Construction and calibration of the laser alignment system for the CMS tracker [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Roman Adolphi

Roman Adolphi

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2006
• Nombre de lectures: 23
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 10 Mo

Extrait

Construction and Calibration
of the Laser Alignment System
for the CMS Tracker
Von der Fakultat¨ fur¨ Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften
der Rheinisch-Westfalischen Technischen Hochschule Aachen¨
zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Naturwissenschaften
genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Diplom–Physiker
Roman Adolphi
aus Aachen
Berichter: Universit¨atsprofessor Dr. St. Schael
Apl. Professor Dr. W. Braunschweig
Tag der mundlic¨ hen Prufung:¨ 28. November 2006
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfugba¨ r.Zusammenfassung
Am europaischen Kernforschungszentrum CERN (Genf, Schweiz) befindet sich der CMS¨
Detektor (Compact Muon Solenoid) an einer der vier Proton-Proton Wechselwirkungszo-
nen des Beschleunigers LHC (Large Hadron Collider) im Bau. Der innere Spurdetektor
desCMSExperimenteswirdmiteinemDurchmesservon2.4mundeinerL¨angevon5.4m
bei seiner Fertigstellung der weltweit großte Silizium-Detektor sein. Zum Nachweis von¨
2geladenen Teilchen wird eine aktive, ca. 200 m große Fl¨ache von insgesamt etwa 15000
Silizium-Streifen-Modulen zur Verfugung gestellt, die auf einer modularen mechanischen¨
Tragestruktur befestigt sind. Die Verwendung von Kohlefasermaterial ist eine optimale
oVoraussetzung, um mechanische Stabilit¨at bei −10 C Betriebstemperatur in einem 4 T
Magnetfeld zu gewahrleisten.¨
Zur pr¨azisen Vermessung der einzelnen Teilchenspuren ist die genaue Kenntnis der
Spurkammergeometrie notwendig. Neben der mechanischen Montagegenauigkeit großerer¨
¨DetektoreinheitenundderenvermessungstechnischerUberprufung¨ liefertdasLaser-Align-
ment-System (LAS) die Grundlage zur effizienten Spurrekonstruktion. Durch das in die
SpurkammerintergrierteLaser-Alignment-Systemk¨onnendiePositionenderElementeder
Tragestruktur auf der Skala von 100μm festgestellt werden. Relative Bewegungen einzel-
ner Komponenten konnen in der Großenordnung von 10 μm kontrolliert und uberwacht¨ ¨ ¨
werden.
Die Planung, das Design und die Verifizierung der Zuverlassigkeit eines optischen Sy-¨
stems dieser Komplexitat¨ fur¨ die r¨aumliche Ausrichtung eines Silizium-Detektors in der
GroßenordnungderCMSSpurkammer–unterderVoraussetzungminimalerBeeinflussung¨
des Detektordesigns und Vermeidung zusat¨ zlicher externer Referenzstrukturen – ist eine
neue wissenschaftliche Herausforderung. Die Entwicklung eines Laser-Alignment-Systems
zur Rekonstruktion der CMS Spurkammergeometrie, die Realisierung unter Beruc¨ ksich-
tigung der bestehenden Anforderungen, die Integration in den CMS Detektor und die
Bestimmung der Leistungsfahig¨ keit des optischen Systems werden in der vorliegenden
Arbeit beschrieben.
Das Prinzip der Positionsbestimmung basiert auf der Tatsache, daß Silizium im infra-
roten Wellenl¨angenbereich teilweise transparent ist. Der absorbierte Anteil eines Laser-
strahls erzeugt ein Signal im jeweiligen Silizium-Streifen-Modul, womit dessen Position
rekonstruiert werden kann, und der transmittierte Anteil stellt die optische Verbindung
zur nachsten Detektorlage her. Ausgehend von den Ergebnissen der Untersuchungen der¨
Eigenschaften von Laserdioden sowie den Tests von Lichtleitfasern und Steckern wurden
die Systemkomponenten von der Laserquelle bis zum Detektor definiert.Detailierte Studien bezuglic¨ h der Verwendung von Strahlteilern und geeigneten Test-
aufbautenzurVermessungdervonihnenausgesandtenkollinearenStrahlenwurdendurch-
gefuhrt.¨ ImRahmensowohldergeometrischenalsauchderoptischenAnforderungenwur-
de eine Strahlteilerkonstruktion entwickelt, die auf dem Polarisationsprinzip beruht. Die
Genauigkeit, mit der die Kollinearitat der ausgehenden Strahlen gemessen wurde, war¨
besser als 50 μrad, und es konnte gezeigt werden, daß unter den experimentellen Bedin-
gungen in CMS die relative Position beider Strahlen konstant bleibt.
Die Schnittstelle zwischen dem LAS und dem Spurdetektor stellen die Silizium-Align-
ment-Sensoren dar, die sowohl zum Teilchennachweis als auch zur Laserpositionsbestim-
mung dienen. Zur Verbesserung der optischen Eigenschaften wurde eine Anti-Reflex-
Schicht auf der Ruckseite der Sensoren unter Gewahrleistung gleichbleibender elektri-¨ ¨
scher Eigenschaften aufgetragen. Die experimentellen Ergebnisse der Transmissions- und
Reflexionsmessungen von Alignment-Sensoren in einem speziell entwickelten Testaufbau
