26 marzo 2002 Commissione Scientifica Nazionale 1 1 Test di Sistema del Tracciatore di CMS Roberto Dell’Orso - INFN Sezione di Pisa  Milestone 200  Ibrido di Front End  Stato dei centri di produzione dei moduli  Risultati dell’analisi del test beam a 25 ns  Test di sistema del Tracker Test dei sottosistemi TOB, TEC, TIB Test dei sottosistemi TOB, TEC, TIB

26 marzo 2002 Commissione Scientifica Nazionale 1 2 Milestone 200 Obiettivi Produzione e test di 200 moduli secondo i protocolli della costruzione finaleProduzione e test di 200 moduli secondo i protocolli della costruzione finale  Verifica delle procedure industriali nella produzione dei vari componenti  Messa a punto delle procedure di costruzione e qualifica in tutte le istituzioni coinvolte nel progetto  Disponibilità dei rivelatori necessari per effettuare il test di sistema del Tracker 40 moduli Inner Barrel CSEM 80 moduli Outer Barrel - ST 80 moduli Endcap Hamamatsu

26 marzo 2002 Commissione Scientifica Nazionale 1 3 Milestone 200 Situazione attuale Costruiti 7 moduli TEC con ibridi prodotti dalle industrieCostruiti 7 moduli TEC con ibridi prodotti dalle industrie Costruiti 2 moduli TIB con primi ibridi prototipi FR4Costruiti 2 moduli TIB con primi ibridi prototipi FR4 Tutti i sensori necessari sono già stati qualificatiTutti i sensori necessari sono già stati qualificati Slittamento rispetto alla schedule a causa dell’ibrido di front-endSlittamento rispetto alla schedule a causa dell’ibrido di front-end Tutti gli altri componenti (frames, pitch adaptors,...) già disponibiliTutti gli altri componenti (frames, pitch adaptors,...) già disponibili Costruiti 12 moduli TOB (ibridi pre-preduzione CERN) ed inviati a FNAL 15 ibridi prodotti dalle industrieCostruiti 12 moduli TOB (ibridi pre-preduzione CERN) ed inviati a FNAL 15 ibridi prodotti dalle industrie

26 marzo 2002 Commissione Scientifica Nazionale 1 4 Stato dell’ibrido di Front End Substrato di ceramica Versione V0 – chip nudiVersione V0 – chip nudi Produzione iniziata con il primo fornitore: consegnati 160 ibridi (yield 65%) Secondo fornitore non ancora in grado di produrli Versione V1 – chip incapsulatiVersione V1 – chip incapsulati Ordine inoltrato al primo fornitore (problema dello yield probabilmente risolto)

26 marzo 2002 Commissione Scientifica Nazionale 1 5 Versione V2 – chip incapsulati su substrato in FR4Versione V2 – chip incapsulati su substrato in FR4 Ricevuti 40 substrati, 10 già distribuiti per test elettrici e meccanici Maggio: Decisione su una produzione commerciale parallela alla versione V1: maggiore varietà di fornitori, yield più elevato, costo inferiore Test da effettuareTest da effettuare Stato dell’ibrido di Front End Substrato in FR4 Comportamento meccanico in corrispondenza a variazioni di temperatura ed in risposta a cicli termici Studio della conducibilità termica  Simulazioni e primi risultati incoraggianti

26 marzo 2002 Commissione Scientifica Nazionale 1 6 Stato dei centri di produzione Componenti di un modulo Kapton-bias circuit Carbon Fiber Frame Silicon Sensors Front-End Hybrid Pitch Adapter Kapton cable Pins

26 marzo 2002 Commissione Scientifica Nazionale 1 7 Si Sensors Companies CF plates Brussels FE hybrid-ASIC Strasb., Louv., IC.. Pitch Adaptor Brussels Control and Distribution Center CERN Sensors Qualification Pisa-Perugia-Firenze Karlsruhe-Wien Strasbourg-Louvain Hybrid Assembly and Qualification CERN Module Assembly Lyon-Brussels-Wien-Perugia-Bari/CT-USA Module Bonding and Testing Bari/CT-Firenze-Padova-Pisa-Torino-USA AAchen1&3-Karlsruhe-Strasbourg-Wien-Zurich Kapton cables Bari, Aach., CERN CF Assembly Pisa, Brussels, CERN-Pakistan Long Term Test Centers Stato dei centri di produzione Production Network

