Progetto Low Voltage MDT
Matteo Beretta
Agostino Lanza
CSN1, 06 aprile 2004
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Caratteristiche generali
• Per limitare la dissipazione di potenza nei cavi al di sotto del 20%, i distributori LV devono essere
posizionati in vicinanza delle camere.
• Per evitare dissipazione della potenza non inviata al carico all’interno dei distributori, ovvero della
caverna, questi ultimi devono essere realizzati con convertitori DC-DC.
• Il sistema e’ quindi composto da distributori, piazzati nei rack sulle impalcature intorno ad Atlas, e
da generatori DC primari che alimentano i convertitori DC-DC, posizionati nella sala chiamata
US15, dove i livelli di radiazione e di campo magnetico sono molto bassi. La distanza fra i
distributori e gli MDT varia tra un minimo di pochi metri fino ad un massimo inferiore ai 30 m. La
distanza fra i distributori e i generatori primari e’ invece dell’ordine di 100 m.
• Il controllo del sistema (DCS) risiede invece nella sala chiamata USA15. La distanza fra il controllo
e i distributori e’ dell’ordine di 100 m.
• I distributori devono risiedere in crate di dimensioni compatibili con i rack di Atlas (90 cm di
profondita’ per 19” di larghezza) ed essere propriamente raffreddati. A causa della presenza del
campo magnetico, e’ necessario che il sistema di raffreddamento sia ad acqua, o che i crate siano
compatibili con il sistema di raffreddamento misto aria/acqua, sviluppato appositamente dal Cern
per funzionare in ambiente magnetico.
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Caratteristiche generali
• Per ragioni economiche, il sistema prevede di alimentare due MDT in parallelo con un singolo
canale.
• La tensione di uscita dei distributori deve essere sufficientemente alta da evitare che gli
stabilizzatori da 3.3V del front-end funzionino vicino al loro limite di tensione inferiore (4V), e deve
essere sufficientemente bassa da evitare un’eccessiva dissipazione interna agli stabilizzatori.
Quindi la tensione di uscita dei distributori deve essere compresa in una finestra da 5 a 7 V.
• Per ragioni di spazio, cavi di sense non sono previsti. La tensione di uscita deve quindi essere
programmabile a livello del singolo canale.
• La corrente minima richiesta ad ogni canale dipende dal numero di schede (mezzanini) di frontend presenti su ciascun MDT. Varia da un minimo di circa 9A ad un massimo di 17A, considerando
2 MDT per canale.
• Il sistema di controllo deve raccogliere in tempi ragionevoli, inferiori al minuto, tutti i parametri di
tutti i canali. Deve quindi essere basato su protocolli veloci ma seriali, per minimizzare il diametro
dei cavi. CANbus e’ un buon esempio di protocollo efficiente in questo senso.
• La gestione del sistema deve consentire accessi remoti e fornire interfacce software che lo
facilitino. Esso deve quindi essere dotato di OPC server.
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Potenza dissipata
Gli MDT da alimentare sono 1168, suddivisi in 656 nel Barrel (8054 mezzanini di front-end) e 512
negli Endcap (6760 mezzanini di front-end).
Gli assorbimenti di corrente misurati al testbeam H8 hanno confermato i valori aspettati di 0.4 A
per mezzanino e 1 A per CSM. Di conseguenza, la corrente totale per l’MDT piu’ grande, 18
mezzanini e 1 CSM, e’ di 8.2 A. La corrente totale per l’intero rivelatore e’ di 7.1 kA.
La potenza dissipata dal rivelatore, supposti 5 V di ingresso al front-end, e’ di 35.5 kW.
I cavi che alimentano gli MDT, uno per camera, hanno una lunghezza media di 25 m, sono
composti da 4 conduttori di 6 mm2, per un totale di 24 mm2 di sezione, e sono schermati. La caduta
di tensione sul singolo cavo medio e’ di 0.63 V, quindi la potenza dissipata dai cavi e’ di 4.5 kW.
