MIBAD - an FPGA-based readout system for the LHCb Beam Conditions Monitor

Abstract

Experiments at particle accelerators, such as the Large Hadron Collider (LHC), are at risk of damage due to the high-energy beams. The Beam Conditions Monitor protects the LHCb detector at the LHC. It measures the particle flux with diamond sensors at two positions near the interaction point. If the measured signals exceed safe levels, the BCM automatically triggers a dump of the LHC beams.

The LHCb detector was upgraded from 2018 to 2022. Consequently, the BCM needed to be adapted to a five-fold increase in instantaneous luminosity and a new detector geometry. Moreover, the pre-existing BCM hardware card is no longer supported due to an experiment-wide replacement of the readout electronics.

This thesis presents the Machine Interface Beam Abort (MIBAD) system as the BCM readout for the post-upgrade era. The development of the system, encompassing hardware, firmware, and software, is detailed. The main emphasis of this work is the implementation of the beam abort decision logic. As a vital part of the BCM safety system, the MIBAD continuously evaluates the beam conditions while meeting strict requirements regarding reliability and availability.

A review of the testing and commissioning phase, as well as the experiences in the first months of operation, indicate that these goals have been met.The upgraded BCM, equipped with the MIBAD system, has safeguarded the LHCb detector since June 2023.

Experimente an Teilchenbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider (LHC), sind Beschädigungsrisiken durch die hochenergetischen Strahlen ausgesetzt. Daher wird das LHCb-Experiment am LHC durch den Beam Conditions Monitor (BCM) geschützt. Mithilfe von Diamantsensoren misst dieses Sicherheitssystem den Teilchenfluss an zwei Orten in der Nähe des Interaktionspunkts. Überschreiten die Messwerte ein sicheres Niveau, löst der BCM automatisch eine Extraktion der LHC-Strahlen aus.

In den Jahren 2018 bis 2022 hat der LHCb-Detektor ein Upgrade erhalten. Infolgedessen musste der BCM an die verfünffachte instantane Luminosität und die veränderte Detektorgeometrie angepasst werden. Außerdem wird die bestehende Ausleseelektronik des BCM wegen eines experimentweiten Austauschs der Datennahmehardware nicht mehr unterstützt.

In dieser Arbeit wird das Machine Interface Beam Abort (MIBAD) System für den Betrieb des BCMs nach dem Upgrade vorgestellt. Alle Aspekte der Entwicklung, also Hardware, Firmware und Software werden behandelt. Den Schwerpunkt der Arbeit bildet die Implementierung der Routine für die Bewertung der Stahlqualität mit programmierbaren Logikbausteinen. Für diese Kernkomponente des Strahlüberwachungssystems werden strenge Anforderungen bezüglich Verlässlichkeit und Verfügbarkeit gestellt.

In Hinblick auf die Testphase und die ersten Monate im Produktivbetrieb wurden diese Ziele erreicht. Seit Juni 2023 schützt der BCM mit der MIBAD Ausleseelektronik den LHCb Detektor.