docPraca Magisterska - HIRG - Politechnika Warszawska
download 
Reklamacja Transkrypt
Praca Magisterska - HIRG - Politechnika Warszawska
POLITECHNIKA WARSZAWSKA WYDZIAŁ FIZYKI ZAGADNIENIA REJESTRACJI DANYCH Z DETEKTORA WIERZCHOŁKOWEGO ITS/SSD W EKSPERYMENCIE ALICE Michał Janik Praca magisterska wykonana na Wydziale Fizyki Politechniki Warszawskiej pod kierunkiem dr Wiktora Peryta Warszawa, wrzesień 2000 1 Wprowadzenie Celem niniejszej pracy jest przybliżenie problematyki związanej z budową, możliwościami zastosowań i sposobem działania warstwy krzemowych detektorów mikropaskowych SSD. Warstwa ta będzie jedna z części wewnętrznego systemy śledzenia (ITS) detektora budowanego na potrzeby eksperymentu ALICE. Ponieważ w najbliższym czasie planowany jest start eksperymentu STAR, w którym zastosowana będzie prawie identyczna warstwa modułów SSD, część tej pracy jest opisem również tego eksperymentu. Wiąże się to z faktem, iż na Wydziale Fizyki Politechniki Warszawskiej wykonywanych jest wiele prac na potrzeby kolaboracji STAR, związanych głównie z warstwą SSD. Rozdział 2 pracy zawiera opis celów fizycznych obydwu eksperymentów. Wyjaśnia, czym jest stan materii zwany plazmą kwarkowo-gluonową, jak stan ten osiągnąć i zbadać. Zawiera opis poszczególnych układów detekcyjnych wchodzących w skład detektora STAR oraz ALICE. Jedną z interesujących nas części detektora ALICE będzie wewnętrzny system śledzenia (ITS). W detektorze STAR będzie odpowiadać mu funkcjonalnie subdetektor SVT. W skład tych subdetektorów wchodzi warstwa SSD. Jej budowa i umiejscowienie w subdetektorze jest tematem rozdziału 3. Jest w nim również opisana dokładna budowa składników warstwy krzemowej: modułu SSD oraz nowatorskich układów elektronicznych A128C i COSTAR. W rozdziale 4 opisano test modułu SSD wykonywany w CERNie we wrześniu 1999 roku. Test ten jest podstawowym źródłem informacji o zachowaniu modułu w warunkach rejestracji zdarzeń radiacyjnych. Znajdzie się tu również prócz opisu testu, objaśnienie metod analizy zebranych wtedy danych oraz część uzyskanych na drodze analizy wyników. Podczas praktyk autora w laboratorium SUBATECH we Francji powstała stacja do testów elektrycznych detektorów SSD. Problematyka tych testów i uzyskane w nich wyniki to treść rozdziału 5. Rozdział 6 jest krótkim raportem z trwających właśnie prac nad stworzeniem systemu baz danych dla warstwy SSD w eksperymencie STAR. Zadaniem tego systemu jest magazynowanie i udostępnianie wyników testów wykonywanych na etapie produkcji poszczególnych elementów wchodzących w skład detektora SSD. Choć wszystkie rozdziały łączy tematyka związana z rejestracją danych z detektora SSD, każdy z nich traktuje o innych aspektach problemu. Jest to odzwierciedleniem rozpiętości tematycznej prac, które należy wykonać by wybudować, przetestować i uruchomić detektor, jakim będzie SSD. 2 Eksperymenty ALICE i STAR Jednym z ważniejszych celów współczesnej fizyki ciężkich jonów jest poznanie równania stanu materii jądrowej, hadronowej i partonowej. Budowa materii interesuje jednak również inne nauki takie jak np. astrofizyka i kosmologia. Wiąże się to z faktem, iż poznanie zachowania materii przy dużych jej gęstościach i temperaturach uzupełni nie tylko teorię oddziaływań silnych, lecz również pozwoli między innymi na stworzenie pełniejszych opisów ewolucji systemów gwiezdnych oraz równań opisujących dla przykładu zapadanie się gwiazd neutronowych, czy rozwój supernowych. Na najbliższe lata planowane są dwa eksperymenty, w których spodziewane jest osiągnięcie odpowiednio dużych gęstości barionowych i temperatur. Pierwszym z nich jest eksperyment STAR, przygotowywany w Brookhaven National Laboratory na zderzaczu RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider). Jest on właśnie w fazie ostatecznych przygotowań. Drugim wspomnianym eksperymentem jest ALICE (A Large Ion Collider Experiment). Jest on przygotowywany w CERNie na akceleratorze LHC (Large Hadron Collider). Jego start jest planowany na rok 2005. 