La potenza che devono fornire i distributori LV e’ quindi di 40 kW. Tenendo un margine di
sicurezza medio del 30%, la potenza installata deve essere di 52 kW, a cui si somma la
dissipazione interna dei distributori, valutabile intorno al 20% della potenza installata. La potenza
totale in ingresso ai distributori deve quindi essere di 63 kW.
Considerando sempre un margine del 30%, la potenza fornita dai generatori primari per
alimentare i distributori deve essere di 82 kW. Il valore finale di progetto e’ di 85 kW.
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Condizioni ambientali
L’ambiente in cui dovranno operare i distributori, a circa 12 m dal
centro di interazione, e’ radioattivo e con presenza di forte campo
magnetico. I valori minimi richiesti sono, dalle “Atlas self-extraction
tables”:
- TID: 180 Gy integrati su 10 anni
- NIEL: 1.2 * 1012 neutroni/cm2 integrati su 10 anni
- SEE: 2.6 * 1011 adroni/cm2 integrati su 10 anni
- campo B: 100 mT in qualsiasi direzione
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Layout Generale
Main Controller
LV and HV
distributor
&
Local
Controller
LV and HV
Generators
La figura illustra la posizione delle due sale di controllo USA15 e US15 relativa ad Atlas.
Il sistema di controllo di HV e LV degli MDT sara’ installato nei rack disponibili in USA15 ,
mentre i generatori di potenza primari per HV e LV saranno ospitati nei rack di US15.
Le distanze fra i rack e gli MDT sono stimate essere mediamente di 25 m, mentre quelle
fra i rack e le sale USA15 e US15 sono circa 120 m.
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Layout dei rack
I distributori LV sono inseriti nei rack posizionati sulla struttura metallica che circonda Atlas,
tranne che per le Big Wheel e le Outer Wheel. Questa scelta e’ determinata dalla
necessita’ di minimizzare la lunghezza dei cavi che portano le correnti di alimentazione al
front-end degli MDT.
Il numero di crate e rack riportato sotto si riferisce all’ultima versione della tabella di
assegnazione dei rack, in cui alle camere di ciascun settore del Barrel sono assegnate le
specifiche posizioni dei corrispondenti crate di alimentazione LV e HV. Le assegnazioni per
Big Wheel e Outer Wheel sono state proposte recentemente, e sono in via di approvazione
da parte del Technical Coordination.
Crates LV
Racks (con HV)
Barrel
16
8
EIL4 + EEx
2
1
Small Wheel
2
1
Big Wheel
4
4 miniracks
Outer Wheel
4
4 miniracks
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Rack per Barrel e SW, lato USA15
Attuale layout della disposizione dei rack in Atlas per il Barrel e le Small Wheel, lato USA15. I rack per i distributori
HV e LV degli MDT sono evidenziati. Piccoli cambiamenti sono stati proposti al TC per minimizzare la lunghezza dei
cavi LV
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Rack per Barrel, lato US15
Attuale layout finale della disposizione dei rack in Atlas per il Barrel e le Small Wheel, lato US15. I rack per i
distributori HV e LV degli MDT sono evidenziati. Piccoli cambiamenti sono stati proposti al TC per minimizzare la
lunghezza dei cavi LV
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Raffreddamento dei crate
Il gruppo Cern TS-LEA ha disegnato un sistema di raffreddamento utilizzabile sui rack di Atlas.
Esso e’ composto da un’unita’ (alta 4U) contenente due ventilatori assiali schermati contro il campo
magnetico, da uno o piu’ scambiatori di calore (alti 1U) alimentati ad acqua, e da un deflettore di
aria, alto 2U. La schermatura e la particolare composizione dei ventilatori ne consente il
funzionamento fino a 0.15 T.
