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System Tests für den ATLAS Pixel Detektor

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Präsentation zum Thema: "System Tests für den ATLAS Pixel Detektor"—  Präsentation transkript:

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

2 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 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

3 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 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 46080 Pixel pro Modul Module Control Chip (MCC) zwei Ausgabekanäle Bandbreiten 40 und 80 MBit/s Dortmund Jens Weingarten, PI Uni Bonn

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

6 System Test Allgemein 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 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 Dortmund Jens Weingarten, PI Uni Bonn

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

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

11 Messprogramm System Test Dortmund 11.05.2007
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) 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 Dortmund Jens Weingarten, PI Uni Bonn

14 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 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 Dortmund Jens Weingarten, PI Uni Bonn

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

17 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 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 Dortmund Jens Weingarten, PI Uni Bonn

19 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 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

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

21 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 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

22 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 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

23 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 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

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

25 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 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

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

27 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 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

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

29 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 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

30 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 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

31 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 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… Dortmund Jens Weingarten, PI Uni Bonn

33 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 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

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

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

36 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 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 Dortmund Jens Weingarten, PI Uni Bonn

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

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

40 How many events can we expect ?
Cosmic muon rate on the sea level: 1 muon / cm2 / min Top scintillator area: x 72 cm = 3,240 cm2 Rate through the top scintillator: Hz Acceptance (top & bottom scint.): % 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: 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 Jens Weingarten, PI Uni Bonn

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


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