσσερα ϐασικά πειράµατα που ϐρίσκονται στο µεγάλο επιταχυντή αδρονίων του CERN. Στις µελλοντικές αναβαθµίσεις οι ανιχνευτές που ϐρίσκονται στους εσωτερικούς τροχούς που ονοµάζονται Small Wheels, ϑα αντικατασταθούν από ανιχνευτές νέας γενιάς, οι οποίοι προσφέρουν δυνατότητες σκανδαλισµού και τροχιών ακριβείας. Η αναβάθµιση αυτή κρίθηκε αναγκαία από τις υψηλές ϱοές σωµατιδίων (µέχρι 15 kHz/cm2), απο την υψηλή ακτινοβολία που αναµένεται κατά τη διάρκεια του Run-3 (2021-2023) και την µέγιστη στιγµιαία ϕωτεινότητα 7.5 × 1034 cm−2s−1 στον Υψηλής Φωτεινότητας Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (µετά το 2026). Ο αϱιθµός των αλληλεπιδράσεων ανά διέλευση δέσµης (κάθε 25 ns) ϑα αυξηθεί στις 140, µε αποτέλεσμα ένα δραµατικά µεγάλο όγκο παραγόµενων δεδοµένων. Οι ανιχνευτές του New Small Wheel ϑα µπορούν να λειτουργούν σε υψηλές ταχύτητες µε εξαιρετική χωρική και χρονική ανάλυσησε πραγµατικό χρόνο. Οι νέοι ανιχνευτές αποτελούνται από τους αντιστατικούς ϑαλάµους micromegas και τους small-strip Thin Gap Chambers. Ωστόσο, ακτινοβολία έως 1700 Gy (στην εσωτερική ακτίνα) και το µαγνητικό πεδίο µέχρι 0.4 T στην περιοχή του τελικού καλύµµατος, δηµιουργούν ένα εχθρικό περιβάλλον για τα ηλεκτρονικά. Για την ανάγνωση του υψηλού αριθµού ηλεκτρονικών καναλιών (περίπου 2.1 εκατοµµύρια για τους micromegas και περίπου 332 χιλιάδες κανάλια για τους small-strip Thin Gap Chamber) και για την αντοχή στο τόσο δυσχερές περιβάλλον πρέπει να κατασκευαστούν και να εγκατασταθούν νέα ηλεκτρονικά. Επιπροσθέτως, πρέπει να εφαρµοστούν µηχανισµοί διόρθωσης για ανατροπές µεµονωµένων συµβάντων (Single Event Upsets (SEU) - αλλαγή της κατάστασης που προκαλείται όταν ένα σωµατίδιο υψηλής ενέργειας χτυπάει σε µια µικρο-ηλεκτρονική συσκευή) προκειµένου να διασφαλιστεί η ακεραιότητα των µεταδιδόµενων δεδοµένων. Η όλη διαδροµή ανάγνωσης και σκανδαλισµού του New Small Wheel επανασχεδιάστηκε και περιλαµβάνει την κατασκευή νέων ηλεκτρονικών καρτών και ολοκληρωµένων κυκλωµάτων ειδικού σκοπού συµβατών ακόµη και µε τις ϱοές των δεδοµένων του Run-3. Η ανάπτυξη των καρτών περιελάµβανε µια σειρά από πρότυπες κάρτες και τον εκτενή έλεγχό τους µεµονωµένα αλλά και σαν µέρος του τελικού συστήµατος. Επίσης πραγµατοποιήθηκε σηµαντική µελέτη για να µπορέσουν οι κάρτες αυτές να είναι συµβατές ακόµα και για τις µελλοντικές (και πιο απαιτητικές) αναβαθµίσεις του πειράµατος. Μέχρι σήµερα έχουν κατασκευαστεί και ελεγχθεί οκτώ διαφορετικές εκδόσεις των καρτών αυτών. Τα τελευταία πρότυπα, έπειτα από αποσφαλµάτωση αποτελούν και τις κάρτες αναφοράς για τη µαζική παραγωγή κατά την οποία ϑα παραχθούν συνολικά 1056 κάρτες Level-1 Data Driver Card. Πρόσθετα για τις ανάγκες του πειράµατος αλλά και για έναν πιο ολοκληρωµένο έλεγχο των καρτών και του τελικού συστήµατος σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν µια σειρά από τελικές κάρτες, κάρτες διανοµής συνεχούς ϱεύµατος και µια σειρά από ϐοηθητικές κάρτες. Στόχος της διδακτορικής διατριβής ήταν η έρευνα και ανάπτυξη της κάρτας Level-1 Data Driver Card που αποτελεί µέρος της αλυσίδας ανάγνωσης δεδοµένων και των δύο τεχνολογιών ανιχνευτών και αποτελείται από εξαρτήµατα ανθεκτικά στην ακτινοβολία.