26 marzo 2002 Commissione Scientifica Nazionale 1 1 Test di Sistema del Tracciatore di CMS Roberto...

26 marzo 2002 Commissione Scientifica Nazionale 1Commissione Scientifica Nazionale 11

Test di Sistema del Test di Sistema del Tracciatore di CMSTracciatore di CMS

Roberto Dell’Orso - INFN Sezione di Pisa

Milestone 200 Milestone 200

Ibrido di Front EndIbrido di Front End

Stato dei centri di produzione dei moduliStato dei centri di produzione dei moduli

Risultati dell’analisi del test beam a 25 ns Risultati dell’analisi del test beam a 25 ns

Test di sistema del TrackerTest di sistema del Tracker

• Test dei sottosistemi TOB, TEC, TIBTest dei sottosistemi TOB, TEC, TIB


Milestone 200Milestone 200ObiettiviObiettivi

• Produzione e test di 200 moduli Produzione e test di 200 moduli secondo i protocolli della secondo i protocolli della costruzione finalecostruzione finale

Verifica delle procedure industriali nella Verifica delle procedure industriali nella produzione dei vari componentiproduzione dei vari componenti

Messa a punto delle procedure di Messa a punto delle procedure di costruzione e qualifica in tutte le costruzione e qualifica in tutte le istituzioni coinvolte nel progettoistituzioni coinvolte nel progetto

Disponibilità dei rivelatori necessari per Disponibilità dei rivelatori necessari per effettuare il test di sistema del Trackereffettuare il test di sistema del Tracker

40 moduliInner BarrelCSEM

80 moduliOuter Barrel - ST

80 moduliEndcapHamamatsu


Milestone 200Milestone 200Situazione attualeSituazione attuale

• Costruiti Costruiti 7 moduli TEC7 moduli TEC con ibridi prodotti dalle con ibridi prodotti dalle industrieindustrie

• Costruiti Costruiti 2 moduli TIB2 moduli TIB con con primi ibridi prototipi FR4primi ibridi prototipi FR4

• Tutti i sensori necessari sono già stati qualificatiTutti i sensori necessari sono già stati qualificati

• Slittamento rispetto alla schedule a causa dell’ibrido di front-endSlittamento rispetto alla schedule a causa dell’ibrido di front-end

• Tutti gli altri componenti (frames, pitch adaptors,...) già disponibiliTutti gli altri componenti (frames, pitch adaptors,...) già disponibili

• Costruiti Costruiti 12 moduli TOB12 moduli TOB (ibridi pre-preduzione CERN) ed inviati a (ibridi pre-preduzione CERN) ed inviati a FNAL 15 ibridi prodotti dalle industrieFNAL 15 ibridi prodotti dalle industrie


Stato dell’ibrido di Front EndStato dell’ibrido di Front EndSubstrato di ceramicaSubstrato di ceramica

• Versione V0 – chip nudiVersione V0 – chip nudi

Produzione iniziata con il primo Produzione iniziata con il primo fornitore: consegnati 160 ibridi fornitore: consegnati 160 ibridi (yield 65%)(yield 65%)

Secondo fornitore non ancora in Secondo fornitore non ancora in grado di produrligrado di produrli

• Versione V1 – chip incapsulatiVersione V1 – chip incapsulati

Ordine inoltrato al primo fornitore Ordine inoltrato al primo fornitore (problema dello yield (problema dello yield probabilmente risolto)probabilmente risolto)


• Versione V2 – chip incapsulati su Versione V2 – chip incapsulati su substrato in FR4 substrato in FR4

Ricevuti 40 substrati, 10 già distribuiti per Ricevuti 40 substrati, 10 già distribuiti per test elettrici e meccanicitest elettrici e meccanici

Maggio: Decisione su una produzione Maggio: Decisione su una produzione commerciale parallela alla versione V1: commerciale parallela alla versione V1: maggiore varietà di fornitori, yield più maggiore varietà di fornitori, yield più elevato, costo inferioreelevato, costo inferiore

