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Jens Weingarten System Tests und Rausch-Untersuchungen am ATLAS Pixel Detektor -LHC und ATLAS -Pixel Detektor -System Test -Rauschen.

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Präsentation zum Thema: "Jens Weingarten System Tests und Rausch-Untersuchungen am ATLAS Pixel Detektor -LHC und ATLAS -Pixel Detektor -System Test -Rauschen."—  Präsentation transkript:

1 Jens Weingarten System Tests und Rausch-Untersuchungen am ATLAS Pixel Detektor -LHC und ATLAS -Pixel Detektor -System Test -Rauschen

2 Promotionskolloquium Jens Weingarten 2 Der Large Hadron Collider Proton-Proton Collider CM-Energie: 14 TeV Kollisions-Frequenz: 40 MHz Luminosität: cm -2 s -1 Dipole, montiert im LHC-Tunnel, August 2007 Protonen pro Bunch: 1.15 x Strahlstrom: A Umfang: 26.7 km

3 Promotionskolloquium Jens Weingarten 3 ATLAS Mehrzweck-Detektor System schalenförmiger Aufbau Tracking Detektor in 2T Solenoid-Feld elm. Kalorimeter hadron. Kalorimeter Myon Spursystem in ~1T Toroid-Feld 44m lang 22m hoch 7000t Anforderungen: sehr gute elm. Kalorimetrie präzise Myon-Impuls Messung effizientes Tracking sehr gute Hermetizität

4 Promotionskolloquium Jens Weingarten 4 Der ATLAS Pixel Detektor 3 Zylinderlagen 2 x 3 Disk Lagen in Vorwärtsrichtung 50x400 µm² Pixel 80 Mio. Auslesekanäle Auflösung: 8.4 µm in R, 112 µm in z innerste Lage bei R=5 cm 1744 Pixel Module 3 Spurpunkte für | |<2.5 hohe Granularität erlaubt zuverlässige Auslese bei hoher Spurdichte (~23 Kollisionen/Bunch; ~1600 geladene Spuren pro 25ns) wirkliche 2d Ortsbestimmung keine Ambiguitäten bei hohen Teilchenflüssen exzellente Ortsauflösung nötig für genaue Spurrekonstruktion präzise Messung sekundärer Vertices b-tagging (wichtig in Higgs- und SUSY-Suchen) B-Physik (Unterdrückung kombinator. Untergründe) Warum Pixel?

5 Promotionskolloquium Jens Weingarten 5 Pixel Modul -Silizium Sensor (2 x 6 cm²) -2 x 8 Auslese Chips (á 2880 Pixel) -Flex-Hybrid mit Pigtail oder Kabel -Module Control Chip (MCC)

6 Promotionskolloquium Jens Weingarten 6 Analoge Pixel Zelle des Auslesechips Feedback 7-bit TuneDAC (TDAC) Ladungs- injektion Diskriminator Feinjustierung der Schwelle pro Pixel ladungs- empfindlicher Verstärker Schwelle TOT ~ Ladung digitale Trefferverarbeitung, -auslese ermöglicht Kalibrierungs- messungen

7 Promotionskolloquium Jens Weingarten 7 Der ATLAS Pixel Detektor Barrel: 13 Module pro Stave Disks: 6 Module pro Sektor

8 Promotionskolloquium Jens Weingarten 8 System Test Der System Test

9 Promotionskolloquium Jens Weingarten 9 System Test: Was ist das? Man nehme so viele endgültige Komponenten des fertigen Systems und versuche, sie zusammen zu betreiben. Auslese Spannung -Genauigkeit -Stabilität Störungen von außen? Erdungsschema? -Ein/Ausschalt- Prozedur Überwachung -Genauigkeit (T,V,I) -Interlock Timing -Parameter Detektor- Sicherheit? Kühlung -Ein/Ausschalt- Prozedur -Kühlleistung -Stabilität Detektor- Sicherheit? Detektor: -Kalibrationsmessungen -Vergleich mit Produktion Änderung im Verhalten der Module? -Rauschmessungen Durchgeführt April 2006 – Januar 2007 am CERN; Aufbau entsprach ~10% des vollen Detektors

