Test di Sistema del Tracciatore di CMS Roberto Dell’Orso - INFN Sezione di Pisa

Test di Sistema del Tracciatore di CMS Roberto Dell’Orso - INFN Sezione di Pisa • Milestone 200 • Ibrido di Front End • Stato dei centri di produzione dei moduli • Risultati dell’analisi del test beam a 25 ns • Test di sistema del Tracker • Test dei sottosistemi TOB, TEC, TIB Commissione Scientifica Nazionale 1

Milestone 200Obiettivi • Produzione e test di 200 moduli secondo i protocolli della costruzione finale • Verifica delle procedure industriali nella produzione dei vari componenti • Messa a punto delle procedure di costruzione e qualifica in tutte le istituzioni coinvolte nel progetto • Disponibilità dei rivelatori necessari per effettuare il test di sistema del Tracker 80 moduli Outer Barrel - ST 80 moduli Endcap Hamamatsu 40 moduli Inner Barrel CSEM Commissione Scientifica Nazionale 1

Milestone 200Situazione attuale • Tutti i sensori necessari sono già stati qualificati • Slittamento rispetto alla schedule a causa dell’ibrido di front-end • Tutti gli altri componenti (frames, pitch adaptors,...) già disponibili • Costruiti 12 moduli TOB (ibridi pre-preduzione CERN) ed inviati a FNAL 15 ibridi prodotti dalle industrie • Costruiti 7 moduli TEC con ibridi prodotti dalle industrie • Costruiti 2 moduli TIB con primi ibridi prototipi FR4 Commissione Scientifica Nazionale 1

Stato dell’ibrido di Front End Substrato di ceramica • Versione V0 – chip nudi • Produzione iniziata con il primo fornitore: consegnati 160 ibridi (yield 65%) • Secondo fornitore non ancora in grado di produrli • Versione V1 – chip incapsulati • Ordine inoltrato al primo fornitore (problema dello yield probabilmente risolto) Commissione Scientifica Nazionale 1

Stato dell’ibrido di Front End Substrato in FR4 • Versione V2 – chip incapsulati su substrato in FR4 Ricevuti 40 substrati, 10 già distribuiti per test elettrici e meccanici Maggio: Decisione su una produzione commerciale parallela alla versione V1: maggiore varietà di fornitori, yield più elevato, costo inferiore • Test da effettuare • Comportamento meccanico in corrispondenza a variazioni di temperatura ed in risposta a cicli termici • Studio della conducibilità termica • Simulazioni e primi risultati incoraggianti Commissione Scientifica Nazionale 1

Stato dei centri di produzioneProduction Network Si Sensors Companies FE hybrid-ASIC Strasb., Louv., IC.. Kapton cables Bari, Aach., CERN Pitch Adaptor Brussels CF plates Brussels Control and Distribution Center CERN Sensors Qualification Pisa-Perugia-Firenze Karlsruhe-Wien Strasbourg-Louvain CF Assembly Pisa, Brussels, CERN-Pakistan Hybrid Assembly and Qualification CERN Module Assembly Lyon-Brussels-Wien-Perugia-Bari/CT-USA Module Bonding and Testing Bari/CT-Firenze-Padova-Pisa-Torino-USA AAchen1&3-Karlsruhe-Strasbourg-Wien-Zurich Long Term Test Centers Commissione Scientifica Nazionale 1

Silicon Sensor Test Centers Firenze, Karlsruhe, Louvain, Perugia, Pisa, Strasbourg, Wien • Tutti i centri di test sono equipaggiati e già operativi; due probe station sono equipaggiate con sistemi di caricamento automatico • Tutti i sensori della milestone sono stati caratterizzati, seguendo procedure di test e criteri di accettanza standardizzati • Calibrazione incrociata tra i vari centri effettuata Cassetto con 24 sensori Probing chuck Braccio di caricamento automatico Commissione Scientifica Nazionale 1

