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Desmantelamiento de las tarjetas ROS-25 de CMS en el LHC

 

12/04/2018

Partículas elementales y astropartículas

Tras 10 años desde su instalación en el detector CMS (Compact Muon Solenoid) del CERN, se ha procedido a desmantelar durante esta parada técnica 2017-2018 el sistema de lectura de segundo nivel ROS-25 (Read Out Server) que se verá sustituido con una nueva electrónica de mayores prestaciones.

 
 

El CIEMAT lleva participando en el experimento CMS del LHC (Large Hadron Collider) del CERN desde su concepción, centrando su contribución al detector fundamentalmente en las cámaras de muones. Se realizó la construcción de un 25% de las cámaras de deriva y se diseñó y fabricó la electrónica de lectura de primer y segundo nivel (el sistema ROS-25). También se participó con la electrónica del sistema de alineamiento. Estas tareas se han desarrollado en un trabajo conjunto entre la División de Física Experimental de Altas Energías del Departamento de Investigación Básica y la División de Tecnología de Instrumentación Científica del Departamento de Tecnología.

  

Las tarjetas ROS-25 fueron diseñadas y validadas en el CIEMAT durante los años 2005-2007 por el equipo de Carlos Willmott y Cristina F. Bedoya. Es una tarjeta que sigue el formato VME de dimensiones 9U de 400 mm de profundidad que se aloja en el chasis del Sector Collector, también diseño específico del CIEMAT. En total se instalaron 60 tarjetas ROS-25 que han permitido la lectura de las 1.500 tarjetas ROB, situadas en las cámaras de deriva de CMS y encargadas de la digitalización temporal de las señales procedentes del paso de muones por las cámaras. Cada ROS lee 25 enlaces de 240 Mbps procedentes de cada ROBs (cuatro cámaras de deriva o un sector de una rueda de CMS) y transmite su información mediante un enlace de fibra óptica a 800 Mbps al siguiente nivel de la cadena de lectura del sistema de adquisición de datos de CMS. La tarjeta ROS multiplexa los datos de entrada, gestiona ráfagas de alta ocupación, y crea un evento sincronizado con el resto de los detectores de CMS y con la información de cruce de haces del LHC, requiriéndose una lógica inteligente que va más allá de un sistema intermedio de almacenamiento y multiplexación. Otra tarea de especial importante es la de realizar diversas labores de verificación de la integridad de los datos garantizando la coherencia y validez de los mismos. Estas tareas se han realizado mediante la interconexión de 6 dispositivos FPGAs Xilinx Spartan II que se intercomunican para la gestión de la información y su procesado.

  

La tarjeta ROS-25 ha estado tomando datos en colisiones de forma muy satisfactoria desde el año 2009 hasta la actualidad, contribuyendo así a la medida de los muones del barril de CMS, de gran importancia para análisis de física como el propio descubrimiento del bosón de Higgs. Su operación ha sido muy fiable y ha funcionado perfectamente tanto en las condiciones de radiación presentes en la caverna como en las condiciones desfavorables de eventos ruidosos debido a descargas de los detectores RPCs (Resistive Plate Chambers). Gracias al personal del CIEMAT encargado de la operación del detector, se han realizado las intervenciones y desarrollado los mecanismos de recuperación de errores necesarios para solventar cualquier tipo de problema relacionado con la toma de datos del sistema.

  

La electrónica de las tarjetas ROS-25 se diseñó para operar en las condiciones medioambientales de la caverna de CMS, dónde los niveles de campo magnético que se esperan son de 0,04 Teslas, la fluencia de neutrones de 4 1010 cm-2, la fluencia de partículas cargadas de 108 cm-2 y la dosis integrada de 0,4 Gy. Durante la parada técnica de 2013-2014 se procedió a reubicar la tarjeta ROS-25 en la sala de control de CMS, añadiendo una etapa de conversión de cobre a fibra óptica para las señales de 240 Mbps que permitió cubrir la distancia añadida de 60 metros. Esta reubicación era necesaria para poder realizar la actualización por el sistema uROS en una parada técnica corta como la de 2017-2018.

  

El colisionador LHC está siguiendo un plan de actualización durante estos años que le permite alcanzar luminosidades instantáneas hasta un factor 2 la planeada (2 1034cm-2s-1) antes de la gran parada técnica de 2023-2025. Eso quiere decir que los detectores deben ser capaces de soportar este factor 2 de ocupación, radiación y tasas de datos por encima de los requisitos de diseño. Se realizaron simulaciones de la velocidad de procesado esperada por la tarjeta ROS-25 y se comprobó que para esas luminosidades instantáneas había un riesgo elevado de ineficiencias creadas por la reducida velocidad de procesado de la tarjeta. Por ello, se ha procedido al rediseño de esta electrónica por el nuevo sistema uROS como parte del programa de actualización de la electrónica de CMS llamado Phase 1 (actualizaciones anteriores a 2023).

  

El equipo del CIEMAT que se ha encargado durante estos años de la instalación, operación, mantenimiento y desmantelamiento de esta electrónica ROS-25 está liderado por el Dr. Ignacio Redondo e incluye al ingeniero David Redondo y al técnico David Francia, especialista en actividades de instalación en las infraestructuras de CMS.

  

Imágenes:

  

1. Imagen del crate ROS-25 con 12 tarjetas ROS instaladas y cableadas en la caverna de CMS del CERN.

  

2. Imagen de la tarjeta ROS-25 con las distintas tarjetas piggy conectadas.

  

3. Imagen del tamaño de los sucesos de las tarjetas DDU que leían 12 tarjetas ROS-25 durante su operación en tomas de datos en CMS.

  

4. Imagen del crate Sector Collector tras la actualización de la parada técnica de 2013-2014 en la que se ubicó en la sala de control USC de CMS.

  
Desmantelamiento de las tarjetas ROS-25 de CMS en el LHC Desmantelamiento de las tarjetas ROS-25 de CMS en el LHC Desmantelamiento de las tarjetas ROS-25 de CMS en el LHC Desmantelamiento de las tarjetas ROS-25 de CMS en el LHC