Jens Weingarten System Tests und Rausch-Untersuchungen am ATLAS Pixel Detektor -LHC und ATLAS -Pixel...

Jens Weingarten

L ABSiliz ium Labor Bonn

S I

System Tests und Rausch-Untersuchungen am

ATLAS Pixel Detektor

-LHC und ATLAS-Pixel Detektor-System Test-Rauschen

Promotionskolloquium 19.09.2007

Jens Weingarten2

Der Large Hadron Collider

Proton-Proton ColliderCM-Energie: 14 TeVKollisions-Frequenz: 40 MHzLuminosität: 1034 cm-2 s-1

Dipole, montiert im LHC-Tunnel, August 2007

Protonen pro „Bunch“: 1.15 x 1011

Strahlstrom: 0.582 AUmfang: 26.7 km


Jens Weingarten3

ATLAS

Mehrzweck-Detektor Systemschalenförmiger Aufbau

•Tracking Detektor in 2T Solenoid-Feld•elm. Kalorimeter•hadron. Kalorimeter•Myon Spursystem in ~1T Toroid-Feld

44m lang 22m hoch7000t

Anforderungen:sehr gute elm. Kalorimetriepräzise Myon-Impuls Messungeffizientes Trackingsehr gute Hermetizität


Jens Weingarten4

Der ATLAS Pixel Detektor

3 Zylinderlagen

2 x 3 Disk Lagenin Vorwärtsrichtung

•50x400 µm² Pixel•80 Mio. Auslesekanäle •Auflösung: 8.4 µm in R, 112 µm in z•innerste Lage bei R=5 cm•1744 Pixel Module•3 Spurpunkte für ||<2.5

•hohe Granularität erlaubt zuverlässige Auslese bei hoher Spurdichte (~23 Kollisionen/Bunch; ~1600 geladene Spuren pro 25ns)

•wirkliche 2d Ortsbestimmung keine Ambiguitäten bei hohen Teilchenflüssen

•exzellente Ortsauflösung nötig für genaue Spurrekonstruktion

•präzise Messung sekundärer Vertices b-tagging (wichtig in Higgs- und SUSY-Suchen) B-Physik (Unterdrückung kombinator. Untergründe)

Warum Pixel?


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Pixel Modul

FE-Chip FE-Chip

sensorMCC-Silizium Sensor (2 x 6 cm²)

-2 x 8 Auslese Chips (á 2880 Pixel)-Flex-Hybrid mit Pigtail oder Kabel-Module Control Chip (MCC)


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Analoge Pixel Zelle des Auslesechips

Feedback7-bit

TuneDAC(TDAC)

Ladungs-injektion

Diskriminator

Feinjustierung der

Schwelle pro Pixel

ladungs-empfindlich

erVerstärker

Schwelle

TOT ~ Ladung

Aluminium

p +

n +

Aluminium

geladenesTeilchen

+ -

+ -

+-

digitale Trefferverarbeitung,

-auslese

ermöglicht Kalibrierung

s-messungen


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Barrel: 13 Module pro Stave

Disks: 6 Module pro Sektor


Jens Weingarten8

System Test

Der System Test


Jens Weingarten9

System Test: Was ist das?

Man nehme so viele endgültige Komponenten des fertigen Systems und versuche, sie zusammen zu betreiben.

Auslese Spannung-Genauigkeit-Stabilität Störungen von außen? Erdungsschema?-Ein/Ausschalt- Prozedur

Überwachung-Genauigkeit (T,V,I)-Interlock Timing-ParameterDetektor- Sicherheit?

Kühlung-Ein/Ausschalt- Prozedur-Kühlleistung-StabilitätDetektor- Sicherheit?

Detektor: -Kalibrationsmessungen -Vergleich mit Produktion Änderung im Verhalten der Module?