26 marzo 2002 Commissione Scientifica Nazionale 1 8 Silicon Sensor Test Centers Firenze, Karlsruhe, Louvain, Perugia, Pisa, Strasbourg, Wien Tutti i centri di test sono equipaggiati e già operativi; due probe station sono equipaggiate con sistemi di caricamento automatico Tutti i sensori della milestone sono stati caratterizzati, seguendo procedure di test e criteri di accettanza standardizzati Calibrazione incrociata tra i vari centri effettuata Cassetto con 24 sensori Braccio di caricamento automatico Probing chuck

26 marzo 2002 Commissione Scientifica Nazionale 1 9 Module Assembly Centers Bari/Catania and Perugia -> TIB/TID Modules Brussels, Lyon and Wien -> TEC Modules Fermilab ->TOB Modules Sei robot sono installati in altrettanti centri di assemblaggio La qualifica dei centri è completa, dopo la costruzione di moduli prototipi realizzati con la precisione richiesta Con il ricevimento degli ibridi è iniziato l’assemblaggio dei moduli della Milestone 200

26 marzo 2002 Commissione Scientifica Nazionale 1 10 Bonding Centers Bari/Catania, Firenze, Padova, Pisa, Torino -> TIB/TID Modules Aachen, Karlsruhe, Strasbourg, Wien, Zurich -> TEC Modules USA -> TOB Modules Tutti i centri sono equipaggiati con macchine di microsaldatura (principalmente Delvotec e K&S) La maggior parte hanno un’esperienza basata sulle attività relative ad esperimenti precedenti I jig di supporto sono stati distribuiti a tutti i centri I primi moduli della Milestone 200 sono stati microsaldati senza problemi di rilievo La pulizia della superficie degli ibridi deve essere migliorata

26 marzo 2002 Commissione Scientifica Nazionale 1 11 Bari/Catania, Firenze, Padova, Perugia, Pisa, Torino -> TIB/TID Modules Aachen, Brussels/Antwerper, Karlsruhe, Lyon, Louvain, Strasbourg, Wien, Zurich -> TEC Modules USA -> TOB Modules CERN, Louvain, Strasbourg -> Hybrid Tests Module test centers I sistemi di test sono standard e consentono la lettura di diversi moduli in parallelo attraverso la catena di readout di CMS (escluso il link ottico) Il test degli ibridi viene fatto con un sistema compatto Ibridi e moduli sono sottoposti a test durante le varie fasi della produzione per evidenziare eventuali difetti introdotti (massimo consentito 2% di strip difettose)

26 marzo 2002 Commissione Scientifica Nazionale 1 12 TIB_001 Calibration Scan in Deconvolution Mode – Vbias = 300V Test del primo modulo TIB ns ns nsns Strip #394

26 marzo 2002 Commissione Scientifica Nazionale 1 13 Test Beam 25 ns Ottobre-Novembre 2001 Test Beam Area X5 (CERN) Fascio con struttura a 25 ns DAQ di CMS (senza link ottico) Particelle:  + o  a 120 GeV 6 moduli TOB (strip pitch 180  m, spessore 500  m) V bias = 300 V Risultati:Risultati: S/N = 20 (deconvolution mode) Rumore compatibile con le previsioni

26 marzo 2002 Commissione Scientifica Nazionale 1 14 Test Beam 25 ns Curva di ritardo Ricostruzione della curva del segnale in deconvolution mode (moduli 3 e 4)Ricostruzione della curva del segnale in deconvolution mode (moduli 3 e 4) Somma della carica di 20 strip adiacentiSomma della carica di 20 strip adiacenti Presenza di undershoot: parametri degli APV25 non ottimizzatiPresenza di undershoot: parametri degli APV25 non ottimizzati

