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Jens Weingarten, PI Uni Bonn System Tests für den ATLAS Pixel Detektor -ATLAS -Pixel Detektor Status -System Test.

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Präsentation zum Thema: "Jens Weingarten, PI Uni Bonn System Tests für den ATLAS Pixel Detektor -ATLAS -Pixel Detektor Status -System Test."—  Präsentation transkript:

1 Jens Weingarten, PI Uni Bonn System Tests für den ATLAS Pixel Detektor -ATLAS -Pixel Detektor Status -System Test

2 Dortmund Jens Weingarten, PI Uni Bonn 2 ATLAS Inner Tracker in 2T Solenoid-Feld Elm. Kalori- meter Hadron. Kalorimeter 7 TeV p Luft-Toroid System: 4T Myon- Kammern Mehrzweck-Detektor System schalenförmiger Aufbau Tracking Detektor elm. Kalorimeter hadron. Kalorimeter Myon Spursystem 44m lang 22m hoch 7000t Anforderungen: sehr gute elm. Kalorimetrie präzise Myon-Impuls Messung effizientes Tracking Akzeptanz bis zu hohen

3 Dortmund Jens Weingarten, PI Uni Bonn 3 Der ATLAS Pixel Detektor 3 Zylinderlagen 2 x 3 Disk Lagen in Vorwärtsrichtung Stave/Sektor : Karbon Trägerstruktur 13/6 Module Kühlung 1744 Pixel Module 112 Staves und 48 Sektoren 80 Mio. Auslesekanäle

4 Dortmund Jens Weingarten, PI Uni Bonn 4 Pixel Modul -DOFZ Silizium Sensor (2 x 6 cm²) -2 x 8 Auslese Chips -Flex-Hybrid mit Pigtail oder Kabel Pixel pro Modul -Module Control Chip (MCC) -zwei Ausgabekanäle -Bandbreiten 40 und 80 MBit/s

5 Dortmund Jens Weingarten, PI Uni Bonn 5 Der ATLAS Pixel Detektor Service Panel PP1 mit Kabeln für Connectivity Test PP0 OptoBoards Detektor

6 Dortmund Jens Weingarten, PI Uni Bonn 6 System Test Allgemein

7 Dortmund Jens Weingarten, PI Uni Bonn 7 System Test: Was ist das? Was habe ich mir unter System Test eigentlich vorzustellen? Man nehme so viele endgültige Komponenten des fertigen Systems und versuche, sie zusammen zu betreiben. Die sind doch alle schon getestet, oder? Warum dann dieser Aufwand? Test des Zusammenspiels aller Komponenten Test der Hardware und der Software unter realistischen Bedingungen (Nicht-Experten, Langzeit-Betrieb, Stress-Test der Funktionalität) Entwicklung von Prozeduren (Ein-, Ausschalten, Kalibrationstests) Entwicklung einer gemeinsamen Sprache (Namenskonventionen) Eingaben von Benutzern an Entwickler Aufdecken von Schwächen, die die Experten nicht sehen Wissenstransfer von den Experten auf die Kollaboration allgemein

8 Dortmund Jens Weingarten, PI Uni Bonn 8 Und was ist daran nun so kompliziert? -Umfangreiches, kompliziertes System -Viele Kanäle -viele Schalter, Parameter -viele Messgrößen -viele Verbindungen und verschiedene Namen -System noch in Entwicklung ändert sich ständig Viele Fehlerquellen und -modi Beispiel: sechs von 144 Modulen

9 Dortmund Jens Weingarten, PI Uni Bonn 9 System Test Endkappe A: 144 Module OptoBoards auf PP0 Kühlrohre

10 Dortmund Jens Weingarten, PI Uni Bonn 10 Das Spannungsversorgungssystem Aufgabe: -Spannungen einschalten -Spannungen überwachen

