Experimental studies for the validation of the opto-electronic components for the LHCb RICH Upgrade

Lo scopo principale dell'esperimento LHCb è quello di studiare i decadimenti rari e la violazione di CP negli adroni contenenti quark b e c. Per aumentare la statistica di questi processi rari, l'esperimento LHCb sarà aggiornato durante lo spegnimento tecnico di LHC del 2019/2020. Il rivelatore Ring Imaging Cherenkov (RICH) di LHCb è responsabile dell'identificazione delle particelle (Particle Identification, PID) dell'esperimento, ma gli attuali rivelatori di fotoni ibridi (Hybrid Photon Detector, HPD) e l'elettronica di lettura devono essere sostituiti per conformarsi all'aumento di 5 volte della luminosità istantanea. In questa tesi vengono presentati i test effettuati per la validazione della catena optoelettronica che verrà installata nel rivelatore RICH durante l’aggiornamento. Il CLARO ASIC è un discriminatore-amplificatore a 8 canali, ed è il componente principale dell'elettronica dell’aggiornamento del RICH che leggerà i nuovi tubi fotomoltiplicatori a multi anodo (Multi-anode Photo Multiplier Tube, MaPMT). La resistenza della radiazione del CLARO è stata convalidata utilizzando fasci di ioni carichi, fasci di protoni e campo di radiazione misto. La dose ionizzante totale (Total Ionizing Dose, TID) prevista per l’ambiente di LHCb per la durata dei Run III + IV (2021-2029) è di 200 krad, cioè 3x1012 1-MeV neq/cm2. Il CLARO è stato testato utilizzando ioni ad alto trasferimento lineare di energia (LET) per caratterizzare la sua tolleranza a Single Events Effects (SEE). I test sono stati condotti a Louvain-La-Neuve (BE) e Legnaro (IT), ed è stata eseguita una caratterizzazione completa di SEU e SEL. Inoltre, l'ASIC è stato testato con protoni a 24 GeV/c fino ad una TID di 14 Mrad presso l'impianto IRRAD del CERN e con campo di radiazione misto presso l'impianto CHARM del CERN. Un prototipo del rivelatore aggiornato RICH di LHCb è stato testato nella North-Area del CERN utilizzando un fascio di adroni carichi a 180 GeV/c. Lo scopo del test era quello di caratterizzare l'intera catena optoelettronica e di caratterizzare il comportamento del CLARO in un sistema strutturalmente simile alla configurazione del RICH aggiornato in un ambiente il più simile possibile a quello in cui opererà il rivelatore dopo l’aggiornamento. Il prototipo, con la catena optoelettronica completa, ha dimostrato di funzionare correttamente nelle condizioni a cui è stato sottoposto. Nell'ultima parte della tesi sono riportati i test di validazione sui componenti optoelettronici LHCb RICH Upgrade. I componenti, CLARO, Front-End Boards (FEB) e Celle Elementari (EC), sono stati validati utilizzando procedure di Quality Assurance (QA) e protocolli di test dedicati. Sono stati sviluppati script di analisi dedicati per analizzare i dati dei test. I risultati dei test sono utilizzati per creare un profilo di caratterizzazione completo delle prestazioni delle EC. Per ogni EC vengono creati file dedicati contenenti i loro parametri più importanti (dei canali CLARO, dei MaPMT e di tutti gli altri componenti) che saranno caricati sul database LHCb per essere utilizzati durante la messa in funzione del nuovo RICH.

The main aim of the LHCb experiment is to study rare decays and CP violation in hadrons containing b and c quarks. To increase these rare processes statistics, the LHCb experiment will be upgraded during the LHC technical shutdown of 2019/2020. The LHCb Ring Imaging Cherenkov (RICH) detector is responsible for the Particle Identification (PID) of the experiment, but the current Hybrid Photo Detectors (HPDs) and the readout electronics have to be replaced in order to comply with the 5-fold increase in instantaneous luminosity. In this thesis the test performed to validate the opto-electronic chain which will be installed in the upgraded RICH are presented. The CLARO ASIC is an 8-channel discriminator-amplifier which is the core component of the RICH Upgrade electronics and will read out the new Multi-Anode Photo Multiplier Tubes (MaPMTs). The CLARO radiation hardness has been validated using charged ion beams, proton beams and mixed irradiation field. The Total Ionizing Dose (TID) expected in the LHCb environment for the Run III + IV (2021-2029) duration is 200 krad, i.e. 31012 1-MeV neq/cm2. The CLARO was tested for Single Event Effects (SEEs) using high Linear Energy Transfer (LET) ions in Louvain-La-Neuve and Legnaro, and a complete characterization of SEU and SEL was performed. In addition, the ASIC has been tested with 24 GeV/c protons up to a TID of 14Mrad at the CERN IRRAD facility and in a mixed field environment at the CERN CHARM facility. A prototype of the LHCb RICH Upgrade detector has been tested at the North-Area at CERN using a 180 GeV/c charged hadron beam. Aim of the test was to test the full opto-electronic chain in a realistic environment and to characterize the CLARO behaviour in a system structurally close to the upgraded LHCb RICH setup. The RICH prototype, with the full opto-electronic chain, has been proved to work correctly in a realistic environment. In the last part of the thesis the validation tests on the LHCb RICH Upgrade opto-electronic components are reported. The components, CLAROs, Front-End Boards (FEBs) and Elementary Cells (ECs), have been validated using dedicated Quality Assurance (QA) procedures and test protocols. Dedicated analysis script have been developed to analyse the QA tests data. The results from the QA tests are used to create a complete characterization profile of the ECs performances. Dedicated files for each EC containing their most important parameters (of CLARO channels, MaPMTs and of all the other components) are created and will be loaded on the LHCb database to be used during the upgrade RICH commissioning.