2.1 Cele eksperymentów W obydwu eksperymentach spodziewana jest obserwacja przejścia fazowego od materii w stanie normalnym (tak zwanej materii hadronowej), do stanu materii zwanego plazmą kwarkowo-gluonową (QGP - Quark Gluon Plasma). Jest to stan, w którym składowe materii – kwarki i gluony występują nie tak jak normalnie w stanie związanym, lecz w stanie wolnym. Dotychczasowe eksperymenty nie pozwalały na uzyskanie dostatecznie dużych energii, aby możliwe było powstanie QGP. Przewiduje się, że w eksperymencie STAR energie zderzanych jonów będą dostatecznie duże i jeśli plazma kwarkowo-gluonowa istnieje, powinna zostać zarejestrowana. W eksperymencie ALICE temperatury i gęstości materii mają być jeszcze większe (Rysunek 1). Zderzenia ciężkich jonów przy energiach uzyskiwanych w eksperymentach STAR oraz ALICE pozwolą na uzyskanie danych doświadczalnych niezbędnych do uzupełnienia wiedzy o mechanizmach łamania symetrii. Powstanie plazmy kwarkowo-gluonowej zweryfikuje kilka pojęć leżących u podstaw istniejącej teorii chromodynamiki kwantowej – teorii oddziaływań silnych. Być może zostanie wyjaśnione również istnienie i źródło masy cząstek. Rysunek 1. Schematyczny diagram fazowy materii jądrowej 9 Choć głównym zadaniem obydwu eksperymentów jest uzyskanie i zbadanie materii w stanie plazmy kwarkowo-gluonowej, nie jest to cel jedyny. Budowa detektorów i akceleratorów umożliwi badanie reakcji foton-foton oraz proton-proton przy ilościach tych cząstek niedostępnych dla istniejących obecnie zderzaczy. Dla fizyków interesujące są skomplikowane procesy zderzeń opisane dotychczas tylko teoretycznie przez elektrodynamikę kwantową lub chromodynamikę kwantową. Ciekawe są też efekty oddziaływań proton-proton w warunkach niedostępnych w innych niededykowanych doświadczeniach. Możliwe będzie uzyskanie wyników rozszerzających wiedzę dotyczącą np.: spektroskopii mezonowej, stanów wielokwarkowych, stanów o wysokich spinach oraz kul gluonowych (9, 9). Są to jednak tematy leżące obecnie poza sferą aktywnego zainteresowania obydwu kolaboracji. 2.1.1 Plazma kwarkowo-gluonowa Chromodynamika kwantowa przewiduje, że uwolnienie kwarków i przejście do stanu plazmy kwarkowo-gluonowej powinno mieć miejsce przy dostatecznie dużych gęstościach energii. Uważa się, że przejście w odwrotnym kierunku – od plazmy kwarkowo-gluonowej do materii hadronowej nastąpiło po czasie rzędu 10 mikrosekund po Wielkim Wybuchu, kiedy jeszcze temperatura Wszechświata wynosiła około 150 200 MeV . Taki stan materii może jednak cały czas istnieć w jądrach gęstych gwiazd. W eksperymentach STAR i ALICE będzie po raz pierwszy uzyskany w warunkach laboratoryjnych przez czas tak długi, by możliwa była jego rejestracja. Zgodnie z przewidywaniami opartymi na symulacjach komputerowych uzyskamy dostatecznie dużo materii w stanie plazmy na czas rzędu 5-10 fm/c. Plazmą kwarkowo-gluonową nazywamy stan materii, w którym na skutek podniesienia temperatury i gęstości materii jądrowej pękają „bańki” trzymające dotychczas kwarki w formie hadronów. Powstaje wtedy mieszanina kwarków, kwarków morza oraz gluonów. Jest ona podobna nieco do dodatnich i ujemnych ładunków całkowicie zjonizowanego gazu pierwotnie obojętnych elektrycznie atomów. Stąd nazwa „plazma”. Ewolucja materii powinna przebiegać następująco: proces kolizji na poziomie partonowym i uwolnienie kwarków i gluonów, formowanie plazmy kwarkowo-gluonowej, ekspansja, wychładzanie i powrót do stanu materii hadronowej. W dotychczasowych eksperymentach możliwe było, iż energia zderzenia pozwalała na uwolnienie kwarków, nie była jednak dostateczna, by system przeszedł przez kolejne opisane powyżej stadia, jako że momentalnie następowała rekombinacja. Opisywane eksperymenty nastawione są na ustalenie dokładnej dynamiki reakcji na poziomie kwarkowym, ewolucji czasoprzestrzennej, zweryfikowanie sygnałów istnienia plazmy kwarkowo-gluonowej oraz zrozumienie w pełni mechanizmu wspomnianego przejścia fazowego. 2.1.2 Sygnały przejścia fazowego Pomimo że sam proces ewolucji materii nie jest jeszcze szczegółowo znany, przewiduje się istnienie pewnych sygnałów, które mogą świadczyć o formowaniu plazmy kwarkowogluonowej oraz częściowym przywróceniu symetrii chiralnej. Można je podzielić na kilka grup. Do pierwszej z nich należy zakwalifikować sygnały związane ze zmiennymi termodynamicznymi. Mowa tu o gęstości energii , ciśnieniu P i entropii s oddziaływującego systemu, jako funkcji temperatury T oraz potencjału bariochemicznego B . Za ich pomocą mogą zostać wyrażone pewne wartości obserwowalne, zwane w fizyce obserwablami. Jeśli nastąpi przejście fazowe do stanu plazmy kwarkowo-gluonowej, to powinien nastąpić gwałtowny wzrost liczby efektywnych stopni swobody w małym przedziale T , wyrażany przez T4 lub s T3 . Wartości T , s oraz mogą zostać ustalone znając średni pęd poprzeczny pT , gęstość rapidity dla hadronów dN dy oraz gęstości energii poprzecznych dET dy odpowiednio. Obserwacja tych wartości będzie miała miejsce we wstępnej fazie eksperymentów. Inną grupą sygnałów są sygnały elektromagnetyczne. Rejestracja fotonów i leptonów dostarcza informacji o zaawansowaniu procesu przejścia fazowego, bez ingerencji w końcowy efekt ewolucji. Tego typu próby mogą dostarczać cennych informacji, jeśli tylko możliwe będzie wyróżnienie termoemisji z obszaru plazmy kwarkowo-gluonowej spośród innych źródeł promieniowania tego