11 Dortmund Jens Weingarten, PI Uni Bonn 11 System Test Messprogramm

12 Dortmund Jens Weingarten, PI Uni Bonn 12 System Test: Messprogramm -OptoBoard-Messungen -Laser-Leistung -Einstellbarkeit gegen verschiedene Parameter (Temperatur, Licht-Leistung) -Einstellbarkeit aller Boards (Statistik) -verschiedene Justierungsalgorithmen (Ergebnisse, Dauer, Zuverlässigkeit) -Stabilität der Parameter des optischen Links -Kühlsystem -Temperaturen (Module, PSQP, Luft) und Drücke (Eingang/Ausgang eines Kreislaufs) -Kühlleistung (gegen Druck, Wärmeabgabe, an einem beschädigten Sektor) -Stabilität (Zeit, wechselnde Betriebsparameter, wechselnde Wärmeabgabe) -Leckrate (System-Qualifizierung)

13 Dortmund Jens Weingarten, PI Uni Bonn 13 System Test: Messprogramm -Kalibrierungsmessungen -Standardmessungen (Modulfunktionalität, Schwelle, Rauschen, Justierbarkeit) -Stabilität (Zeit, verschiedene Tuning-Algorithmen) -Rauschverhalten (niedrige Schwelle, kohärentes Rauschen, Rausch-Einkopplung) -Übersprechen zwischen Modulen -Messungen am DAQ system -zufällige Trigger (Auslesekette, maximale Triggerfrequenz, Rausch-Okkupanz) -Szintillatortrigger (Cosmics, Online-Monitoring, Alinierung) -Betrieb des Detektorsystems

14 Dortmund Jens Weingarten, PI Uni Bonn 14 BOC RX TX Der optische Link OptoBoard PiN VCSEL DORIC VDC Modul TTC Daten ROD VME TX-Link (Timing, Trigger, Configuration) : problemlos RX-Link (Event-Daten) : -Schwelle der PiN-Diode -Delay zw. Daten und BOC Takt -Ausgangsleistung des VCSEL On-Detector Off-Detector

15 Dortmund Jens Weingarten, PI Uni Bonn 15 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

16 Dortmund Jens Weingarten, PI Uni Bonn 16 System Test: OptoBoard Messungen kleine EFR Artefakte Beispiele für spezielle OptoBoard-Kanäle

17 Dortmund Jens Weingarten, PI Uni Bonn 17 OptoBoard 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 -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

18 Dortmund Jens Weingarten, PI Uni Bonn 18 Das Kühlsystem Erste Erfahrungen: -Zwei-Phasen Kühlsystem -Betrieb -Überwachung -Stabilität -Leckrate -Detektor-Strukturen an diesem System -Modultemperaturen (< -7°C, Annealing) -Abkühlzeiten

19 Dortmund Jens Weingarten, PI Uni Bonn 19 System Test: Kühlsystem 2.1 kg per 24h 0.09 kg/h Leckrate: Qualifizierung des Aufbaus Betriebsparameter Einschaltverhalten zeitl. Stabilität Ausschalten Einschalten Eingangsdruck Verdunstungsdruck

20 Dortmund Jens Weingarten, PI Uni Bonn 20 System Test: Kühlsystem absolute Temperatur gegen Modulleistung: Leistungsfähigkeit des Kühlsystems Temperaturänderung gegen Leistungsänderung: Qualität des Kühlkontakts; SQTF: dT/dP=

21 Dortmund Jens Weingarten, PI Uni Bonn 21 Kühlsystem: Resultate 1.Gute Stabilität im Betrieb (bei vorschriftsmässiger Wartung) 2.Ein-/Ausschaltprozeduren und –vorgänge verstanden (Druckschwankungen wie erwartet, Temperaturen schwanken nicht zu stark) 3.Modultemperatur < -7°C ist erreichbar (auch bei Leistungsaufnahme wie am Ende der Lebensdauer erwartet) 4.C3F8 Verlustrate etwa 0.1 kg/h (keine Informationen über Spezifikationen, Wert erscheint vernünftig…) 5.spez. Wärmewiderstand (dT/dP) bei etwa -20°C entspricht dem bei Stave/Sektor-Produktion gemessenen (dT/dP ~ 2 K/W) 6.Überwachte Größen erlauben eine gute Beurteilung des Systems (nicht immer selbstverständlich…)