26 marzo 2002 Commissione Scientifica Nazionale 1 15 Test Beam 25ns Effetto di HIP e pinholes nell’APV25 Heavily Ionizing Particle (HIP)Heavily Ionizing Particle (HIP)  Sono prodotti da interazioni nucleari di particelle che attraversano il substrato di silicio  Producono un segnale molto intenso su poche strip, con la possibilità di saturare un intero chip APV25 (128 canali) PinholePinhole  Consiste nel corto circuito del condensatore di disaccoppiamento, integrato nel sensore di silicio  Può produrre una corrente continua all’ingresso del preamplificatore, con il rischio di disabilitare il chip APV25

26 marzo 2002 Commissione Scientifica Nazionale 1 16 Test Beam 25 ns Evento con Heavily Ionizing Particle Tipico evento di HIP osservato nel Monitor Online del Test Beam a X5 (fenomeno raro, osservabile grazie alla estrema pulizia delle condizioni di acquisizione)Tipico evento di HIP osservato nel Monitor Online del Test Beam a X5 (fenomeno raro, osservabile grazie alla estrema pulizia delle condizioni di acquisizione) Baseline saturata con cluster largoBaseline saturata con cluster largo Rate osservato: 4x10 -4 per detector per  incidente (120 GeV) consistente con la simulazione FlukaRate osservato: 4x10 -4 per detector per  incidente (120 GeV) consistente con la simulazione Fluka Dead time 300 ns ?Dead time 300 ns ?

26 marzo 2002 Commissione Scientifica Nazionale 1 17 APV25: stadio di ingresso Un segnale molto intenso su una strip sottrae corrente ai rimanenti 127 canaliUn segnale molto intenso su una strip sottrae corrente ai rimanenti 127 canali L’effetto può essere ridotto diminuendo il valore di R inv al costo di un maggiore consumoL’effetto può essere ridotto diminuendo il valore di R inv al costo di un maggiore consumo 128 canali in comune

26 marzo 2002 Commissione Scientifica Nazionale 1 18 Stima dell’inefficienza degli APV25 in CMS Fluka estimate of probability Inefficiency=  Prob(E) x [deadtime(E)/25ns] x 128 x occupancyInefficiency=  Prob(E) x [deadtime(E)/25ns] x 128 x occupancy = 0.65% for 1% occupancy if R inv = 100  = 0.05% for 1% occupancy if R inv = 50  Tracker occupancy < 2 %Tracker occupancy < 2 %

26 marzo 2002 Commissione Scientifica Nazionale 1 19 Effetto dei pinhole Se Vc > 0.8 V la corrente fluisce verso l’ ingresso dell’amplificatore, provocando la saturazione dell’inverter Se Vc > 0.8 V la corrente fluisce verso l’ ingresso dell’amplificatore, provocando la saturazione dell’inverter Ciò si verifica quando la corrente di bias diventa dell’ordine dei  A per strip (detector irraggiato in presenza di pinholes) Ciò si verifica quando la corrente di bias diventa dell’ordine dei  A per strip (detector irraggiato in presenza di pinholes) Misure di laboratorio dimostrano che fino a 4 pinhole per chip l’effetto è trascurabile (R inv = 50  ): strip con pinhole non microsaldate Misure di laboratorio dimostrano che fino a 4 pinhole per chip l’effetto è trascurabile (R inv = 50  ): strip con pinhole non microsaldate

26 marzo 2002 Commissione Scientifica Nazionale 1 20 Test Beam a PSI Fascio di pioni a 300 MeV e 20 ns Misura degli effetti delle HIP: Misura del dead time e probabilità dell’evento HIP  Verifica che con un valore opportuno di R inv l’inefficienza è effettivamente trascurabile TriggerScintillators PSI Modules: 6 TOB, 3 TEC, 3 TIB HIPenhancer “minimum ionizing” tracks “heavily ionizing” track APV Trigger “normal” frame “multi-mode” frames

