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

Der Large Hadron Collider Proton-Proton Collider CM-Energie: 14 TeV Kollisions-Frequenz: 40 MHz Luminosität: 1034 cm-2 s-1 Dipole, montiert im LHC-Tunnel, August 2007 Protonen pro „Bunch“: 1.15 x 1011 Strahlstrom: 0.582 A Umfang: 26.7 km Promotionskolloquium 19.09.2007 Jens Weingarten

ATLAS Mehrzweck-Detektor System Anforderungen: 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 ( |h| < 4.9) Promotionskolloquium 19.09.2007 Jens Weingarten

Der ATLAS Pixel Detektor 3 Zylinderlagen Warum Pixel? 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) 2 x 3 Disk Lagen in Vorwärtsrichtung 50x400 µm² Pixel 80 Mio. Auslesekanäle Auflösung: 8.4 µm in Rf, 112 µm in z innerste Lage bei R=5 cm 1744 Pixel Module 3 Spurpunkte für |h|<2.5 Promotionskolloquium 19.09.2007 Jens Weingarten

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) Promotionskolloquium 19.09.2007 Jens Weingarten

Analoge Pixel Zelle des Auslesechips ladungs- empfindlicher Verstärker Feinjustierung der Schwelle pro Pixel Diskriminator Feedback 7-bit TuneDAC (TDAC) digitale Trefferverarbeitung, -auslese Schwelle TOT ~ Ladung Ladungs- injektion ermöglicht Kalibrierungs-messungen Promotionskolloquium 19.09.2007 Jens Weingarten

Der ATLAS Pixel Detektor Barrel: 13 Module pro Stave Disks: 6 Module pro Sektor Promotionskolloquium 19.09.2007 Jens Weingarten

Der System Test System Test Promotionskolloquium 19.09.2007 Jens Weingarten

System Test: Was ist das? Man nehme so viele endgültige Komponenten des fertigen Systems und versuche, sie zusammen zu betreiben. Durchgeführt April 2006 – Januar 2007 am CERN; Aufbau entsprach ~10% des vollen Detektors Auslese Spannung -Genauigkeit -Stabilität  Störungen von außen?  Erdungsschema? -Ein/Ausschalt- Prozedur Überwachung (T,V,I) -Interlock Timing -Parameter Detektor- Sicherheit? Kühlung -Ein/Ausschalt- Prozedur -Kühlleistung Detektor: -Kalibrationsmessungen -Vergleich mit Produktion  Änderung im Verhalten der Module? -Rauschmessungen Promotionskolloquium 19.09.2007 Jens Weingarten

System Test Setup Detektor Spannung Überwachung Auslese Kühlung Endkappe A (um 90° rotiert) 144 Module Spannung Überwachung Auslese Kühlung Promotionskolloquium 19.09.2007 Jens Weingarten

Kalibrierungsmessungen: 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 70% 50% 30% QSchwelle Promotionskolloquium 19.09.2007 Jens Weingarten

System Test: Schwellenscan Rauschverteilung Schwellenverteilung Schwelle Mittelwert: 4001 e Sigma: 32 e Rauschen: ~160 e Werte für 46080 Kanäle auf einem Modul Promotionskolloquium 19.09.2007 Jens Weingarten

System Test: Schwellenscan Rauschen 166 +/- 8,5 e- Dispersion 33 +/- 1 e- Schwelle, Dispersion und Rauschen für 119 Module einige Module konnten nicht gescannt werden: Schwierigkeiten mit Spannungsversorgung und optischem Link  sehr gute Uniformität Promotionskolloquium 19.09.2007 Jens Weingarten

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? Viele Module auf engem Raum (Kopplung über Trägerstrukturen? Übersprechen?) Viele externe Systeme (Einkopplung in lange Kabel? Übersprechen zwischen Systemen?) Kompliziertes Erdungsschema (Erdschleifen? Kopplung verschiedener Versorgungskanäle?)  Spezialisierte Messungen (Common Mode Rauschen, Minimale Schwelle) Promotionskolloquium 19.09.2007 Jens Weingarten

Common Mode Rauschen 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 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  (sgesamt² = sEin-Kanal² + sCMN²) - 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 Promotionskolloquium 19.09.2007 Jens Weingarten

Common Mode Rauschen Methode I: #Treffer pro Injektion Ne - injiziere in n Pixel so, dass Trefferwahrscheinlichkeit = 50% (injizierte Ladung = Ladung an der Schwelle)  Verteilung der Treffer pro Injektion (Ne) um n/2  ohne CMN: Breite ≤ n/4 (Binomial-Verteilung)  mit CMN: Breite > n/4 (aufgrund der Kohärenz)  Breite der Ne Verteilung ist ein Maß für das Common-Mode Rauschen Simulation Details in NIM A 516, p. 153 & NIM A 487, p. 557 Promotionskolloquium 19.09.2007 Jens Weingarten

Common Mode Rauschen Methode II: <ToT> pro Injektion injiziere in n Pixel mit grosser Ladung (10.000 e-) Information über Ladung: TOT mittele TOT aller Pixel für eine Injektion: <TOT>=a*(<Q>+<Rauschenuncorr.>+<Rauschencorr.>)+<Offset>  Breite proportional zu <Rauschencorr.>  Breite der Verteilung der <ToT> ist ein Maß für das Common Mode Rauschen Simulation zufällige Einheiten Promotionskolloquium 19.09.2007 Jens Weingarten