22 Dortmund Jens Weingarten, PI Uni Bonn 22 Einschub: Analoge Pixel Zelle des FE-I3 Feedback (6+1)-bit TuneDAC (TDAC) 5-bit globaler Schwellen DAC Threshold generator Ladungs- injektion and Mask Enable Hit-Bus Output (Hit) Hit Bus Injektion bekannter Ladung in den Verstärkereingang erlaubt Kalibration von Schwelle und TOT Diskriminator Feinjustierung der Schwelle pro Pixel Graphik von I. Peric ladungs- empfindlicher Verstärker Sensor- verbindung

23 Dortmund Jens Weingarten, PI Uni Bonn 23 Schwellenscan Ladungsinjektion in den Vorverstärker #Treffer gegen Ladung ergibt Gaussche Fehlerfunktion Test der Funktionalität der analogen und digitalen Pixelelektronik Information über die Diskriminator- schwelle und das elektronische Rauschen in jedem Pixel DER wichtigste Test zur Charakterisierung der analogen Performance eines Moduls System Test: Kalibrierungsmessungen Gibt Informationen über: - Spannungsversorgung (LV und HV) der Module - Zuordnung Module Konfigurations- und Auslesekanal - eindeutige Identifizierung des Moduls - Betriebsparameter der optischen Auslese

24 Dortmund Jens Weingarten, PI Uni Bonn 24 System Test: Schwellenscan Schwelle Mittelwert: 4001 e Sigma: 32 e Rauschen: ~160 e Schwellenverteilung Rauschverteilung Werte für Kanäle auf einem Modul

25 Dortmund Jens Weingarten, PI Uni Bonn 25 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

26 Dortmund Jens Weingarten, PI Uni Bonn 26 System Test: Stabilität Vier Schwellen- scans innerhalb eines Monats sehr gute Stabilität der Schwellen Test1 Test2 Test3 Test4

27 Dortmund Jens Weingarten, PI Uni Bonn 27 Kalibrierungsmessungen: Resultate 1.Schwellenscan wichtigstes Debug-Instrument 2.Schwellenscans für alle Module dauern etwa 1h (evtl. während jeder Befüllung des LHC durchführbar) 3.Schwellenjustierung für alle Module dauert etwa 1d 4.Module selbst sind perfekt (sehr wenige Modulprobleme beobachtet) 5.Sehr gute Homogenität der Schwellen pro Modul erreichbar 6.Sehr gute Homogenität der Schwellen über alle Module erreichbar 7.Qualität der Schwellenjustierung sehr stabil gegen Zeit 8.Verhalten der Module wie aus Produktionstests zu erwarten (Schwellen, Schwellendispersion und Rauschen ändern sich nicht signifikant)

28 Dortmund Jens Weingarten, PI Uni Bonn 28 Das Readout-System Aufgabe: -Auslesekette in Gang bringen -Kalibrationsmessungen durchführen

29 Dortmund Jens Weingarten, PI Uni Bonn 29 Rausch-Okkupanz Die folgenden Graphen stellen die jeweiligen Größen integriert über alle Module des Runs dar! Analyse läuft noch. System Test: Rausch-Okkupanz insgesamt 5Mio. Trigger pro Run erreichbare Genauigkeit ~2e-7 RauschOkkupanz über alle Pixel: 6.7e-7 häufigstes TOT=5 keine Cluster bzw. grosse rauschende Regionen Diese Ergebnisse entsprechen sehr gut dem Verhalten, welches man aus den Produktionstests erwartet Detektor erfüllt die ATLAS Anforderungen

30 Dortmund Jens Weingarten, PI Uni Bonn 30 System Test: Rausch-Okkupanz vs Schwelle Referenz: /- 36e /- 15e /- 35e /- 54e keine großen Änderungen für TDAC-10: Rausch-Okkupanz: 6.9e-7 niedrigere Schwellen interessanter

