Construction and calibration of the laser alignment system for the CMS tracker

Adolphi, Roman; Schael, Stefan

doi:27396

Construction and calibration of the laser alignment system for the CMS tracker = Konstruktion und Kalibration des Laser Alignment Systems für den CMS Spurdetektor

Adolphi, Roman (Author)

2006

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Roman Adolphi

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2006

UmfangIV, 185 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2006

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Schael, Stefan (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2006-11-28

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-17348
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/59602/files/Adolphi_Roman.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; Laser (frei) ; Alignment (frei) ; Spurdetektor (frei) ; Laser Alignment System (frei) ; CMS Spurdetektor (frei) ; Silizium Streifen Detektor (frei) ; LHC (frei) ; CMS Tracker (frei) ; Silicon Strip Tracker (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Am europäischen Kernforschungszentrum CERN (Genf, Schweiz) befindet sich der CMS Detektor (Compact Muon Solenoid) an einer der vier Proton-Proton Wechselwirkungszonen des Beschleunigers LHC (Large Hadron Collider) im Bau. Der innere Spurdetektor des CMS Experimentes wird mit einem Durchmesser von 2.4 Meter und einer Länge von 5.4 Meter bei seiner Fertigstellung der weltweit größte Silizium-Detektor sein. Zum Nachweis von geladenen Teilchen wird eine aktive, ca. 200 quadratmeter große Fläche von insgesamt etwa 15000 Silizium-Streifen-Modulen zur Verfügung gestellt, die auf einer modularen mechanischen Tragestruktur befestigt sind. Die Verwendung von Kohlefasermaterial ist eine optimale Voraussetzung, um mechanische Stabilität bei minus 10 Grad Celsius Betriebstemperatur in einem 4 Tesla Magnetfeld zu gewährleisten. Zur präzisen Vermessung der einzelnen Teilchenspuren ist die genaue Kenntnis der Spurkammergeometrie notwendig. Neben der mechanischen Montagegenauigkeit größerer Detektoreinheiten und deren vermessungstechnischer Überprüfung liefert das Laser-Alignment-System (LAS) die Grundlage zur effizienten Spurrekonstruktion. Durch das in die Spurkammer intergrierte Laser-Alignment-System können die Positionen der Elemente der Tragestruktur auf der Skala von 100 Micrometer festgestellt werden. Relative Bewegungen einzelner Komponenten können in der Größenordnung von 10 Micrometer kontrolliert und überwacht werden. Die Planung, das Design und die Verifizierung der Zuverlässigkeit eines optischen Systems dieser Komplexität für die räumliche Ausrichtung eines Silizium-Detektors in der Größenordnung der CMS Spurkammer – unter der Voraussetzung minimaler Beeinflussung des Detektordesigns und Vermeidung zusätzlicher externer Referenzstrukturen – ist eine neue wissenschaftliche Herausforderung. Die Entwicklung eines Laser-Alignment-Systems zur Rekonstruktion der CMS Spurkammergeometrie, die Realisierung unter Berücksichtigung der bestehenden Anforderungen, die Integration in den CMS Detektor und die Bestimmung der Leistungsfähigkeit des optischen Systems werden in der vorliegenden Arbeit beschrieben. Das Prinzip der Positionsbestimmung basiert auf der Tatsache, daß Silizium im infraroten Wellenlängenbereich teilweise transparent ist. Der absorbierte Anteil eines Laserstrahls erzeugt ein Signal im jeweiligen Silizium-Streifen-Modul, womit dessen Position rekonstruiert werden kann, und der transmittierte Anteil stellt die optische Verbindung zur nächsten Detektorlage her. Ausgehend von den Ergebnissen der Untersuchungen der Eigenschaften von Laserdioden sowie den Tests von Lichtleitfasern und Steckern wurden die Systemkomponenten von der Laserquelle bis zum Detektor definiert. Detailierte Studien bezüglich der Verwendung von Strahlteilern und geeigneten Testaufbauten zur Vermessung der von ihnen ausgesandten kollinearen Strahlen wurden durchgeführt. Im Rahmen sowohl der geometrischen als auch der optischen Anforderungen wurde eine Strahlteilerkonstruktion entwickelt, die auf dem Polarisationsprinzip beruht. Die Genauigkeit, mit der die Kollinearität der ausgehenden Strahlen gemessen wurde, war besser als 50 Microradian, und es konnte gezeigt werden, daß unter den experimentellen Bedingungen in CMS die relative Position beider Strahlen konstant bleibt. Die Schnittstelle zwischen dem LAS und dem Spurdetektor stellen die Silizium-Alignment-Sensoren dar, die sowohl zum Teilchennachweis als auch zur Laserpositionsbestimmung dienen. Zur Verbesserung der optischen Eigenschaften wurde eine Anti-Reflex-Schicht auf der Rückseite der Sensoren unter Gewährleistung gleichbleibender elektrischer Eigenschaften aufgetragen. Die experimentellen Ergebnisse der Transmissions- und Reflexionsmessungen von Alignment-Sensoren in einem speziell entwickelten Testaufbau stimmten mit den Modellrechnungen überein und bestätigten die hohe optische Qualität der Sensoren. Mit Hilfe einer Laserdiode und der Datenauslese der Signale in Silizium-Streifen-Modulen in einer Anordnung gemäß der Geometrie einer Endkappe (TEC) des Spurdetektors wurde das Funktionsprinzip überprüft und die räumliche Modulauflösung gemessen. Für fast alle Modulpositionen innerhalb der Endkappe konnte die Laserstrahlposition bei Relativbewegung der Module in der Größenordnung der Spezifikation von 10 Micrometer rekonstruiert werden. Zusätzlich konnte gezeigt werden, daß die Brechung des Strahls vernachlässigbar ist. In einem bereits fertig montierten Sektor der Endkappenstruktur der Spurkammer wurden die Daten des LAS mit denen aus einer fotogrammetrischen Vermessung verglichen. Die Rekonstruktion der Endkappengeometrie mittels der Laserstrahlen gelang mit einer Präzision von besser als 100 Micrometer, und durch den übereinstimmenden Vergleich mit den Ergebnissen der fotogrammetrischen Vermessung konnte die optische Positionsanalyse des LAS bestätigt werden.

