The laser alignment system for the CMS silicon microstrip tracker

Wittmer, Bruno; Schael, Stefan

doi:348

The laser alignment system for the CMS silicon microstrip tracker

Wittmer, Bruno (Author)

2002

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Bruno Wittmer

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2002

Umfang81 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2002

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Schael, Stefan (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2002-02-13

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-3482
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/56932/files/Wittmer_Bruno.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften (100000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Das „Compact Muon Solenoid”-Experiment (CMS) ist einer der beiden großen Mehrzweck-Detektoren am zukünftigen „Large Hadron Collider” (LHC). Für einen stabilen Betrieb des CMS Silizium-Spurdetektors ist es wesentlich, dass dessen Lagen mit einer Präzision von wenigen hundert Mikrometern gegeneinander ausgerichtet sind. Das hier vorgestellte Laser Alignment-System wurde für diesen Zweck entworfen. Es wird in der Lage sein, Vereformungen derTragestruktur des Spurdetektors auf besser als 100 Mikrometer nachzuhalten. Dieses System verwendet infrarote Laserstrahlen, die mehrere Lagen der Silizium-Sensoren durchqueren und in ihnen ein Signal erzeugen. Bewegungen der Lagen gegeneinander können dann aus der genauen Vermessung der Strahlprofile gemessen werden. Eine Besonderheit dieses Systems liegt darin, dass es die gleichen Sensoren verwendet, die auch die Teilchenspuren vermessen. Im ersten Teil dieser Arbeit werden Effekte untersucht, die die Genauigkeit dieses Systems bestimmen. Zunächst wurde die Transmission der Sensoren ermittelt, die durch Absorptionsverluste und Reflektion an den Sensorstreifen und den Silizium-Luft-Übergängen bestimmt ist. Für die Transmission wurden Werte von 20% bei 1064 nm und 24% bei 1080 nm gemessen, in guter Übereinstimmung mit der theoretischen Erwartung. Die Genauigkeit mit der der Schwerpunkt der Laserprofile auf den Sensoren bestimmt werden kann ist eine Funktion des Signal zu Rausch Verhältnisses (S/N), des Strifenabstandes und des Strahldurchmessers. Der Beitrag des S/N-Verhältnisses kann durch Mittelung über mehrere hundert Lichtpulse minimiert werden. Dadurch wird es Möglich bis zu vier Lagen von Sensoren zu durchqueren und auf der fünften noch die erforderliche Genauigkeit zu erhalten. Weitere Effekte, die die Genauigkeit des Systems beeinträchtigen, wie Interferenzeffekte durch Mehrfachreflektionen und Brechung an den Silizium-Luft-Übergängen wurden an Prototypen untersucht und auf das Design der endgültigen CMS-Sensoren extrapoliert. Im zweiten Teil der Arbeit wird das Laser Alignment-System für den CMS-Spurdetektor vorgestellt und die Performance simuliert. Das System sieht 52 Laserstrahlen vor, die den Spurdetektor durchqueren. 16 Strahlen vermessen je eine Endkappe. 8 Strahlen bestimmen Bewegungen der Endkappen gegen inneren und äusseren „Barrel”-Detektor, wobei Strahlteiler zum Einsatz kommen, die das Licht auf die Barrel-Sensoren lenken. Schliesslich sind 12 weitere Strahlen vorgesehen, die den gesamten Spurdetektor gegen das CMS-Myonensystem ausrichten. Als Lichtquellen kommen Laserdioden (1060-1080 nm) oder Nd-YAG Laser in Frage, die sich ausserhalb des CMS-Detektors befinden. Das Licht wird durch optische Fasern in den Spurdetektor geleitet, wo Kollimatoren und Strahlteiler Paare von Strahlen erzeugen. Die Kollimatoren sind so angebracht, dass die Strahlen höchstens vier Silizium-Lagen durchqueren müssen. Die Genauigkeit mit der die Schnittpunkte von mechanischer Struktur und Laserstrahlen bestimmt werden kann ist besser als 70 Mikrometer. Sie wird bestimmt durch die Effekte die im ersten Teil der Arbeit untersucht wurden und der Präzision mit der die Sensoren auf die Tragestruktur montiert werden. Die Performance des Systems wurde für eine Endkappe simuliert. Hierzu wurden 49 Parameter definiert, die die Verformung der Endkappe und mögliche Bewegungen der Laserstrahlen beschreiben. Diese Parameter werden an einen Satz von gemessenen Strahlprofilen gefittet. In der Simulation konnten dabei alle Parameter mit einer Genauigkeit von besser als die angestrebten 100 Mikrometern rekonstruiert werden. Simulationen in denen die Anzahl der Laserstrahlen variiert wurde zeigen, daß dies auch noch möglich ist, wenn einige der Laserstrahlen ausfallen. Die Ergebnisse der Simulation stimmen sehr gut mit der analytischen Berechnung überein.

