Development of a test system for the quality assurance of silicon microstrip detectors for the inner tracking system of the CMS experiment [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Markus Axer

Markus Axer

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• Physik

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2003
• Nombre de lectures: 24
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 31 Mo

Extrait

Development of a Test System for
the Quality Assurance of
Silicon Microstrip Detectors for
the Inner Tracking System of
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 Markus Axer
aus Rheydt
Berichter: Universitätsprofessor Dr. rer. nat. Günter Flügge
Univ Dr. rer. nat. Joachim Mnich
Tag der mündlichen Prüfung: 18. Dezember 2003
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek
online verfügbar.Zusammenfassung
Beim Bau des inneren Spursystems des CMS Experiments (Compact Muon Solenoid)
am Beschleuniger LHC (Large Hadron Collider) des europäischen Kernforschungs
zentrums CERN (Genf, Schweiz) sollen zwei unterschiedliche Silizium Detektor Tech
nologien zum Einsatz kommen. Während die innere Region des Spurdetektors aus
Silizium Pixel Detektoren besteht, wird der äußere Bereich mit Silizium Mikrostreifen
Detektoren bestückt. Der Silizium Mikrostreifen Spurdetektor wird aus etwa 15 000
einzelnen Modulen aufgebaut sein, die jeweils aus einem bzw. zwei Silizium Sensoren,
der Ausleseelektronik (Front End Hybrid) und einer mechanischen Halterung beste
2hen. Dieser Detektor stellt eine aktive Fläche von 198 m zur Verfügung und besitzt
ca. zehn Millionen analoge Kanäle, die mit einer Frequenz von 40 MHz ausgelesen
werden. Die Herstellung dieser großen Anzahl von Modulen stellt eine beispiellose
Herausforderung dar, die zahlreiche Industriebetriebe und Forschungseinrichtungen
verschiedener Länder einbezieht. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Phy
sik der Silizium Sensoren und der Vorbereitung der Modul Massenproduktion, welche
etwa ein Jahr in Anspruch nehmen wird. Während dieser Phase ist es erforderlich, eine
effiziente Produktion zu gewährleisten. Dies erfordert ein Testsystem, das die komplet
te Produktionsphase überwachen kann und auf diese Weise eine zuverlässige Qualitäts
sicherung sowohl der Hybride als auch der Module sicherstellt. In Aachen wurde das
Testsystem ARC (APV Readout Controller) entwickelt und allen beteiligten Instituten
zur Verfügung gestellt.
Diese Arbeit führt das ARC System ein und beschreibt die Entwicklung der spezi
ell für dieses System entworfenen Auslese und Analysesoftware (ARCS). Basierend
auf der Charakterisierung von 21 Prototyp Modulen, der sogenannten Expressline
Serie, die im Jahr 2002 von der Spurdetektor Endkappen Kollaboration gebaut wur-
den, konnten die Eignung und die Funktionalität des ARC Systems demonstriert wer-
den. Desweiteren ermöglichten die Tests der Module bei Raumtemperatur und bei tie
fen Temperaturen eine Verbesserung der existierenden Analyse Routinen sowie die
Entwicklung neuer Tests, die in die ARCS Umgebung eingebettet wurden. Ein zen
trales Ziel dieser Messungen war eine umfassende, redundante Fehlerermittlung. Ins
gesamt zeigten sich drei verschiedene Fehlerarten: offene Bonds, Kurzschlüsse und
Pinholes. Von den 21× 512 Auslesekanälen wurden 29 Kanäle als defekt identifiziert
und konnten einem der drei Fehlertypen zugeordnet werden. Diese kleine Fehlerrate
von weniger als 0.3% unterstreicht die gute Qualität der ausgewählten Modulkompo
nenten und der fertigen Module. Hinsichtlich der anstehenden Massenproduktion der
Silizium Module sind insbesondere die vergleichbaren und reproduzierbaren Messer-
gebnisse ermutigend.Abstract
The inner tracking system of the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment at the
Large Hadron Collider (LHC) which is being built at the European Laboratory for Par-
ticle Physics CERN (Geneva, Switzerland) will be equipped with two different tech
nologies of silicon detectors. While the innermost tracker will be composed of silicon
pixel detectors, silicon microstrip detectors are envisaged for the outer tracker archi
tecture. The silicon tracker will house about 15,000 single detector modules
each composed of a set of silicon sensors, the readout electronics (front end hybrid),
2and a support frame. It will provide a total active area of 198 m and ten million ana
logue channels read out at the collider frequency of 40 MHz. This large number of
modules to be produced and integrated into the tracking system is an unprecedented
challenge involving industrial companies and various research institutes from many
different countries.
This thesis deals with the physics of silicon sensors and the preparation of the
