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Jens Weingarten, PI Uni Bo nn LAB S iliziu m L ab o r B onn SI System Tests für den ATLAS Pixel Detektor -ATLAS -Pixel Detektor Status -System Test

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Jens Weingarten, PI Uni Bonn

L ABSiliz ium Labor Bonn

S I

System Tests für den

ATLAS Pixel Detektor

-ATLAS-Pixel Detektor Status-System Test

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ATLAS

Inner Tracker in 2T

Solenoid-Feld Elm. Kalori-meter

Hadron.Kalorimeter 7 TeV p

7 TeV p

Luft-Toroid System: 4T

Myon-Kammern

Mehrzweck-Detektor System

schalenförmiger Aufbau•Tracking Detektor•elm. Kalorimeter•hadron. Kalorimeter•Myon Spursystem

44m lang 22m hoch7000t

Anforderungen:sehr gute elm. Kalorimetriepräzise Myon-Impuls Messungeffizientes TrackingAkzeptanz bis zu hohen

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Der ATLAS Pixel Detektor

3 Zylinderlagen

2 x 3 Disk Lagenin Vorwärtsrichtung

Stave/Sektor: • Karbon Trägerstruktur• 13/6 Module• Kühlung

•1744 Pixel Module•112 Staves und 48 Sektoren•80 Mio. Auslesekanäle

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Pixel Modul

FE-Chip FE-Chip

sensor

MCC-DOFZ Silizium Sensor (2 x 6 cm²)-2 x 8 Auslese Chips -Flex-Hybrid mit Pigtail oder Kabel-46080 Pixel pro Modul-Module Control Chip (MCC)

-zwei Ausgabekanäle-Bandbreiten 40 und 80 MBit/s

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Der ATLAS Pixel Detektor

ServicePanel

PP1 mit Kabeln für

Connectivity Test

PP0OptoBoards Detektor

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System Test

Allgemein

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System Test: Was ist das?

Was habe ich mir unter ‚System Test‘ eigentlich vorzustellen?

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

Die sind doch alle schon getestet, oder? Warum dann dieser Aufwand?

Test des Zusammenspiels aller KomponentenTest der Hardware und der Software unter realistischen Bedingungen

(Nicht-Experten, Langzeit-Betrieb, Stress-Test der Funktionalität)

Entwicklung von Prozeduren (Ein-, Ausschalten, Kalibrationstests)

Entwicklung einer gemeinsamen Sprache (Namenskonventionen)

Eingaben von Benutzern an EntwicklerAufdecken von Schwächen, die die Experten nicht sehen

Wissenstransfer von den Experten auf die Kollaboration allgemein

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Und was ist daran nun so kompliziert?

-Umfangreiches, kompliziertes System-Viele Kanäle

-viele Schalter, Parameter-viele Messgrößen-viele Verbindungen und verschiedene Namen

-System noch in Entwicklung ändert sich ständig

Viele Fehlerquellen und -modi

Beispiel: sechs von 144 Modulen

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System Test

Endkappe A:

144 Module

OptoBoards auf PP0

Kühlrohre

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Das Spannungsversorgungssystem

Aufgabe:-Spannungen einschalten-Spannungen überwachen

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System Test

Messprogramm

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System Test: Messprogramm

-OptoBoard-Messungen

-Laser-Leistung-Einstellbarkeit gegen verschiedene Parameter (Temperatur, Licht-Leistung)-Einstellbarkeit aller Boards (Statistik)-verschiedene Justierungsalgorithmen (Ergebnisse, Dauer, Zuverlässigkeit)-Stabilität der Parameter des optischen Links

-Kühlsystem

-Temperaturen (Module, PSQP, Luft) und Drücke (Eingang/Ausgang eines Kreislaufs)-Kühlleistung (gegen Druck, Wärmeabgabe, an einem beschädigten Sektor)-Stabilität (Zeit, wechselnde Betriebsparameter, wechselnde Wärmeabgabe)-Leckrate (System-Qualifizierung)

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System Test: Messprogramm

-Kalibrierungsmessungen

-Standardmessungen (Modulfunktionalität, Schwelle, Rauschen, Justierbarkeit)-Stabilität (Zeit, verschiedene Tuning-Algorithmen)-Rauschverhalten (niedrige Schwelle, kohärentes Rauschen, Rausch-Einkopplung)-Übersprechen zwischen Modulen

-Messungen am DAQ system

-zufällige Trigger (Auslesekette, maximale Triggerfrequenz, Rausch-Okkupanz)-Szintillatortrigger (Cosmics, Online-Monitoring, Alinierung)

-Betrieb des Detektorsystems

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BOC

RX

TX

Der optische Link

OptoBoard

PiN

VCSEL

DORIC

VDC

Modul

TTC Daten

ROD

VME

TX-Link (Timing, Trigger, Configuration): ‘problemlos‘

RX-Link (Event-Daten): -Schwelle der PiN-Diode -Delay zw. Daten und BOC Takt -Ausgangsleistung des VCSEL

