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

ATLAS Mehrzweck-Detektor System 7 TeV p Anforderungen: 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 h Inner Tracker in 2T Solenoid-Feld Elm. Kalori- meter Hadron. Kalorimeter 7 TeV p Luft-Toroid System: 4T Myon- Kammern Dortmund 11.05.2007 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

Der ATLAS Pixel Detektor 3 Zylinderlagen Stave/Sektor: Karbon Trägerstruktur 13/6 Module Kühlung 2 x 3 Disk Lagen in Vorwärtsrichtung 1744 Pixel Module 112 Staves und 48 Sektoren 80 Mio. Auslesekanäle Dortmund 11.05.2007 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

Pixel Modul DOFZ Silizium Sensor (2 x 6 cm²) 2 x 8 Auslese Chips Flex-Hybrid mit Pigtail oder Kabel 46080 Pixel pro Modul Module Control Chip (MCC) zwei Ausgabekanäle Bandbreiten 40 und 80 MBit/s Dortmund 11.05.2007 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

Der ATLAS Pixel Detektor PP0 OptoBoards Detektor PP1 mit Kabeln für Connectivity Test Service Panel Dortmund 11.05.2007 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

System Test Allgemein Dortmund 11.05.2007 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

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 Dortmund 11.05.2007 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

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 Dortmund 11.05.2007 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

System Test Endkappe A: 144 Module OptoBoards auf PP0 Kühlrohre Dortmund 11.05.2007 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

Das Spannungsversorgungssystem Aufgabe: Spannungen einschalten Spannungen überwachen Dortmund 11.05.2007 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

Messprogramm System Test Dortmund 11.05.2007 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

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) Dortmund 11.05.2007 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

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 Dortmund 11.05.2007 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

Der optische Link OptoBoard ROD BOC Modul On-Detector Off-Detector OptoBoard ROD BOC RX VCSEL VDC VME PiN DORIC TX TTC Daten TX-Link (Timing, Trigger, Configuration): ‘problemlos‘ RX-Link (Event-Daten): -Schwelle der PiN-Diode -Delay zw. Daten und BOC Takt -Ausgangsleistung des VCSEL Modul Dortmund 11.05.2007 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

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 Dortmund 11.05.2007 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

System Test: OptoBoard Messungen Beispiele für ‘spezielle‘ OptoBoard-Kanäle kleine EFR Artefakte Dortmund 11.05.2007 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

OptoBoard 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 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 Dortmund 11.05.2007 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

Das Kühlsystem Erste Erfahrungen: Zwei-Phasen Kühlsystem Betrieb Überwachung Stabilität Leckrate Detektor-Strukturen an diesem System Modultemperaturen (< -7°C, Annealing) Abkühlzeiten Dortmund 11.05.2007 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

System Test: Kühlsystem Ausschalten Leckrate: Qualifizierung des Aufbaus Einschalten Eingangsdruck Verdunstungsdruck 2.1 kg per 24h  0.09 kg/h Betriebsparameter Einschaltverhalten zeitl. Stabilität Dortmund 11.05.2007 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

System Test: Kühlsystem Temperaturänderung gegen Leistungsänderung: Qualität des Kühlkontakts; SQTF: dT/dP=2-3 -10 -24 absolute Temperatur gegen Modulleistung: Leistungsfähigkeit des Kühlsystems Dortmund 11.05.2007 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

Kühlsystem: Resultate Gute Stabilität im Betrieb (bei vorschriftsmässiger Wartung) Ein-/Ausschaltprozeduren und –vorgänge verstanden (Druckschwankungen wie erwartet, Temperaturen schwanken nicht zu stark) Modultemperatur < -7°C ist erreichbar (auch bei Leistungsaufnahme wie am Ende der Lebensdauer erwartet) C3F8 Verlustrate etwa 0.1 kg/h (keine Informationen über Spezifikationen, Wert erscheint vernünftig…) spez. Wärmewiderstand (dT/dP) bei etwa -20°C entspricht dem bei Stave/Sektor-Produktion gemessenen (dT/dP ~ 2 K/W) Überwachte Größen erlauben eine gute Beurteilung des Systems (nicht immer selbstverständlich…) Dortmund 11.05.2007 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

Einschub: Analoge Pixel Zelle des FE-I3 ladungs- empfindlicher Verstärker Feinjustierung der Schwelle pro Pixel Feedback (6+1)-bit TuneDAC (TDAC) 5-bit globaler Schwellen DAC Threshold generator Ladungs- injektion and Mask Enable Hit-Bus Output (“Hit”) Hit Bus Graphik von I. Peric Sensor-verbindung Diskriminator Injektion bekannter Ladung in den Verstärkereingang  erlaubt Kalibration von Schwelle und TOT Dortmund 11.05.2007 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