typu. Teoretycznie wydajność prób elektromagnetycznych jest mała ze względu na dużą intensywność innych procesów, w których również emitowane mogą być fotony i leptony, jak dla przykładu elektromagnetyczne rozpady hadronów. Przewiduje się, że identyfikowalne powinny być pary leptonowe dla mas z zakresu 1 1,5 GeV odpowiadającego stanowi plazmy kwarkowo-gluonowej. Górny kres, dla którego możliwe jest jeszcze wyróżnienie takich par, to dla tego stanu około 5 GeV . Uważa się, że możliwa jest też identyfikacja par leptonowych pochodzących ze źródeł hadronowych (masy 0,5 1 GeV ). Gaz hadronowy oraz plazma kwarkowo-gluonowa blisko temperatury krytycznej powinny emitować spektrum fotonowe bardzo podobne pod względem intensywności i kształtu. Przewiduje się jednak, iż dla fazy mieszanej zaobserwujemy fotony o wartościach pędów poprzecznych niższych, niż dla gorącej plazmy kwarkowo-gluonowej, czyli poniżej 2 GeV . Pozwoli to na zidentyfikowanie momentu przejściowego, a co za tym idzie stadium ewolucji układu. Przewiduje się również, że w stanie plazmy kwarkowo-gluonowej zaobserwujemy zmniejszoną produkcję cząstek J (tzw. J suppression). Podobny efekt będzie tyczył się słabiej związanych stanów wzbudzonych układu kwarków cc , takich jak czy c . W tym wypadku spodziewamy się jeszcze większej różnicy. Zmniejszenie produkcji par cc (czy w mniejszej skali bb ) zaobserwowano już doświadczalnie w przeprowadzanych w CERN eksperymentach NA38 oraz NA50. Za jeden z bardzo charakterystycznych znaków powstania plazmy kwarkowo-gluonowej uważa się zwiększoną produkcję cząstek zawierających kwark dziwny s . W stanie normalnym, w materii hadronowej, produkcja dziwności jest zmniejszona. Co więcej, im większa jest dziwność hadronu, tym rzadziej powstaje on w materii hadronowej. W stanie plazmy kwarkowo-gluonowej spodziewamy się dużego nasycenia materii parami ss kreowanymi w reakcjach gluon-gluon. Bezpośrednim następstwem tego faktu jest zwiększona produkcja wtórnych hadronów zawierających kwark dziwny. Powstanie zatem plazmy kwarkowogluonowej powinno pociągnąć za sobą zwiększenie ilości rejestrowanych cząstek zawierających kwark s . Zostało ponadto wykazane, iż cząstki takie nie mogą być generowane ani niszczone w procesie ekspansji, ani wychładzania materii, zatem muszą pochodzić ze stanu plazmy. Tymczasowe przywrócenie stanu symetrii chiralnej, poprzedzające jak widać na wykresie fazowym stan plazmy kwarkowo-gluonowej (Rysunek 1), może powodować powstawanie pewnych obszarów, będących źródłem pionów neutralnych oraz naładowanych. Stosunek ilości pionów N 0 N powinien być dla promieniowania pochodzącego z takich domen kondensatu chiralnego znacząco różny od 1 3 . Obserwacja, zatem pionów w stosunku różnym od 1 3 byłaby bezpośrednią oznaką przejścia do stanu zachowania symetrii chiralnej. Jak widać spodziewana jest dość duża ilość sygnałów świadczących o fakcie, iż przejście fazowe miało miejsce. Są to sygnały różnej natury, lecz dla każdego z nich istotne jest badanie zmienności pewnych obserwabli. W tym celu tworzone są skomplikowane detektory pozwalające na ich śledzenie. 2.2 Konfiguracja eksperymentów W obu przypadkach, to jest zarówno w przypadku eksperymentu STAR jak i ALICE, pomiary będą prowadzone w sposób podobny. Jony pierwiastków zderzanych, złota lub ołowiu przyśpieszane będą w kolejnych stopniach akceleratora. Po przyśpieszeniu w ostatnim ze stopni jony poddane będą zderzeniu dokładnie w centrum detektora, a dokładniej układu subdetektorów. Detektor będzie przeprowadzał pomiar wedle scenariusza „zdarzenie po zdarzeniu”. Na podstawie rejestrowanych cząstek wtórnych, odtwarzana będzie informacja o stanie i zachowaniu materii w punkcie zderzenia. Detektor dla obydwu eksperymentów zaprojektowany został w ten sposób, by jego możliwości dopasować do potrzeb fizycznych. Tak więc umożliwia on identyfikację większości naładowanych cząstek, rekonstrukcję ich torów oraz pomiar pędów. Jego rozdzielczość została tak dobrana, by algorytmy rekonstrukcji torów działały poprawnie dla ilości cząstek, większych niż maksymalne wartości przewidywane. W eksperymentcie STAR dla zderzeń centralnych Au Au spodziewamy się krotności cząstek naładowanych n ch 3000 dla badanego przedziału rapidity. Możliwa będzie identyfikacja pionów/kaonów dla wartości pędu p 0.7 GeV c oraz kaonów/protonów dla p 1 GeV c . W wypadku cząstek ulegających rozpadom detektor umożliwi identyfikację powstających cząstek oraz rekonstrukcję wtórnych wierzchołków. Spodziewana jest rozdzielczość pozwalająca na rozróżnienie dwóch torów, dla cząstek powstających w pierwotnym punkcie zderzenia, przy odległości torów 2 cm w odległości radialnej 2 m od wierzchołka. Dla pędów spodziewamy się, iż rozdzielczość wyniesie p p 0,02 dla wartości pędów rzędu p 0,1 GeV c . Rozdzielczości te będą satysfakcjonujące z fizycznego punktu widzenia. Budowa i materiał detektora są tak dobrane, aby zminimalizować wielokrotne rozpraszanie i powstawanie wtórnych wierzchołków. W ten sposób poprawiona zostaje rozdzielczość dla cząstek o małych wartościach pędów poprzecznych, dla których efekty te są dominujące. 