Construction of the CMS tracker end-caps and an impact study on defects

Linn, Alexander; Stahl, Achim

doi:28969

Construction of the CMS tracker end-caps and an impact study on defects = Zusammenbau der CMS Spurdetektorendkappen und eine Einflußstudie von Defekten

Linn, Alexander (Author)

2008

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt Alexander Linn

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2008

UmfangVIII, 116 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008

Zusammenfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Stahl, Achim (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2008-11-17

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-26162
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/50459/files/Linn_Alexander.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
CMS-Detektor (Genormte SW) ; Spurdetektor (Genormte SW) ; Zentraler Spurdetektor (Genormte SW) ; CERN (Genormte SW) ; LHC (Genormte SW) ; Physik (frei) ; Endkappe (frei) ; Silizium-Modul (frei) ; Spurrekonstruktionseffizienz (frei) ; tracker (frei) ; end-cap (frei) ; track reconstruction efficiency (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Das CMS Experiment des LHC Beschleunigers am Forschungszentrum CERN bei Genf wird ab dem Jahr 2008 erste Proton-Proton Kollisionen bei bis dahin unereichten Schwerpunktsenergieen untersuchen. Damit die Entdeckung von bisher nur theoretisch vorhergesagten Elementarteilchen möglich ist, wurde in CMS der mit einer sensitiven Fläche von 198m2 größte Siliziumspurdetektor bisher eingebaut. Segmentiert in mehr als 15.000 Silizium Streifen Module, bildeten die Konstruktion und der Test des Spurdetektors große Herausforderungen an die beteiligten Institute. Das III. Physikalische Institut B der RWTH Aachen war maßgeblich am Bau und Test der benötigten Unterstrukturen, sogenannten Petals, der Endkappen des Spurdetektors beteiligt. Die Petals wurden in einem Reinraum zusammengebaut und ersten einfachen Tests unterzogen, welche die generelle Funktionstüchtigkeit jeder verwendeten Komponente sicherstellen sollten. Die beim Zusammenbau gefunden Fehler werden aufgezeigt und nötige Verbesserungen an den Silizium Streifen Modulen werden kurz erläutert. Anschließend wurden die Petals einem mehrtägigen Kühltest unterzogen, der als erster alle benötigten Auslesekomponenten der Endkappen zusammen unter CMS ähnlichen Temperaturbedingungen von -10°C Siliziumtemperatur kontrollierte um genauere Kenntnis über mögliche Fehler zu erhalten. Dabei wurden effiziente Analysemethoden entwickelt, die es erlauben Defekte auf dem Niveau von einzelnen Silizium Streifen zu finden und so die Qualität der eingebauten Komponenten unter thermischem Streß zu bestimmen. Die Analyse von 288 gebauten Petals ergab eine Einzelstreifenfehlerquote von weniger als 0,4%. Anschließend wurden die Petals in den Endkappen des Spurdetektors eingebaut und diese zum CERN gebracht, wo weitere Kühltests mit beiden Endkappen durchgeführt wurden. Hier vorgestellt wird der Kalttest einer der beiden Endkappen der am CERN durchgeführt wurde, die Analyse der dort gefundenen Fehler wird erläutert und die exzellente Qualität der getesteten Endkappe wird verdeutlicht. Die durchgeführten Messungen ergaben eine dem Einzel Petal Test vergleichbare Fehlerzahl von 0,4% schlechter Streifen. Das abschließende Kapitel dieser Arbeit widmet sich der Analyse der gefundenen Defekte und deren Implementierung in Monte Carlo Simulationen um die Auswirkungen von Modul Fehlern auf die Spurrekonstruktion in CMS aufzuzeigen. Dazu werden die beiden in CMS benutzten Spurrekonstruktionsalgorithmen benutzt und deren Ergebnisse miteinander verglichen. Diese erste Analyse zeigt, dass auch bei einer großen Anzahl von Fehlern in der Größenordung von 5% eine sehr gute Spurrekonstruktionseffizienz erreicht wird. Nimmt man die bis zum Mai 2008 bekannte Fehlerrate von 0,2% des gesamten Spurdetektors als Grundlage der Simulation, ergeben sich keine Auswirkungen auf die betrachteten Effizienzen.

The CMS experiment at the LHC accelerator at the research center CERN close to Geneva will study proton proton collisions at up to now unprecedented center of mass energies from the year 2008 on. To discover theoretically predicted elementary particles, CMS was equipped with the largest silicon tracker so far with a sensitive area of 198m2. Partitioned into more than 15,000 silicon strip modules, the construction and test of the tracker was a huge challenge for the involved institutes. The III. Physikalisches Institut B of the RWTH Aachen had a leading role in the construction and test of substructures, so called petals, for the end caps of the tracker. The petals were assembled in a clean room and underwent first basic tests to ensure the general operationability of each component. Failures detected during the assembly are described and improvements of the silicon strip modules are discussed. After the assembly the petals underwent a cold test for several days. For the first time all readout components of the petal were tested together at a temperature of -10°C, similar to the final conditions in CMS. Efficient analysis methods were developed, that allow to find defects on the level of single silicon strips and hence obtain an overview over the quality of the components under thermal stress. The analysis of 294 assembled petals resulted in a single strip failure rate of less than 0.4%. Subsequently the petals were inserted into the tracker end caps and shipped to CERN where further cold tests were done with both end caps. Presented here is the cold test of one of the two end caps which was constructed at CERN. The analysis of the failures detected is illustrated and the excellent quality of the tested end cap is confirmed. The measurements yield a failure rate of 0.4% comparable to the single petal test. The final chapter discusses the impact of defects on the track reconstruction. Defects were implemented into a Monte Carlo simulation. Track reconstruction is done using two algorithms which are compared with each other. The analysis shows that even with a large number of defects as large as 5% a very good track reconstruction efficiency is obtained. Taking the known defect rate of May 2008 of 0.2% no effects on the track reconstruction efficiencies are observed.

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