stimmten mit den Modellrechnungen uberein und bestatigten die hohe optische Qualitat¨ ¨ ¨
der Sensoren.
Mit Hilfe einer Laserdiode und der Datenauslese der Signale in Silizium-Streifen-
ModulenineinerAnordnunggemaߨ derGeometrieeinerEndkappe(TEC)desSpurdetek-
tors wurde das Funktionsprinzip uberpruft und die raumliche Modulauflosung gemessen.¨ ¨ ¨ ¨
Fur¨ fast alle Modulpositionen innerhalb der Endkappe konnte die Laserstrahlposition
bei Relativbewegung der Module in der Großenordnung der Spezifikation von 10 μm¨
rekonstruiert werden. Zusat¨ zlich konnte gezeigt werden, daß die Brechung des Strahls
vernachl¨assigbar ist.
In einem bereits fertig montierten Sektor der Endkappenstruktur der Spurkammer
wurden die Daten des LAS mit denen aus einer fotogrammetrischen Vermessung vergli-
chen. Die Rekonstruktion der Endkappengeometrie mittels der Laserstrahlen gelang mit
einer Prazision¨ von besser als 100 μm, und durch den ub¨ ereinstimmenden Vergleich mit
denErgebnissenderfotogrammetrischenVermessungkonntedieoptischePositionsanalyse
des LAS bestat¨ igt werden.
Die hohen Anforderungen an die Implementierung und an die Leistungsfahigkeit des¨
Laser-Alignment-Systems erforderten wahr¨ end der Entwicklung, Konstruktion und Kali-
bration die Losung¨ von unterschiedlichen Fragestellungen und Problemen. Die dadurch
gesammelte Erfahrung kann als Grundlage fur weitere Anwendungen bei der Ausrichtung¨
von Spurkammern und Teilchendetektoren dienen.Abstract
The CMS detector (Compact Muon Solenoid) is under construction at one of the four
proton-protoninteractionpointsoftheLHC(LargeHadronCollider)atCERN,theEuro-
peanOrganizationforNuclearResearch(Geneva,Switzerland).Theinnertrackingsystem
of the CMS experiment consisting of silicon detectors will have a diameter of 2.4 m and
a length of 5.4 m representing the largest silicon tracker ever. About 15000 silicon strip
2modules create an active silicon area of 200 m to detect charged particles from proton
collisions.Theyareplacedonarigidcarbonfibrestructure,providingstabilitywithinthe
oworking conditions of a 4 T solenoid magnetic field at−10 C.
Knowledge of the position of the silicon detectors at the level of 100μm is needed for
an efficient pattern recognition of charged particle tracks. Metrology methods are used
to survey tracker subdetectors and the integrated Laser Alignment System (LAS) provi-
des absolute positioning of support structure elements to better than 100 μm. Relative
movements of the components are resolved and monitored at the 10 μm scale.
A robust and reliable optical system able to measure and control the large CMS
tracker geometry with high accuracy has been developed and validated. The design and
construction of such a system, fully integrated in the silicon tracker, avoiding external
reference structures in order to have minimal impact on the tracker layout and consisting
of radiation hard and non-magnetic components represents a new scientific challenge.
The construction and integration of the LAS fulfilling the requirements, as well as its
calibration and performance are described in this thesis.
The working principle is based on the partial transparency of silicon for light wa-
velengths in the near infrared region. The absorbed part of the laser beam generates a
signal in the corresponding silicon strip module serving to reconstruct its position. The
transmitted part reaches the subsequent module layer generating an optical link between
the two layers.
Investigation of the light generation and distribution led to a definition of the optical
componentsandtheiroptimizationforLaserAlignmentpurposes.Laserdiodeshavebeen
qualified as light sources and singlemode optical fibres, terminated by special connectors,
distribute the light to the CMS tracker detector.The beamsplitting device, a key component of the LAS light distribution inside the
CMS tracker, has been studied in detail. The challenge of splitting one collimated beam
into two back-to-back beams inside a small available volume has been solved by using the
polarization principle. Special test setups were developed to determine the collinearity of
the two outgoing beams with a precision better than 50μrad and it has been shown that
their relative orientation remains constant under working conditions.
The interface between the tracker and the LAS is given by the silicon sensors which
areresponsiblebothforparticledetectionandforthedeterminationofthepositionofthe
laserspot.Ananti-reflex-coatinghasbeenappliedonthebacksideofallalignmentsensors
to improve their optical properties without deterioration of their tracking performance.
A test setup has been developed to simultaneously study the transmission and reflection
properties of the alignment se