large scale production of front end hybrids and modules which will span over one year.
During this period it is essential to assure efficient and reproducible manufacturing as
well as diagnostic procedures among all centres. This demands a test environment ca
pable of supervising the complete production phase while providing a reliable quality
assurance of front end hybrids and modules. To meet these requirements, the test setup
ARC (APV Readout Controller) was developed in Aachen and distributed among all
collaborating institutes. In this thesis, the ARC system is introduced and, in particu
lar, the development of test procedures implemented in the corresponding readout and
analysis software (ARCS) are described.
Based on the characterization of a pre series of 21 silicon modules, called express
line, built in the year 2002 by the tracker end cap collaboration, the functionality and
suitability of the ARC system could be demonstrated. The measurements of these
modules, performed at ambient and at low temperatures, allowed the improvement
of existing test procedures as well as the development of new tests incorporated in the
ARCS environment to guarantee a comprehensive and redundant failure determination.
Three types of faults showed up during the different test procedures: open bonds,
shorts, and pinholes. In total only 29 channels (of 21×512 channels) were identified as
faulty channels affected by one of the failures mentioned above. This leads to a failure
rate of less than 0.3% which emphasizes the good quality of the components used and
the accurate manufacturing methods. Especially the reproducibility and the compara
bility of the test results are encouraging with respect to the enormous challenge of the
large scale production the CMS experiment is facing.Contents
Preface 1
1 Introduction 2
1.1 The Standard Model of Particle Physics . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 The Large Hadron Collider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 Physics at the Large Hadron Collider . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4 The Compact Muon Solenoid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4.1 The Muon System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4.2 The Calorimeter System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.4.3 The Tracking System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4.4 The Trigger and the Data Acquisition System . . . . . . . . . 14
2 CMS Silicon Microstrip Sensors 16
2.1 Basic Silicon Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.1.1 Carrier Generation in Silicon . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.1.2 Advantages of Silicon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2 The CMS Silicon Sensor Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.1 The Reverse Biased pn Junction . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.2 Radiation Damage in Silicon Sensors . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.3 The CMS Silicon Microstrip Sensor Design . . . . . . . . . . 28
3 Module Readout Electronics 31
3.1 Layout of the Front End Hybrid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2 Components of the Front End Hybrid . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2.1 The APV 25 Chip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2.2 The TPLL Chip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2.3 The APVMUX Chip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2.4 The DCU Chip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4 CMS Silicon Microstrip Detector Modules 45
4.1 Layout of the TEC Modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.2 Problems and Flaws Affecting the Module’s Performance . . . . . . . 47
4.3 Noise Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
iii CONTENTS
5 Development of a Test Facility 53
5.1 The ARC System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.1.1 ARC Board . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.1.2 ARC Front End Adapter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.1.3 PC Adapter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.1.4 Build up of the Minimal ARC System . . . . . . . . . . . . . 58
5.1.5 Extensions of ARC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.1.6 Production of the ARC System . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.2 The Front End Hybrid Industrial Tester . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.3 Test Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.4 General Concept of the Readout Software . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.4.1 Fields of Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.4.2 Operator Demands