2.2.1 Akcelerator Jak wspomniano powyżej, akceleracja jonów przeprowadzana będzie wielostopniowo. Schematy kolejnych stopni przyśpieszania dla eksperymentów STAR i ALICE przedstawiono na odpowiednich rysunkach (Rysunek 2, Rysunek 3). Dla STAR cząstki naładowane przyśpieszane są początkowo w akceleratorze Van de Rysunek 2. Etapy przyśpieszania cząstek w eksperymencie STAR 9 Graaffa. Następnie przez linię transferową trafiają do synchrotronu AGS Booster, skąd wstrzykiwane są do akceleratora AGS. Ostatnim etapem przyśpieszania jest zderzacz RHIC. Na każdym etapie cząstki zyskują większą energię, jak opisano na rysunku. Maksymalna energia, do jakiej można przyśpieszyć cząstki to dla RHIC 250 GeV dla protonów i 100 GeV / nukleon dla jonów złota. Akcelerator RHIC jest już w pełni działający i pod koniec czerwca 2000 roku udało się doprowadzić do kolizji przeciwbieżnych wiązek. Rysunek 3. Schemat przyśpieszania cząstek w eksperymencie ALICE (ze stron WWW akceleratora LHC http://www.cern.ch/lhc) Jeszcze większe energie zapewni zderzacz LHC w CERNie. Schemat przyśpieszania jest tu podobny jak dla RHIC. Cząstki przyśpieszane są kolejno przez akcelerator LINAC, synchrotron PS Booster, akceleratory PS, SPS i LHC. Taki schemat przyśpieszania jest prawdziwy dla protonów. Jony przyśpieszane są analogicznie, z pominięciem jednak etapu Booster. Energie otrzymywane w kolejnych etapach zaznaczono na rysunku. Jony z dwóch przeciwbieżnych wiązek przyśpieszone do maksymalnych planowanych prędkości będą ulegały zderzeniu. Punkt ich zderzenia będzie przypadał dokładnie w centrum specjalnie zaprojektowanego układu detekcyjnego. 2.2.2 Detektor W obydwu eksperymentach detektor będzie stanowił najważniejszą i najbardziej skomplikowaną strukturę. Jak wspomniano wcześniej, będzie wykrywał cząstki wtórne rozprzestrzeniające się z punktu zderzenia we wszystkich kierunkach. Na podstawie informacji o ich rodzaju i zachowaniu będzie można wnioskować o ewolucji materii po procesie zderzenia. Detektor dla obydwu eksperymentów będzie miał podobną ideowo budowę. Będzie on się Rysunek 4. Schemat budowy detektora STAR 9 składał z wielu poszczególnych warstw – subdetektorów. Subdetektory będą miały w większości przypadków kształt coraz to większych cylindrów, jak przedstawiono na rysunku powyżej (Rysunek 4). Całość otoczona będzie największym z cylindrów – magnesem. 2.2.2.1 Magnes Magnes będzie miał kształt dużego solenoidu z relatywnie słabym polem. Taki wybór podyktowany jest faktem, iż słabe, jednorodne pole tworzone przez taki solenoid będzie znacznie ułatwiało rozpoznawanie cząstek w subdetektorze TPC. Dla ALICE pole wynosić będzie 0,2 T . Wartość taka jest kompromisem pomiędzy rozdzielczością pędową i działaniem na cząstki o małych wartościach pędu, a efektywnością odtwarzania torów cząstek. Zapewnia ona efektywny tracking i identyfikację dla wszystkich cząstek o pędach poprzecznych aż do około 100 MeV c (granica dolna). Cząstki o niższych wartościach będą rozpoznawane dzięki detektorowi ITS. Średnica magnesu musiała być dostatecznie duża, aby pomieścił on w środku kalorymetr elektromagnetyczny do detekcji fotonów, który ze względu na gęstość cząstek musi 0 być umieszczony około 5 m od wierzchołka. Wymagania te po drobnych korektach i naprawach spełnia magnes wykorzystywany wcześniej w eksperymencie L3. Dla STAR został zaprojektowany specjalny magnes. Jego wielkość – ze względu na wielkość całego detektora – nie będzie tak duża jak w wypadku ALICE. Będzie on miał promień bliski 2,5 m . Będzie wytwarzać pola 0,25 0,5 T . Długość cylindra magnesu to 6,9 m . Magnes wewnątrz zawierać ma specjalne obręcze, które docelowo mogą zostać zastosowane do małych korekt jednorodności pola. Masa całego magnesu szacowana jest na 540 ton. 2.2.2.2 Wewnętrzne detektory krzemowe Miejsce najbliższe punktowi zderzenia zajmować będą w obydwu eksperymentach grupy detektorów krzemowych. W eksperymencie STAR będzie to SVT (Silicon Vertex Tracker), w ALICE zaś ITS (Inner Tracking System). Detektory te zapewnią zwiększenie rozdzielczości pędowej. Umożliwią identyfikację i odtwarzanie torów cząstek o małych pędach. Umożliwią również wyznaczanie wierzchołków wtórnych dla rozpadów hiperonów oraz cząstek zawierających kwark powabny. Pomimo, iż głównym celem