The Compact Muon Solenoid (CMS) is one of the two general purpose detectors that will be installed at the future Large Hadron Collider (LHC). For the proper operation of the CMS silicon microstrip tracker it is essential that the several sensor layers can be aligned with respect to each other with aprecision of a few hundred micron. The laser alignment system presented here has been designed for this purpose. Its goal is to measure the deformations of the mechanical support structure of the tracker with a precision better than 100 micron. The alignment system uses laser beams with a wavelength of 1000-1100 nm that can traverse several layers of silicon sensors inducing a signal in the strips. Movements of the sensors with respect to each other can then be assessed from the positions of the measured beam profiles. A key feature of this alignment system is that it uses the same sensors that also measure the particle tracks. In the first part of this work several aspects which affect the performance of the alignment system were studied in detail. First the light transmission through the sensors was assessed, which is limited by absorption losses and the reflection at the strips and the silicon-air interfaces. The total transmission through a silicon sensor was measured to be 20% at 1064 nm and 24% at 1080 nm in good agreement with the theoretical expectation. The accuracy with which the center of the laser profile can be found on a strip sensor is a function of the signal to noise ratio, the sensor pitch and the laser beam width. The contribution coming from the S/N ratio can be minimized by averaging over a few hundred laser pulses thus increasing the effective S/N ratio. In this way it is possible to pass through 4 layers of silicon and still reach a reasonable accuracy on the 5th layer. Disturbing effects like interferences due to multiple reflections and refraction at the silicon-air interfaces were studied on detector prototypes and extrapolated to the final CMS sensor design. In the second part of the work the layout of the laser alignment system for the CMS microstrip tracker is described and its performance is simulated. The system consists of 52 laser beams which pass through the tracker. 16 beams are used for the internal alignment of each endcap. 8 laser beams will align the endcaps with respect to the tracker inner and outer barrel (TIB and TOB). Here beam splitters are used to get the light onto the TIB and TOB sensors. Finally 12 more laser beams will be employed to align the entire tracker with respect to the CMS muon system. The laser sources can be laser diodes (1060-1080 nm) or Nd-YAG lasers (1064 nm) and are placed outside the CMS detector. The light is routed with fibers into the tracker volume, where collimators and beam splitters generate pairs of back-to-back oriented beams. The collimators are placed so that the beams have to pass at most four layers of silicon sensors. For this system the accuracy with which the intersection points of the laser beams with the tracker structure can be measured is better than 70 micron. This accuracy is dictated by the effects described in the first part and by the precision with which the silicon detectors can be mounted on the mechanical support structure. To simulate the performance of the system, a set of 49 parameters describing the movements of one endcap and of a set of 8 laser beams was defined. It was taken into account, that the orientation of the laser beams may change during operation. The 49 parameters can be fitted to a data set of measured laser profiles. For the expected measuring precision of 70 micron all parameters were reconstructed to better than the required 100 micron. Simulations in which the number of laser beams was changed show that this is still the case even when some of the laser beams are lost. All the results of the simulation agree very well with the analytical calculation.

Fulltext:
PDF
(additional files)