-Rauschmessungen

Durchgeführt April 2006 – Januar 2007 am CERN; Aufbau entsprach ~10% des vollen Detektors


Jens Weingarten10

System Test Setup

DetektorEndkappe A (um 90° rotiert)144 Module

SpannungÜberwachun

gAuslese

Kühlung


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Schwellenscan

Ladungsinjektion in den Vorverstärker #Treffer gegen Ladung ergibt Gaussche Fehlerfunktion Test der Funktionalität der analogen und digitalen Pixel- elektronik Information über die Diskriminator- schwelle und das elektronische Rauschen in jedem Pixel

DER wichtigste Test zur Charakterisierung der analogen Leistung eines Moduls

Kalibrierungsmessungen: Schwellenscan

50%

QSchwelle

70%

30%


Jens Weingarten12

System Test: Schwellenscan

SchwelleMittelwert: 4001 e

Sigma: 32 e

Rauschen: ~160 e

Schwellenverteilung Rauschverteilung

Werte für 46080 Kanäle auf einem Modul


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System Test: Schwellenscan4002 +/- 1,3 e-

33 +/- 1 e-

166 +/- 8,5 e-

Schwelle, Dispersion und Rauschen für 119 Module einige Module konnten nicht gescannt werden:Schwierigkeiten mit Spannungsversorgung und optischem Link

sehr gute Uniformität

Schwelle

Dispersion

Rauschen


Jens Weingarten14

Rauschen

Rauschen soll klein sein, denn zu viele Rauschtreffer…

•senken die Ortsauflösung•verschlechtern die Rekonstruktion von Spuren und sekundären Vertices senkt B-Tagging Effizienz•erhöhen die Datenrate senkt Nachweiseffizienz für wirkliche Teilchen•erzeugen starke Aktivität der digitalen Elektronik Crosstalk, Rausch-Einkopplung in andere Module

Warum explizite Rauschuntersuchungen?1. Viele Module auf engem Raum (Kopplung über Trägerstrukturen? Übersprechen?)2. Viele externe Systeme (Einkopplung in lange Kabel? Übersprechen zwischen Systemen?)3. Kompliziertes Erdungsschema (Erdschleifen? Kopplung verschiedener Versorgungskanäle?)

Spezialisierte Messungen (Common Mode Rauschen, Minimale Schwelle)


Jens Weingarten15

Common Mode Rauschen

Messung von Common Mode Rauschen im Pixel Detektor nicht-trivial:

- keine sicher CM-freie Referenzmessung möglich (Einkopplung kann nie ganz ausgeschlossen werden)- Rauschen aus Schwellenscan nicht sehr sensitiv (gesamt² = Ein-Kanal² + CMN²)- Rauschen ist sehr klein Messung der Rausch-Okkupanz langwierig

zwei Messmethoden wurden entwickelt-schnell, um Common Mode Rauschen zeitlich aufgelöst messen zu können-benötigen keine Referenz-Messungen

Analysen benutzen die Korrelation des Rauschens vieler Kanäle

Common Mode Rauschen: -korrelierte Störung auf vielen Kanälen (z.B. Einkopplung von aussen) verfälscht Ladungsinformation (TOT) reduziert Nachweiseffizienz

-kann bei binärer Auslese nicht vom Signal subtrahiert werden muss im Betrieb vernachlässigbar sein


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Methode I: #Treffer pro Injektion Ne

- injiziere in n Pixel so, dass Trefferwahrscheinlichkeit = 50% (injizierte Ladung = Ladung an der Schwelle)

Verteilung der Treffer pro Injektion (Ne) um n/2

ohne CMN: Breite ≤ n/4 (Binomial-Verteilung) mit CMN: Breite > n/4 (aufgrund der Kohärenz)

Breite der Ne Verteilung ist ein Maß für das Common-Mode Rauschen

Details in NIM A 516, p. 153 & NIM A 487, p. 557

Simulation


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Methode II: <ToT> pro Injektion-injiziere in n Pixel mit grosser Ladung (10.000 e-)-Information über Ladung: TOT -mittele TOT aller Pixel für eine Injektion:<TOT>=a*(<Q>+<Rauschenuncorr.>+<Rauschencorr.>)+<Offset>

Breite proportional zu <Rauschencorr.>

Breite der Verteilung der <ToT> ist ein Maß für das Common Mode Rauschen

Simulation

zufällige Einheiten


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0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1 10 100 1000 10000

Frequenz [kHz]

