Integration of the end cap TEC+ of the CMS silicon strip tracker [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Richard Bremer

Richard Brauer, 1. Physikalisches Institut B, Rwth Aachen, Germany

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• Physik

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2008
• Nombre de lectures: 12
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Extrait

Integration of the End Cap TEC+
of the CMS Silicon Strip Tracker
Von der Fakult¨at fu¨r Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften der
RWTH Aachen University zur Erlangung des akademischen Grades
eines Doktors der Naturwissenschaften genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Diplom-Physiker
Richard Bremer, geb. Brauer
aus Wuppertal
Berichter: Universit¨atsprofessor Dr. Lutz Feld
Universit¨atsprofessor Dr. Stefan Schael
Tag der mu¨ndlichen Pru¨fung: 28. April 2008
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek
online verfu¨gbar.Abstract
At the European Organizationfor Nuclear Research (CERN) near Geneva the new proton-proton
colliderringLHCandtheexperimentsthatwillbeoperatedatthisacceleratorarecurrentlybeing
finalised. Among these experimentsis the multi-purpose detectorCMS whoseaim it isto discover
andinvestigatenewphysicalphenomenathatmightbecomeaccessiblebyvirtueofthehighcenter-
of-massenergyandluminosityoftheLHC.Twoofthemostintensivelystudiedpossibilitiesarethe
discovery of the Higgs Boson and of particles from the spectrum of supersymmetric extensions of
theStandardModel. CMSisthefirstlargeexperimentofhigh-energyparticlephysicswhoseinner
tracking system is exclusively instrumented with silicon detector modules. This trackercomprises
15148 silicon strip modules enclosing the interaction point in 10–12 layers. The 1. Physikalisches
Institut B ofRWTH Aachenwasdeeply involvedin the completion ofthe end capsofthe tracking
system. The institute played a leading role in the end cap design, produced virtually all support
structures and several important electrical components, designed and built the laser alignment
system of the tracker, performed system tests and finally integrated one of the two end caps in
Aachen.
Thisintegrationconstitutesthe centralpartofthe presentthesiswork. Themain focuswason
the development of methods to recognisedefects early in the integration process and to assert the
detector’s functionality. Characteristic quantities such as the detector noise or the optical gain of
the readout chain were determined during integration as well as during a series of tests performed
after transport of the end cap from Aachen to CERN. These measurements show a constantly
high quality of the integrated device. The procedures followed during the mechanical integration
ofthedetector andduringthe commissioningofintegratedsectorsareexplained, and the software
packages developed for quality assurance are described. This part of the document also covers
problems that occured in the courseofthe integrationprocess. In addition, results of the detector
readout are presented. It could be shown that more than 99.5% of the approximately two million
readout channels of the detector are working, that the noise of the silicon modules is below about
2000 electrons and that the common-mode noise is negligible. With these results, reliable signal
detection can be expected even towards the end of the foreseen life time of the end cap, when
radiation damages will lead to higher noise and reduced signal charge collection.
Duringthe integrationphase, sub-structuresofthe end cap—named petals— weresubjected
to a reception test which has also been designed and operated as part of this thesis work. The
test setup and software developed for the test are introduced and an account of the analysis of
the recorded data is given. Containing about 20 silicon modules and related readout electronics,
petals are the basic building blocks of the end cap system. The reception test mainly confirmed
the verygoodqualityofpetalsdeliveredby externalintitutes and found asmall numberofdefects
which could be repaired before integration of the petals into the end cap.
Before the end cap project entered the production phase, a final test beam experiment was
performed in which the suitability of a system of two fully equipped petals for operation at the
LHC was checked. In this last step of the system test for the end caps, stable operation and a
gooddataqualitycouldbeverified. Themeasuredratioofthesignalinducedinthesiliconsensors
by minimal ionising particles to the detector noise — in the readout mode relevant for operation
at design luminosity — was shown to be greater than 20 for all module geometries.
A software for analysing the recorded data was developed and used in all presented studies.
