Silicon strip detector qualification for the CMS experiment [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Gordon Kaußen

Gordon Kaussen

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2008
• Nombre de lectures: 34
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 20 Mo

Extrait

Silicon Strip Detector Qualification
for the CMS Experiment
Von der Fakult¨at fur¨ Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften
der Rheinisch-Westf¨alischen Technischen Hochschule Aachen
zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften
genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Diplom-Physiker Gordon Kaußen
aus Stolberg
Berichter: Universitatspro¨ fessor Dr. rer. nat. Achim Stahl
Universit¨atsprofessor Dr. rer. nat. Lutz Feld
Tag der mundlic¨ hen Prufung¨ : 06. Oktober 2008
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfu¨gbar.Zusammenfassung
DerCMSDetektor(CompactMuonSolenoid)isteinesvonvierExperimenten,diederzeitam
LHC Beschleuniger (Large Hadron Collider) am Europaischen Zentrum fur Elementarteil-¨ ¨
chenphysik CERN in Genf fertiggestellt werden. Dieser Proton-Proton Beschleuniger wird
einen neuen Energiebereich von bis zu 14TeV Schwerpunktsenergie erforschen. Um eine
bestmogliche Spurauflosung und eine sehr schnelle Auslese zu gewahrleisten, besteht der in-¨ ¨ ¨
nere Spurdetektor von CMS aus einem Silizium-Detektor mit Pixeln in den innersten Lagen,
die von Streifenmodulen umgeben sind.
Die kleinsten Detektions-Einheiten des Streifen-Spurdetektors sind sogenannte Module.
SiewerdenaufgroßereStrukturen,densogenanntenShellsiminnerenBereich(TrackerInner¨
Barrel, TIB), Rods im außeren Bereich (Tracker Outer Barrel, TOB), Disks in der inneren¨
Endkappe(TrackerInnerDisk,TID)undPetalsinderauߨ erenEndkappe(TrackerEndCap,
TEC)deszentralenSpurdetektorsmontiert.DergesamteStreifen-Spurdetektorumfassteine
2sensitive Fl¨ache von ungef¨ahr 198m und besteht aus ca. 16.000 Siliziummodulen.
Bevor die Sensoren auf die entsprechenden Substrukturen montiert wurden, fand eine
Qualit¨atsub¨ erprufung¨ statt, bei der jeder einzelne Auslesekanal auf seine Funktionalitat¨ ge-
testetwurde.NurModulemiteinerFehlerratevonkleinerals2%wurdenfurdieIntegration¨
indenSpurdetektorzugelassen.ImFallderaußerenEndkappenfanddieanschließendePetal-¨
Montage in sechs sogenannten Petal-Integrations-Zentren (Petal Integration Centers) statt,
von denen eins in Aachen errichtet wurde. Im Anschluss an die Fertigung wurde jedes Petal
einem Langzeittest, bei dem alle Komponenten zum ersten Mal gemeinsam ausgelesen und
bei tiefen Temperaturen betrieben wurden, unterzogen und entsprechend qualifiziert. Von
294produziertenPetals(288werdenfur¨ diebeidenEndkappenbenot¨ igt)erhielten286Petals
die beste Qualitatsstufe. Nur etwa 1h aller TEC Auslesekanale wurde im Einzelmodul-Test¨ ¨
und im Petal-Langzeittest als fehlerhaft identifiziert.
ImSommer2006fanddersogenannteMTCC(MagnetTestandCosmicChallenge)inder
CMSMontagehalleamCERNstatt,beidemdasExperimentzumerstenMalgeschlossenund
Teile aller Subsysteme gemeinsam ausgelesen wurden. Der supraleitende Solenoid-Magnet
wurde bei einem Magnetfeld von bis zu 4T betrieben und ein Bruchteil des Myon-Systems
lieferte die fur¨ die Auslese aller Subdetektoren n¨otige Information ub¨ er den Durchgang eines
MyonsausderkosmischenHohenstrahlung.AufdieseWeisekonntedieLeistungsfahigkeitder¨ ¨
beteiligten zwei Shells des TIB, vier Rods des TOB und zwei Petals der TEC (was etwa 1%
des finalen Streifen-Spurdetektors entspricht) bei verschiedenen Magnetfeldern uber einen¨
ZeitraumvonungefahrzweiMonatenundunterVerwendungvonkosmischenMyon-Signalen¨
untersucht werden.
Der letzte Test vor der Installation des Spurdetektors im CMS Experiment war der so-
genannte TST (Tracker Slice Test) im Fruhjahr¨ /Sommer 2007, der in der TIF (Tracker
Integration Facility) am CERN durchgefuhrt wurde. Nach dem Einbau aller Komponenten¨
in den Spurdetektor wurden ungefahr¨ 25% der +z Seite des Streifendetektors unter Ver-
wendungvonSzintillationszahlernzumNachweiskosmischerTeilchendurchgangeausgelesen.¨ ¨
iiiInsgesamtwurdenetwa5MillionenMyon-EreignissebeiverschiedenenBetriebsbedingungen
aufgezeichnet. Diese Ereignisse wurden zusammen mit Daten von der Inbetriebnahme be-
nutzt, um Detektor-Eigenschaften wie Ladungsverteilungen, Signal-zu-Rausch-Verhalt¨ nisse
unddasStreifenrauschenzuuntersuchen.AußerdemwurdenanhanddieserDatenfehlerhafte
Kanale¨ identifiziert, die in der Groߨ enordnung von einigen Promille liegen.
Die Funktionsfahigkeit des Siliziumstreifen-Spurdetektors wahrend dieser verschiedenen¨ ¨
Konstruktions- und Testphasen wird in der vorliegenden Arbeit diskutiert. Dabei wird ein