detektorów krzemowych ma być współpraca z TPC, ich budowa sprawia, że dzięki możliwości wyznaczania dE dx mogą pracować jako całkowicie niezależny spektrometr dla wszelkich cząstek o małych wartościach pędów poprzecznych. Kolejną wspólna cechą charakteryzującą detektory krzemowe jest fakt, iż muszą być zbudowane w ten sposób, by zminimalizować wielokrotne rozpraszanie i produkcję cząstek wtórnych w wyniku przechodzenia śledzonych cząstek przez SVT/ITS. Jako detektory najbliższe wierzchołkowi powinny najmniej ingerować w sygnały mierzone przez inne, dalsze detektory. Detektor SVT będzie składał się z 4 cylindrycznych współśrodkowych warstw. Wszystkie będą miały długość 42 cm . Trzy wewnętrzne o promieniach 5, 8 i 11 cm składać się będą z krzemowych detektorów dryftowych SDD (Silicon Drift Detector). W kolejnych warstwach będzie odpowiednio po 36, 54, 72 moduły. Daje to w sumie 162 moduły SDD. Moduły będą umieszczane na specjalnych drabinkach po 6 sztuk na każdej, drabinki zaś ułożone będą w kształt cylindra. Czwartą warstwą będą krzemowe detektory mikropaskowe SSD (Silicon Strip Detector). Warstwa ta oddalona będzie o 23 cm od punktu zderzenia. Będzie się na nią składało 320 modułów SSD. Moduły ułożone będą na 20 drabinkach po 16 sztuk na każdej. 1 Rysunek 5. Układ paneli detekcyjnych w detektorze TPC (STAR) 9 Rysunek 6. Ogólna budowa detektora ITS 9 Detektor ITS będzie bardziej rozbudowanym odpowiednikiem SVT budowanym dla eksperymentu ALICE. Będzie się on składał z 6 cylindrycznych warstw modułów o wysokiej rozdzielczości. Będą to podążając od punktu zderzenia po dwie warstwy detektorów pikselowych SPD (Silicon Pixel Detector), dryftowych SDD (Silicon Drift Detector) oraz paskowych SSD (Silicon Strip Detector). Położenie i długości poszczególnych warstw zostały zebrane w tabeli poniżej (Tabela 1). Tabela 1. Wymiary detektora ITS Warstwa Typ r (cm) z (cm) Powierzchnia( m 2 ) 1 SPD 3,9 12,25 0,06 2 SPD 7,6 16,3 0,17 3 SDD 14 21,1 0,37 4 SDD 24 29,6 0,89 5 SSD 40 45,1 2,27 6 SSD 45 50,4 2,85 Całkowita powierzchnia 6,61m 2 2 Bardziej szczegółowy opis detektorów mikropaskowych zawarty jest w dalszej części pracy. 2.2.2.3 Detektor TPC Detektor TPC (Time Projection Chamber) jest głównym detektorem w obydwu eksperymentach. Został on wybrany ze względu na szybkość działania oraz rozdzielczość (do 8000 naładowanych cząstek na jednostkę rapidity1), przy jednoczesnej umiarkowanej ilości danych produkowanych podczas pomiaru. Budowa paneli detekcyjnych detektora oraz dobór gazu został zoptymalizowany tak, by zapewnić satysfakcjonującą rozdzielczość przy dwóch blisko położonych torach cząstek. Detektor TPC jest detektorem gazowym. Ma kształt wyciętego koncentrycznie walca, wewnątrz którego znajduje się zespół detektorów krzemowych i rura z wiązką. Wzdłuż TPC generowane jest jednorodne pole elektryczne równoległe do kierunku wiązki, czyli wysokości walca. Wynikiem przejścia cząstki przez detektor jest jonizacja gazu. Powstałe wolne elektrony ściągane są przez pole elektryczne do paneli detekcyjnych umieszczonych u podstaw walca. Detektory TPC stosowane w STAR i ALICE wykorzystują te same opisane powyżej zjawiska fizyczne, różnią się zaś konstrukcją techniczną. W eksperymencie STAR detektor ma 4 m średnicy i 4,2 m długości. Wypełniony jest mieszanką argonu i metanu w stosunku 9:1. Mieszanka gazów utrzymywana jest pod ciśnieniem atmosferycznym i w temperaturze pokojowej. W połowie długości detektora znajduje się przegroda podłączona do źródła wysokiego napięcia. Dzięki niej wewnątrz TPC wytworzone będzie pole elektryczne pozwalające na dryft elektronów do paneli detekcyjnych. Panele detekcyjne umieszczone są na końcach detektora po 70000 na każdym. Występują będą w dwóch rodzajach. Mniejsze o rozmiarach 2,85 11,5 mm wypełniają obszar wewnętrzny (zakres promieni od 50 cm do 125 cm ), gdzie tory cząstek znajdują się bliżej siebie. Większe, 6,2 19,5 mm , położone będą w odległościach radialnych od 125 cm do 200 cm , gdzie gęstość torów będzie niższa. Taki podział na panele dwóch rodzajów zapewnia optymalną rozdzielczość detektora przy zachowaniu umiarkowanej ilość danych doświadczalnych. Cząstki o pędach poprzecznych z zakresu 40 150 MeV c poruszać się będą po spirali i przelatywać będą przez panele detekcyjne. Cząstki z pozostałych przedziałów pędów poprzecznych nie będą wlatywać do TPC poruszając się po linii śrubowej o promieniu mniejszym niż 50 cm (małe wartości pędu 1 Rapidity – czy inaczej pospieszność: 1 E pl ln , gdzie pl - pęd podłużny. Wielkość ta jest miarą 2 E pl tego jak cząstka może zostać odchylona od początkowego toru. 3 Rysunek 7. Ogólny schemat budowy detektora TPC dla eksperymentu STAR 9 poprzecznego), lub będą przecinać TPC wylatując przez zewnętrzną powierzchnię cylindryczną detektora. Ma to wpływ na projekt kalorymetru elektromagnetycznego opisanego poniżej. 