Com

mon

Mod

e R

ausc

hen

[e]

threshold scanHITOCC scanTOTAVERAGE

Common Mode RauschenBeide Methoden getestet durch externe Injektion eines Störsignals von 1kHz bis 10MHzBerechneter Common Mode Anteil stimmt mit zusätzlichem Rauschen im Schwellenscan überein

Methode ISchwellenscan

Methode II


Jens Weingarten19


Messungen wurden im System Test durchgeführt:

#Treffer pro Injektion 22 +/- 5 e-

<TOT> pro Injektion 41 +/- 15 e-

Messwerte zeigen einen vernachlässigbar kleinen Anteil des Common Mode Rauschens bei normaler Schwelleneinstellung

kein Anzeichen für Rausch-Einkopplung von außen:Erdungsschema (Kabel, Geräte)Abschirmung von Kabeln


Jens Weingarten20

Pixel‘rauscht‘

Rausch-Okkupanz

-ATLAS: Rausch-Okkupanz < 10-5

-zufällige Trigger, feste Frequenzbenötigt volle Datennahme-Hard/Software-16.8*106 Trigger in etwa 20min

sensitiv auf Rausch-Okkupanzen > 6*10-8

Rausch-Okkupanz bei nomineller Schwelle

RauschOkkupanz: 6.7*10-7

‘rauschende‘ Pixel: 0.011% klein im Vergleich zu Ineffizienzen durch Bump-Bonding und defekte Elektronik

häufigstes TOT=5;Ausläufer zu hohen TOTs

keine Cluster bzw. grosse rauschende Regionenkeine kohärenten Effekte

Trefferkarte

Clustergröße

TOT Spektrum

Okkupanz pro Pixel

Diese Ergebnisse entsprechen sehr gut dem Verhalten,welches man aus den Produktionstests erwartet undsind konsistent mit den CMN Messungen vorher


Jens Weingarten21

Rausch-Okkupanz bei minimaler Schwelle

Rausch-Okkupanzen lassen sich in drei Gruppen einteilen:Okkupanz < 3*10-4 3*10-4 < Okkupanz < 7*10-4 7*10-4 < Okkupanz

große Cluster kohärentes Rauschen

Treff

er-K

arte

nCl

uste

rgrö

ßen


Jens Weingarten22

Rausch-Okkupanz bei minimaler Schwelle

Module homogen über Disks verteilt -kein Azimuthwinkel bevorzugt

mögliche Ursache: Einkopplung vom Daten/Versorgungskabel


Jens Weingarten23

Zusammenfassung

System Test• System Test war ein Erfolg!• viel praktische Erfahrung mit dem Detektor-System gesammelt• Komponenten verhalten sich wie sie sollen (Versorgungsspannungen, Kühlung,

usw.)• keine Änderung im Verhalten der Module beobachtet

System verhält sich größtenteils wie erwartetDetektor kann gefahrlos betrieben werden

Rausch-Untersuchungen• Kohärentes Rauschen bei nomineller Schwelle vernachlässigbar

-tritt auf für niedrige Schwellen < 2500e-schnelle Messmethoden stehen zur Verfügung

• Rausch-Okkupanz bei nomineller Schwelle: 6.7*10-7

-kein Einfluss auf Spurrekonstruktion, Treffereffizienz


Jens Weingarten24

Danke für Ihre Aufmerksamkeit


Jens Weingarten25

System Test: Rausch-Okkupanz vs Schwelle

Referenz:3973 +/- 36e

3371 +/- 15e2722 +/- 35e

2392 +/- 54e

keine großen Änderungen in Okkupanz, Clustergröße, o.ä.bis zur minimalen Schwelle


Jens Weingarten26

Minimale Schwelle

Starke Korrelation zwischenTDAC-Verteilung an der min. Schwelle undgetunter TDAC-Verteilung

alle Pixel fangen beim selben Scanschritt N an, zu rauschen

kohärenter Effekt (Einkopplung des Takt-Signals in die Pixel durch den Bulk des FE-Chips)

Gibt es weitere kohärente Effekte,die bisher nicht beobachtet wurden?