Ventilatore assiale con
gabbia di scoiattolo in
materiale composito. Il
motore del ventilatore e’
elettrico, e schermato con
una blindatura di ferro dolce
L’unita’ di ventilazione
con due ventilatori
schermati in
posizione. Il peso
dell’unita’ e’ di circa
30 kg
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Lo scambiatore di calore usato per il
raffreddamento ad acqua. E’
composto da una serpentina a cui
viene collegato il circuito ad acqua.
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Raffreddamento dei crate
Tangential Fans
4U
High Voltage Crate
6U
High Voltage Splitter Crate
6U
Heat Exchanger
1U
45U
Low Voltage Crate
COLD AIR
Deflector
2U
19”
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Il funzionamento
del sistema di
raffreddamento
del Cern e’
rappresentato in
figura. L’aria viene
fatta circolare
dalle turbine
HOT AIR
verso i lati del rack,
che sono chiusi. Il
deflettore in fondo
convoglia l’aria
verso i crate, e gli
scambiatori di
calore intermedi la
raffreddano. La
figura rappresenta
la struttura tipica di
un rack standard.
La potenza
dissipabile dal sistema e’ di circa 4 kW.
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Stato dei sistemi candidati
I sistemi investigati come possibili candidati sono stati tre:
1) Progetto custom, Atlas Tile,
2) Sistema EASY di CAEN e
3) Sistema Maraton di Wiener.
Progetto Tile: a novembre 2003 un convertitore DC-DC e’ stato testato per la prima
volta in campo magnetico al Cern. A poco piu’ di 20 mT e’ bruciato. Attualmente, il
progettista sta ridisegnando il convertitore DC-DC per avere almeno un fattore due
di sicurezza sul livello di B previsto per il Tile, appunto di 20 mT. Il raggiungimento
del livello di campo magnetico per gli MDT, 200 mT, non e’ previsto nemmeno in
questa nuova versione.
Il progetto Tile non soddisfa le richieste degli MDT in termini di campo magnetico, e
di conseguenza non e’ piu’ considerato come candidato.
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Stato dei sistemi candidati
Sistema EASY: prodotto da Caen,fornisce sia LV
che HV, con loro possibile combinazione nello
stesso crate, ed e’ commercializzato dal
novembre 2003.
E’ gia’ stato adottato dalla maggior parte dei
rivelatori di CMS.
E’ composto da distributori LV (o HV) con
modularita’ variabile operanti in area ostile, e
dotati di controllore incorporato. Essi sono gestiti
da un mainframe della famiglia SY1527 operante
in area sicura (USA15). Necessita di generatori a
48 VDC operanti in area sicura (US15).
Le specifiche tecniche soddisfano ampiamente le
richieste degli MDT. Deriva direttamente dai
prototipi SASY, testati numerose volte da gruppi
Atlas e CMS sia in radiazione che in campo B.
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Stato dei sistemi candidati
Sistema Maraton: e’ la versione funzionante in campo magnetico del PL500-F12
della Wiener. Il sistema e’ prossimo alla commercializzazione.
Un crate puo’ ospitare fino a 12 moduli operanti in area ostile. Il controllo e’ effettuato
tramite CANbus con interfaccia operante in area sicura (USA15). Necessita di
generatori a 300 VDC operanti in area sicura (US15).
Le specifiche tecniche soddisfano ampiamente le richieste degli MDT, con ancora
qualche dubbio per B. Test in B sono al momento in corso a cura del pool elettronico
del Cern, e i risultati sono parzialmente disponibili da fine gennaio 2004.
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Test di funzionalita’
Per verificare la funzionalita’ del collegamento in parallelo di due camere sullo stesso canale di LV,
sono state fatte misure sui 12 MDT operanti in H8 a settembre 2003. Purtroppo al momento del test il
fascio era gia’ terminato, quindi si sono potute fare solo misure di rumore, e in condizioni non
controllate.
Come esempio, sotto e’ mostrato il grafico di rumore per una delle due BOL, le camere con maggiore
assorbimento di corrente. Il grafico e’ relativo ad un run in cui la camera era alimentata
indipendentemente dalla seconda BOL, e ad un run in cui la camera era alimentata in parallelo con la
seconda BOL.