System Test: Kalibrierungsmessungen 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 Gibt Informationen über: - Spannungsversorgung (LV und HV) der Module - Zuordnung Module Konfigurations- und Auslesekanal - eindeutige Identifizierung des Moduls Betriebsparameter der optischen Auslese Dortmund 11.05.2007 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

System Test: Schwellenscan Rauschverteilung Schwellenverteilung Schwelle Mittelwert: 4001 e Sigma: 32 e Rauschen: ~160 e Werte für 46080 Kanäle auf einem Modul Dortmund 11.05.2007 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

System Test: Schwellenscan Schwelle, Dispersion und Rauschen für 119 Module einige Module konnten nicht gescannt werden: Schwierigkeiten mit Spannungsversorgung und optischem Link  sehr gute Uniformität Dortmund 11.05.2007 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

System Test: Stabilität Vier Schwellen- scans innerhalb eines Monats sehr gute Stabilität der Schwellen Dortmund 11.05.2007 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

Kalibrierungsmessungen: Resultate Schwellenscan wichtigstes Debug-Instrument Schwellenscans für alle Module dauern etwa 1h (evtl. während jeder Befüllung des LHC durchführbar) Schwellenjustierung für alle Module dauert etwa 1d Module selbst sind ‘perfekt‘ (sehr wenige Modulprobleme beobachtet) Sehr gute Homogenität der Schwellen pro Modul erreichbar Sehr gute Homogenität der Schwellen über alle Module erreichbar Qualität der Schwellenjustierung sehr stabil gegen Zeit Verhalten der Module wie aus Produktionstests zu erwarten (Schwellen, Schwellendispersion und Rauschen ändern sich nicht signifikant) Dortmund 11.05.2007 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

Das Readout-System Aufgabe: Auslesekette in Gang bringen Kalibrationsmessungen durchführen Dortmund 11.05.2007 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

System Test: Rausch-Okkupanz häufigstes TOT=5 Diese Ergebnisse entsprechen sehr gut dem Verhalten, welches man aus den Produktionstests erwartet  Detektor erfüllt die ATLAS Anforderungen insgesamt 5Mio. Trigger pro Run erreichbare Genauigkeit ~2e-7 RauschOkkupanz über alle Pixel: 6.7e-7 keine Cluster bzw. grosse rauschende Regionen Rausch-Okkupanz Die folgenden Graphen stellen die jeweiligen Größen integriert über alle Module des Runs dar! Analyse läuft noch. Dortmund 11.05.2007 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

System Test: Rausch-Okkupanz vs Schwelle Referenz: 3973 +/- 36e 3371 +/- 15e 2722 +/- 35e 2392 +/- 54e keine großen Änderungen für TDAC-10: Rausch-Okkupanz: 6.9e-7  niedrigere Schwellen interessanter Dortmund 11.05.2007 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

System Test: Rausch-Okkupanz vs Schwelle viele Hits pro Event kohärentes Rauschen der Module TDAC – 20 Schwelle: 2700e integriert Rausch-Okkupanz: 1.6e-3 Summe der modulweisen Okkupanzen pro Pixel einige Module rauschen schon, andere noch nicht  minimale Schwelle ist Modul-Eigenschaft Dortmund 11.05.2007 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

System Test: Rausch-Okkupanz vs Schwelle Peak kommt von einem seltsamen Modul Randeffekt, bisher unverstanden die Analyse dieser Daten dauert noch an… Dortmund 11.05.2007 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

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 Dortmund 11.05.2007 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

System Test: Cosmics TOT Verteilung Cluster Größen All Clusters Singlet clusters Random Triggers Cosmics Triggers TOT Verteilung Tomasso Lari Cluster Größen Nathan Triplet Dortmund 11.05.2007 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

System Test: Cosmics einige Verteilungen nach Tracking Dortmund 11.05.2007 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

Rausch-Okkupanz: Resultate Nominelle Rausch-Okkupanz: 6e-7 innerhalb der ATLAS Anforderungen kein Einfluss auf Tracking-Effizienz kohärentes Rauschen tritt ab einer Schwelle von <3000e auf einige unverstandene Effekte bei niedrigen Schwellen Triggerfrequenzen bis 50 kHz erreichbar 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 Dortmund 11.05.2007 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

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 Dortmund 11.05.2007 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

Danke für Ihre Aufmerksamkeit Dortmund 11.05.2007 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

Der ATLAS Pixel Detektor Endkappe C Layer2 Schale B-Layer, untere Halbschale Dortmund 11.05.2007 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

How many events can we expect ? Cosmic muon rate on the sea level: 1 muon / cm2 / min Top scintillator area: 45 x 72 cm = 3,240 cm2 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 Dortmund 11.05.2007 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

Das Interlock-System Aufgabe: Temperaturen überwachen Interlockbedingungen verstehen und beheben Dortmund 11.05.2007 Jens Weingarten, PI Uni Bonn