Design, Construction and Commissioning of the CMS Tracker at CERN and Proposed Improvements for Detectors at the Future International Linear Collider

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1 Design, Construction and Commissioning of the CMS Tracker at CERN and Proposed Improvements for Detectors at the Future International Linear Collider Dissertation am Institut für Hochenergiephysik der ÖAW DI Thomas Bergauer 23. April 2008

2 Erklärung des Titels Design, Construction and Commissioning of the CMS Tracker at CERN and Proposed Improvements for Detectors at the Future International Linear Collider CERN: LHC: CMS: CMS Tracker: International Linear Collider (ILC): Europäisches Kernforschungszentrum bei Genf (Schweiz) Large Hadron Collider, der zur Zeit größte und stärkste Teilchenbeschleuniger der Welt Eines der vier großen Experimente am LHC Der innere Spurdetektor des CMS Experiments Vorgeschlagenes, nächstes Großprojekt der internationalen HEP Forschergemeinschaft 2

3 Wozu wird der LHC benötigt? Standardmodell der Elementarteilchenphysik Erfolgreiches Modell zur Beschreibung des sub-atomaren Aufbaus der Welt Einer der offenen Punkte: Massen werden nicht vorhergesagt Higgs-Mechanisums: Ursache der Masse durch Kopplung and Higgs-Feld Higgs-Teilchen Masse des Higgs-Teilchens nicht vorhergesagt Experimentelle Verifikation noch offen Zukünftig: International Linear Collider Jetzt: Large Hadron Collider 3

4 Der Large Hadron Collider (LHC) Proton-Proton-Speicherring Schwerpunktsenergie: 2 x 7 TeV 1200 supraleitende Dipole zur Strahlablenkung (8.3 Tesla) Im früheren LEP Tunnel gebaut Umfang: 27 km Inbetriebnahme: Sommer 2008 Protonen kreisen in Paketen ( bunches ), jeder mit bis zu Protonen (zeitlicher) Abstand: 25ns An vier Interaction Points (IPs) zur Kollision gebracht Vier Experimente an den IP ATLAS, ALICE, LHC-b und CMS 4

5 Compact Muon Solenoid (CMS) Experiment Silizium Pixeldetektor Pixelgröße 100 x 150 μm 63 Millionen Pixel Silizium Streifendetektor 206 m 2 aktive Detektorfläche 9,3 Millionen Streifen Betrieben bei -10 o C Teilchen/cm 2 / 10 Jahre 7cm Elektromagnetisches Kalorimeter Für Elektronen und Photonen Blei-Wolfram-Oxid-Kristalle Ausgelesen durch Silicon Avalange Photodiodes (APD) und Vacuum Photo Triodes Hadronkalorimeter Für geladene und neutrale Hadronen (z.b. Pionen und Neutronen) Sandwichform: Absorber: Kupfer und Stahl Detektor: Plastik Szintillatoren mit Wavelength Shifter Auslese: APD und Photomultiplier Supraleitende Spule B = 4T mittels NiTi-Drähten p T = ebr Myonensystem Sandwichform Eisen (Rückflußjoch der Spule B = 2T) Detektoren: Drift Tubes (Barrel) Cathode Strip Chambers (Endcap) Resistive Plate Chambers 5

6 Innere Spurkammer (Tracker) von CMS Inner Barrel TIB Inner Disks TID Outer Barrel TOB Pixel End cap TEC 2,4 m 5.4 m 206 m² aktive Detektorfläche 9.3 Millionen Kanäle Temperatur C 6

7 CMS Silicon Strip Tracker (SST) Bild zeigt einen Quadrat des Trackers: Blaue und rote Striche repräsentieren das elementare Bestandteil des SST: Detektormodul Insgesamt Stück rot: einseitige Module blau: doppelseitige Module Verschiedene Geometrien 4 rechteckig (TIB und TOB) 11 trapezförmig (TID und TEC) Bestandteile Kohlefaser/Graphit Rahmen Front End Hybrid mit Elektronik und Auslesechips Ein oder zwei Silizium- Detektoren 7

8 Aufbau der Detektormodule Zusammenbau der Module: 650 Stück am HEPHY gefertigt Präzisionskleben der Komponenten inklusive Vermessen auf optischer Bank Wire-bonding der elektrischen Verbindungen Elektrischer Test ( thermal cycle ) Bau von 6400 Stück am HEPHY gesteuert und überwacht alle TEC Module 8