Untersuchung des Common Mode Rauschens


Jens Weingarten27

System Test: Cosmics

erster Hinweis auf

Cosmics:

Rauschtreffer sind

gleichmässig über die 16

LVL1 Trigger verteilt;

Verzögerung von Cosmic-Treffern ist

festdie folgenden Folienstammen von verschiedenen OfflineLeuten

Zeit in Einheiten von 25ns


Jens Weingarten28


Layer2Schale B-Layer,

untereHalbschale

Endkappe C


Jens Weingarten29

Silizium als Sensor-Material

E h+

e-


Jens Weingarten30

System Test: OptoBoard Messungen

fehlerfreie Daten-

übertragung(EFR)

Standard-Werkzeug BOC scan:Schwelle der PiN-Diode

gegenDelay zw. Daten und Takt

maximiere Region mitfehlerfreier Übertragung (EFR)

EFR abhängig von:-Laser-Leistung-Temperatur-Bitsequenz-MCC Bandbreite


Jens Weingarten31

Das Kühlsystem

Erste Erfahrungen:

-Zwei-Phasen Kühlsystem-Betrieb-Überwachung-Stabilität-Leckrate

-Detektor-Strukturen an diesem System-Modultemperaturen (< -7°C, Annealing)-Abkühlzeiten


Jens Weingarten32

OptoLink Messungen: Resultate

Ein wenig Statistik:1. Bandbreite 40 MBit/s

insgesamt 10 Kanäle nicht betreibbar: 7%2. Bandbreite 80 MBit/s

zusätzliche 20 Kanäle nicht betreibbar: 21%

Die Probleme:- Variation der Ausgangsleistung über die Kanäle eines OptoBoards- starke Abhängigkeit der Ausgangsleistung von Temperatur

Entwicklung des Heater-Systems- Einstellung der Ausgangsleistung für alle Kanäle eines Boards- Margen kleiner für 80 MBit/s

Inbetriebnahme des optischen Links nicht trivial, aber:•Parameter stabil gegen Zeit•Temperatur regelbar

•OptoBoards im System Test waren ausgesucht schlecht


Jens Weingarten33

Kühlsystem: ResultateD3A <T> vs. Power

-26,00

-24,00

-22,00

-20,00

-18,00

-16,00

-14,00

-12,00

-10,000,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00

Power (W)

Tem

pera

ture

(C)

absolute Temperatur gegen Modulleistung

-24

-10

liquid weight [kg]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

6.12.06 0:00 7.12.06 0:00 8.12.06 0:00 9.12.06 0:00 10.12.06 0:00 11.12.06 0:00 12.12.06 0:00 13.12.06 0:00 14.12.06 0:00

time

kg

2.1 kg per 24h 0.09 kg/h

Leckrate

Zeit [d]

Kühl

mitt

el im

Sys

tem

[kg]

erwartete worst-case Leistung

• Gute Stabilität im Betrieb (bei vorschriftsmässiger Wartung)

• Ein-/Ausschaltprozeduren und –vorgänge verstanden (Druckschwankungen, Interlock,…)

• Modultemperatur < -7°C ist erreichbar (auch bei Leistungsaufnahme wie am Ende der Lebensdauer erwartet)

• C3F8 Verlustrate etwa 0.1 kg/h (wird in der finalen Installation noch geringer

werden; Wert ist akzeptabel)

sicherer Betrieb des Detektors ist möglich !


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Das Pixel Detektor System

Pixel Detektor

Nebenkaverne ‘USA15‘

thermischer Schild, Faraday Käfig ‚Pixel Package‘‘Service Panel‘

OptoBoards


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BOC

RX

TX

Der optische Link

OptoBoard

PiN

VCSEL

DORIC

VDC

Modul

TTC Daten

ROD

VME

On-DetectorOff-Detector

optische Datenübertragung vom Detektor zur Auslese-Elektronik

•rauscharm, keine Buffer nötig (etwa 90m Entfernung)•TX Kanal (Timing, Trigger, Configuration) problemlos•RX Kanal (Event-Daten) nicht-trivial:

•Schwelle der PiN-Diode•Delay zw. Daten und BOC Takt•Ausgangsleistung des VCSEL


Jens Weingarten36

Spezielle Pixel

Ganged-Pixel:Mit Pixeln unter dem

FE verbunden Auslese

Long-Pixel:Pixelgröße 50x600 µm 4

32143

2

1

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