Characterisation of the ATLAS ITK Strips Front-End Chip and Development of EUDAQ 2.0 for the EUDET-Style Pixel Telescopes

Abstract

As part of the ATLAS phase-II upgrade a new, all-silicon tracker will be built. The new tracker will consist of silicon pixel sensors and silicon microstrip sensors. For the readout of the microstrip sensor a new readout chip was designed; the so called ATLAS Binary Converter 130 (ABC130) which is based on a 130 nm CMOS technology. The chip consists of an analog Front End built up of 256 channels, each with a preamplifi er and a discriminator for converting the analog sensor readout into a binary response. The preamplifi er of the ABC130 was designed to have a gain of 90 − 95 mV/fC. First laboratory measurements with the built-in control circuits have shown a gain of < 75 mV/fC. In the course of this thesis a test beam campaign was undertaken to measure the gain in an unbiased system under realistic conditions. The obtained gain varied from ≈ 90 mV/fC to ≈ 100 mV/fC. With this, the values obtained by the test beam campaign are within the specifi cations. In order to perform the test beam campaign with optimal effi ciency, a complete overhaul of the data acquisition framework used for the EUDET type test beam telescopes was necessary. The new version is called EUDAQ 2.0. It is designed to accommodate devices with different integration times such as LHC-type devices with an integration time of only 25ns, and devices with long integration times such as the MIMOSA26 with an integration time of 114.5µs. To accomplish this a new synchronization algorithm has been developed. It gives the user full fl exibility on the means of synchronizing their own data stream with the system. Beyond this, EUDAQ 2.0 also allows user specifi c encoding and decoding of data packets. This enables the user to minimize the data overhead and to shift more computation time to the offl ine stage. To reduce the network overhead EUDAQ 2.0 allows the user to store data locally. The merging is then postponed to the offl ine stage.

Als Teil des ATLAS Phase-II Upgrades wird ein neuer Spurdetektor gebaut, der vollständig auf Siliziumtechnologie basiert. Der neue Spurdetektor wird aus einem Siliziumpixelsensor und einem Siliziummikrostreifensensor bestehen. Zur Auslese des Mikrostreifensensors wurde auf Basis der 130 nm CMOS Technologie ein neuer Auslesechip entwickelt: der sogenannte ATLAS Binary Converter 130 (ABC130). Der Chip besteht aus einer analogen Eingangsstufe mit 256 Kanälen. Jeder Kanal besitzt einen Vorverstärker und einen Diskriminator zur Umwandlung der analogen Sensorauslese in ein binäres Signal. Der Vorverstärker wurde geplant mit einer Verstärkung von 90 − 95 mV/fC. Erste Labormessungen mit der eingebauten Kontrollschaltung haben eine Verstärkung von < 75 mV/fC ergeben. Im Laufe dieser Dissertation wurde eine Testbeamkampagne unternommen, um die Verstärkung unverfälscht und unter realistischen Bedingungen messen zu können. Die gemessene Verstärkung variiert von ≈ 90 mV/fC bis ≈ 100 mV/fC. Damit liegen die von der Testbeamkampagne erhalten Werte innerhalb der Spezifi kationen. Um die Testbeamkampagne mit der größtmöglichen Effi zienz durchzuführen, war es notwendig, das Data-Akquisition Framework, welches für die EUDET Type Testbeam-Teleskope verwendet wird, komplett zu überarbeiten. Die neue Version wird EUDAQ 2.0 genannt. Es wurde zur Handhabe von Geräten mit unterschiedlichen Integrationszeiten entwickelt, wie zum Beispiel LHC typische Geräte mit einer Integrationszeit von nur 25ns, und Geräte mit einer langen Integrationszeit wie zum Beispiel der MIMOSA26 mit einer Integrationszeit von 114.5µs. Um das zu erreichen, wurde ein neuer Synchronisationsalgorithmus entwickelt. Dieser gibt den Benutzern volle Freiheit über die Art und Weise, wie sie ihren Datenstrom mit dem System synchronisieren. Des Weiteren erlaubt EUDAQ 2.0 auch das benutzerdefi nierte Encoding und Decoding von Datenpaketen. Damit kann der Benutzer den Datenoverhead verringern und mehr Rechenzeit zum Offl inestate verlagern. Um den Netzwerk-Overhead zu reduzieren, ermöglicht es EUDAQ 2.0 auch, dass Benutzer Daten lokal speichern können. Das Zusammenführen der Daten geschieht dann Offline.