9 CF plates: Factory Brussels Kapton: Factory Aachen, Bari FE-APV: Factory IC,RAL Control ASICS: Factory Company (QA) CF cutting Factory CF cutting Factory Frames: Brussels,Pisa, Pakistan Sensors: Factories Hybrids: Factory-Strasbourg CERN Pitch adapter: Factories Brussels Sensor QA Pisa Perugia Wien Karlsruhe Louvain Strasbourg Firenze Module assembly FNAL UCSB Perugia Bari Wien Lyon Brussels Bonding & testing FNAL UCSB Padova Pisa Torino Bari Firenze Wien Zurich Strasbourg Karlsruhe Aachen HH Integration into mechanics ROD INTEGRATION FNAL UCSB TIB-TID INTEGRATION Florence Pisa Torino Louvain Brussels PETALS INTEGRATION Lyon Hamburg Strasbourg Aachen Karlsruhe Sub-assemblies TOB assembly TIB/TID assembly TEC assembly TEC assembly CERN Pisa Aachen Move to Pit and Insert TK ASSEMBLY CERN TIF 9

10 Tracker Construction Database Relationales Datenbanksystem basierend auf Oracle Notwendig um Überblick über > Objekte zu bewahren Sensoren Hybride Module... Jede Aktion (Versand, Zusammenbau, Einbau, Testen, Reparatur,...) wird gespeichert Logistik Messergebnisse 10

11 Messergebnisse in der TrackerDB Teile der (zentralen) TrackerDB wurden auch lokal in einer Datenbank gespiegelt Erlaubt bessere Statistiken anzufertigen (z.b. Ursache für Fehler an Modulen) Histogramme von Messergebnissen z.b. Messung der Betriebsspannung ( full depletion voltage ) der Silizium-Sensoren 11

12 Die Silizium Sensoren des CMS Trackers Funktionsweise, Messungen, Ergebnisse

13 Silizium Streifen Detektor Funktionsweise n-dotierter Si-Einkristall Mittels Photolitografie werden Strukturen implantiert p-dotierte Streifen Bias-, Guard- Ringe Widerstände aus polykristallinem Si pn-übergang in Sperrichtung erzeugt Verarmungszone Teilchendurchgang erzeugt Elektron/Loch-Paare, die durch Feld abgesaugt werden Detektoren werden aus 6 wafer herausgeschnitten (rot) TIB, TOB: rechteckig TID, TEC: trapezförmig Übrige Fläche nicht ungenutzt Für Teststrukturen verwendet ( Standard Half Moon ) 13

14 Silizium Streifen Detektor: Charakterisierung Charakterisierung = Elektrischer Test im HEPHY Reinraum durchgeführt Ablauf der Messung: Sensor fixiert auf Tisch mittels Vakuum Durch Motoren in 3 Achsen bewegbar Nadeln kontaktieren den Bias-Ring Starr in Bezug auf Sensor Nadeln um folgende Pads eines Streifens zu kontaktieren: DC Pad (p-implantierter Steifen) AC Pad (Aluminium Steifen) Durch Bewegung des Tisches können alle Streifen kontaktiert werden Volle Messung (alle Streifen): ca. 3 h pro Sensor 2 Globale Messungen pro Detektor: IV- Kurve (Dunkelstrom, Durchbruch) CV- Kurve (Kapazität, full depletion - Spannung) 14

15 Silizium Streifen Detektor: Messungen 4 Messungen pro Streifen: Unterbrochener Steifen: Strom durch Dielektrikum: Koppelkapazität: Kurzgeschlossener Steifen: Poly-Silizium Bias-Widerstand: Streifen- Dunkelstrom: Pinhole (Kurzschluss): 15

16 Ergebnisse: Dunkelstrom & Streifenfehler Sensoren von zwei Herstellern geliefert Davon wurden über 9000 getestet Ca. ein Viertel davon in Wien Rechts oben: Dunkelstrom aller Sensoren bei 450V gemessen Durchnittlicher Strom: 470 na Limit 10 μa Rechts unten: Anzahl der fehlerhaften Streifen Fehlerhaft heisst: Streifen ist bei mindestens einer der vier Streifenmessungen außerhalb der definierten Limits Durchschnitt aller Messungen: 0.77 fehlerhafte Streifen pro Sensor Das sind 0.06% aller Streifen Limit: 1% (5-7 Streifen) pro Detektor Zeigt die exzellente Qualität der Detektoren 16