26 marzo 2002 Commissione Scientifica Nazionale 1 21 Obiettivi del Test di Sistema Test di sottosistemaTIBTest di sottosistemaTIB  Da effettuare a Firenze e a Pisa –Test con prototipo power supply –Test dell’ibrido ottico analogico del TIB –Lettura di 6-12 moduli TIB nella meccanica finale Test di sistema (moduli TOB su banco)Test di sistema (moduli TOB su banco)  Effettuato al CERN –Calibrazione del FED e Input Buffer Differenziale –Set-up dei parametri del link ottico analogico (bias current & gain settings) –Verifica del segnale nei vari punti della catena di readout completa –Test di 6 ibridi di front-end su due CCU ring –Test di un modulo (noise, pulse shape, guadagno) attraverso il link ottico Test di sottosistema TOBTest di sottosistema TOB  Attualmente in corso al CERN –Lettura di 6 moduli TOB nella meccanica di una rod –Connettoristica e componenti finali Test di sottosistemaTECTest di sottosistemaTEC  Da effettuare a Lione

26 marzo 2002 Commissione Scientifica Nazionale 1 22 Sistema di Readout del Tracker

26 marzo 2002 Commissione Scientifica Nazionale 1 23 Test di sistema su banco: componenti Back-End ReadoutBack-End Readout –Ricevitore Ottico Analogico 12 canali Sistema di controlloSistema di controllo –FEC, Link Ottico Digitale 2 x (Trigger & Clock), CCUM (5V) Front-End ReadoutFront-End Readout –Silicon Detector, Adattatore, Scheda di interfaccia OTRI, Ibrido Ottico AOH

26 marzo 2002 Commissione Scientifica Nazionale 1 24 Set-up del test di sistema Rivelatore e Ibrido Ottico PC con FED, FEC, TSC Controllo e link digitale: DOH, CCU, TRx Ricevitore Ottico Analogico

26 marzo 2002 Commissione Scientifica Nazionale 1 25 Calibrazione del FED Buona linearitàBuona linearità Stesso Input Buffer Differenziale per gli 8 canali del FEDStesso Input Buffer Differenziale per gli 8 canali del FED Range dinamico > 1.5VRange dinamico > 1.5V FED timing: basato sui tick mark degli APV25FED timing: basato sui tick mark degli APV25 Scelta del punto di sampling vicino al fronte di discesaScelta del punto di sampling vicino al fronte di discesa

26 marzo 2002 Commissione Scientifica Nazionale 1 26 Misure sul modulo nel sistema Misura del rumoreMisura del rumore Misura della pulse shape dal segnale di calibrazione internaMisura della pulse shape dal segnale di calibrazione interna Performance del rumore confrontabile con i valori misurati nel Test BeamPerformance del rumore confrontabile con i valori misurati nel Test Beam  Il segnale non è degradato dal Link Ottico Analogico

26 marzo 2002 Commissione Scientifica Nazionale 1 27 Misura del guadagno L’uscita analogica è misurata in diversi punti lungo la catena di letturaL’uscita analogica è misurata in diversi punti lungo la catena di lettura Guadagno nominale Tempo di salita 6.7 nsGuadagno nominale Tempo di salita 6.7 ns

26 marzo 2002 Commissione Scientifica Nazionale 1 28 Test di sottosistema del TOB Prototipo della meccanica finale dell’Outer Barrel (rod)Prototipo della meccanica finale dell’Outer Barrel (rod) Fino a 6 moduli (2 CCU ring)Fino a 6 moduli (2 CCU ring) InterConnect Bus (buffer dei segnali digitali)InterConnect Bus (buffer dei segnali digitali) InterConnect Cards (ibridi ottici TOB)InterConnect Cards (ibridi ottici TOB) InterConnect Bus InterConnect Cards Module support blocks Module frame Cooling pipe Patch panel

26 marzo 2002 Commissione Scientifica Nazionale 1 29 Test di sottosistema Ibrido Ottico TOB Prima rod completamente cablata con InterConnect Bus, InterConnect Boards e Ibridi Ottici Analogici Power Supply locale: 1.25 V e 2.5 V sulle linee del Bus Primo test con 6 Ibridi di Front-end già effettuato