31 Dortmund Jens Weingarten, PI Uni Bonn 31 System Test: Rausch-Okkupanz vs Schwelle integriert Rausch- Okkupanz: 1.6e-3 viele Hits pro Event kohärentes Rauschen der Module Summe der modulweisen Okkupanzen pro Pixel einige Module rauschen schon, andere noch nicht minimale Schwelle ist Modul-Eigenschaft TDAC – 20 Schwelle: 2700e

32 Dortmund Jens Weingarten, PI Uni Bonn 32 System Test: Rausch-Okkupanz vs Schwelle Peak kommt von einem seltsamen Modul Randeffekt, bisher unverstanden die Analyse dieser Daten dauert noch an…

33 Dortmund Jens Weingarten, PI Uni Bonn 33 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

34 Dortmund Jens Weingarten, PI Uni Bonn 34 System Test: Cosmics Random Triggers Cosmics Triggers Tomasso Lari Singlet clusters All Clusters Nathan Triplet TOT Verteilung Cluster Größen

35 Dortmund Jens Weingarten, PI Uni Bonn 35 System Test: Cosmics einige Verteilungen nach Tracking

36 Dortmund Jens Weingarten, PI Uni Bonn 36 Rausch-Okkupanz: Resultate 1.Nominelle Rausch-Okkupanz: 6e-7 innerhalb der ATLAS Anforderungen kein Einfluss auf Tracking-Effizienz 2.kohärentes Rauschen tritt ab einer Schwelle von <3000e auf 3.einige unverstandene Effekte bei niedrigen Schwellen 4.Triggerfrequenzen bis 50 kHz erreichbar 5.erfolgreiche Datennahme mit Cosmics-Trigger Cluster-Größen, TOT Verteilungen, Timing der Treffer weist auf Cosmics hin etwa 1 Mio. Events aufgezeichnet, mittlere Trigger-Rate ~13 Hz Offline-Software und Alignment Algorithmen konnten getestet werden Auflösung: 17.8µm in x-, 117µm in y-Richtung nach Alignment

37 Dortmund Jens Weingarten, PI Uni Bonn 37 Zusammenfassung System Test war ein Erfolg! viel praktische Erfahrung mit dem Detektor-System gesammelt erste Einblicke in die Anforderungen des Betriebs eines solchen Systems System verhält sich größtenteils wie erwartet Zusammenspiel der Systeme verstanden wenige Schwachstellen identifiziert/verbessert Weiterentwicklung der Software/Hardware

38 Dortmund Jens Weingarten, PI Uni Bonn 38 Danke für Ihre Aufmerksamkeit

39 Dortmund Jens Weingarten, PI Uni Bonn 39 Der ATLAS Pixel Detektor Layer2 Schale B-Layer, untere Halbschale Endkappe C

40 Dortmund Jens Weingarten, PI Uni Bonn 40 How many events can we expect ? Cosmic muon rate on the sea level: 1 muon / cm 2 / min Top scintillator area: 45 x 72 cm = 3,240 cm 2 Rate through the top scintillator: 54 Hz Acceptance (top & bottom scint.): 11% Acceptance (top & (bottom or left or right)): 34% The rate through top & bottom: ~ 6 Hz The rate through top & (log OR of others): ~18 Hz Efficiency of a scintillator: estimated to be ~ 70% The rate will therefore essentially drop by factor of two. Probability that the muon passing through top & bottom will have a three hit track x reco efficiency: ~6 % Probability that the muon passing through top & (log OR of others) will have a three hit track x reco efficiency: ???? The final figure: 1-2 three-hit tracks per minute for the top & bottom, that is 60+ three-hit tracks an hour, ~1,500 tracks a day assuming 3-shift daily operation. That is several thousand hits a day. Roughly 30% of the module are overlaps… Could we make a use of it… ??? Marian Zdrazil

41 Dortmund Jens Weingarten, PI Uni Bonn 41 Das Interlock-System Aufgabe: -Temperaturen überwachen -Interlockbedingungen verstehen und beheben


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