The CMS detector (Compact Muon Solenoid) is under construction at one of the four proton-proton interaction points of the LHC (Large Hadron Collider) at CERN, the European Organization for Nuclear Research (Geneva, Switzerland). The inner tracking system of the CMS experiment consisting of silicon detectors will have a diameter of 2.4 meter and a length of 5.4 meter representing the largest silicon tracker ever. About 15000 silicon strip modules create an active silicon area of 200 square meter to detect charged particles from proton collisions. They are placed on a rigid carbon fibre structure, providing stability within the working conditions of a 4 Tesla solenoid magnetic field at minus 10 degrees. Knowledge of the position of the silicon detectors at the level of 100 micrometer is needed for an efficient pattern recognition of charged particle tracks. Metrology methods are used to survey tracker subdetectors and the integrated Laser Alignment System (LAS) provides absolute positioning of support structure elements to better than 100 micrometer. Relative movements of the components are resolved and monitored at the 10 micrometer scale. A robust and reliable optical system able to measure and control the large CMS tracker geometry with high accuracy has been developed and validated. The design and construction of such a system, fully integrated in the silicon tracker, avoiding external reference structures in order to have minimal impact on the tracker layout and consisting of radiation hard and non-magnetic components represents a new scientific challenge. The construction and integration of the LAS fulfilling the requirements, as well as its calibration and performance are described in this thesis. The working principle is based on the partial transparency of silicon for light wavelengths in the near infrared region. The absorbed part of the laser beam generates a signal in the corresponding silicon strip module serving to reconstruct its position. The transmitted part reaches the subsequent module layer generating an optical link between the two layers. Investigation of the light generation and distribution led to a definition of the optical components and their optimization for Laser Alignment purposes. Laser diodes have been qualified as light sources and singlemode optical fibres, terminated by special connectors, distribute the light to the CMS tracker detector. The beamsplitting device, a key component of the LAS light distribution inside the CMS tracker, has been studied in detail. The challenge of splitting one collimated beam into two back-to-back beams inside a small available volume has been solved by using the polarization principle. Special test setups were developed to determine the collinearity of the two outgoing beams with a precision better than 50 microradian and it has been shown that their relative orientation remains constant under working conditions. The interface between the tracker and the LAS is given by the silicon sensors which are responsible both for particle detection and for the determination of the position of the laser spot. An anti-reflex-coating has been applied on the backside of all alignment sensors to improve their optical properties without deterioration of their tracking performance. A test setup has been developed to simultaneously study the transmission and reflection properties of the alignment sensors. The results are in good agreement with calculations and confirm the high optical quality of the sensors. The working principle of the optical alignment has been verified and the resolution of the laser spot was measured in a test setup with alignment modules arranged according to the CMS tracker endcap (TEC) geometry. For almost all laser spot positions in the TEC, relative module movements at the level of 10 micrometer were reconstructed. In addition, it has been shown that refraction effects are negligible. Data from Laser Alignment in one TEC sector has been compared with TEC survey measurements. The reconstruction precision of better than 100 micrometer obtained by two laser beams was independently confirmed by the metrology data, thus validating the performance of the optical alignment. The stringent requirements imposed on the implementation and performance of the Laser Alignment System necessitated the solution of a variety of problems and led to the accumulation of considerable experience in the alignment of particle tracking detectors by optical means.

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