besonderer Schwerpunkt auf die Endkappen des Spurdetektors gelegt.
ivAbstract
The Compact Muon Solenoid (CMS) is one of the four experiments being installed at the
Large Hadron Collider (LHC) which is located at the european organization for nuclear
research CERN in Geneva. This proton-proton collider will explore a new energy regime of
up to 14TeV center-of-mass energy. To provide the best spatial resolution for the particle
trajectory reconstruction and a very fast readout, the inner tracking system of CMS is build
up of silicon detectors with a pixel tracker in the center surrounded by a strip tracker.
The silicon strip tracker consists of so-called modules representing the smallest detection
unit of the tracking device. These modules are mounted on higher-level structures called
shells in the tracker inner barrel (TIB), rods in the tracker outer barrel (TOB), disks in the
tracker inner disks (TID) and petals in the tracker end caps (TEC). The entire strip tracker
2spans an active area of about 198m and consists of approximately 16000 modules.
Before the silicon sensors were assembled on the respective substructures they had to
pass a qualification test where each single readout channel was checked for its functionality.
Onlymoduleswithafailurerateoflessthan2%wereallowedtobeintegratedinthetracker.
In case of the tracker end caps the following petal assembly took place in six so-called Petal
Integration Centers whereof one was located in Aachen. Subsequent to the assembly each
petalwastestedandgradedinalongtermtestbeingthefirsttimethatallpetalcomponents
were read out simultaneously and operated in a cold environment. Out of 294 production
petals (288 are needed for the two end caps) 286 petals received the best quality grade A.
Only about 1h of the TEC readout channels were flagged as faulty in the single module
test and the petal longterm test.
In summer 2006 the so-called Magnet Test and Cosmic Challenge (MTCC) took place
in the CMS assembly hall at CERN. It was the first time that the experiment was closed
including parts of all subdetectors. The superconducting solenoid was ramped up to a
magnetic field of 4T and parts of the muon system were used to deliver a trigger for cosmic
ray muons to all subdetectors. Thus, the performance of the participating two shells of the
TIB, four rods of the TOB and two petals of the TEC (representing about 1% of the final
strip tracker) could be studied in different magnetic fields over a period of approximately
two month using cosmic muon signals.
The last test before inserting the tracker in the CMS experiment was the Tracker Slice
Test performed in spring/summer 2007 at the Tracker Integration Facility (TIF) at CERN
after installing all subdetectors in the tracker support tube. Approximately 25% of the
strip tracker +z side was powered and read out using a cosmic ray trigger built up of
scintillation counters. In total, about 5 million muon events were recorded under various
operatingconditions. Theseeventstogetherwithresultsfromcommissioningrunswereused
to study the detector response like cluster charges, signal-to-noise ratios and single strip
noise behaviour as well as to identify faulty channels which turned out to be in the order of
a few per mille.
The performance of the silicon strip tracker during these different construction stages
will be discussed in this thesis with a special emphasis on the tracker end caps.
vviContents
Zusammenfassung iii
Abstract v
1 Introduction 1
1.1 The Standard Model of Particle Physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 The Large Hadron Collider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 The CMS Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Single Module and Substructure Tests for the TEC 11
2.1 The CMS Silicon Strip Modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.1 Interaction of Charged Particles with Matter . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.2 Layout and Function Principle of the CMS Silicon Strip Detectors . . 13
2.2 The ARC Test. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.1 Leakage Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.2 Pedestal and Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.3 Tick mark . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.4 Pulse Shape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3 ARC Test Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4 Layout of the Petals and the Tracker End Caps . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.4.1 The Petal Structure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.4.2 The Tracker End Caps . . .