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Development and evaluation of test stations for the quality assurance of the silicon micro-strip detector modules for the CMS experiment [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Michael Pöttgens

De
206 pages
Development and Evaluationof Test Stationsfor the Quality Assuranceof the Silicon Micro Strip DetectorModulesfor the CMS ExperimentVon der Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaftender Rheinisch Westfälischen Technischen Hochschule Aachenzur Erlangung des akademischen Grades einesDoktors der Naturwissenschaftengenehmigte Dissertationvorgelegt vonDiplom Physiker Michael Pöttgensaus WürselenBerichter: Universitätsprofessor Dr. rer. nat. Günter FlüggeUniv Dr. rer. nat. Joachim MnichTag der mündlichen Prüfung: 22. November 2007Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothekonline verfügbar.ZusammenfassungCMS (Compact Muon Solenoid) ist einer von vier Großdetektoren, die am LHC (LargeHadron Collider) Beschleuniger des European Laboratory for Particle Physics (CERN)errichtet werden. Für die Suche nach neuer Physik ist die Rekonstruktion der Kollisi onsprodukte und ihrer Eigenschaften notwendig. Im innersten Teil des CMS Detektorswerden die Spuren von ionisierenden Teilchen mittels eines Silizium Spurdetektors ge messen. Ein großer Teil dieses Detektors ist mit Silizium Streifen Modulen bestückt,die eine präzise Ortsauflösung in einer Dimension liefern. Ein Modul besteht aus ei nem Sensor für den Nachweis der Teilchen, der dazugehörigen Auslese Elektronik(Hybrid) und einer Tragestruktur.
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Development and Evaluation
of Test Stations
for the Quality Assurance
of the Silicon Micro Strip Detector
Modules
for the CMS Experiment
Von der Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften
der Rheinisch Westfälischen Technischen Hochschule Aachen
zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften
genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Diplom Physiker Michael Pöttgens
aus Würselen
Berichter: Universitätsprofessor Dr. rer. nat. Günter Flügge
Univ Dr. rer. nat. Joachim Mnich
Tag der mündlichen Prüfung: 22. November 2007
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek
online verfügbar.Zusammenfassung
CMS (Compact Muon Solenoid) ist einer von vier Großdetektoren, die am LHC (Large
Hadron Collider) Beschleuniger des European Laboratory for Particle Physics (CERN)
errichtet werden. Für die Suche nach neuer Physik ist die Rekonstruktion der Kollisi
onsprodukte und ihrer Eigenschaften notwendig. Im innersten Teil des CMS Detektors
werden die Spuren von ionisierenden Teilchen mittels eines Silizium Spurdetektors ge
messen. Ein großer Teil dieses Detektors ist mit Silizium Streifen Modulen bestückt,
die eine präzise Ortsauflösung in einer Dimension liefern. Ein Modul besteht aus ei
nem Sensor für den Nachweis der Teilchen, der dazugehörigen Auslese Elektronik
(Hybrid) und einer Tragestruktur. Da die 15148 Module, die in den Silizium Streifen
2Detektor eingebaut werden, eine gesamte sensitive Oberfläche von ungefähr 198 m
haben, ist der innere Spurdetektor von CMS der größte Silizium Spurdetektor, der je
gebaut wurde.
Während die Sensoren und Hybride in der Industrie gefertigt werden, wird der Zusam
menbau und die Überwachung der Qualität von den Mitgliedern der 21 teilnehmenden
Institute durchgeführt. Da der Zugang zu dem Silizium Streifen Detektor sehr einge
schränkt sein wird, wenn der Detektor in CMS eingebaut ist, müssen die eingebauten
Module von hoher Qualität sein. Aus diesem Grund werden die Module gründlich ge
testet und die Testergebnisse in einer zentralen Datenbank gespeichert.
Durch die Entwicklung eines Auslese Systems und der dazugehörigen Software hat
das III. Physikalische Institut einen wichtigen Beitrag für die elektrische und funktio
nelle Qualitätskontrolle von Hybriden und Modulen geleistet. Das Testsystem verfügt
über alle Vorrichtungen für den Betrieb und den Test von Hybriden und Modulen und
zeichnet sich durch hohe Zuverlässigkeit und einfach Handhabung aus. Wegen der sehr
anwenderfreundlichen und hoch automatisierten Software wurde das Testsystem zum
offiziellen Testgerät bestimmt und in verschiedene Teststände integriert.
Die Teststände, in denen das Auslesesytem zum Einsatz kommt, und die in der je
weiligen Software implementierten Tests werden beschrieben. Auf die erwarteten und
experimentell ermittelten Signaturen von verschiedenen Fehlern und die Qualitätskon
trolle nach den einzelnen Fertigungsschritten wird eingegangen. Im Besonderen wird
die Optimierung der Teststände für die Qualifizierung von Modulen der Endkappe des
Streifen Detektors behandelt. Die Signaturen der typischen Fehler sind in allen Test
ständen so einheitlich, dass eine Fehlererkennungsroutine entwickelt werden konnte,
die Fehler anhand von einheitlichen Kriterien identifiziert. Da die Routine auf alle Mo
duldaten angewendet wurde kann die Gesamtrate der defekten Streifen über die Da
tenbank abgeschätzt werden. Die auf diese Weise ermittelte Fehlerrate beträgt weniger
als 1 % und zeugt für die hervorragende Qualität der Module.Abstract
CMS (Compact Muon Solenoid) is one of four large scale detectors which will be
operated at the LHC (Large Hadron Collider) at the European Laboratory for Particle
Physics (CERN). For the search for new physics the reconstruction of the collision
products and their properties is essential. In the innermost part of the CMS detec
tor the traces of ionizing particles are measured utilizing a silicon tracker. A large
fraction of this detector is equipped with silicon micro strip modules which provide a
precise space resolution in 1 dimension. A module consists of a sensor for detection
of particles, the corresponding read out electronics (hybrid) and a mechanical support
structure. Since the 15,148 modules, which will be installed in the silicon micro strip
2detector, have a total sensitive surface area of about 198 m , the inner tracker of CMS
is the largest silicon tracking detector, which has ever been built.