10 Promotionskolloquium Jens Weingarten 10 System Test Setup Detektor Endkappe A (um 90° rotiert) 144 Module Spannung Überwachung Auslese Kühlung

11 Promotionskolloquium Jens Weingarten 11 Schwellenscan Ladungsinjektion in den Vorverstärker #Treffer gegen Ladung ergibt Gaussche Fehlerfunktion Test der Funktionalität der analogen und digitalen Pixel- elektronik Information über die Diskriminator- schwelle und das elektronische Rauschen in jedem Pixel DER wichtigste Test zur Charakterisierung der analogen Leistung eines Moduls Kalibrierungsmessungen: Schwellenscan 50% Q Schwelle 70% 30%

12 Promotionskolloquium Jens Weingarten 12 System Test: Schwellenscan Schwelle Mittelwert: 4001 e Sigma: 32 e Rauschen: ~160 e Schwellenverteilung Rauschverteilung Werte für Kanäle auf einem Modul

13 Promotionskolloquium Jens Weingarten 13 System Test: Schwellenscan /- 1,3 e /- 1 e /- 8,5 e - Schwelle, Dispersion und Rauschen für 119 Module einige Module konnten nicht gescannt werden: Schwierigkeiten mit Spannungsversorgung und optischem Link sehr gute Uniformität Schwelle Dispersion Rauschen

14 Promotionskolloquium Jens Weingarten 14 Rauschen Rauschen soll klein sein, denn zu viele Rauschtreffer… senken die Ortsauflösung verschlechtern die Rekonstruktion von Spuren und sekundären Vertices senkt B-Tagging Effizienz erhöhen die Datenrate senkt Nachweiseffizienz für wirkliche Teilchen erzeugen starke Aktivität der digitalen Elektronik Crosstalk, Rausch-Einkopplung in andere Module Warum explizite Rauschuntersuchungen? 1.Viele Module auf engem Raum (Kopplung über Trägerstrukturen? Übersprechen?) 2.Viele externe Systeme (Einkopplung in lange Kabel? Übersprechen zwischen Systemen?) 3.Kompliziertes Erdungsschema (Erdschleifen? Kopplung verschiedener Versorgungskanäle?) Spezialisierte Messungen (Common Mode Rauschen, Minimale Schwelle)

15 Promotionskolloquium Jens Weingarten 15 Common Mode Rauschen Messung von Common Mode Rauschen im Pixel Detektor nicht-trivial: - keine sicher CM-freie Referenzmessung möglich (Einkopplung kann nie ganz ausgeschlossen werden) - Rauschen aus Schwellenscan nicht sehr sensitiv ( gesamt ² = Ein-Kanal ² + CMN ²) - Rauschen ist sehr klein Messung der Rausch-Okkupanz langwierig zwei Messmethoden wurden entwickelt -schnell, um Common Mode Rauschen zeitlich aufgelöst messen zu können -benötigen keine Referenz-Messungen Analysen benutzen die Korrelation des Rauschens vieler Kanäle Common Mode Rauschen : -korrelierte Störung auf vielen Kanälen (z.B. Einkopplung von aussen) verfälscht Ladungsinformation (TOT) reduziert Nachweiseffizienz -kann bei binärer Auslese nicht vom Signal subtrahiert werden muss im Betrieb vernachlässigbar sein

16 Promotionskolloquium Jens Weingarten 16 Common Mode Rauschen Methode I: #Treffer pro Injektion N e - injiziere in n Pixel so, dass Trefferwahrscheinlichkeit = 50% (injizierte Ladung = Ladung an der Schwelle) Verteilung der Treffer pro Injektion (N e ) um n/2 ohne CMN: Breite n/4 (Binomial-Verteilung) mit CMN: Breite > n/4 (aufgrund der Kohärenz) Breite der N e Verteilung ist ein Maß für das Common-Mode Rauschen Details in NIM A 516, p. 153 & NIM A 487, p. 557 Simulation

17 Promotionskolloquium Jens Weingarten 17 Common Mode Rauschen Methode II: pro Injektion -injiziere in n Pixel mit grosser Ladung ( e - ) -Information über Ladung: TOT -mittele TOT aller Pixel für eine Injektion: =a*( + + )+ Breite proportional zu Breite der Verteilung der ist ein Maß für das Common Mode Rauschen Simulation zufällige Einheiten

