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CMSELECTROMAGNETIC CALORIMETER

Bernard ILLE

OVERVIEWOVERVIEW

Int. Conf. on instrumentation for colliding beam physics

Hamamatsu, Japan, 15-19 November 1999

IPN Lyon

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CMS (Compact Muon Solenoid) is a general purpose detector.

It will be one of the 4 experiments on the LHC :

pp and heavy ions collider with Ecm=14 TeV/charge

CMS PHYSICS

First run in 2005, for 10 years

Luminosity : 30 fb-1 for 3 years

Physics :

• Particles searches : Higgs, SUSY

• B physics

• Heavy ions

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E

MeV

EE

200%5.0

%3

CMS ECAL PERFORMANCE

Higgs physics :

H GeVmH 150

Needs high resolution :

• magnetic field of 4 T

• crossing at 40 MHz

• radiations : 0.15-0.3 Gy/h in the barrel, up to 15 Gy in the endcaps

AND

Choice of lead tungstate crystals (fast, rad hard, density)

+ Avalanche PhotoDiodes (APD) in barrel (B not sensitive, gain)

+ Vacuum PhotoTriodes (VPT) in endcaps (rad hard, gain)

Benchmark for low luminosity :

Titre:(CMS-Color-Label.eps)Auteur:Adobe Illustrator(r) 6.0Aperçu:Cette image EPS n'a pas été enregistréeavec un aperçu intégré.Commentaires:Cette image EPS peut être imprimée sur uneimprimante PostScript mais pas surun autre type d'imprimante. PHYSICS

130 GeV Higgs

in 2 photons

130 GeV Higgs

in 2 photons

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LEAD TUNGSTATE : PbWO4

• 26 radiation lengths in 23 cm of material (barrel), endcaps : 22 cm

• moliere radius of 21.9 mm, density of 8.2 g/cm3

BUT• LOW Light Yield : about 60 photons/MeV for a crystal

readout with APDs (gain 50) and VPTs (gain 6-8 in 4T)

low run temperature : 16-18 oC to maximise LY

• Temperature sensitivity of crystals and APDs (~ -2%/oC) requires a 0.1 oC temperature stabilisation.

ADVANTAGES

• 85% of the light in 20 ns, ~ 420 nm

• radiation hardness : saturated loss < 5% for 0.15 Gy/h

COMPACT CALORIMETER

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PHOTODETECTORS

APD gain curve

Titre:comes.epsAuteur:HIGZ Version 1.23/07Aperçu:Cette image EPS n'a pas été enregistréeavec un aperçu intégré.Commentaires:Cette image EPS peut être imprimée sur uneimprimante PostScript mais pas surun autre type d'imprimante.

Titre:(CMS-Color-Label.eps)Auteur:Adobe Illustrator(r) 6.0Aperçu:Cette image EPS n'a pas été enregistréeavec un aperçu intégré.Commentaires:Cette image EPS peut être imprimée sur uneimprimante PostScript mais pas surun autre type d'imprimante.

PHOTO DETECTORS : APDs and VPTsAPDs at present time (Hamamatsu):

• no magnetic field sensitivity

• gain 50, with a voltage sensitivity of 3%/V

• temperature sensitivity of -2.3%/oC

• quantum efficiency of 70%

• area of 25 mm2 2 APDs 50 mm2 and 4 pe/MeV

• radiations increase bulk current electronic noise 2 after 10 years : keep good resolution.

• Capacitance ~ 80 pF

VPTs (Hamamatsu, RIE St. Petersbourg, Electron Tubes Ltd) :

• more resistant to radiations than APDs, 250 mm2

• drop of gain by a factor 2 in axial 4 T magnetic field

Forseen :

C ~ 80 pF,

1/M.dM/dV ~ 2-3%/V

Forseen :

C ~ 80 pF,

1/M.dM/dV ~ 2-3%/V

Titre:(CMS-Color-Label.eps)Auteur:Adobe Illustrator(r) 6.0Aperçu:Cette image EPS n'a pas été enregistréeavec un aperçu intégré.Commentaires:Cette image EPS peut être imprimée sur uneimprimante PostScript mais pas surun autre type d'imprimante. PHOTODETECTORS READOUT : P.A. + Sample ADC + optic link

• Transimpedance P.A.

• FPU : Switches of gains (1,4,8,32) to have better resolution

• Sampling ADC : 40 MHz, 4096 channels (A.D. 9042)

• One serialiser per channel (800 Mbit/s) to bring out the SADC samples with digital optic link

RAD HARD ELECTRONIC (DMILL, HARRIS) with low power dissipation:

Titre:(CMS-Color-Label.eps)Auteur:Adobe Illustrator(r) 6.0Aperçu:Cette image EPS n'a pas été enregistréeavec un aperçu intégré.Commentaires:Cette image EPS peut être imprimée sur uneimprimante PostScript mais pas surun autre type d'imprimante.

ECAL STRUCTURE

GRANULARITY OF 360 () x 170 () crystals

A submodule = 2x5 crystals in reflective alveola, + tablet

A module = 10x4 (5) submodules = 400 (500) crystals, + grid + basket

A supermodule = 4 modules 36 supermodules = 61200 crystals

BARREL

ENDCAPS

7810x2 crystals grouped in supercrystals (5x5 alveolar unit)

TOTAL : 76820 crystals

Titre:(CMS-Color-Label.eps)Auteur:Adobe Illustrator(r) 6.0Aperçu:Cette image EPS n'a pas été enregistréeavec un aperçu intégré.Commentaires:Cette image EPS peut être imprimée sur uneimprimante PostScript mais pas surun autre type d'imprimante.

Calibration and Monitoring

• TEST BEAM CALIBRATION OF ALL CRYSTALS (CERN) in their modules, before detector installation

• LIGHT MONITORING TO KNOW CRYSTALS AND READOUT EVOLUTION

eeZ•CALIBRATION IN SITU WITH PHYSICS

Within 35 days at low luminosity

Mapping of all crystals

Intercalibration better than 0.3 %

E/p calibration with electrons measured by tracker

Titre:(CMS-Color-Label.eps)Auteur:Adobe Illustrator(r) 6.0Aperçu:Cette image EPS n'a pas été enregistréeavec un aperçu intégré.Commentaires:Cette image EPS peut être imprimée sur uneimprimante PostScript mais pas surun autre type d'imprimante.

Titre:(jlfaure.pdf)Auteur:(Adobe Illustrator\250 6.0)Aperçu:Cette image EPS n'a pas été enregistréeavec un aperçu intégré.Commentaires:Cette image EPS peut être imprimée sur uneimprimante PostScript mais pas surun autre type d'imprimante.

MONITORING

Titre:(CMS-Color-Label.eps)Auteur:Adobe Illustrator(r) 6.0Aperçu:Cette image EPS n'a pas été enregistréeavec un aperçu intégré.Commentaires:Cette image EPS peut être imprimée sur uneimprimante PostScript mais pas surun autre type d'imprimante.

CONCLUSION

• PERFORMANCES LIKE TDRTDR RECOMMANDATIONS

• PRODUCTION OF CRYSTALS STARTED • PHOTODETECTORS R&D IS NEARLY FINISHED,

PRODUCTION IN 2000

• RAD HARD ELECTRONIC READOUT WILL BE FULLY TESTED IN 2000

• SM1 WILL BE BUILT IN 2000

• CALIBRATION of FIRST SMs WILL BEGIN IN 2001