Brainstorming session on electronics lab at IFJ PAN

Poniżej odpowiedź na pytanie "jak Pani/Pana środowisko może pomóc w tworzeniu laboratorium elektronicznego w IFJ PAN?"

Organizacja i wyposażenie laboratorium

1. Dobór i specyfikacja aparatury pomiarowej – konsultacje w zakresie wyposażenia laboratorium w uniwersalną aparaturę pomiarową i diagnostyczną, dostosowaną do planowanych prac badawczo-rozwojowych.

2. Dobór specjalistycznej aparatury do badań krzemowych fotopowielaczy (SiPM) – opracowanie wymagań i specyfikacji sprzętu pomiarowego we współpracy z zespołami IFJ PAN posiadającymi doświadczenie w jego użytkowaniu.

3. Konsultacje dotyczące oprogramowania laboratoryjnego – dobór narzędzi do projektowania elektroniki, symulacji obwodów, akwizycji danych, automatyzacji pomiarów i analizy wyników.

4. Dobór i specyfikacja wyposażenia do montażu elektroniki – doradztwo w zakresie stanowisk lutowniczych, sprzętu do montażu i demontażu komponentów SMD oraz wyposażenia do prototypowania i napraw układów elektronicznych.

Wsparcie działalności laboratorium

1. Wsparcie projektowania zaawansowanych obwodów drukowanych (PCB) – konsultacje dotyczące projektowania wielowarstwowych PCB, układów analogowych, cyfrowych i mieszanych, z uwzględnieniem integralności sygnałów, zasilania i wymagań technologicznych.

2. Transfer doświadczenia w zakresie produkcji i montażu elektroniki – doradztwo dotyczące przygotowania dokumentacji produkcyjnej, doboru dostawców komponentów, producentów PCB i firm świadczących usługi montażu elektronicznego (PCBA).

3. Transfer wiedzy w zakresie projektowania systemów zasilania – konsultacje dotyczące niskoszumnych, wielokanałowych systemów zasilania, układów zabezpieczeń, monitorowania parametrów oraz cyfrowego zarządzania zasilaniem, m.in. z wykorzystaniem PMBus.

4. konsultacje eksperckie i przeglądy projektów – opiniowanie koncepcji technicznych, schematów elektronicznych i projektów PCB, identyfikacja potencjalnych problemów oraz rekomendowanie rozwiązań konstrukcyjnych.

5. Wsparcie uruchamiania, diagnostyki i testowania urządzeń – pomoc w opracowywaniu procedur pomiarowych, weryfikacji prototypów, analizie usterek i ocenie parametrów projektowanych systemów oraz praktyczny transfer doświadczenia do pracowników laboratorium.

NA61/SHINE w ramach CERN Run 4 planuje badania przy wykorzystaniu nowego detektora do precyzyjnego wyznaczania śladów cząstek (Charm Correlator, CC) przy szybkości zbierania danych na poziomie 10 kHz.

Możliwy wkład IFJ PAN związany z rozwojem detektorów pikselowych lub/i gazowych do CC:

1. Bazując na symulacjach z NA61/SHINE, określenie geometrii detektorów i wynikającej z niej technologii ich wykonania (technika odczytu sygnału, rodzaj odczytu, obszar dryfu, itd.)
2. Dobór odpowiedniej elektroniki odczytu front-end — możliwe, że najlepszym rozwiązaniem będzie zakup lub produkcja elektroniki na bazie układów rozwiniętych w CERN. Możliwe jest rozwiązanie komercyjne lub rozwój własnego odczytu na bazie FPGA. NA61/SHINE ma tu doświadczenie.
3. Możliwe, że dobrym rozwiązaniem będą detektory słomkowe. IFJ PAN ma doświadczenie w rozwoju takich układów, np. dla eksperymentu PANDA. Wtedy cała wiedza i komponenty takiego detektora znajdą się w rękach grup krakowskich (UJ, IFJ PAN, AGH).
4. Testy prototypów (detektor + elektronika).
5. Wytworzenie detektorów i elektroniki.
6. Instalacja detektora w CERN i commissioning na wiązce.