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 Schwellenscan Methode I Methode II Promotionskolloquium 19.09.2007 Jens Weingarten

Common Mode Rauschen Messungen wurden im System Test durchgeführt: #Treffer pro Injektion 22 +/- 5 e- <TOT> pro Injektion 41 +/- 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 Promotionskolloquium 19.09.2007 Jens Weingarten

Rausch-Okkupanz bei nomineller Schwelle Trefferkarte Rausch-Okkupanz -ATLAS: Rausch-Okkupanz < 10-5 -zufällige Trigger, feste Frequenz benötigt volle Datennahme-Hard/Software -16.8*106 Trigger in etwa 20min sensitiv auf Rausch-Okkupanzen > 6*10-8 TOT Spektrum häufigstes TOT=5; Ausläufer zu hohen TOTs Diese Ergebnisse entsprechen sehr gut dem Verhalten, welches man aus den Produktionstests erwartet und sind konsistent mit den CMN Messungen vorher Clustergröße Okkupanz pro Pixel Pixel ‘rauscht‘ RauschOkkupanz: 6.7*10-7 ‘rauschende‘ Pixel: 0.011%  klein im Vergleich zu Ineffizienzen durch Bump-Bonding und defekte Elektronik keine Cluster bzw. grosse rauschende Regionen keine kohärenten Effekte Promotionskolloquium 19.09.2007 Jens Weingarten

Rausch-Okkupanz bei minimaler Schwelle Rausch-Okkupanzen lassen sich in drei Gruppen einteilen: Okkupanz < 3*10-4 3*10-4 < Okkupanz < 7*10-4 7*10-4 < Okkupanz Treffer-Karten Clustergrößen große Cluster  kohärentes Rauschen Promotionskolloquium 19.09.2007 Jens Weingarten

Rausch-Okkupanz bei minimaler Schwelle Module homogen über Disks verteilt -kein Azimuthwinkel bevorzugt mögliche Ursache: Einkopplung vom Daten/Versorgungskabel Promotionskolloquium 19.09.2007 Jens Weingarten

Zusammenfassung System Test Rausch-Untersuchungen 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*10-7 -kein Einfluss auf Spurrekonstruktion, Treffereffizienz Promotionskolloquium 19.09.2007 Jens Weingarten

Danke für Ihre Aufmerksamkeit Promotionskolloquium 19.09.2007 Jens Weingarten

System Test: Rausch-Okkupanz vs Schwelle Referenz: 3973 +/- 36e 3371 +/- 15e 2722 +/- 35e 2392 +/- 54e keine großen Änderungen in Okkupanz, Clustergröße, o.ä. bis zur minimalen Schwelle Promotionskolloquium 19.09.2007 Jens Weingarten

Minimale Schwelle Gibt es weitere kohärente Effekte, 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 Promotionskolloquium 19.09.2007 Jens Weingarten

erster Hinweis auf Cosmics: 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 Promotionskolloquium 19.09.2007 Jens Weingarten

Der ATLAS Pixel Detektor Endkappe C Layer2 Schale B-Layer, untere Halbschale Promotionskolloquium 19.09.2007 Jens Weingarten

Silizium als Sensor-Material h+ E Promotionskolloquium 19.09.2007 Jens Weingarten

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 Promotionskolloquium 19.09.2007 Jens Weingarten

Das Kühlsystem Erste Erfahrungen: Zwei-Phasen Kühlsystem Betrieb Überwachung Stabilität Leckrate Detektor-Strukturen an diesem System Modultemperaturen (< -7°C, Annealing) Abkühlzeiten Promotionskolloquium 19.09.2007 Jens Weingarten

OptoLink Messungen: Resultate Ein wenig Statistik: Bandbreite 40 MBit/s  insgesamt 10 Kanäle nicht betreibbar: 7% 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 Promotionskolloquium 19.09.2007 Jens Weingarten

Kühlsystem: Resultate 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) absolute Temperatur gegen Modulleistung -10 erwartete worst-case Leistung Leckrate -24 C3F8 Verlustrate etwa 0.1 kg/h (wird in der finalen Installation noch geringer werden; Wert ist akzeptabel)  sicherer Betrieb des Detektors ist möglich ! Kühlmittel im System [kg] 2.1 kg per 24h  0.09 kg/h Zeit [d] Promotionskolloquium 19.09.2007 Jens Weingarten

Das Pixel Detektor System Nebenkaverne ‘USA15‘ OptoBoards ‘Service Panel‘ thermischer Schild, Faraday Käfig  ‚Pixel Package‘ Pixel Detektor Promotionskolloquium 19.09.2007 Jens Weingarten

Der optische Link OptoBoard ROD BOC Modul On-Detector Off-Detector RX VCSEL VDC VME PiN DORIC TX TTC Daten 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 Modul Promotionskolloquium 19.09.2007 Jens Weingarten

Mit Pixeln unter dem FE verbunden Spezielle Pixel Long-Pixel: Pixelgröße 50x600 µm Ganged-Pixel: Mit Pixeln unter dem FE verbunden  Auslese 4 3 2 1 4 3 2 1 Promotionskolloquium 19.09.2007 Jens Weingarten