Erfahrungen aus den Tests von CMS-Myonkammern

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1 Erfahrungen aus den Tests von CMS-Myonkammern RWTH Aachen III. Physikalisches Institut A Michael.Bontenackels@physik.rwth-aachen.de 1

2 Überblick CMS-Detektor und Barrel-Myonkammern CERN-Teststrahl 2003 Kammer-Performance Lokaler Myontrigger Myonkammertests in Aachen Testpulse Rauschverhalten Zusammenfassung und Ausblick 2

3 CMS-Detektor 7/2004 by Jesus Puerta Pelayo Juli 2004: Erste Installation von Myonkammern im Barrelbereich. Länge: ~ 21.5 m Höhe: ~ 15 m Gewicht: ~ t 3

4 CMS-Myonkammern Querschnitt CMS-Detektor Kammer (3 Superlagen) SL3 SL2 SL1 Driftzelle Superlage (SL) (4 Lagen Driftzellen) 4

5 CERN-Teststrahl GeV µ-strahl CMS-Myonkammer Züge von 48 Bunches mit 25 ns Abstand (LHC-Zeitstruktur) LHC Szintillatoren im Myonstrahl als externer Trigger p m du am Be CMS Nordhalle Target l µ-strah SPS Szintillator Beamtrigger Beamspot 5

6 # entries Globales Driftzeitspektrum globales Driftzeitspektrum (alle Zellen) Driftgeschwindigkeit ~ 55µm/ns Messung der Driftzeiten mit Time to Digital Converters (TDCs) maximale Driftzeit t-max ~ 380 ns (~ 485 TDC ticks) Untergrund Untergrund t0 t-max TDC ticks [25/32 ns] 6

7 Kammer-Performance Kammereigenschaften während des Teststrahlbetriebes entsprachen den Erwartungen Driftgeschwindigkeit: 55 µm/ns Nachweiswahrscheinlichkeit (Effizienz) für die Registrierung von Einzeltreffern in einer Zelle (im Beamspot-Bereich): > 99 % Ortsauflösung pro Zelle für senkrechte Spuren: ~ 210 µm besser als 250 µm) (Design-Ziel: rekon. Spur mm 7

8 40 MHz Muster Globales Driftzeitspektrum (senkrechter Strahleinfall) # entries 40 MHz Struktur in Histogrammen für jede Zelle sichtbar erklärbar durch Übersprechen von Clock-Signalen auf Datenleitungen (wird von italienischen Kollegen zur Zeit untersucht) 40 MHz Periodizität von 32 TDC-Ticks (= 25 ns 40 MHz = BEAM CLOCK) TDC ticks [25/32 ns] 8

9 Doppelpulse und Spurrekonstruktion Doppelpulse nur 1. Puls t-max maximale Driftzeit t-max ~ 380 ns (~ 485 TDC ticks) keine Auswirkung auf Spurrekonstruktion keine Auswirkung auf Trigger nur 2. Puls Ausgangspulslänge t ~ 155 ns (~ 198 TDC ticks) t 2. Puls erzeugt durch Elektronik (nicht durch Ereignis in Driftzelle) rekon. Spur Doppel-Pulse t-max Hit 2 Hit 1 (Event-Display und Spektren erzeugt mit R. Mameghani's Trackfitter) 9

10 Lokaler Myontrigger TRIGGER synchron zur 40 MHz Beam Clock totzeitfrei (Pipeline) Stufe 0: Kammer Digitale Ausgangspulse Stufe 1: BTI Spursegmente mit mind. 3 getroffenen Zellen auf SL-Ebene Chamber Frontend Electronics (digital pulses) TRIGGER DAQ Bunch and Track Identifiers Readout Boards with TDCs Track Correlators Readout Server Board Trigger Server Stufe 2: TRACO Spurkandidaten aus BTI Spursegmenten auf Kammerebene Stufe 3: Trigger Server (max. 2) Myonspuren mit höchstem Transversalimpuls Sector Collector Sector Collector Regional Muon Trigger CMS-DAQ 10