• Test da effettuareTest da effettuare

Stato dell’ibrido di Front EndStato dell’ibrido di Front EndSubstrato in FR4Substrato in FR4

Comportamento meccanico in corrispondenza a variazioni di temperatura Comportamento meccanico in corrispondenza a variazioni di temperatura ed in risposta a cicli termici ed in risposta a cicli termici

Studio della conducibilità termicaStudio della conducibilità termica

Simulazioni e primi risultati incoraggiantiSimulazioni e primi risultati incoraggianti


Si SensorsCompanies

CF plates Brussels

FE hybrid-ASIC Strasb., Louv., IC..

Pitch Adaptor Brussels

Control and Distribution Center CERN

Sensors Qualification Pisa-Perugia-Firenze Karlsruhe-Wien Strasbourg-Louvain

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

Kapton cablesBari, Aach., CERN

CF Assembly Pisa, Brussels,

CERN-Pakistan

Long Term Test Centers

Stato dei centri di produzioneStato dei centri di produzioneProduction NetworkProduction Network


Silicon Sensor Test CentersSilicon Sensor Test CentersFirenze, 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

Braccio di caricamento automatico

Probingchuck


Module Assembly CentersModule Assembly CentersBari/Catania and Perugia -> TIB/TID ModulesBrussels, Lyon and Wien -> TEC ModulesFermilab ->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


Bonding CentersBonding CentersBari/Catania, Firenze, Padova, Pisa, Torino -> TIB/TID Modules Aachen, Karlsruhe, Strasbourg, Wien, Zurich -> TEC ModulesUSA -> 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 statidistribuiti a tutti i centri

• I primi moduli della Milestone200 sono stati microsaldati senzaproblemi di rilievoLa pulizia della superficie degli ibridi deve essere migliorata


Bari/Catania, Firenze, Padova, Perugia, Pisa, Torino -> TIB/TID Modules Aachen, Brussels/Antwerper, Karlsruhe, Lyon, Louvain, Strasbourg, Wien, Zurich -> TEC ModulesUSA -> TOB Modules CERN, Louvain, Strasbourg -> Hybrid Tests

Module test centersModule test centers

• 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

• Ibridi e moduli sono sottoposti a test durante le varie fasi della produzione per evidenziare eventuali difetti introdotti (massimo consentito 2% di strip difettose)


TIB_001 Calibration Scan in Deconvolution Mode – Vbias = 300VTIB_001 Calibration Scan in Deconvolution Mode – Vbias = 300V

Test del primo modulo TIBTest del primo modulo TIB

nsnsnsns

nsnsnsns

Strip #394Strip #394


Test Beam 25 nsTest Beam 25 nsOttobre-Novembre 2001Ottobre-Novembre 2001

Test Beam Area X5 (CERN)Test Beam Area X5 (CERN)

Fascio con struttura a 25 nsFascio con struttura a 25 ns

DAQ di CMS (senza link ottico)DAQ di CMS (senza link ottico)

Particelle: Particelle: ++ o o a 120 GeV a 120 GeV

6 moduli TOB (strip pitch 180 6 moduli TOB (strip pitch 180 m, m, spessore 500 spessore 500 m)m)

VVbiasbias = 300 V = 300 V

• Risultati:Risultati:

S/N = 20 (deconvolution mode)S/N = 20 (deconvolution mode)

Rumore compatibile con le previsioniRumore compatibile con le previsioni


Test Beam 25 nsTest Beam 25 nsCurva di ritardoCurva di ritardo

• Ricostruzione della curva Ricostruzione della curva del segnale in del segnale in deconvolution mode deconvolution mode (moduli 3 e 4)(moduli 3 e 4)

• Somma della carica di 20 Somma della carica di 20 strip adiacentistrip adiacenti

• Presenza di undershoot: Presenza di undershoot: parametri degli APV25 parametri degli APV25 non ottimizzatinon ottimizzati