Module Assembly Centers Bari/Catania and Perugia -> TIB/TID Modules Brussels, Lyon and Wien -> TEC Modules Fermilab ->TOB Modules • Sei robot sono installati in altrettanti centri di assemblaggio • La qualifica dei centri è completa, dopo la costruzione di moduli prototipi realizzati con la precisione richiesta • Con il ricevimento degli ibridi è iniziato l’assemblaggio dei moduli della Milestone 200 Commissione Scientifica Nazionale 1

Bonding Centers • Bari/Catania, Firenze, Padova, Pisa, Torino -> TIB/TID Modules • Aachen, Karlsruhe, Strasbourg, Wien, Zurich -> TEC Modules • USA -> TOB Modules • Tutti i centri sono equipaggiati con macchine di microsaldatura (principalmente Delvotec e K&S) • La maggior parte hanno un’esperienza basata sulle attività relative ad esperimenti precedenti • I jig di supporto sono stati • distribuiti a tutti i centri • I primi moduli della Milestone • 200 sono stati microsaldati senza • problemi di rilievo • La pulizia della superficie degli • ibridi deve essere migliorata Commissione Scientifica Nazionale 1

Module test centers Bari/Catania, Firenze, Padova, Perugia, Pisa, Torino -> TIB/TID Modules Aachen, Brussels/Antwerper, Karlsruhe, Lyon, Louvain, Strasbourg, Wien, Zurich -> TEC Modules USA -> TOB Modules CERN, Louvain, Strasbourg -> Hybrid Tests • Ibridi e moduli sono sottoposti a test durante le varie fasi della produzione per evidenziare eventuali difetti introdotti (massimo consentito 2% di strip difettose) • I sistemi di test sono standard e consentono la lettura di diversi moduli in parallelo attraverso la catena di readout di CMS (escluso il link ottico) • Il test degli ibridi viene fatto con un sistema compatto Commissione Scientifica Nazionale 1

Test del primo modulo TIB TIB_001 Calibration Scan in Deconvolution Mode – Vbias = 300V ns ns Strip #394 ns ns Commissione Scientifica Nazionale 1

Test Beam 25 nsOttobre-Novembre 2001 Test Beam Area X5 (CERN) Fascio con struttura a 25 ns DAQ di CMS (senza link ottico) Particelle: p+ o m a 120 GeV 6 moduli TOB (strip pitch 180 mm, spessore 500 mm) Vbias = 300 V • Risultati: • S/N = 20 (deconvolution mode) • Rumore compatibile con le previsioni Commissione Scientifica Nazionale 1

Test Beam 25 nsCurva di ritardo • Ricostruzione della curva del segnale in deconvolution mode (moduli 3 e 4) • Somma della carica di 20 strip adiacenti • Presenza di undershoot: parametri degli APV25 non ottimizzati Commissione Scientifica Nazionale 1

Test Beam 25nsEffetto di HIP e pinholes nell’APV25 • Heavily Ionizing Particle (HIP) • Sono prodotti da interazioni nucleari di particelle che attraversano il substrato di silicio • Producono un segnale molto intenso su poche strip, con la possibilità di saturare un intero chip APV25 (128 canali) • Pinhole • Consiste nel corto circuito del condensatore di disaccoppiamento, integrato nel sensore di silicio • Può produrre una corrente continua all’ingresso del preamplificatore, con il rischio di disabilitare il chip APV25 Commissione Scientifica Nazionale 1

Test Beam 25 nsEvento con Heavily Ionizing Particle • Tipico evento di HIP osservato nel Monitor Online del Test Beam a X5 (fenomeno raro, osservabile grazie alla estrema pulizia delle condizioni di acquisizione) • Baseline saturata con cluster largo • Rate osservato: 4x10-4 per detector per p incidente (120 GeV) consistente con la simulazione Fluka • Dead time 300 ns ? Commissione Scientifica Nazionale 1

