The CBM Time-of-Flight wall

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The CBM Time-of-Flight wall DPG – Frühjahrstagung 2017 The CBM Time-of-Flight wall Ingo Deppner for the CBM-TOF Group Physikalisches Institut der Uni. Heidelberg Outline: Introduction CBM TOF requirements Tof wall arrangements Ceramics RPC and the central region of the ToF wall Beam-time @ SPS Nov. 2015 Beam-time @ SPS Nov. 2016 TOF Project timeline TOF FAIR Phase 0 project Summary and Outlook Ingo Deppner DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017

The Compressed Baryonic Matter Experiment Introduction The Compressed Baryonic Matter Experiment Tracking acceptance: 2 < Lab < 25 Free streaming DAQ Software based event selection Rint = 10 MHz (Au + Au) Dipole magnet TOF ECAL PSD TRD RICH High net-baryon densities CBM overview talk: HK30.1 Group reports: 6 Short reports: 41 Poster: 8 MVD & STS MUCH 1 ns Ingo Deppner DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017

Incident particle flux URQMD simulated charged particle flux from Au + Au events for an interaction rate of 10 MHz kHz/cm2 Flux ranging from 0.1 to 100 kHz/cm2 At different regions Time-of-Flight detectors with different rate capabilities are needed kHz/cm2 Ingo Deppner DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017

DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017 Requirements Charged hadron identification is provided by Time-of-Flight (ToF) measurement CBM-ToF Requirements Full system time resolution sT ~ 80 ps Efficiency > 95 % Rate capability  30 kHz/cm2 Polar angular range 2.5° – 25° Active area of 120 m2 Occupancy < 5 % Low power electronics (~120.000 channels) Free streaming data acquisition twisted pair cabe twisted pair cabe RPC feed through gas box Multi-gap Resistive Plate Chambers (MRPC) are the most suitable ToF detectors fulfilling our requirements 120 W 80 W 1 ns Ingo Deppner DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017

DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017 TDR ToF wall layout 6 types of modules (M1 – M6) only A module contains several MRPC counters Region containing counters equipped with float glass Region containing counters equipped with low resistive glass Region containing counters equipped with ceramic material Ingo Deppner DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017

DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017 Ceramic RPCs for BFTC Important scopes of High Energy Heavy Ion experiments are the start-time and the reaction-plane determination. For CBM the use of RPC for the Beam Fragmentation T0 Counter (BFT0C) with low resistive radiation hard ceramics electrodes and small chess-board like single cells is under consideration. 24 mm 1200 mm 1 RPC 3 cells 400 mm 1 cell 2 gaps 1 module 400 RPCs BFT0C = 8 modules Ingo Deppner DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017

DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017 Ceramic RPCs for BFTC RPC electrodes 4  109 Ωcm: most suitable resistivity order for our aims Ingo Deppner DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017

Resistive Glass Development Resistive glass for high-rate MRPCs is developed in Beijing, China Aging tests Raw resistive glass material for 400 m2 Ingo Deppner DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017

DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017 Beam-time @ SPS in Nov. 2015 Beam-time @ SPS North Area in Nov. 2015 Beam: Lead @ 30A GeV Target: Lead 1 mm Intensity: 107 / spill Spill length: 8 s Rates: few 100 Hz/cm2 - 1 kHz/cm2 Energy close to SIS300 conditions CBM TOF module Upper setup  = 6 Beam  = 3.5 Lower setup 20 MRPC About 1100 channels Ingo Deppner DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017

DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017 Beam-time @ SPS in Nov. 2015 Alternative solution with Pad-MRPCs is available Ingo Deppner DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017

DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017 Beam-time @ SPS in Nov. 2015 Counter time resolution about 46 ps Efficiency about 97 % Cluster size > 2 Particle flux only a few hundred Hz/cm2 Ingo Deppner DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017

DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017 Beam-time @ SPS in Nov. 2015 Module M5 Ingo Deppner DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017

DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017 Beam-time @ SPS in Nov. 2015 MRPC3a prototypes Counter time resolution about 60 ps Efficiency about 97 % Cluster size about 1.5 Ingo Deppner DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017

Beam-time @ SPS in Nov. 2016 Event Display Beam Target two multiplicity 8 tracks found Target Pb Fe Fe Beam-time @ SPS North Area in Nov. 2016 Beam: Lead @ 158A GeV Target: 4 mm Pb (+ 10 cm Fe) Rates: few 200 Hz/cm2 - 1 kHz/cm2 Diamond 80 W 1 ns Ingo Deppner DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017

DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017 Beam-time @ SPS in Nov. 2016 ~ 500 Channels with the new “CLOSE TO FINAL” Free-streaming Readout-Chain: PADI / GET4 / AFCK / FLIB => DAQ was running stable 80 W 1 ns Ingo Deppner DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017

DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017 Beam-time @ SPS in Nov. 2016 80 W 1 ns Mostly epoch markers! Ingo Deppner DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017

DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017 Beam-time @ SPS in Nov. 2016 Module M5 12 140 0.28 13 Ingo Deppner DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017

Backup Slides Beam-time @ SPS in Nov. 2016 Analysis ongoing MRPC3b Dut: 911 Mref: 910 Bref: 500 Sel2: 921 System time resolution Backup Slides Cuts: 2(Dut-Mref) = 10 2(Mref-Sel2) = 3 Selected Mref area 0.5 Efficiency about 93% Analysis ongoing 80 W 1 ns Ingo Deppner DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017

DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017 ToF – Project Timeline RPC type res. material efficiency time resolution rate capability Ceramic MRPC Ceramic  90 %  100 ps  150 kHz/cm2 MRPC1/2 sem. glass > 95 %  50 ps > 30 kHz/cm2 MRPC3a  60 ps MRPC3b float glass  1.5 kHz/cm2 The prototype MRPC counters fulfill the CBM TOF requirements Time line Full-size demonstrator end 2012 TDR approved mid. 2015 Full-size modules mid. 2015 Full-size modules with ‘final’ electronics mid. 2016 Construction of the modules 2017- 2020 Integration in STAR@RHIC@BNL 2017- 2018 eTOF ready for beam 01.01.2019 Integration in CBM@SIS100@FAIR 2019- 2021 ToF ready for beam 01.06.2023 Ingo Deppner DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017

The TOF FAIR Phase 0 program Location of CBM eTOF modules Particle flux < 45 Hz/cm2, Multi-hit probability < 7.4% Ingo Deppner DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017

The TOF FAIR Phase 0 program Benefit for STAR: providing critical TOF coverage for BES II - PID extension to y = 1.2 in collider mode - access to energies from 4.5 to 7.7 GeV in the fixed target program Benefit for CBM: providing a large-scale integration test of the CBM TOF system, including PID and calibration of the detectors (hardware and software) preparation for day one experiment at SIS 100 Benefit for CBM-TOF group members: participation in the analysis of the physics data provided by the CBM TOF detectors, including authorship of any publications from this data. Ingo Deppner DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017

The TOF FAIR Phase 0 program Milestones Summer 2016 shipping a real size module to BNL and installing it on the east side pole of STAR Feb. 2017 1st system integration test with one module by participating in the Run17 beam time in STAR Fall 2017 shipping and installation of one sector Feb. 2018 2nd system integration test with one sector by participating in the Run18 beam time in STAR Summer 2018 shipping all 36 modules including infrastructure (gas system, LV-, HV-power supply) to BNL Fall 2018 Installation and commissioning Feb 2019 Start of the BES II campaign Summer 2021 Decommissioning and shipping of all modules including infrastructure to FAIR Ingo Deppner DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017

The TOF FAIR Phase 0 program Module installation in Oct. 2016 Open module Running (Mar. 2017) Module fixed at the pole-tip about 100 Hz/cm2 Ingo Deppner DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017

DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017 Summary and outlook CBM TOF started system performance tests under realistic load conditions Counters maintain their performance so far Preproduction about to start (QC, QA procedures initiated) R&D for BFTC ongoing FAIR phase 0 started - looking forward to physics 80 W 1 ns Ingo Deppner DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017

Thank you for your attention Contributing institutions: Tsinghua Beijing, NIPNE Bucharest, GSI Darmstadt, IRI Frankfurt USTC Hefei, PI Heidelberg, ITEP Moscow, HZDR Rossendorf, CCNU Wuhan, Special thanks go to: Norbert Herrmann Ingo Deppner DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017

DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017 Backup Backup Slides 80 W 1 ns Ingo Deppner DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017

DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017 Backup Slides CBM Physics topics Deconfinement / phase transition at high ρB QCD critical endpoint The equation-of-state at high ρB chiral symmetry restoration at high ρB Observables excitation function and flow of strangeness and charm collective flow of hadrons particle production at threshold energies excitation function of event-by-event fluctuations excitation function of low-mass lepton pairs in-medium modifications of hadrons (ρ,ω,φ → e+e-(µ+µ-), D) non twisted part connector p K D. Kresan Au + Au @ 25GeV Kaon acceptance depends critically on TOF resolution Ingo Deppner DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017

DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017 PID capability 80 W 1 ns Ingo Deppner DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017

Working principle of an RPC First Multi-gap RPC 1996 E. Cerron Zeballos et al., Nucl.Instrum.Meth. A374 (1996) 132-13 E. Cerron Zeballos et al., Nucl.Instrum.Meth. A374 (1996) 132-136 Time resolution: Efficiency: : incident ch. particle flux, : electrode bulk resistivity, d: electrode thickness How to increase the rate capability?   3x1012 cm   1010 cm E0 = 120 kV/cm Ingo Deppner DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017

Backup Slides Engineering design of the CBM experiment TOF TRD Nominal ToF position is between 6 m and 10 m from the target RICH Magnet Movable design allows for optimization of the detection efficiency of weakly decaying particles (Kaons) Ingo Deppner DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017

DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017 Backup Slides Ingo Deppner DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017

DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017 Backup Slides Ingo Deppner DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017

DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017 Backup Slides Ingo Deppner DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017

Production Readiness Review Freeze the design by March. Start counter assembly from April. Produce 10 MRPC3a/b as “Pre-mass production”. Check the performance and use for summer installation @ STAR. Finish production by November. Send to Heidelberg in three batches. 80 W 1 ns Ingo Deppner DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017

DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017 Beam-time @ SPS in Nov. 2015 Event display after position calibration 1 Track (blue) with hit multiplicity 8 2 Tracks (green) with hit multiplicity 7 1 Track (light blue) hit with multiplicity 6 1 Track (pink) with hit multiplicity 5 Tracks RPC layers The opportunity to reconstruct tracks offers new possibilities to analyze and study the counters in much greater detail: multi hit response, 2d position dependencies RPC Hits Ingo Deppner DPG-Frühjahrstagung, Münster, 27. - 31. März 2017