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Development of the DAQ System of Triple-GEM Detectors for the CMS Muon Spectrometer Upgrade at LHC

par Lenzi, Thomas
Président du jury Favart, Laurent
Promoteur De Lentdecker, Gilles
Publication Non publié, 2016-12-19

Thèse de doctorat

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Résumé :

The Gas Electron Multiplier (GEM) upgrade project aims at improving the performance of the muon spectrometer of the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment which will suffer from the increase in luminosity of the Large Hadron Collider (LHC). After a long technical stop in 2019-2020, the LHC will restart and run at a luminosity of 2 10^34 cm^-2 s^-1, twice its nominal value. This will in turn increase the rate of particles to which detectors in CMS will be exposed and affect their performance. The muon spectrometer in particular will suffer from a degraded detection efficiency due to the lack of redundancy in its most forward region. To solve this issue, the GEM collaboration proposes to instrument the first muon station with Triple-GEM detectors, a technology which has proven to be resistant to high fluxes of particles. Within the GEM collaboration, the Data Acquisition (DAQ) subgroup is in charge of the development of the electronics and software of the DAQ system of the detectors.This thesis presents the work of the author as lead developer of the firmware for the front-end and back-end electronics. These developments have been performed from the ground up and designed to transfer data from the analog front-end to the off-detector electronics while offering extensive control and monitoring capabilities. The developed DAQ chain has been tested extensively during two test beam campaigns which provided results on both the stability of the system and the efficiency of the detectors. The results of these campaigns are described in the present thesis. Further characterization of the electronics is also described along with the procedures and tools built to qualify the components for their installation in CMS. Finally, the results of the irradiation tests performed on the on-detector electronics are presented. These allowed us to understand the effects of radiation on the electronic boards used for the GEM upgrade project and the impact that it has on the design of the firmware for CMS.Additionally, the work of the author on a new architecture for DAQ systems is described. The latter uses modified network topologies and novel web technologies to increase the available bandwidth on the network and yield an event-driven system.

Cette thèse de doctorat s'inscrit dans le projet de mise à niveau du spectromètre à muons du Compact Muon Solénoid (CMS) auprès du Large Hadron Collider (LHC). Après un arrêt pour maintenance prévu en 2019-2020, le LHC reprendra son programme de recherche à une luminosité de 2 $ imes$ 10^34 cm^-2 s^-1, soit deux fois sa valeur nominale. Ceci aura pour conséquence d'accroître le taux de particules auquel seront soumis les détecteurs de CMS et d'entraver l'efficacité de détection de ces derniers. Le spectromètre à muons de CMS sera tout particulièrement touché à cause du manque de redondance dans sa partie avant. Afin de palier à ce problème, il est proposé d'installer des détecteurs Gas Electron Multipliers (GEM) dans la première station à muons. La technologie GEM répond aux besoins de CMS en offrant une excellente efficacité de détection à de hauts flux de particules. Au sein de la collaboration GEM, le sous-groupe en charge du système d'acquisition de données (DAQ) doit développer l'électronique et les logiciels de gestion de la chaîne de lecture des détecteurs.Nous présentons ici le travail de l'auteur réalisé en tant que principal développeur du firmware pour l'électronique du système DAQ. Ces développements visent à créer une architecture qui achemine les données depuis l'électronique de lecture du détecteur jusqu'aux systèmes situés dans la zone de comptage, tout en offrant la possibilité de contrôler et surveiller l'ensemble des composants du DAQ. Le système mis en place a été largement testé durant deux campagnes de tests en faisceaux qui ont fourni des informations concernant la stabilité du DAQ ainsi que des mesures de l'efficacité des détecteurs. Nous décrivons également l'ensemble des travaux réalisés afin de caractériser les composants électroniques avant leur installation dans CMS ainsi que les résultats des tests d'irradiation effectués sur l'électronique du détecteur. Ces derniers permettent de mieux comprendre les conséquences des radiations sur le système et de développer des méthodes de mitigation.De plus, le travail de l'auteur sur la création d'une nouvelle architecture de système DAQ est décrit. Cette dernière combine les avancées récentes en terme de technologies web à une topologie de réseaux non-classique afin d'accroître la bande passante disponible et de créer un système réactif.