APV25: stadio di ingresso • Un segnale molto intenso su una strip sottrae corrente ai rimanenti 127 canali 128 canali in comune • L’effetto può essere ridotto diminuendo il valore di Rinv al costo di un maggiore consumo Commissione Scientifica Nazionale 1

Stima dell’inefficienza degli APV25 in CMS Fluka estimate of probability • Inefficiency = S Prob(E) x [deadtime(E)/25ns] x 128 x occupancy • = 0.65% for 1% occupancy if Rinv = 100 W • = 0.05% for 1% occupancy if Rinv = 50 W • Tracker occupancy < 2 % Commissione Scientifica Nazionale 1

Effetto dei pinhole • Se Vc > 0.8 V la corrente fluisce verso l’ ingresso dell’amplificatore, provocando la saturazione dell’inverter • Ciò si verifica quando la corrente di bias diventa dell’ordine dei mA per strip (detector irraggiato in presenza di pinholes) • Misure di laboratorio dimostrano che fino a 4 pinhole per chip l’effetto è trascurabile (Rinv = 50 W): strip con pinhole non microsaldate Commissione Scientifica Nazionale 1

Test Beam a PSI • Fascio di pioni a 300 MeV e 20 ns • Misura degli effetti delle HIP: • Misura del dead time e probabilità dell’evento HIP • Verifica che con un valore opportuno di Rinv l’inefficienza è effettivamente trascurabile Modules: 6 TOB, 3 TEC, 3 TIB HIP enhancer PSI Trigger Scintillators APV Trigger “minimum ionizing” tracks “normal” frame “heavily ionizing” track “multi-mode” frames Commissione Scientifica Nazionale 1

Obiettivi del Test di Sistema • Test di sistema (moduli TOB su banco) • Effettuato al CERN • Calibrazione del FED e Input Buffer Differenziale • Set-up dei parametri del link ottico analogico (bias current & gain settings) • Verifica del segnale nei vari punti della catena di readout completa • Test di 6 ibridi di front-end su due CCU ring • Test di un modulo (noise, pulse shape, guadagno) attraverso il link ottico • Test di sottosistemaTIB • Da effettuare a Firenze e a Pisa • Test con prototipo power supply • Test dell’ibrido ottico analogico del TIB • Lettura di 6-12 moduli TIB nella meccanica finale • Test di sottosistema TOB • Attualmente in corso al CERN • Lettura di 6 moduli TOB nella meccanica di una rod • Connettoristica e componenti finali • Test di sottosistemaTEC • Da effettuare a Lione Commissione Scientifica Nazionale 1

Sistema di Readout del Tracker Commissione Scientifica Nazionale 1

Test di sistema su banco: componenti • Back-End Readout • Ricevitore Ottico Analogico 12 canali • Sistema di controllo • FEC, Link Ottico Digitale 2 x (Trigger & Clock), CCUM (5V) • Front-End Readout • Silicon Detector, Adattatore, Scheda di interfaccia OTRI, Ibrido Ottico AOH Commissione Scientifica Nazionale 1

Set-up del test di sistema Rivelatore e Ibrido Ottico PC con FED, FEC, TSC Ricevitore Ottico Analogico Controllo e link digitale: DOH,CCU,TRx Commissione Scientifica Nazionale 1

Calibrazione del FED • FED timing: basato sui tick mark degli APV25 • Scelta del punto di sampling vicino al fronte di discesa • Buona linearità • Stesso Input Buffer Differenziale per gli 8 canali del FED • Range dinamico > 1.5V Commissione Scientifica Nazionale 1

Misure sul modulo nel sistema • Misura del rumore • Misura della pulse shape dal segnale di calibrazione interna • Performance del rumore confrontabile con i valori misurati nel Test Beam • Il segnale non è degradato dal Link Ottico Analogico Commissione Scientifica Nazionale 1

Misura del guadagno • L’uscita analogica è misurata in diversi punti lungo la catena di lettura • Guadagno nominale 0.85 - Tempo di salita 6.7 ns Commissione Scientifica Nazionale 1

