Construction of the CMS tracker end caps and an impact study on defects [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Alexander Linn

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2008
• Nombre de lectures: 22
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 23 Mo

Extrait

Construction of the CMS TrackerEnd-Caps
and an Impact Study on Defects
Von der Fakultat fur Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften der RWTH¨ ¨
Aachen University zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der
Naturwissenschaften genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Diplom-Physiker Alexander Linn
aus Geilenkirchen
Berichter: Universit¨atsprofessor Dr. rer. nat. Achim Stahl
Universit¨atsprofessor Dr. rer. nat. Stefan Schael
Tag der mundlichen¨ Prufung¨ : 17. November 2008
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfu¨gbar.Zusammenfassung
Das CMS Experiment des LHC Beschleunigers am Forschungszentrum CERN bei
Genf wird ab dem Jahr 2008 erste Proton-Proton Kollisionen bei bis dahin unereich-
ten Schwerpunktsenergieen untersuchen. Damit die Entdeckung von bisher nur theo-
retisch vorhergesagten Elementarteilchen mo¨glich ist, wurde in CMS der mit einer
2sensitiven Fl¨ache von 198m gr¨oßte Siliziumspurdetektor bisher eingebaut. Segmen-
tiert in mehr als 15.000 Silizium Streifen Module, bildeten die Konstruktion und der
Test des Spurdetektors große Herausforderungen an die beteiligten Institute. Das III.
Physikalische Institut B der RWTH Aachen war maßgeblich am Bau und Test der
ben¨otigten Unterstrukturen, sogenannten Petals, der Endkappen des Spurdetektors
beteiligt. Die Petals wurden in einem Reinraum zusammengebaut und ersten einfa-
chen Tests unterzogen, welche die generelle Funktionstucht¨ igkeit jeder verwendeten
Komponente sicherstellen sollten. Die beim Zusammenbau gefunden Fehler werden
aufgezeigt und n¨otige Verbesserungen an den Silizium Streifen Modulen werden kurz
erl¨autert. Anschließend wurden die Petals einem mehrt¨agigen Kuhlt¨ est unterzogen,
der als erster alle benotigen Auslesekomponenten der Endkappen zusammen unter¨
◦CMS ¨ahnlichen Temperaturbedingungen von −10 C Siliziumtemperatur kontrollier-
te um genauere Kenntnis uber mogliche Fehler zu erhalten. Dabei wurden effiziente¨ ¨
Analysemethoden entwickelt, die es erlauben Defekte auf dem Niveau von einzelnen
Silizium Streifen zu finden und so die Qualitat der eingebauten Komponenten unter¨
thermischem Streß zu bestimmen. Die Analyse von 288 gebauten Petals ergab eine
Einzelstreifenfehlerquote von weniger als 4 . Anschließend wurden die Petals in den
Endkappen des Spurdetektors eingebaut und diese zum CERN gebracht, wo weite-
re Kuhlt¨ ests mit beiden Endkappen durchgefuhr¨ t wurden. Hier vorgestellt wird der
Kalttest einer der beiden Endkappen der am CERN durchgefuhrt wurde, die Analyse¨
der dort gefundenen Fehler wird erl¨autert und die exzellente Qualit¨at der getesteten
Endkappe wird verdeutlicht. Die durchgefuhrten Messungen ergaben eine dem Einzel¨
Petal Test vergleichbare Fehlerzahl von 4 schlechter Streifen. Das abschließende
Kapitel dieser Arbeit widmet sich der Analyse der gefundenen Defekte und deren Im-
plementierung in Monte Carlo Simulationen um die Auswirkungen von Modul Fehlern
auf die Spurrekonstruktion in CMS aufzuzeigen. Dazu werden die beiden in CMS
benutzten Spurrekonstruktionsalgorithmen benutzt und deren Ergebnisse miteinander
verglichen. Diese erste Analyse zeigt, dass auch bei einer großen Anzahl von Feh-
lern in der Großenordung von 5% eine sehr gute Spurrekonstruktionseffizienz erreicht¨
wird. Nimmt man die bis zum Mai 2008 bekannte Fehlerrate von 2 des gesamten
Spurdetektors als Grundlage der Simulation, ergeben sich keine Auswirkungen auf die
betrachteten Effizienzen.
I
???IIAbstract
The CMS experiment at the LHC accelerator at the research center CERN close
to Geneva will study proton proton collisions at up to now unprecedented centre of
mass energies from the year 2008 on. To discover theoretically predicted elementary
particles, CMSwasequippedwiththelargestsilicontrackersofarwithasensitivearea
2of 198m . Partitioned into more than 15.000 silicon strip modules, the construction
and test of the tracker was a huge challenge for the involved institutes. The III.
Physikalisches Institut B of the RWTH Aachen had a leading role in the construction
and test of substructures, so called petals, for the end caps of the tracker. The
petals were assembled in a clean room and underwent first basic tests to ensure the
general operationability of each component. Failures detected during the assembly