While the sensors and hybrids are produced in industry, the construction of the mod
ules and the control of the quality is done by the members of the 21 participating
institutes. Since the access to the silicon micro strip tracker will be very limited after
the installation in the CMS detector the installed modules must be of high quality. For
this reason the modules are thoroughly tested and the test results are uploaded to a
central database.
By the development of a read out system and the corresponding software the III. Phy
sikalisches Institut made an important contribution for the electrical and functional
quality control of hybrids and modules. The read out system provides all features for
the operation and test of hybrids and modules and stands out due to high reliability and
simple handling. Because a very user friedly and highly automated software it became
the official test tool and was integrated in various test stands.
The test stands, in which the read out system is integrated in, are described and the
tests which are implemented in the corresponding software. The expected and ob
served signatures of various faults is elaborated and the quality control after the single
production steps. In particular the comparison of the test stands for the qualification
of the modules for the end caps of the micro strip tracker is dealt with. The signatures
of typical failures is are uniform in all test stands so that a failure identification routine
could be developed which provides detection and distinction by means of unique crite
ria. Since this routine was applied to all module data the total rate of defect strips can
be assessed via the database. The excellent quality of the modules stands out due to a
failure rate of less than 1 %.Contents
1 Introduction 1
1.1 The Large Hadron Collider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 The CMS Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 The Magnet System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.4 The Muon Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.5 The Hadron Calorimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.6 The Electromagnetic Calorimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.7 The Central Silicon Tracker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.7.1 The Pixel Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.7.2 The Silicon Micro Strip Detector . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.7.3 The Expected Performance of the Central Silicon Tracker . . 7
2 The Modules for the CMS Silicon Micro Strip Tracker 9
2.1 The Silicon Micro Strip Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.1 Working Principle, Operation and Radiation Issues . . . . . . 9
2.1.2 The CMS Sensor Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2 The Frames . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3 The Hybrids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3.1 The APV Chip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3.2 The PLL Chip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3.3 The MUX Chip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3.4 The DCU Chip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.4 The Module Production Scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.4.1 Hybrid Assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.4.2 Module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.4.3 Bonding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3 The ARC System 37
3.1 The PCMIO Card . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2 The ARC board . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2.1 Data Acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.2.2 ARC Firmware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.3 The ARC Front End Adapter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.4 The DEPP Board . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.5 The LEP16 Board . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
iii CONTENTS
3.6 The ARC Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.6.1 The Operation of ARCS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.6.2 I V Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.6.3 Pedestal and Noise Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.6.4 Calibration Pulse Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.6.5 Pipeline Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.6.6 Pinhole Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.6.7 Gain Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.6.8 Backplane Pulse Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.6.9 LED Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.6.10 Fast Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.7 The Cooli Box . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.8 The Cooli Control Software ACDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4 The Test Stands for Hybrid and Module Qualification 76
4.1 The FHIT System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.1.1 Build Up of the FHIT System . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.1.2 Front End Hybrid Industrial Tester Software . . . . . . . . . 77
4.1.3 FHIT Data Handling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.2 The Hybrid Test Station . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.2.1 Build Up of the Hybrid Test Station . . . . . . . . . . . . . . 80
4.2.2 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.3 The Single Module Test Stand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.3.1 Build Up of the Single Module Test Stand . . . . . . . . . . . 90
4.3.2 of the Test Box . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.3.3 The Software for the Single Module Test Stand . . . . . . . . 92
4.4 The Module Thermal Cycling Test Stand . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.4.1 Build Up of the Thermal Cycling Test Stand . . . . . . . . . 92
4.4.2 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5 Faults and Qualification Procedure for Hybrids and Modules 94
5.1 Fault Description and Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.1.1 Hybrid Faults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.1.2 Module Faults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.2 Qualification Procedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.2.1 Hybrid Qualification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.2.2 with Pitch Adapter Qualification . . . . . . . . . . . . 115
5.2.3 Module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6 Conclusion 135
A Additional Plots and Figures 137
A.1 Cross Sections and Branching Ratios for Higgs Decay . . . . . . . . . 137
A.2 Reproducibility of Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
A.3 Comparison of TEC Test Stands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140CONTENTS iii
B Noise Calculation Details 146
C Additional Object Information 148
C.1 Hybrid Versions and Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
C.1.1 Hybrid Identification Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
C.2 Sensor Versions and Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
C.2.1 Sensor Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
C.3 Module Types and Versions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
C.3.1 Module Identification Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . 155
D The Database Tables for ARC Test Results 157
D.1 General Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
D.2 The Database Tables for Hybrid Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
D.2.1 The FHITPRODUCTION_1_HYB_ and the
FHITRECEPTION_1_HYB_ Table . . . . . . . . . . . . . . 160
D.2.2 The TESTWITHPA_1_HYB_ Table . . . . . . . . . . . . . . 163
D.3 The Database Tables for Module Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
D.3.1 The MODULBASIC_2_MOD_ Table . . . . . . . . . . . . . 165
E Queries 173
E.1 The Database Queries for Extraction of Additional Object Information 173
E.2 The Rate of PLL problematic Hybrids . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
E.3 Number of Tests in MODULBASIC_2_MOD_ table . . . . . . . . . 177
Acknowledgement 193
Curriculum Vitae (German)/Lebenslauf 195iv CONTENTS

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