Test Beam 25nsTest Beam 25nsEffetto di HIP e pinholes nell’APV25Effetto di HIP e pinholes nell’APV25

• Heavily Ionizing Particle (HIP)Heavily Ionizing Particle (HIP)

Sono prodotti da interazioni nucleari di particelle che Sono prodotti da interazioni nucleari di particelle che attraversano il substrato di silicio attraversano il substrato di silicio

Producono un segnale molto intenso su poche strip, con la Producono un segnale molto intenso su poche strip, con la possibilità di saturare un intero chip APV25 (128 canali)possibilità di saturare un intero chip APV25 (128 canali)

• PinholePinhole

Consiste nel corto circuito del condensatore di disaccoppiamento, Consiste nel corto circuito del condensatore di disaccoppiamento, integrato nel sensore di siliciointegrato nel sensore di silicio

Può produrre una corrente continua all’ingresso del Può produrre una corrente continua all’ingresso del preamplificatore, con il rischio di disabilitare il chip APV25preamplificatore, con il rischio di disabilitare il chip APV25


Test Beam 25 nsTest Beam 25 nsEvento con Heavily Ionizing ParticleEvento con Heavily Ionizing Particle

• Tipico evento di HIP osservato Tipico evento di HIP osservato nel Monitor Online del Test nel Monitor Online del Test Beam a X5 Beam a X5 (fenomeno raro, (fenomeno raro, osservabile grazie alla estrema osservabile grazie alla estrema pulizia delle condizioni di pulizia delle condizioni di acquisizione)acquisizione)

• Baseline saturata con cluster Baseline saturata con cluster largolargo

• Rate osservato: 4x10Rate osservato: 4x10-4-4 per per detector per detector per incidente (120 incidente (120 GeV) consistente con la GeV) consistente con la simulazione Flukasimulazione Fluka

• Dead time 300 ns ?Dead time 300 ns ?


APV25: stadio di ingressoAPV25: stadio di ingresso

• Un segnale molto intenso Un segnale molto intenso su una strip sottrae su una strip sottrae corrente ai rimanenti 127 corrente ai rimanenti 127 canali canali

• L’effetto può essere L’effetto può essere ridotto diminuendo il ridotto diminuendo il valore di Rvalore di Rinv inv al costo di al costo di

un maggiore consumoun maggiore consumo

128 canali 128 canali in comunein comune


Stima dell’inefficienza Stima dell’inefficienza degli APV25 in CMSdegli APV25 in CMS

Fluka estimate of probabilityFluka estimate of probability

• InefficiencyInefficiency = = Prob(E) x [deadtime(E)/25ns] x 128 x occupancy Prob(E) x [deadtime(E)/25ns] x 128 x occupancy

= 0.65% for 1% occupancy if R= 0.65% for 1% occupancy if Rinv inv = 100 = 100

= = 0.05% for 1% occupancy if R0.05% for 1% occupancy if Rinv inv = 50 = 50

• Tracker occupancy < 2 %Tracker occupancy < 2 %


Effetto dei pinholeEffetto dei pinhole

• Se Vc > 0.8 V la corrente fluisce verso l’ ingresso dell’amplificatore, Se Vc > 0.8 V la corrente fluisce verso l’ ingresso dell’amplificatore, provocando la saturazione dell’inverterprovocando la saturazione dell’inverter

• Ciò si verifica quando la corrente di bias diventa dell’ordine dei Ciò si verifica quando la corrente di bias diventa dell’ordine dei A A per strip (detector irraggiato in presenza di pinholes)per strip (detector irraggiato in presenza di pinholes)

• Misure di laboratorio dimostrano che fino a 4 pinhole per chip l’effetto Misure di laboratorio dimostrano che fino a 4 pinhole per chip l’effetto è trascurabile (Rè trascurabile (Rinvinv = 50 = 50 ): ): strip con pinhole non microsaldatestrip con pinhole non microsaldate


Test Beam a PSITest Beam a PSI

Fascio di pioni a 300 MeV e 20 nsFascio di pioni a 300 MeV e 20 ns

Misura degli effetti delle HIP:Misura degli effetti delle HIP:

Misura del dead time e Misura del dead time e probabilità dell’evento HIPprobabilità dell’evento HIP

Verifica che con un valore Verifica che con un valore opportuno di Ropportuno di Rinvinv l’inefficienza è l’inefficienza è

effettivamente trascurabileeffettivamente trascurabileTriggerTriggerScintillatorsScintillators

PSIPSI

Modules: 6 TOB, 3 TEC, 3 TIBModules: 6 TOB, 3 TEC, 3 TIB

HIPHIPenhancerenhancer

““minimum ionizing” tracksminimum ionizing” tracks

““heavily ionizing” trackheavily ionizing” track

APV TriggerAPV Trigger

““normal” framenormal” frame

““multi-mode” framesmulti-mode” frames


Obiettivi del Test di SistemaObiettivi del Test di Sistema

• Test di sottosistemaTIBTest di sottosistemaTIB Da effettuare a Firenze e a PisaDa effettuare a Firenze e a Pisa

– Test con prototipo power supplyTest con prototipo power supply

– Test dell’ibrido ottico analogico Test dell’ibrido ottico analogico del TIBdel TIB

– Lettura di 6-12 moduli TIB nella Lettura di 6-12 moduli TIB nella meccanica finale meccanica finale

• Test di sistemaTest di sistema (moduli TOB su banco) (moduli TOB su banco) Effettuato al CERNEffettuato al CERN– Calibrazione del FED e Input Buffer DifferenzialeCalibrazione del FED e Input Buffer Differenziale– Set-up dei parametri del link ottico analogico (bias current & gain settings)Set-up dei parametri del link ottico analogico (bias current & gain settings)– Verifica del segnale nei vari punti della catena di readout completaVerifica del segnale nei vari punti della catena di readout completa– Test di 6 ibridi di front-end su due CCU ringTest di 6 ibridi di front-end su due CCU ring– Test di un modulo (noise, pulse shape, guadagno) attraverso il link otticoTest di un modulo (noise, pulse shape, guadagno) attraverso il link ottico

• Test di sottosistema TOBTest di sottosistema TOB Attualmente in corso al CERNAttualmente in corso al CERN

– Lettura di 6 moduli TOB nella Lettura di 6 moduli TOB nella meccanica di una rodmeccanica di una rod

– Connettoristica e componenti finaliConnettoristica e componenti finali

• Test di sottosistemaTECTest di sottosistemaTEC Da effettuare a LioneDa effettuare a Lione


Sistema di Readout del TrackerSistema di Readout del Tracker


Test di sistema su banco: Test di sistema su banco: componenticomponenti

• Back-End ReadoutBack-End Readout– Ricevitore Ottico Analogico 12 canaliRicevitore Ottico Analogico 12 canali

• Sistema di controlloSistema di controllo– FEC, Link Ottico Digitale 2 x (Trigger & Clock), CCUM (5V)FEC, Link Ottico Digitale 2 x (Trigger & Clock), CCUM (5V)

• Front-End ReadoutFront-End Readout– Silicon Detector, Silicon Detector,

Adattatore, Scheda di Adattatore, Scheda di interfaccia OTRI, interfaccia OTRI, Ibrido Ottico AOHIbrido Ottico AOH


Set-up del test di sistemaSet-up del test di sistema

Rivelatore e Ibrido OtticoRivelatore e Ibrido Ottico PC con FED, FEC, TSCPC con FED, FEC, TSC

Controllo e link digitale: Controllo e link digitale: DOH,DOH, CCU,CCU, TRxTRx

Ricevitore Ricevitore Ottico Ottico

AnalogicoAnalogico


Calibrazione del FEDCalibrazione del FED

• Buona linearitàBuona linearità• Stesso Input Buffer Differenziale Stesso Input Buffer Differenziale

per gli 8 canali del FEDper gli 8 canali del FED• Range dinamico > 1.5VRange dinamico > 1.5V