On-DetectorOff-Detector

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System Test: OptoBoard Messungen

fehlerfreie Daten-

übertragung(EFR)

Standard-Werkzeug BOC scan:

Schwelle der PiN-Diodegegen

Delay zw. Daten und Takt

maximiere Region mitfehlerfreier Übertragung (EFR)

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

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System Test: OptoBoard Messungen

kleine EFR Artefakte

Beispiele für ‘spezielle‘ OptoBoard-Kanäle

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OptoBoard 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- 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

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Das Kühlsystem

Erste Erfahrungen:

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

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

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System Test: Kühlsystem

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: Qualifizierung des Aufbaus

•Betriebsparameter•Einschaltverhalten•zeitl. Stabilität

Ausschalten

Einschalten

Eingangsdruck

Verdunstungsdruck

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System Test: Kühlsystem

D3A <T> vs. Power

-26,00

-24,00

-22,00

-20,00

-18,00

-16,00

-14,00

-12,00

-10,00

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00

Power (W)

Tem

pe

ratu

re (

C)

absolute Temperatur gegen Modulleistung:

Leistungsfähigkeit des Kühlsystems

DeltaT/DeltaP averaged by Module

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

D1AS01

D1AS08

D1AS03

D1AS02

D1AS05

D1AS04

D1AS07

D1AS06

D2AS08

D2AS01

D2AS02

D2AS03

D2AS04

D2AS05

D2AS06

D2AS07

D3AS01

D3AS08

D3AS03

D3AS02

D3AS05

D3AS04

D3AS07

D3AS06

Temperaturänderung gegenLeistungsänderung:

Qualität des Kühlkontakts;SQTF: dT/dP=2-3

-24

-10

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Kühlsystem: Resultate

1. Gute Stabilität im Betrieb (bei vorschriftsmässiger Wartung)

2. Ein-/Ausschaltprozeduren und –vorgänge verstanden (Druckschwankungenwie erwartet, Temperaturen schwanken nicht zu stark)

3. Modultemperatur < -7°C ist erreichbar (auch bei Leistungsaufnahmewie am Ende der Lebensdauer erwartet)

4. C3F8 Verlustrate etwa 0.1 kg/h (keine Informationen über Spezifikationen,Wert erscheint vernünftig…)

5. spez. Wärmewiderstand (dT/dP) bei etwa -20°C entspricht dem beiStave/Sektor-Produktion gemessenen (dT/dP ~ 2 K/W)

6. Überwachte Größen erlauben eine gute Beurteilung des Systems(nicht immer selbstverständlich…)

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Einschub: Analoge Pixel Zelle des FE-I3

Feedback

(6+1)-bitTuneDAC(TDAC)

5-bitglobaler Schwellen

DAC

Thresholdgenerator

Ladungs-injektion

and

and

Mask

Enable Hit-Bus

Output(“Hit”)

Hit Bus

Injektion bekannter Ladung in den

Verstärkereingang erlaubt Kalibration von Schwelle und TOT

Diskriminator

Feinjustierung der Schwelle pro Pixel

Graphik von I. Peric

ladungs-empfindlich

erVerstärker

Sensor-verbindu

ng

Schwelle

TOT

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Schwellenscan

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

DER wichtigste Test zur Charakterisierung der analogen Performance eines Moduls

System Test: Kalibrierungsmessungen

5500 6000 6500 7000 7500 8000

0

20

40

60

80

100

RauschenSchwelle

realeFehlerfunktion

ideale

Stufenfunktion

Tref

fer

/ Inj

ektio

nen

[%]

Injizierte Ladung [e - ]

Gibt Informationen über:- Spannungsversorgung (LV und HV) der Module- Zuordnung Module Konfigurations- und Auslesekanal - eindeutige Identifizierung des Moduls - Betriebsparameter der optischen Auslese

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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: Schwellenscan

4002 +/- 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

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System Test: Stabilität

Vier Schwellen-scans innerhalb eines Monats

sehr gute Stabilität der Schwellen

•Test1•Test2•Test3•Test4

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Kalibrierungsmessungen: Resultate

1. Schwellenscan wichtigstes Debug-Instrument2. Schwellenscans für alle Module dauern etwa 1h (evtl. während jeder

Befüllung des LHC durchführbar)3. Schwellenjustierung für alle Module dauert etwa 1d

4. Module selbst sind ‘perfekt‘ (sehr wenige Modulprobleme beobachtet)

5. Sehr gute Homogenität der Schwellen pro Modul erreichbar6. Sehr gute Homogenität der Schwellen über alle Module erreichbar7. Qualität der Schwellenjustierung sehr stabil gegen Zeit

8. Verhalten der Module wie aus Produktionstests zu erwarten(Schwellen, Schwellendispersion und Rauschen ändern sich nicht signifikant)

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Das Readout-System

Aufgabe:-Auslesekette in Gang bringen-Kalibrationsmessungen durchführen

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Rausch-OkkupanzDie folgenden Graphen stellen die jeweiligen Größen

integriert über alle Module des Runs dar!Analyse läuft noch.