Module support blocks InterConnect Cards Patch panel InterConnect Bus Cooling pipe Module frame Test di sottosistema del TOB • Prototipo della meccanica finale dell’Outer Barrel (rod) • Fino a 6 moduli (2 CCU ring) • InterConnect Bus (buffer dei segnali digitali) • InterConnect Cards (ibridi ottici TOB) Commissione Scientifica Nazionale 1

Test di sottosistemaIbrido Ottico TOB Prima rod completamente cablata con InterConnect Bus, InterConnect Boards e Ibridi Ottici Analogici Power Supply locale: 1.25 V e 2.5 V sulle linee del Bus Primo test con 6 Ibridi di Front-end già effettuato Commissione Scientifica Nazionale 1

Test di sottosistema di una rod • 3 Moduli TOB installati nella struttura meccanica • Scatola buia e flussabile • Cooling pipe per liquido refrigerante • Verifica della funzionalità dello schema di raffreddamento con flussaggio di gas secco • 16 sensori di temperatura, 8 sensori di umidità relativa Commissione Scientifica Nazionale 1

Test di sottosistema di una rodrisultati preliminari • Distribuzione del noise nei 4 chip (ADC counts) • Modulo TOB n.2 - Vbias = 0 V • Curva di calibrazione interna (peak mode) Commissione Scientifica Nazionale 1

Test di sottosistema Inner Barrel • Fase 1 - Firenze: • Lettura di una catena di readout completa con Ibrido Ottico Analogico TIB • Alimentazioni da prototipi Power Supply • Test su banco con Mother Cable Commissione Scientifica Nazionale 1

Test di sottosistema Inner Barrel • Fase 2 – Pisa: • Integrazione meccanica di 6-12 moduli single-sided su cilindro layer 3 • Integrazione meccanica di 6 moduli double-sided su cilindro layer 1 Mother Cable Commissione Scientifica Nazionale 1

Test di sottosistema Inner Barrel • Integrazione meccanica • Disegno della struttura meccanica dell’Inner Barrel congelata • Effettuata la gara per gli stampi dei 4 layer • Prototipo per il test di sistema in costruzione • Prototipo del Mother Cable già disponibile Struttura meccanica del layer 3 per test di integrazione meccanica ed elettrica Prototipi degli stampi meccanica TIB Commissione Scientifica Nazionale 1

Conclusioni - 1 • Milestone 200 • La produzione è iniziata ed ha fornito i primi moduli necessari per la messa a punto delle procedure di qualifica, test beam a 25 ns e test di sistema • Ibridi di Front-End • Due nuove versioni, in ceramica e in FR4 con chip incapsulati, saranno sottomessi per un test della produzione industriale • Test beam 25 ns con DAQ di CMS (escluso link ottico) • Il test beam con 6 moduli finali ha dato buoni risultati. • E’ stato osservato un effetto non previsto, che secondo le stime dovrebbe indurre un’inefficienza trascurabile. • E’ previsto un nuovo test beam al PSI (p di 300 MeV) per uno studio in condizioni più realistiche. Commissione Scientifica Nazionale 1

Conclusioni - 2 • Test di sistema del Tracciatore (CERN) • Il test su banco del link ottico analogico con due CCU ring è stato completato • Test di sottosistema del TOB • Il test di una rod con 6 moduli TOB finali è in corso ed i primi risultati sono promettenti • Test di sottosistema del TIB • La caratterizzazione ed il test su banco dell’ibrido ottico hanno dato buoni risultati (si veda presentazione di B.Checcucci) • Fase 1 (Aprile-Maggio): lettura di un modulo TIB con link ottico analogico completo; test con prototipi degli alimentatori finali • Fase 2 (Giugno-Dicembre): test di integrazione meccanica ed elettrica su cilindro del layer 3 (single-sided) e successivamente del layer 1 (double-sided) Commissione Scientifica Nazionale 1

Test di Sistema del Tracciatore di CMS Roberto Dell’Orso - INFN Sezione di Pisa