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Test di funzionalita’
Dei 12 MDT presenti in H8, 10 non hanno mostrato significative variazioni di rumore,
mentre due hanno evidenziato un incremento di circa il 60%. Date le condizioni (poco)
operative del testbeam al momento del test, non e’ stato possibile appurare l’origine
dell’incremento.
E’ stata fatta anche un’analisi sulle correlazioni temporali delle camere collegate in
parallelo, per verificare l’eventuale presenza di crosstalk. Dai risultati non sono emersi
prestazioni anomale.
La conclusione attuale e’ che alimentare due MDT con lo
stesso canale LV non sembra avere evidenti
controindicazioni. E’ comunque necessario verificare che
anche le prestazioni fisiche (efficienza, risoluzione) delle
camere non subiscano effetti negativi, quindi alla ripresa
di H8, a maggio, saranno analizzati run di muoni con le
camere collegate in entrambe le configurazioni.
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Richieste finanziarie
Oltre al taglio di meta’ dei canali, ottenuto alimentando due MDT in parallelo,
la seconda novita’ introdotta rispetto al progetto iniziale presentato nel 2003
riguarda la caveria, di cui ora viene chiesto il finanziamento per la sola parte
italiana.
Questo punto, che consente all’INFN un risparmio di circa 85 k€, e’ stato
discusso a lungo e alla fine accettato dalla collaborazione MDT. L’ordine della
caveria sara’ fatto centralmente al Cern, e ciascun gruppo fornira’ il
finanziamento per la propria quota di MDT.
Al momento, i costi dei due sistemi candidati sono noti con un dettaglio
sufficiente a consentire una valutazione precisa delle richieste. La tabella che
segue riflette l’offerta piu’ economica, e include anche il 5% in piu’ di canali
necessari per la certificazione rad hard e B. Non sono comprese in tabella le
spese di missione e di costo del fascio per effettuare i test di rad hard e B,
che saranno richieste alla CSN1 non appena saranno fissate le date dei test.
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Stima dei costi
Costo unitario (k€)
quantita’
Costo totale (k€)
0.53/canale
620 canali
328.8
0.0004/W
85 kW
34
1.5
16
24
Cavi per generatori primari
0.0035/m
5.6 km
19.6
Cavi LV
0.0035/m
5.5 km
19.3
0.005
210
1.0
0.0017/m
4.0 km
6.8
voce
Distributori, crate e controller
Generatori primari
Raffreddamento
Lavorazioni cavi LV e connettori
Cavi e conn comunicazione
Totale
433.5
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Piano Finanziario
Sono gia’ stati assegnati a Pavia per il 2004 120 k€ per l’acquisto della caveria,
e 30 k€ s.j. alla presentazione e approvazione del progetto finale. Con la
riduzione a 20 k€ del costo della caveria, comunque, la cifra finanziata e’
sufficiente anche per avviare la gara.
Il piano finanziario e’ diviso in soli due anni, poiche’ il sistema deve essere
completato entro il 2005, e prevede:
-nel 2004, 120 k€ + 30 k€ di sblocco s.j. per caveria e avviamento gara
- nel 2005, 283.5 k€ per completamento sistema e conclusione gara.
In alternativa, e’ possibile eliminare il s.j. del 2004 e aumentare della stessa
cifra il finanziamento 2005.
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Schedula delle due gare
Nella seconda meta’ di maggio sara’ ottimizzato il grounding di tutte le
camere presenti ad H8, e saranno presi dati con camere alimentate
indipendentemente una dall’altra e con camere alimentate in parallelo sullo
stesso canale.
Se i risultati saranno soddisfacenti, a giugno sara’ avviata la gara per
l’elettronica del sistema.
La gara dei cavi LV potra’ essere iniziata non appena la collaborazione
otterra’ i pledge dalle funding agencies. Essa sara’ condotta dal Cern.
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