Digitalizzazione del segnale del calorimetro elettromagnetico di CMS nella nuova elettronica di front-end per HL-LHC

The High-Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) project aims to increase the instantaneous luminosity of the LHC by at least a factor of 5 with respect to its design value. To obtain this result, both the LHC and the associated particle physics experiments will have to be upgraded during the Long Shutdown 3 (2025-2027). In order to keep its performance after the important increase in instantaneous luminosity during the HL-LHC phase, the front-end electronics of the electromagnetic calorimeter (ECAL) of the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment will have to be completely upgraded. The Lisbon-Torino ECAL Data Transmission Unit (LiTE-DTU) is an essential component of the new front-end electronics, with the task of digitizing, compressing and transmitting the ECAL signal. This thesis describes the characterization and the testing of the first LiTE-DTU prototype, especially the performance of the digitization performed by a 160 MHz ADC. The testing methodologies and the measurement of linearity, noise and spectral response parameters of the system will be illustrated. Subsequently, the results of the first radiation hardness tests will be reported. The linearity and noise which characterize the digitization process, measured during the first tests, fall slightly outside the requirements outlined during the development of the new electronics. Degradation in ADC performance can in part be explained by a spurious 40 MHz frequency caused by the circuit which feeds the sampling clock to the ADCs. More tests are needed in order to disentangle this contribution and to faithfully measure the digitization performance. The first radiation hardness tests, instead, do not show any significant degradation in the performance of the prototype after a 50 kGy irradiation, which remains similar to that of the non-irradiated chip.

Il progetto High-Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) ha come obiettivo l'aumento della luminosità istantanea di LHC di almeno un fattore 5 rispetto al valore di design. Per ottenere questo risultato, LHC e gli esperimenti di fisica delle particelle associati dovranno essere aggiornati durante il Long Shutdown 3 (2025-2027). Al fine di mantenere le prestazioni attuali in seguito all'importante aumento di luminosità istantanea durante la fase di HL-LHC, l'elettronica di front-end del calorimetro elettromagnetico (ECAL) dell'esperimento Compact Muon Solenoid (CMS) dovrà essere completamente sostituita. La Lisbon-Torino ECAL Data Transmission Unit (LiTE-DTU) è una componente essenziale della nuova elettronica di front-end, con il compito di digitalizzare, comprimere e trasmettere il segnale di ECAL. Questa tesi tratta la caratterizzazione ed il test del primo prototipo di LiTE-DTU, in particolare delle performance di digitalizzazione tramite ADC a 160 MHz. Verranno descritte le metodologie di test e le misure di linearità, rumore e risposta in frequenza del sistema. Si procederà poi a riportare i risultati dei primi test di radiation hardness. La linearità ed il rumore che caratterizzano il processo di digitalizzazione, misurati durante i primi test, risultano leggermente al di fuori delle specifiche delineate durante lo sviluppo della nuova elettronica. La degradazione della performance degli ADC può essere in parte spiegata con una frequenza spuria a 40 MHz causata dal circuito che fornisce il clock per il campionamento agli ADC. Sono necessari ulteriori test per separare questo contributo e per misurare correttamente la performance di digitalizzazione. I primi test di radiation hardness, d'altro canto, non mostrano una degradazione significativa delle prestazioni inseguito a 50 kGy d'irraggiamento, che rimangono simili al caso di chip non irradiato.