• FED timing: basato sui tick FED timing: basato sui tick mark degli APV25mark degli APV25

• Scelta del punto di sampling Scelta del punto di sampling vicino al fronte di discesavicino al fronte di discesa


Misure sul modulo nel sistemaMisure sul modulo nel sistema

• Misura del rumoreMisura del rumore

• Misura della pulse Misura della pulse shape dal segnale di shape dal segnale di calibrazione internacalibrazione interna

• Performance del rumore Performance del rumore confrontabile con i valori confrontabile con i valori misurati nel Test Beammisurati nel Test Beam

Il segnale non è degradato Il segnale non è degradato dal Link Ottico Analogicodal Link Ottico Analogico


Misura del guadagnoMisura del guadagno

• L’uscita analogica è misurata in diversi punti lungo L’uscita analogica è misurata in diversi punti lungo la catena di letturala catena di lettura

• Guadagno nominale 0.85 - Tempo di salita 6.7 nsGuadagno nominale 0.85 - Tempo di salita 6.7 ns


Test di sottosistema del TOBTest di sottosistema del TOB

• Prototipo della meccanica finale dell’Outer Barrel (rod)Prototipo della meccanica finale dell’Outer Barrel (rod)

• Fino a 6 moduli (2 CCU ring)Fino a 6 moduli (2 CCU ring)

• InterConnect Bus (buffer dei segnali digitali)InterConnect Bus (buffer dei segnali digitali)

• InterConnect Cards (ibridi ottici TOB)InterConnect Cards (ibridi ottici TOB)

InterConnect Bus

InterConnect Cards

Module support blocks

Module frameCooling pipe

Patch panel


Test di sottosistemaTest di sottosistemaIbrido Ottico TOBIbrido Ottico TOB

Prima rod completamente Prima rod completamente cablata con InterConnect cablata con InterConnect Bus, InterConnect Boards e Bus, InterConnect Boards e Ibridi Ottici AnalogiciIbridi Ottici Analogici

Power Supply locale: 1.25 V Power Supply locale: 1.25 V e 2.5 V sulle linee del Buse 2.5 V sulle linee del Bus

Primo test con 6 Ibridi di Primo test con 6 Ibridi di Front-end già effettuatoFront-end già effettuato


Test di sottosistema di una rodTest di sottosistema di una rod• 3 Moduli TOB 3 Moduli TOB

installati nella installati nella struttura meccanicastruttura meccanica

• Scatola buia e Scatola buia e flussabileflussabile

• Cooling pipe per Cooling pipe per liquido refrigeranteliquido refrigerante

• Verifica della Verifica della funzionalità dello funzionalità dello schema di schema di raffreddamento con raffreddamento con flussaggio di gas seccoflussaggio di gas secco

• 16 sensori di 16 sensori di temperatura, 8 sensori temperatura, 8 sensori di umidità relativadi umidità relativa


Test di sottosistema di una rodTest di sottosistema di una rod risultati preliminaririsultati preliminari

• Distribuzione del noise nei Distribuzione del noise nei 4 chip (ADC counts)4 chip (ADC counts)

• Curva di calibrazione Curva di calibrazione interna (peak mode)interna (peak mode)

Modulo TOB n.2 - VModulo TOB n.2 - Vbiasbias = 0 V = 0 V


Test di sottosistema Inner BarrelTest di sottosistema Inner Barrel

• Fase 1 - FirenzeFase 1 - Firenze: : – Lettura di una catena di readout completa con Ibrido Ottico Analogico TIBLettura di una catena di readout completa con Ibrido Ottico Analogico TIB

– Alimentazioni da prototipi Power SupplyAlimentazioni da prototipi Power Supply

– Test su banco con Mother CableTest su banco con Mother Cable


Test di sottosistema Inner Barrel Test di sottosistema Inner Barrel

• Fase 2 – Pisa:Fase 2 – Pisa:– Integrazione meccanica di 6-12 moduli single-sided su cilindro layer 3Integrazione meccanica di 6-12 moduli single-sided su cilindro layer 3