11 Trigger-Performance Quelle: DT Muon Trigger Group Padova (Italy) Quelle: DT Muon Trigger Group Padova (Italy) Triggereffizenz über 98% sehr gute Korrelation zwischen Trigger und rekonstruierten Spuren lokaler Myontrigger erfüllt Anforderungen für LHC-Betrieb 11

12 Zusammenfassung Teststrahl Zusammenfassung Ausleseelektronik und lokaler Myontrigger bei LHC Bunchabständen erfolgreich getestet 40 MHz Muster und Zellen mit Doppelhits zeigen keine Auswirkung auf Trigger und Spurrekonstruktion Ausblick Suche nach der Ursache für die beobachteten Effekte Testbeam im Oktober 2004 mit zwei Myonkammern und weiteren Komponenten des Triggersystems und der Ausleseelektronik 12

13 Myonkammertests in Aachen Höhenstrahlungs-Teststand Gasdichtigkeitstests Hochspannungtests unter Gas (Ar/CO2 85%/15%) Funktionstests Testpulsmessungen Datennahme mit Cosmics 13

14 Testpulsmessungen Alle Superlagen sind an der Front-End-Seite mit Testpuls-Eingängen versehen (1 Eingang 16 Kanäle) Kontrolle der Front-End-Boards (Verstärker, Diskriminatoren, Pulsgeber) Testen der Ausleseelektronik (DAQ = Data Aquisition) t0-korrekturen kein Test der Driftzellen möglich (erfolgt mit Cosmic-Datennahme) Standard-Testpulse bis -1.0 V ~ 600 ns 14

15 Ausgangssignale Alle Zellen sehen Testpulse LVDS Signal Differenzsignal Testpulssignal Andeutung eines Driftzellensignals Aber... 1 Testpuls erzeugt 2 oder mehr Ausgangspulse (bis zu 4 Pulse beobachtet) Front-End-Elektronik sensitiv auf steile Flanken Nur der 1. Ausgangspuls zeitlich sehr scharf wichtig für t 0-Korrekturen grün: 2 Hits blau: 3 Hits 15

16 Von der DAQ aufgezeichnete Ausgangspulse (durch Testpulse erzeugt) haben sehr scharfen Peak im TDC-Zeit-Histogramm # entries Zeitnullpunkt-Kallibration ermöglicht Korrektur von Zeitunterschieden zwischen Kanälen ad t [ns] Form der Histogramme bestimmt durch Ausleseelektronik - nahezu unabhängig von SL 16

17 Rauschquellen nicht getriggerte Cosmics (~ 20 Hz Rauschrate) Rauschen Rauschen: alle vom TDC aufgezeichneten Hits außerhalb des Zeitfensters für die Driftzeiten Rauschen Rauschverhalten Ströme, Mikroentladungen und Überschläge an den unter Hochspannung stehenden Elektroden elektronisches Rauschen Starkes Rauschen beeinträchtigt die Triggerlogik in CMS Rauschraten so niedrig wie möglich halten Sehr schwierig, den Anteil der einzelnen Rauschquellen am Gesamtrauschen zu identifzieren 17

18 Rauschmessungen Zeitentwicklung der über alle Zellen gemittelten Rauschrate einer Superlage Mittlere Rauschrate in einer SL Hz Wird erst nach mehrtägigem Hochspannungstrainig (~ 3 Tage) erreicht Kurzzeitige Erhöhungen der Rauschrate (Spikes) Einzelne, stark rauschende Zellen (zeitlich nicht konstant) 40 Hz 18

19 Zusammenfassung CMS-Myonkammer erfolgreich im Teststrahl getestet Kammern aus Serienproduktion entsprechen den Qualitätskriterien Einige Eigenschaften der CMS-Myonkammern bedürfen noch weiterer Untersuchungen Rauschverhalten Testpulsverhalten Clock-Pattern in Teststrahl-Daten Diese Effekte beeinflussen die generelle Funktionsfähigkeit der Kammern nicht Ausblick Untersuchungen zum Rauschverhalten Teststrahl im Oktober 2004 mit zwei Myonkammern und weiteren Komponenten der Trigger- und Auslese-Elektronik 19