System Test: Rausch-Okkupanz

insgesamt 5Mio. Trigger pro Runerreichbare Genauigkeit ~2e-7RauschOkkupanz über alle Pixel: 6.7e-7

häufigstes TOT=5

keine Cluster bzw.grosse rauschende Regionen

Diese Ergebnisse entsprechen sehr gut dem Verhalten,welches man aus den Produktionstests erwartet Detektor erfüllt die ATLAS Anforderungen

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System Test: Rausch-Okkupanz vs Schwelle

Referenz:3973 +/- 36e

3371 +/- 15e2722 +/- 35e

2392 +/- 54e

keine großen Änderungen für TDAC-10:Rausch-Okkupanz: 6.9e-7 niedrigere Schwellen interessanter

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System Test: Rausch-Okkupanz vs Schwelle

integriert Rausch-

Okkupanz: 1.6e-3

viele Hitspro Event

kohärentes Rauschen der Module

Summe der modulweisen Okkupanzen pro Pixeleinige Module rauschen schon,

andere noch nicht minimale Schwelle ist Modul-Eigenschaft

TDAC – 20Schwelle: 2700e

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System Test: Rausch-Okkupanz vs Schwelle

Peak kommt von einem seltsamen

Modul

Randeffekt,bisher

unverstanden

die Analyse dieser Daten dauert noch an…

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System Test: Cosmics

erster Hinweis auf

Cosmics:

Rauschtreffer sind

gleichmässig über die 16

LVL1 Trigger verteilt;

Verzögerung von Cosmic-Treffern ist

fest

die folgenden Folienstammen von verschiedenen OfflineLeuten

Zeit in Einheiten von 25ns

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System Test: Cosmics

Random TriggersRandom Triggers Cosmics TriggersCosmics Triggers

Tomasso Lari

Singlet clusters All Clusters

Nathan Triplet

TOT Verteilung

Cluster Größen

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System Test: Cosmics

einige Verteilungen

nach Tracking

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Rausch-Okkupanz: Resultate

1. Nominelle Rausch-Okkupanz: 6e-7• innerhalb der ATLAS Anforderungen• kein Einfluss auf Tracking-Effizienz

2. kohärentes Rauschen tritt ab einer Schwelle von <3000e auf

3. einige unverstandene Effekte bei niedrigen Schwellen

4. Triggerfrequenzen bis 50 kHz erreichbar

5. erfolgreiche Datennahme mit Cosmics-Trigger• Cluster-Größen, TOT Verteilungen, Timing der Treffer weist auf Cosmics hin• etwa 1 Mio. Events aufgezeichnet, mittlere Trigger-Rate ~13 Hz• Offline-Software und Alignment Algorithmen konnten getestet werden• Auflösung: 17.8µm in x-, 117µm in y-Richtung nach Alignment

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Zusammenfassung

•System Test war ein Erfolg!

•viel praktische Erfahrung mit dem Detektor-System gesammelt•erste Einblicke in die Anforderungen des Betriebs eines solchen Systems

•System verhält sich größtenteils wie erwartet

•Zusammenspiel der Systeme verstanden

•wenige Schwachstellen identifiziert/verbessert

•Weiterentwicklung der Software/Hardware

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Danke für Ihre Aufmerksamkeit

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Der ATLAS Pixel Detektor

Layer2Schale B-Layer,

untereHalbschale

Endkappe C

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How many events can we expect ?

Cosmic muon rate on the sea level: 1 muon / cm2 / minTop scintillator area: 45 x 72 cm = 3,240 cm2

Rate through the top scintillator: 54 HzAcceptance (top & bottom scint.): 11%Acceptance (top & (bottom or left or right)): 34%The rate through top & bottom: ~ 6 HzThe rate through top & (log OR of others): ~18 HzEfficiency of a scintillator: estimated to be ~ 70%The rate will therefore essentially drop by factor of two.Probability that the muon passing through top & bottom will have a three hit track x reco efficiency: ~6 %Probability that the muon passing through top & (log OR of others) will have a three hit track x reco efficiency: ????

The final figure: 1-2 three-hit tracks per minute for the top & bottom, that is 60+ three-hit tracks an hour, ~1,500 tracks a day assuming 3-shift daily operation. That is several thousand hits a day.

Roughly 30% of the module are overlaps… Could we make a use of it… ???

Marian Zdrazil

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Das Interlock-System

Aufgabe:-Temperaturen überwachen-Interlockbedingungen verstehen und beheben