2.2.2.4 Detektor TOF W obydwu eksperymentach zastosowane będą detektory czasu przelotu (TOF – Time Of Flight). Będą się one jednak w obydwu przypadkach znacznie między sobą różnić. W eksperymencie STAR będzie istniał subdetektor o nazwie TOF. Będzie on miał za zadanie rozszerzać informację uzyskaną z pomiaru dE dx w warstwach SVT i TPC. Zapewni pomiar czasu przelotu tak wielu cząstek jak to możliwe, przy rozdzielczości 100 pikosekund. Będzie miał kształt cylindra o promieniu 2 m i długości 4,2 m umieszczonego za TPC. Cylinder podzielony będzie na 7776 scyntylatorów. Będą one umieszczone na 216 paletach po 36 scyntylatorów na każdej. W eksperymencie ALICE zastosowany będzie bardziej skomplikowany system detektorów TOF. Będzie to detektor PID umieszczony jako następna cylindryczna warstwa za TPC. Zbudowany będzie z liczników iskrowych Pestova lub specjalnych komór płytowych PPC. Najprawdopodobniej wybrane zostanie pierwsze z rozwiązań ze względu na większą 4 rozdzielczość czasową, wynoszącą mniej niż 50 pikosekund, w porównaniu z 200 pikosekundami odpowiadającymi rozwiązaniu alternatywnemu. Obydwa rodzaje liczników zbudowane są w oparciu o to samo zjawisko. Zbudowane są z dwóch równoległych elektrod, pomiędzy którymi znajduje się mieszanka gazów. Do elektrod przyłożone jest wysokie napięcie. Przejście cząstki przez ośrodek gazowy pociąga za sobą powstanie iskry, która jest rejestrowana przez elektronikę front-end. Możliwości detektora PID będą zwiększone przez zastosowanie dodatkowej warstwy – HMPID. Detektor HMPID (High Momentum Particle Identification). Będzie to warstwa następna za PID. Zbudowana będzie z detektorów RICH stosowanych w wielu dotychczasowych eksperymentach. Umożliwi rejestrację cząstek o dużych wartościach pędów poprzecznych. 2.2.2.5 Inne detektory Do innych detektorów zaliczyć można stosowany w eksperymencie STAR kalorymetr elektromagnetyczny (Electromagnetic Calorimeter – EMC). Jego zadaniem będzie pomiar energii poprzecznej całkowitej ( Et ) oraz lokalnej ( d 2 Et dd ), zdeponowanej przy zderzeniach pp, pA oraz AA. Dla procesów o średnich wartościach rapidity znajomość energii poprzecznej prowadzi wprost do oszacowania temperatury oraz gęstości energii charakteryzujących reakcję. Dla zderzeń jądro-jądro daje zaś wyjątkową możliwość śledzenia oddziaływań towarzyszących twardemu rozpraszaniu partonów na gorącym ośrodku jądrowym. Dzięki temu możemy przewidywać jego właściwości. Detektor EMC zbudowany jest ze scyntylatorów i warstw ołowianych. Ma kształt beczki, umieszczonej na zewnątrz zwoju cewki nadprzewodzącej, lecz wewnątrz żelaznej obudowy magnesu. Pokrywa przedział rapidity aż do 1,05 co do wartości bezwzględnej. Jego wewnętrzny promień to 2,53 m zaś długość 6,87 m . Na detektor składają się segmenty pokrywające po 6 stopni w kierunku . Każdy z nich podzielony jest zaś na 40 wieżyczek. Wieżyczki składają się z 21 warstw ołowiu i scyntylatora. Detektor ma ważyć 150 ton. Jego rozdzielczość energetyczna jest szacowana na 0,2 E. Planowane jest rozszerzenie detektora TPC stosowanego w eksperymencie STAR tak, by pokryć jak największy obszar pseudorapidity (od 2 do wartości tak bliskiej wiązki jak to możliwe). Ma do tego służyć detektor XTPC (External TPC). Konwencjonalne dryftowe TPC mogłoby rozszerzyć pokrycie do 4 . Projektowane specjalnie radialne TPC mogłoby poszerzyć tą wartość aż do 5,5 . Dla konwencjonalnego TPC spodziewany jest wzrost pokrycia o około 40% w stosunku do głównego TPC dla cząstek naładowanych. Pokrycie za 5 pomocą detektora XTPC dodatkowego obszaru pozwoliłoby na identyfikację zdarzeń posiadających obszary o anormalnie wysokiej gęstości cząstek. Obszary takie mogą być obszarami powstawania plazmy kwarkowo-gluonowej. Przedni spektrometr miuonowy (forward muon spectrometer) jest detektorem projektowanym dla eksperymentu ALICE. Ma za zadanie umożliwić detekcję całego spektrum rezonansów ciężkich kwarków, takich jak J , , , , . Będzie on rejestrował rozpady tych cząstek zarówno w kolizjach proton-proton jak i jądro-jądro z dostateczną rozdzielczością, by rozseparować wszystkie stany wzbudzone. Dla eksperymentu ALICE projektowanych jest jeszcze kilka dodatkowych modułów detektora, które ze względu na zaawansowanie projektów nie zostały tu wyszczególnione 9. 6 3 Warstwa SSD Jak podano wyżej warstwa SSD będzie należeć do wewnętrznego systemu śledzenia (ITS). Ten z kolei będzie jedną z części detektora dla eksperymentu ALICE. W rozdziale tym podana zostanie dokładniej budowa warstwy modułów krzemowych detektorów mikropaskowych. 