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
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
Dortmund 11.05.2007 Jens Weingarten, PI Uni Bonn39
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