This tool was tuned to the special requirements of the test and integration phase of the detector.
iiiiv ABSTRACT
The functionality of the software and the algorithms it uses are explained.
A comparison of the different studies demonstrates the constantly high detector quality in
setups of individual petals as well as in systems comprising hundreds of silicon modules in the
integrated end cap. At the same time, the reproducibility of the measurements could be estab-
lished, which is another requirement for successful operation of the tracker end caps in the search
of new physics at the LHC.Kurzfassung
AmForschungszentrumCERNbeiGenfwerdenderzeitderneueProton-Proton-SpeicherringLHC
unddieandiesemBeschleunigerangesiedeltenExperimentefertiggestellt,darunterderVielzweck-
detektor CMS. Das Ziel von CMS ist es, neue physikalische Pha¨nomene zu entdecken und zu
untersuchen, die durch die hohe Schwerpunktsenergie und Luminosita¨t des LHC zug¨anglich sein
k¨onnten. Dazu za¨hlen beispielsweise die Entdeckung des Higgs-Bosonsoder von Teilchen aus dem
Spektrum supersymmetrischer Erweiterungen des Standardmodells. CMS ist das erste große Ex-
periment der Hochenergie-Elementarteilchenphysik, dessen Spurdetektor vollst¨andig in Silizium-
technologiegefertigtwird. DieserSpurdetektorbestehtaus15148Siliziumstreifenmodulen,dieden
Wechselwirkungspunkt in 10 bis 12 Lagen umgeben. Am Bau der Endkappen des Spurdetektors
wardas1. PhysikalischeInstitutBderRWTHdurchdieFederfu¨hrungbeiderDetektorkonzeption,
Fertigung nahezu aller Tragestrukturen und wichtiger elektronischer Komponenten, Entwicklung
des Laser-Alignment-Systems, Durchfu¨hrung von Systemtests und durch die Integration einer der
beiden Endkappen in Aachen beteiligt.
Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit war diese Endkappenintegration, wobei insbesondere
Methoden entwickelt wurden, um Defekte wa¨hrend der Integrationsphase zu entdecken und die
Funktionalit¨at des Detektors sicherzustellen. Kennzahlen wie das Rauschverhalten der Module
oder die optische Versta¨rkung des Auslesesystems wurden sowohl wa¨hrend der Integrationsphase
als auch wa¨hrend einer Testphase nach dem Transport der Endkappe nach Genf bestimmt und
zeigen eine gleichbleibend hohe Qualita¨t des Ger¨ates. Es werden die Vorgehensweise bei der me-
chanischenIntegrationdesDetektors und bei derInbetriebnahme integrierterSektoren vorgestellt
und die zur Qualita¨tssicherung entwickelten Programmebeschrieben, wobei auch Probleme ange-
sprochen werden, die wa¨hrend der Integration auftraten. Zudem werden die Ergebnisse der De-
tektorauslese pr¨asentiert. Es konnte gezeigt werden, daß mehr als 99.5% der knapp zwei Mil-
lionen Auslesekan¨ale der Endkappe am Ende der Integration funktionieren, daß das Rauschen
der Siliziummodule weniger als etwa 2000 Elektronen betra¨gt, und daß das koh¨arente Rauschen
vernachl¨assigbar klein ist, was eine zuverl¨assige Signalerkennung auch zu Ende der vorgesehenen
Lebenszeit der Endkappe erwarten l¨aßt.
Wa¨hrendderIntegrationsphasewurdenmitSiliziummodulenbestu¨ckteUntereinheiten—soge-
nanntePetals—einemEingangstestunterzogen,derebenfallsimRahmendieserArbeitaufgebaut
und durchgefu¨hrt wurde. Es werden der Aufbau und die fu¨r den Teststand entwickelte Software
vorgestellt und die Analyse der angefallenen Daten beschrieben. Der Eingangstest besta¨tigte im
Wesentlichen die sehr gute Qualita¨t der von externen Instituten gelieferten Petals und fand eine
geringeAnzahlvonDefektenaufeinzelnenPetals,dievorderIntegrationindieEndkappebehoben
werden konnten.
Vor Beginn der Endkappenintegration wurde ein Teststrahlexperiment durchgefu¨hrt, in dem
ein System auszwei Petalsauf seine Eignunghinsichtlich des Betriebsam LHC untersuchtwurde.
In diesem letzten Schritt des Systemtests fu¨r die Endkappen wurden stabiler Betrieb und eine
sehr gute Datenqualita¨t nachgewisen. Das gemessene Verh¨altnis des von minimalionisierenden
Teilchen deponiertenSignalszum RauschenderDetektormodule — im fu¨r die Auslesebei Design-
Luminosita¨t vorgesehenen Auslesemodus — ist gr¨oßer als 20 fu¨r alle Modulgeometrien.
EineaufdieBedu¨rfnissederTest-undIntegrationsphaseausgerichteteSoftwarezurAnalyseder
aufgezeichneten Rohdaten wurde entwickelt und in allen vorgestelltenUntersuchungen eingesetzt.
Die Funktionalit¨at der Software und die verwendeten Algorithmen werden erl¨autert.
vvi KURZFASSUNG
EinVergleichderverschiedenenStudiendemonstriertdiegleichbleibendhoheDetektorqualit¨at
sowohl in kleinen Systemen von einzelnen Petals als auch in Systemen mit hunderten Silizium-
moduleninderfertigenEndkappe. DieebenfallsnachgewieseneReproduzierbarkeitderMeßergeb-
nisseisteineweitereVoraussetzungfu¨reineerfolgreicheNutzungderSpurdetektor-Endkappenzur
Untersuchung physikalischer Fragestellungen am LHC.Fu¨r Barbara
und die dritte im Bu