3.1 Opis ogólny Warstwy krzemowych detektorów mikropaskowych umieszczone zostały w obydwu eksperymentach w miejscu gdzie następowałoby zszycie torów cząstek rekonstruowanych w TPC oraz SVT/ITS. Rysunek 8. Miejsce umieszczenia warstwy SSD w eksperymencie STAR 9 Dzięki temu została podniesiona wydajność rekonstrukcji torów. Przykładowe zestawienie, pokazujące zysk z wprowadzenia Tabela 2. Spodziewany współczynnik rekonstrukcji dla różnych warstwy SSD do detektora STAR cząstek dziwnych (symulacja Hijing dla zderzeń centralnych przedstawia tabela obok (Tabela 2). Au+Au przy energii 100 GeV/A dla STAR) Symulacje potrzeby przeprowadzane eksperymentu na STAR TPC pokazały, że warstwa SSD ma duży wpływ na TPC SVT efektywność TPC SVT SSD rekonstrukcji torów dla cząstek K0S 0.8 2.5 6.5 krótko żyjących. Przyczynia się 0.1 0.5 1.5 / 0.003 0.01-0.02 również do zwiększenia ilości poprawnie zrekonstruowanych wierzchołków i torów wtórnych. 7 Wszystkie te zalety detektora SSD towarzyszą jego wysokiej rozdzielczości oraz przezroczystości dla detektorów wewnętrznych oraz zewnętrznych. Warstwa SSD detektora STAR będzie składać się z połączonych drabinek zawierających moduły SSD. Drabinki ułożone będą tak, jak przedstawiono rysunku to na (Rysunek 9). Średni promień cylindra to 23 cm . Uśrednienie jest wynikiem faktu, iż każda drabinka przechylona jest pod kątem 5 w stosunku do stycznej do cylindra. Dzięki temu możliwe jest zachodzenie na siebie płytek modułów Rysunek 9. Układ drabinek w warstwie SSD detektora STAR 9 SSD w płaszczyźnie r . Na detektor składać się będzie 20 drabinek, każda zaś drabinka zawierać będzie po 16 modułów SSD. Na cały cylinder potrzeba zatem 320 modułów. Pokrywa on powierzchnię około 1 m 2 i zapewnia pokrycie pseudorapidity 1,2 . Drabinki wykonane są z włókien węglowych. Zapewnia im to dużą sztywność i wytrzymałość. Jednocześnie są bardzo lekkie (waga jednej drabinki to około 20 g ). Dzięki temu otrzymujemy stabilną konstrukcję montażową, będącą prawie całkowicie przezroczystą dla dalszych detektorów. Sposób mocowania modułów detektorów SSD na drabince przedstawia rysunek poniżej (Rysunek 10). Na końcu drabinki umieszczone są konwertery analogowo-cyfrowe i płytki przyłączeniowe umożliwiające podłączenie drabinki do systemów akwizycji danych. Drabinki mają trójkątny przekrój nie tylko dla zwiększenia sztywności mechanicznej konstrukcji. Budowa taka umożliwia zainstalowanie systemu chłodzenia niezbędnego do zapewnienia poprawnej pracy elektroniki. 8 Rysunek 10. Układ modułów SSD na drabince 9 3.2 Budowa modułu SSD 9 Pojedynczy moduł SSD składa się z dwustronnego krzemowego wafla, 12 układów ALICE oraz 2 układów COSTAR. Układy elektroniczne umieszczone są na dwóch płytkach zwanych Rysunek 11. Układ pasków na płytce krzemowej wafla SSD 9 hybrydami. Na każdej hybrydzie znajduje się po 6 układów A128C i 1 układ COSTAR. Hybrydy podłączone są każda do jednej ze stron modułu detektora. Płytka krzemowa będąca głównym elementem modułu ma wymiary 75 x 42 mm . Przedstawiona jest ona na rysunku powyżej (Rysunek 11). Jej grubość to 300 mikronów. Aktywny obszar płytki ma wymiary 73 x 40 mm . Na jego powierzchni znajduje się z każdej ze stron po 768 pasków. Odległość zatem między paskami wynosi 96 m . Pozostałą powierzchnię płytki na zewnątrz od pasków zajmują dwie pętle – polaryzująca i ochronna. Aby umożliwić pomiar punktu przecięcia detektora przez cząstkę w dwóch wymiarach stosowane są detektory dwustronne. Paski na jednej i drugiej ze stron umieszczone są w stosunku do siebie pod kątem. Kąt ten zwany jest stereo angle i dla detektorów STAR wynosi 35 mrad . Dla takiego ułożenia pasków detektor charakteryzuje się rozdzielczością w kierunku Z równą 800 m , zaś w kierunku r wynoszącą 30 m . 0 3.3 Rejestracja cząstki w module SSD Działanie modułu SSD opiera się na zjawisku jonizacji. Jeśli cząstka powstająca w wyniku zderzenia w wierzchołku pierwotnym dotrze do modułu SSD przemieszczając się przez ośrodek krzemowy, to spowoduje powstanie wolnych nośników – elektronów i dziur (Rysunek 13). Rysunek 12. Zdjęcie zestawu pomiarowego stosowanego w CERNie 1 Rysunek 13. Budowa i parametry płytki krzemowej modułu SSD (rysunek wykonany przez C. Kuhn) Ponieważ płytka krzemowa jest spolaryzowana napięciem około 50 V , więc następuje dryft wolnych nośników w kierunku górnej i dolnej powierzchni płytki. Tam natrafiają na paski powstałe przez domieszkowanie p lub n krzemu. 768 pasków na każdej ze stron połączonych jest z sześcioma układami A128C. Każdy z układów odpowiada za sczytywanie sygnału z kolejnych 128 pasków płytki detektora. W ten sposób przejście cząstki przez detektor rejestrowane jest jako sygnał na jednym lub kilku paskach po każdej ze stron. Sposób rekonstruowania dokładnego punktu przejścia omówiony zostanie w rozdziale dotyczącym rekonstrukcji klastrów poniżej. 