Możliwy wkład IFJ PAN związany z układem sterowania detektora wierzchołka:

1. Zdefiniowanie mechaniki detektora.
2. Zakup odpowiedniej liczby silników piezoelektrycznych.
3. Integracja mechaniczna silników z detektorem (projekt i wykonanie odpowiednich elementów do integracji w warsztacie mechanicznym).
4. Stworzenie oprogramowania do sterowania silnikami i jego integracja z NA61/SHINE Detector Control System (DCS).
5. Test układu sterowania w CERN.

Poniżej odpowiedzi ze strony powstającej grupy FCC.

1. Czego Pani/Pana środowisko oczekuje od laboratorium elektronicznego w IFJ PAN?

Laboratorium detektorowo-elektroniczne powinno zapewniać infrastrukturę, narzędzia, ekspertyzę oraz — w pewnym zakresie — zasoby ludzkie niezbędne do prowadzenia prac badawczo-rozwojowych nad przyszłymi technologiami detektorowymi.

Kluczowe jest podejście integrujące rozwój i testowanie zarówno detektorów, jak i współpracującej z nimi elektroniki.

2. Jak Pani/Pana środowisko może pomóc w tworzeniu laboratorium elektronicznego w IFJ PAN?

Czas, doświadczenie, pomysły, kontakty z grupami badawczymi w Polsce i za granicą.

Lista innych grup z NO1 zainteresowanych laboratorium elektronicznym w IFJ PAN:

1. ATLAS NZ13 – przy przyszłych systemach “do przodu".
2. ATLAS NZ14 – przy systemach zasilana ITk Strip.
3. Belle2 – przy przyszłym upgrade detektora wierzchołka.
4. CREDO – przy projektowaniu i testowaniu detektora promieniowania kosmicznego.
5. EIC – R&D detektorów LGAD.
6. LHCb – przy Upgrade II.
7. P-ONE – przy systemach kontroli pracy detektora.

Uwagi nt. tworzenia laboratorium elektronicznego w IFJ PAN.

1. Dobrana "na wymiar" elektronika odgrywa niezwykle ważną rolę w projektach, czasem decydując o sukcesie eksperymentów.
2. Zastosowanie komercyjnych modułów może być droższe, zmusza do kompromisów (ilość kanałów, rozmiar, charakterystyka funkcjonalności), zwiększa komplikację całego systemu, prowadzi do trudnych do opanowania pętli prądowych i szumów.
3. Czas przygotowania kompletnej, dedykowanej elektroniki to ok. 2 lata/projekt, jednak elektronicy nie są w tym czasie całkowicie wyłączeni dla innych projektów: sporo czasu zajmuje oczekiwanie na płytki, inne komponenty, etc.
4. Konieczne jest przewidzenie w finansowaniu projektu niezaniedbywalnych funduszy na usługi zewnętrzne: jest mało prawdopodobne, że zatrudnione osoby będą znały się na wszystkim.
5. Trzy projekty NZ24 które będą wymagały pomocy elektroników w najbliższym czasie:
   NNBAR - duży projekt z rosnącymi wymaganiami.
   Energia wiązki - stosunkowo niewielki projekt związany z metodami opatentowanymi w IFJ PAN.
   BINA - w zasadzie niewielkie potrzeby, bo wszystko jest zdefiniowane i gotowe - ewentualny serwis tego co się zepsuje.

Oczekiwania względem laboratorium elektronicznego w IFJ PAN.

1. Zatrudnienie inżyniera elektronika, który weźmie udział w doraźnych pracach nad budową, testowaniem i obsługą elektroniki do odczytu detektorów scyntylacyjnych wykorzystujących technologię SiPM (analogową i cyfrową).

2. Zakup podstawowego sprzętu do wyposażenia laboratorium i nowego stanowiska pracy.

3. Dofinansowanie zespołu (ok. 4 osoby, w tym ww. inżynier elektronik) pracującego nad upgradem systemu akwizycji danych w hali eksperymentów w CCB – m.in., zakup i integracja (hardware/software) niektórych modułów do interfejsu XDAQ – elektronika cyfrowa CAEN.