18 Promotionskolloquium Jens Weingarten 18 Common Mode Rauschen Beide Methoden getestet durch externe Injektion eines Störsignals von 1kHz bis 10MHz Berechneter Common Mode Anteil stimmt mit zusätzlichem Rauschen im Schwellenscan überein Methode I Schwellenscan Methode II

19 Promotionskolloquium Jens Weingarten 19 Common Mode Rauschen Messungen wurden im System Test durchgeführt: #Treffer pro Injektion 22 +/- 5 e - pro Injektion41 +/- 15 e - Messwerte zeigen einen vernachlässigbar kleinen Anteil des Common Mode Rauschens bei normaler Schwelleneinstellung kein Anzeichen für Rausch-Einkopplung von außen: Erdungsschema (Kabel, Geräte) Abschirmung von Kabeln

20 Promotionskolloquium Jens Weingarten 20 Pixel rauscht Rausch-Okkupanz -ATLAS: Rausch-Okkupanz < zufällige Trigger, feste Frequenz benötigt volle Datennahme-Hard/Software -16.8*10 6 Trigger in etwa 20min sensitiv auf Rausch-Okkupanzen > 6*10 -8 Rausch-Okkupanz bei nomineller Schwelle RauschOkkupanz: 6.7*10 -7 rauschende Pixel: 0.011% klein im Vergleich zu Ineffizienzen durch Bump-Bonding und defekte Elektronik häufigstes TOT=5; Ausläufer zu hohen TOTs keine Cluster bzw. grosse rauschende Regionen keine kohärenten Effekte Trefferkarte Clustergröße TOT Spektrum Okkupanz pro Pixel Diese Ergebnisse entsprechen sehr gut dem Verhalten, welches man aus den Produktionstests erwartet und sind konsistent mit den CMN Messungen vorher

21 Promotionskolloquium Jens Weingarten 21 Rausch-Okkupanz bei minimaler Schwelle Rausch-Okkupanzen lassen sich in drei Gruppen einteilen: Okkupanz < 3* *10 -4 < Okkupanz < 7* *10 -4 < Okkupanz große Cluster kohärentes Rauschen Treffer-Karten Clustergrößen

22 Promotionskolloquium Jens Weingarten 22 Rausch-Okkupanz bei minimaler Schwelle Module homogen über Disks verteilt -kein Azimuthwinkel bevorzugt mögliche Ursache: Einkopplung vom Daten/Versorgungskabel

23 Promotionskolloquium Jens Weingarten 23 Zusammenfassung System Test System Test war ein Erfolg! viel praktische Erfahrung mit dem Detektor-System gesammelt Komponenten verhalten sich wie sie sollen (Versorgungsspannungen, Kühlung, usw.) keine Änderung im Verhalten der Module beobachtet System verhält sich größtenteils wie erwartet Detektor kann gefahrlos betrieben werden Rausch-Untersuchungen Kohärentes Rauschen bei nomineller Schwelle vernachlässigbar -tritt auf für niedrige Schwellen < 2500e -schnelle Messmethoden stehen zur Verfügung Rausch-Okkupanz bei nomineller Schwelle: 6.7* kein Einfluss auf Spurrekonstruktion, Treffereffizienz

24 Promotionskolloquium Jens Weingarten 24 Danke für Ihre Aufmerksamkeit

25 Promotionskolloquium Jens Weingarten 25 System Test: Rausch-Okkupanz vs Schwelle Referenz: /- 36e /- 15e /- 35e /- 54e keine großen Änderungen in Okkupanz, Clustergröße, o.ä. bis zur minimalen Schwelle

26 Promotionskolloquium Jens Weingarten 26 Minimale Schwelle Starke Korrelation zwischen TDAC-Verteilung an der min. Schwelle und getunter TDAC-Verteilung alle Pixel fangen beim selben Scanschritt N an, zu rauschen kohärenter Effekt (Einkopplung des Takt-Signals in die Pixel durch den Bulk des FE-Chips) Gibt es weitere kohärente Effekte, die bisher nicht beobachtet wurden? Untersuchung des Common Mode Rauschens