17 Tracker Slice Test Zusammenbau und Test der großen Sub-Strukturen des CMS Trackers

18 Tracker Inner Barrel 18

19 Tracker Outer Barrel 19

20 Tracker Endcap (TEC+) vor Einbau in TOB 20

21 Erste Inbetriebnahme des SST: Slice Test Nach Zusammenbau aller Komponenten Inbetriebnahme von 2168 Modulen (ca. 14% der Gesamtzahl) Angeschlossen an 30 Racks voll mit Elektronik Für mehrere Monate bei verschiedensten Betriebsbedingungen getestet (bis zu - 15 C) Szintillatoren und Photomultiplier über/unter Tracker als Trigger Triggerrate ca. 3-5 Hz Getestete Bereiche Szintillatoren 21

22 Erste rekonstruierte Spuren durch TEC März 2007, run 7286, event 30 22

23 Spur Rekonstruktion Spuren von ca. 5 Millionen kosmischer Myonen aufgezeichnet Rekonstruiert mit drei verschiedenen Algorithmen 23

24 Ergebnisse des Slice Test Erster stabiler Betrieb des Trackers Anzahl fehlerhafter Kanäle: 0.2% Funktionsfähigkeit jeder Komponente: >99.5% Signal/Noise Ratio ~30 Noise im TEC skaliert mit Steifenlänge d.h. kein externer Noise 5 Millionen Tracks rekonstruiert mit drei Algorithmen Großartiger Fortschritt in allen Bereichen: DAQ, Slow Control, DQM, StorageManager,... Training für den Vollbetrieb 24

25 Probleme im Design von CMS Was kann man für den ILC verbessern?

26 Materialbudget in CMS CMS Tracker Sehr viel Material in Elektronik (grün) Kabel (rot) Kühlleitungen (blau) Halterungen (grau) Dicke des absorbierenden Materials in Einheiten der Strahlungslänge: Strahlungslänge Strecke, in der die Energie des Projektils durch Strahlungsverlust um einen Faktor 1/e ( 63.2%) kleiner wird hängt von Ordnungs- und Massenzahl des verwendeten Absorbers ab: Näherungsformel: X 0 (g/cm 2 ) 180 A/Z 2 26

27 International Linear Collider (ILC) 4 Detektorkonzepte: LDC GLD SiD 4 th 27

28 Konzept eines ILC Experiments Materialminimierung wichtigster Punkt beim ILC als Präzisionsmaschine Viel Materie im Detektor -> Vielfachstreuung -> geringere Auflösung Vergleich: CMS: 140% X 0 ILC: 10% X 0 Spurdetektor TPC: Gas-Volumen Silizium: genauer und schneller Möglichkeiten bei Silizium Tracker: Flüssigkeitskühlung vermeiden (keine Rohre, Kühlmittel, Halterungen) Weniger Kabel (Stromversorgung) Dünnere Detektoren (Si) Verbessertes Moduldesign 0.1 X 0 LDC SiD 28

29 Bessers Moduldesign Integration des pitch adapter und Hybrids in den Sensor Statt klassischem Design wie bei CMS Auslesechip (grau) ist direkt auf den Sensor geklebt Kontaktierung mittels bump-bonding Verbindung der Auslesestreifen am Sensor mit Auslesechip mittels zusätzlicher Routing-Streifen (rot) direkt am Sensor ( Double metal layer Design) CMS TEC Ring 2 Modul Verbessertes Design 29

30 Design von Sensoren mit Routinglage Electronic Design Automation (EDA) Software angeschafft Icstudio von Mentor Graphics Layouts sind nicht gezeichnet sondern programmiert Mehrere selbst designte Detektoren Hamamatsu Photonics Japan ITE Warschau 30

31 Zusammenfassung Der Spurdetektor von CMS ist zur Zeit der Größte der Welt. Es dauerte 5 Jahre um Silizium-Sensoren zu testen alle Module zu bauen auf Sub-Strukturen zu integrieren den Tracker fertigzustellen Aufwändige Logistik notwendig, die mit Hilfe der Tracker Construction Database und ihrer Tools gemeistert wurde Slice Test wurde großer Erfolg Anzahl fehlerhafter Kanäle: 0.2% Größtes Problem von CMS: Zuviel Material verringert Auflösung aufgrund von Vielfachstreuung ILC: Präzisions-e + e - -Beschleuniger Ansätze zur Materialreduktion: Verbessertes Sensor- und Moduldesign mit Double Metal Layer 31

32 Ende. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.