26 marzo 2002 Commissione Scientifica Nazionale 1 30 Test di sottosistema di una rod 3 Moduli TOB installati nella struttura meccanica3 Moduli TOB installati nella struttura meccanica Scatola buia e flussabileScatola buia e flussabile Cooling pipe per liquido refrigeranteCooling pipe per liquido refrigerante Verifica della funzionalità dello schema di raffreddamento con flussaggio di gas seccoVerifica della funzionalità dello schema di raffreddamento con flussaggio di gas secco 16 sensori di temperatura, 8 sensori di umidità relativa16 sensori di temperatura, 8 sensori di umidità relativa

26 marzo 2002 Commissione Scientifica Nazionale 1 31 Test di sottosistema di una rod risultati preliminari Distribuzione del noise nei 4 chip (ADC counts)Distribuzione del noise nei 4 chip (ADC counts) Curva di calibrazione interna (peak mode)Curva di calibrazione interna (peak mode)  Modulo TOB n.2 - V bias = 0 V

26 marzo 2002 Commissione Scientifica Nazionale 1 32 Test di sottosistema Inner Barrel Fase 1 - Firenze:Fase 1 - Firenze: –Lettura di una catena di readout completa con Ibrido Ottico Analogico TIB –Alimentazioni da prototipi Power Supply –Test su banco con Mother Cable

26 marzo 2002 Commissione Scientifica Nazionale 1 33 Test di sottosistema Inner Barrel Fase 2 – Pisa:Fase 2 – Pisa: –Integrazione meccanica di 6-12 moduli single-sided su cilindro layer 3 –Integrazione meccanica di 6 moduli double-sided su cilindro layer 1 Mother Cable

26 marzo 2002 Commissione Scientifica Nazionale 1 34 Test di sottosistema Inner Barrel Integrazione meccanicaIntegrazione meccanica –Disegno della struttura meccanica dell’Inner Barrel congelata –Effettuata la gara per gli stampi dei 4 layer –Prototipo per il test di sistema in costruzione –Prototipo del Mother Cable già disponibile Prototipi degli stampi meccanica TIB Struttura meccanica del layer 3 per test di integrazione meccanica ed elettrica

26 marzo 2002 Commissione Scientifica Nazionale 1 35 Conclusioni - 1 Milestone 200 Milestone 200  La produzione è iniziata ed ha fornito i primi moduli necessari per la messa a punto delle procedure di qualifica, test beam a 25 ns e test di sistema Ibridi di Front-End Ibridi di Front-End  Due nuove versioni, in ceramica e in FR4 con chip incapsulati, saranno sottomessi per un test della produzione industriale Test beam 25 ns con DAQ di CMS (escluso link ottico) Test beam 25 ns con DAQ di CMS (escluso link ottico)  Il test beam con 6 moduli finali ha dato buoni risultati.  E’ stato osservato un effetto non previsto, che secondo le stime dovrebbe indurre un’inefficienza trascurabile.  E’ previsto un nuovo test beam al PSI (  di 300 MeV) per uno studio in condizioni più realistiche.

26 marzo 2002 Commissione Scientifica Nazionale 1 36 Conclusioni - 2 Test di sistema del Tracciatore (CERN)Test di sistema del Tracciatore (CERN)  Il test su banco del link ottico analogico con due CCU ring è stato completato Test di sottosistema del TOBTest di sottosistema del TOB  Il test di una rod con 6 moduli TOB finali è in corso ed i primi risultati sono promettenti Test di sottosistema del TIBTest di sottosistema del TIB  La caratterizzazione ed il test su banco dell’ibrido ottico hanno dato buoni risultati (si veda presentazione di B.Checcucci)  Fase 1 (Aprile-Maggio): lettura di un modulo TIB con link ottico analogico completo; test con prototipi degli alimentatori finali  Fase 2 (Giugno-Dicembre): test di integrazione meccanica ed elettrica su cilindro del layer 3 (single-sided) e successivamente del layer 1 (double-sided)