27 Promotionskolloquium Jens Weingarten 27 System Test: Cosmics erster Hinweis auf Cosmics: Rauschtreffer sind gleichmässig über die 16 LVL1 Trigger verteilt; Verzögerung von Cosmic-Treffern ist fest die folgenden Folien stammen von verschiedenen Offline Leuten Zeit in Einheiten von 25ns

28 Promotionskolloquium Jens Weingarten 28 Der ATLAS Pixel Detektor Layer2 Schale B-Layer, untere Halbschale Endkappe C

29 Promotionskolloquium Jens Weingarten 29 Silizium als Sensor-Material E h+h+ e-e-

30 Promotionskolloquium Jens Weingarten 30 System Test: OptoBoard Messungen fehlerfreie Daten- übertragung (EFR) Standard-Werkzeug BOC scan: Schwelle der PiN-Diode gegen Delay zw. Daten und Takt maximiere Region mit fehlerfreier Übertragung (EFR) EFR abhängig von: -Laser-Leistung -Temperatur -Bitsequenz -MCC Bandbreite

31 Promotionskolloquium Jens Weingarten 31 Das Kühlsystem Erste Erfahrungen: -Zwei-Phasen Kühlsystem -Betrieb -Überwachung -Stabilität -Leckrate -Detektor-Strukturen an diesem System -Modultemperaturen (< -7°C, Annealing) -Abkühlzeiten

32 Promotionskolloquium Jens Weingarten 32 OptoLink Messungen: Resultate Ein wenig Statistik: 1.Bandbreite 40 MBit/s insgesamt 10 Kanäle nicht betreibbar: 7% 2.Bandbreite 80 MBit/s zusätzliche 20 Kanäle nicht betreibbar: 21% Die Probleme: -Variation der Ausgangsleistung über die Kanäle eines OptoBoards -starke Abhängigkeit der Ausgangsleistung von Temperatur Entwicklung des Heater-Systems -Einstellung der Ausgangsleistung für alle Kanäle eines Boards -Margen kleiner für 80 MBit/s Inbetriebnahme des optischen Links nicht trivial, aber: Parameter stabil gegen Zeit Temperatur regelbar OptoBoards im System Test waren ausgesucht schlecht

33 Promotionskolloquium Jens Weingarten 33 Kühlsystem: Resultate absolute Temperatur gegen Modulleistung kg per 24h 0.09 kg/h Leckrate Zeit [d] Kühlmittel im System [kg] erwartete worst-case Leistung Gute Stabilität im Betrieb (bei vorschriftsmässiger Wartung) Ein-/Ausschaltprozeduren und –vorgänge verstanden (Druckschwankungen, Interlock,…) Modultemperatur < -7°C ist erreichbar (auch bei Leistungsaufnahme wie am Ende der Lebensdauer erwartet) C3F8 Verlustrate etwa 0.1 kg/h (wird in der finalen Installation noch geringer werden; Wert ist akzeptabel) sicherer Betrieb des Detektors ist möglich !

34 Promotionskolloquium Jens Weingarten 34 Das Pixel Detektor System Pixel Detektor Nebenkaverne USA15 thermischer Schild, Faraday Käfig Pixel Package Service Panel OptoBoards

35 Promotionskolloquium Jens Weingarten 35 BOC RX TX Der optische Link OptoBoard PiN VCSEL DORIC VDC Modul TTC Daten ROD VME On-Detector Off-Detector optische Datenübertragung vom Detektor zur Auslese-Elektronik rauscharm, keine Buffer nötig (etwa 90m Entfernung) TX Kanal (Timing, Trigger, Configuration) problemlos RX Kanal (Event-Daten) nicht-trivial: Schwelle der PiN-Diode Delay zw. Daten und BOC Takt Ausgangsleistung des VCSEL

36 Promotionskolloquium Jens Weingarten 36 Spezielle Pixel Ganged-Pixel: Mit Pixeln unter dem FE verbunden Auslese Long-Pixel: Pixelgröße 50x600 µm


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