– Integrazione meccanica di 6 moduli double-sided su cilindro layer 1Integrazione meccanica di 6 moduli double-sided su cilindro layer 1

Mother CableMother Cable


Test di sottosistema Inner BarrelTest di sottosistema Inner Barrel

• Integrazione meccanicaIntegrazione meccanica– Disegno della struttura meccanica dell’Inner Barrel congelataDisegno della struttura meccanica dell’Inner Barrel congelata

– Effettuata la gara per gli stampi dei 4 layerEffettuata la gara per gli stampi dei 4 layer

– Prototipo per il test di sistema in costruzionePrototipo per il test di sistema in costruzione

– Prototipo del Mother Cable già disponibilePrototipo del Mother Cable già disponibile

Prototipi degli stampi meccanica TIBPrototipi degli stampi meccanica TIB

Struttura meccanica delStruttura meccanica dellayer 3 per test di layer 3 per test di integrazione meccanica integrazione meccanica ed elettricaed elettrica


Conclusioni - 1Conclusioni - 1

• Milestone 200Milestone 200 La produzione è iniziata ed ha fornito i primi moduli necessari per la messa 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 sistemaa punto delle procedure di qualifica, test beam a 25 ns e test di sistema

• Ibridi di Front-EndIbridi di Front-End Due nuove versioni, in ceramica e in FR4 con chip incapsulati, saranno Due nuove versioni, in ceramica e in FR4 con chip incapsulati, saranno sottomessi per un test della produzione industrialesottomessi per un test della produzione industriale

• Test beam 25 ns con DAQ di CMSTest beam 25 ns con DAQ di CMS (escluso link ottico) (escluso link ottico) Il test beam con 6 moduli finali ha dato buoni risultati. Il test beam con 6 moduli finali ha dato buoni risultati.

E’ stato osservato un effetto non previsto, che secondo le stime dovrebbe E’ stato osservato un effetto non previsto, che secondo le stime dovrebbe indurre un’inefficienza trascurabile. indurre un’inefficienza trascurabile.

E’ previsto un nuovo test beam al PSI (E’ previsto un nuovo test beam al PSI ( di 300 MeV) per uno studio in di 300 MeV) per uno studio in condizioni più realistiche.condizioni più realistiche.


Conclusioni - 2Conclusioni - 2

• Test di sistema del TracciatoreTest di sistema del Tracciatore (CERN) (CERN) Il test su banco del link ottico analogico con due CCU ring è stato Il test su banco del link ottico analogico con due CCU ring è stato

completatocompletato

• Test di sottosistema del TOBTest di sottosistema del TOB Il test di una rod con 6 moduli TOB finali è in corso ed i primi Il test di una rod con 6 moduli TOB finali è in corso ed i primi

risultati sono promettentirisultati sono promettenti

• Test di sottosistema del TIBTest di sottosistema del TIB La caratterizzazione ed il test su banco dell’ibrido ottico hanno dato La caratterizzazione ed il test su banco dell’ibrido ottico hanno dato

buoni risultati buoni risultati (si veda presentazione di B.Checcucci)(si veda presentazione di B.Checcucci) Fase 1 (Aprile-Maggio): lettura di un modulo TIB con link ottico Fase 1 (Aprile-Maggio): lettura di un modulo TIB con link ottico

analogico completo; test con prototipi degli alimentatori finalianalogico completo; test con prototipi degli alimentatori finali Fase 2 (Giugno-Dicembre): test di integrazione meccanica ed Fase 2 (Giugno-Dicembre): test di integrazione meccanica ed

elettrica su cilindro del layer 3 (single-sided) e successivamente del elettrica su cilindro del layer 3 (single-sided) e successivamente del layer 1 (double-sided)layer 1 (double-sided)

26 marzo 2002 Commissione Scientifica Nazionale 1 1 Test di Sistema del Tracciatore di CMS Roberto...

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