System tests and qualification of pixel modules and DC-DC converters for the phase-1 upgrade of the CMS pixel detector

Lipinski, Martin; Feld, Lutz Werner; Pretz, Jörg Johannes

doi:37906

System tests and qualification of pixel modules and DC-DC converters for the phase-1 upgrade of the CMS pixel detector = Systemtests und Qualifizierung von Pixelmodulen und DC-DC Konvertern für das Phase-1 Upgrade des CMS Pixeldetektors

Lipinski, Martin^RWTH*

2019

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von M.Sc. Martin Lipinski

ImpressumAachen 2019

Umfang1 Online-Ressource (XV, 205 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Feld, Lutz Werner (Thesis advisor)^RWTH* ; Pretz, Jörg Johannes (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-02-01

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-01452
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/754828/files/754828.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
CMS (frei) ; DC-DC converters (frei) ; phase-1 upgrade (frei) ; pixel detector (frei) ; tracking (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Das CMS Experiment am Large Hadron Collider (LHC) verfügt über einen Silizium-Pixeldetektor, mit dem Spuren von geladenen Teilchen gemessen werden. Durch stetige Verbesserungen des LHC erreichte die instantane Luminosität während des sogenannten Run 2 bereits das doppelte des ursprünglichen Designwerts von \SI{1e34}{\per\square\centi\meter\per\second}. Um von den zusätzlichen Daten profitieren zu können, hat die CMS Kollaboration im Rahmen des Phase-1 Upgrades einen neuen Pixeldetektor entwickelt, der über eine zusätzliche vierte Lage von Pixelmodulen im Zentralbereich und eine zusätzliche dritte Lage in den Endkappen verfügt. Durch eine verbesserte Ausleseelektronik wurde die Effizienz der Datennahme erhöht. Der neue Detektor wurde im März 2017 in das Experiment eingebaut. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Qualitätssicherung von Pixelmodulen, die vom Karlsruher Institut für Technologie für einen Teil des Zentraldetektors produziert wurden, durchgeführt. Dafür wurden ein Setup für zyklische Temperaturwechsel und für elektrische Tests sowie ein Röntgensetup für Hochratentests und eine Energiekalibration entwickelt. In dieser Dissertation werden die Setups und die Testprozeduren dargestellt und die Ergebnisse der Pixelmodulqualifikation diskutiert. Von insgesamt 409 produzierten Pixelmodulen wurden 343 Stück (84%) als für den Detektor verwendbar klassifiziert. Ein Großteil der letztlich aussortierten Pixelmodule (43 von 48) bestand den Test im Röntgensetup nicht. Der im Vergleich zum ursprünglichen Detektor etwa verdoppelte Stromverbrauch des Phase-1 Pixeldetektors hat die Entwicklung eines neuen Konzepts zur Spannungsversorgung nötig gemacht. Um Spannungsabfälle und Leistungsverluste auf den Versorgungskabeln zu reduzieren, werden strahlungstolerante und magnetfeldresistente DC-DC Konverter innerhalb von CMS eingesetzt, welche die Versorgungsspannungen der Auslesechips bereitstellen. In dieser Dissertation wird die ordnungsgemäße Funktion der neuen Spannungsversorgung demonstriert. Die dafür durchgeführten Integrations- und Systemtests werden beschrieben. Die Spannungsversorgung mit DC-DC Konvertern verschlechterte die Leistungsfähigkeit der Pixelmodule nicht. Es konnte beispielsweise gezeigt werden, dass die Detektionseffizienz bei einer Bestrahlung mit Photonen mit einer Rate von \SI{120}{\mega\hertz\per\square\centi\metre} auch bei einer Spannungsversorgung mit DC-DC Konvertern bei etwa 99.2% liegt. Neben den Tests wurden auch die Prozeduren für den Betrieb der DC-DC Konverter im Pixeldetektor entwickelt und optimale Betriebsparameter ermittelt. Im Oktober und November 2017 fielen während des Betriebes des Pixeldetektors etwa 5% der DC-DC Konverter aus. Im Winter 2017/2018 wurden alle DC-DC Konverter aus dem Pixeldetektor extrahiert und untersucht. Bei etwa weiteren 30% der Baugruppen wurden Schädigungen festgestellt. In dieser Arbeit werden Tests zur Problemsuche beschrieben und die Ursache der Defekte diskutiert. Alle DC-DC Konverter wurden durch neu produzierte ausgetauscht. Die durchgeführten Tests zur Qualitätssicherung der neuen Baugruppen werden in dieser Dissertation beschrieben und die Ergebnisse vorgestellt. Bis zum Zeitpunkt der Niederschrift dieser Arbeit im Oktober 2018 sind keine DC-DC Konverter mehr ausgefallen. Es wurden etwa \SI{109}{\per\femto\barn} an Kollisionsdaten mit dem neuen Pixeldetektor aufgezeichnet. Dies übersteigt bereits die mit dem ursprünglichen Pixeldetektor während seiner gesamten Lebenszeit gesammelte Datenmenge.

The CMS experiment at the Large Hadron Collider (LHC) features a silicon pixel detector that measures tracks of charged particles. Due to continuous improvements of the LHC, the instantaneous luminosity already reached twice the original design value of \SI{1e34}{\per\square\centi\meter\per\second} during the so-called Run 2. In order to benefit from the additional data, the CMS collaboration has developed a new pixel detector, which has an additional fourth layer of pixel modules in the central area and an additional third layer in the endcaps, as part of the Phase-1 upgrade. Improved readout electronics increased the data acquisition efficiency. The new detector was installed in the experiment in March 2017. Within the scope of this work, the quality assurance of pixel modules, which were built by the Karlsruhe Institute of Technology for a part of the central detector, was performed. A setup for thermal cycling and electrical testing, as well as an X-ray setup for high-rate tests and an energy calibration, were developed for this purpose. In this thesis, the setups and test procedures are presented, and the results of the pixel module qualification are discussed. Out of 409 pixel modules produced, 343 (84%) were classified usable for the detector. A large part of the pixel modules (43 of 48) that were ultimately rejected did not pass the test in the X-ray setup. The power consumption of the Phase-1 pixel detector has approximately doubled compared to the original detector, making a new powering scheme necessary. In order to reduce voltage drops and power losses on the supply cables, radiation tolerant and magnetic field resistant DC-DC converters are used within CMS to provide the supply voltages for the readout chips. In this thesis, the proper function of the novel powering scheme is demonstrated. The integration tests and system tests that were performed for this purpose are described. The powering with DC-DC converters did not impair the performance of the pixel modules. For example, it was demonstrated that the detection efficiency during irradiation with photons at a rate of \SI{120}{\mega\hertz\per\square\centi\metre} is about 99.2%, even when DC-DC converters power the pixel module. In addition to the performed tests, the procedures for operating the DC-DC converters in the pixel detector were developed and optimal operating parameters determined. In October and November 2017, about 5% of the installed DC-DC converters failed during operation of the pixel detector. All DC-DC converters were extracted from the pixel detector and examined in winter 2017/2018. Damage was found in about 30% additional devices. In this thesis, the troubleshooting is described, and the cause of the defects is discussed. All DC-DC converters have been replaced by newly produced ones. This thesis describes the quality assurance tests that were performed and presents the results. By the time of writing of this work in October 2018, no DC-DC converters have failed. About \SI{109}{\per\femto\barn} of collision data have been recorded with the new pixel detector. This already exceeds the amount of data collected by the original pixel detector during its entire lifetime.

OpenAccess:
PDF
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