are described and improvements of the silicon strip modules are discussed. After the
assembly the petals underwent a cold test for several days. For the first time all
◦readout components of the petal were tested together at a temperature of −10 C,
similar to the final conditions in CMS. Efficient analysis methods were developed,
that allow to find defects on the level of single silicon strips and hence obtain an
overviewoverthequalityofthecomponentsunderthermalstress. Theanalysisof 294
assembled petals resulted in a single strip failure rate of less than 4 . Subsequently
the petals were inserted into the tracker end caps and shipped to CERN where further
cold tests were done with both end caps. Presented here is the cold test of one
of the two end caps which was constructed at CERN. The analysis of the failures
detected is illustrated and the excellent quality of the tested end cap is confirmed.
The measurements yield a failure rate of 4 comparable to the single petal test. The
finalchapterdiscussestheimpactofdefectsonthetrackreconstruction. Defectswere
implemented into a Monte Carlo simulation. Track reconstruction is done using two
algorithms which are compared with each other. The analysis shows that even with a
large number of defects as large as 5% a very good track reconstruction efficiency is
obtained. Taking the known defect rate of May 2008 of 2 no effects on the track
reconstruction efficiencies are observed.
III
???IVContents
Zusammenfassung I
Abstract III
1 Introduction 1
1.1 The Large Hadron Collider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 The CMS Physics Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 The CMS Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2 The CMS Silicon Strip Tracker 13
2.1 General Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.1 TIB and TID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.1.2 TOB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.1.3 TEC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2 Silicon Strip Modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.1 Energy Loss of Charged Particles in a Medium . . . . . . . . 17
2.2.2 Silicon Strip Sensor Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.3 Radiation Damage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.4 CMS Silicon Strip Modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.5 Cooling of Silicon Strip Modules . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.6 Determination of the Noise of Silicon Strip Modules . . . . . 22
2.3 Petals and Petal Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.1 Cooling Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.2 Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.3 Powering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3 Petal Assembly 33
3.1 Workflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2 Assembly Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3 A Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3.1 CCUs and ICB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3.2 AOHs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3.3 Modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.3.4 Finalizing the Assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.4 Production Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
VVI Contents
3.4.1 Petal Rework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.4.2 Repair Center . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.4.3 Final Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4 Petal Long Term Test 45
4.1 Long Term Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.2 Slow Control and Interlock Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.3 Run Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.4 Long Term Test Scenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.5 Environmental Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.5.1 Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.5.2 Low Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.5.3 Leakage Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.6 Basic Test of the Tracker Cooling Concept . . . . . . . . . . . . . . 52
4.7 AOH Tune . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.8 Noise Analysis Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.9 Module and Petal Grading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5 TEC- Cold Test 59
5.1 The Cold Room Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.2 Test Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.3 Results