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
26 marzo 2002
Commissione Scientifica Nazionale 1
1
Milestone 200
Obiettivi
80 moduli
Outer Barrel
- ST
80 moduli
Endcap
Hamamatsu
40 moduli
Inner Barrel
CSEM
26 marzo 2002
• 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
Commissione Scientifica Nazionale 1
2
Milestone 200
Situazione 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
•
26 marzo 2002
Commissione Scientifica Nazionale 1
3
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)
26 marzo 2002
Commissione Scientifica Nazionale 1
4
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
26 marzo 2002
Commissione Scientifica Nazionale 1
5
Stato dei centri di produzione
Production Network
Si Sensors
Companies
CF plates
Brussels
Kapton cables
Bari, Aach., CERN
FE hybrid-ASIC
Strasb., Louv., IC..
Pitch Adaptor
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
26 marzo 2002
Commissione Scientifica Nazionale 1
7
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
26 marzo 2002
Commissione Scientifica Nazionale 1
8
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
26 marzo 2002
Commissione Scientifica Nazionale 1
9
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
26 marzo 2002
Commissione Scientifica Nazionale 1
10
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
26 marzo 2002
Commissione Scientifica Nazionale 1
11
Test del primo modulo TIB
TIB_001 Calibration Scan in Deconvolution Mode – Vbias = 300V
ns
ns
Strip #394
ns
26 marzo 2002
Commissione Scientifica Nazionale 1
ns
12
Test Beam 25 ns
Ottobre-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
26 marzo 2002
Commissione Scientifica Nazionale 1
13
Test Beam 25 ns
Curva 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
26 marzo 2002
Commissione Scientifica Nazionale 1
14
Test Beam 25ns
Effetto 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
26 marzo 2002
Commissione Scientifica Nazionale 1
15
Test Beam 25 ns
Evento 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 ?
26 marzo 2002
Commissione Scientifica Nazionale 1
16
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
26 marzo 2002
Commissione Scientifica Nazionale 1
17
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 %
26 marzo 2002
Commissione Scientifica Nazionale 1
18
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
26 marzo 2002
Commissione Scientifica Nazionale 1
19
Test Beam a PSI
Fascio di pioni a 300 MeV e 20 ns
Modules: 6 TOB, 3 TEC, 3 TIB
Misura degli effetti delle HIP:
HIP
enhancer
PSI
Misura del dead time e
probabilità dell’evento HIP
 Verifica che con un valore
opportuno di Rinv l’inefficienza è
effettivamente trascurabile
Trigger
Scintillators
APV Trigger
“minimum ionizing” tracks
“normal” frame
“heavily ionizing” track
“multi-mode” frames
26 marzo 2002
Commissione Scientifica Nazionale 1
20
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 sottosistema TOB
 Attualmente in corso al CERN
– Lettura di 6 moduli TOB nella
meccanica di una rod
– Connettoristica e componenti finali
• Test di sottosistemaTEC
• 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
 Da effettuare a Lione
26 marzo 2002
Commissione Scientifica Nazionale 1
21
Sistema di Readout del Tracker
26 marzo 2002
Commissione Scientifica Nazionale 1
22
Test di sistema su banco:
componenti
• Front-End Readout
– Silicon Detector,
Adattatore, Scheda di
interfaccia OTRI,
Ibrido Ottico AOH
• Back-End Readout
– Ricevitore Ottico Analogico 12 canali
• Sistema di controllo
– FEC, Link Ottico Digitale 2 x (Trigger & Clock), CCUM (5V)
26 marzo 2002
Commissione Scientifica Nazionale 1
23
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
26 marzo 2002
Commissione Scientifica Nazionale 1
24
Calibrazione del FED
• Buona linearità
• Stesso Input Buffer Differenziale
per gli 8 canali del FED
• Range dinamico > 1.5V
26 marzo 2002
• FED timing: basato sui tick
mark degli APV25
• Scelta del punto di sampling
vicino al fronte di discesa
Commissione Scientifica Nazionale 1
25
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
26 marzo 2002
Commissione Scientifica Nazionale 1
26
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
26 marzo 2002
Commissione Scientifica Nazionale 1
27
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)
Module support blocks
InterConnect Cards
Patch panel
InterConnect Bus
Cooling pipe
Module frame
26 marzo 2002
Commissione Scientifica Nazionale 1
28
Test di sottosistema
Ibrido 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
26 marzo 2002
Commissione Scientifica Nazionale 1
29
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
26 marzo 2002
Commissione Scientifica Nazionale 1
30
Test di sottosistema di una rod
risultati preliminari
 Modulo TOB n.2 - Vbias = 0 V
• Distribuzione del noise
nei 4 chip (ADC counts)
26 marzo 2002
• Curva di calibrazione
interna (peak mode)
Commissione Scientifica Nazionale 1
31
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
26 marzo 2002
Commissione Scientifica Nazionale 1
32
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
26 marzo 2002
Commissione Scientifica Nazionale 1
33
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
26 marzo 2002
Commissione Scientifica Nazionale 1
34
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.
26 marzo 2002
Commissione Scientifica Nazionale 1
35
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)
26 marzo 2002
Commissione Scientifica Nazionale 1
36