3.4 Układ A128C Najważniejszym układem elektronicznym zaprojektowanym na potrzeby modułu SSD jest układ A128C. Jest to układ typu CMOS ASIC zaprojektowany w laboratorium LEPSI w Strasbourgu. Przy jego planowaniu wzięto pod uwagę takie zagadnienia jak: niski pobór mocy, szeroki zakres dla wejścia, zintegrowane w układzie funkcje zdalnego sterowania i dostrajania. Zapewnia on wszystkie funkcje niezbędne dla elektroniki typu front-end takie jak analogowe wzmacnianie i kształtowanie sygnału, zapamiętywanie wartości, multipleksowanie, sterowanie wyjściem analogowym, generowanie impulsów testowych, kontrola zasilania, możliwości testowe z konwersją ADC. 2 Rysunek 14. Schemat budowy układu A128C 9 Układ A128C zawiera 128 analogowych kanałów wejściowych. Został zaprojektowany w technologii CMOS 1,2 m . Wielkość matrycy chipu to 6 mm 8,5 mm . Rysunek 14 przedstawia ogólny schemat blokowy układu. Każdy analogowy kanał układu wzmacnia, kształtuje i zapamiętuje w postaci napięcia w pojemności CHOLD ładunek zmagazynowany na jednym z pasków detektora. Zdarzenie takie jest wyzwalane zewnętrznym sygnałem logicznym HOLD pojawiającym się S sekund po zdarzeniu radiacyjnym. Czas kształtowania S jest regulowany od 1,4 s do 2 s . Układ zasilany jest napięciem 2 V . Specjalną uwagę zwrócono na zużycie prądu, które jest zawsze poniżej 850 W na kanał, zaś dla cyklu odczytu 1 ms wynosi tylko 340 W na 1 kanał. Analogowy multiplekser pozwala na sekwencyjny odczyt danych z częstotliwością do 10 MHz poprzez trójstanowy bufor wyjściowy dzielony pomiędzy 128 kanałów. Mechanizmy slow control zaimplementowane w układzie zgodne są ze standardem JTAG IEEE1149.1. Pozwalają na polaryzację różnych analogowych części układu i dostrajanie czasu kształtowania. Zapewniają również kontrolę nad wewnętrznym generatorem impulsów, będącym w stanie emulować zdeponowanie ładunku do 15 MIP (Minimum Ionizing Particle; 1 MIP 25000 e ). Kanały, do których ma być skierowany impuls, wybierane są za pomocą rejestru przesuwnego. Wyjście może być odczytywane sekwencyjnie (wszystkie sygnały 3 Rysunek 17. Stosunek sygnału do szumu. Wartość obliczona dla blisko 10000 zdarzeń radiacyjnych. Fitowanie funkcją Landau’a. Rysunek 15. Wynik testu kanałów. Impuls z wewnętrznego generatora impulsów skierowany do kanałów 30-70. Rysunek 18. Wyniki rekonstrukcji klastrów. Z lewej: Histogram wielkości klastrów Z prawej: Wielkości klastrów w zależności od ilości jednoczesnych zdarzeń zdeponowane na pojemnościach C HOLD jak w normalnym cyklu odczytu). Jest to tak zwany test kanałów. Może jednak również przy pomocy rejestru wyjściowego zostać wybrany jeden konkretny kanał. Dzięki temu możliwa jest wizualizacja sygnału na wyjściu z modułu 4 kształtującego. Pozwala to zmierzyć bądź ustawić czas kształtowania. Ten rodzaj testu zwany jest testem transparentnym. Przykładowe wyniki testów transparentnego oraz kanałów przedstawione są na wykresach (Rysunek 15, Rysunek 19). Testy te przeprowadzone zostały za pomocą układu pomiarowego, przy którego budowie współuczestniczył autor. To samo dotyczy oprogramowania do wizualizacji danych, ogólnie opisanego w rozdziale poponiżej (Zagadnienia składowania danych testowych). Rysunek 19. Test transparentny. Sygnał dla lekko odchylonych od wartości nominalnych parametrów biases oraz impulsu testowego o wartości 250. Wszystkie wartości rejestrów, o których wspomniano, są ustawiane za pomocą magistrali JTAG. Za jego pomocą ustawiana jest również wysokość impulsu testowego oraz tak zwane wartości biases (Ipreamp, Vpreamp, Ishaper, Vshaper, Iinbuff, Ioutbuff, Ilvds) opisane w dalszym rozdziale. 3.5 Układ COSTAR Drugim z układów zaprojektowanych na potrzeby modułu SSD jest układ COSTAR. Jest to układ przeznaczony do pomiarów slow control i współpracujący z magistralą JTAG. COSTAR umieszczony jest na hybrydzie SSD i przeznaczony jest do wykonywania następujących pomiarów: Temperatura hybrydy. Pomiar wykonywany jest za pomocą próbnika zintegrowanego w chipie. Informacja ta będzie użyteczna przy kontroli efektywności działania systemu 5 chłodzenia. Układ jest w stanie mierzyć temperaturę z zakresu od 0C do 80C z dokładnością 0,31C . Napięcia dostarczone do hybrydy. Wartości odczytane przez układ COSTAR mogą być porównane z wartościami z linii kontrolnych modułów zasilaczy, dzięki czemu możliwe będzie wykrycie wszelkich uszkodzeń linii zasilających na każdej hybrydzie (przepięcie, zwarcie, zerwane lub rezystywne połączenie, itp.). Prąd upływu (ang. leakage current) pierścieni polaryzujących i ochronnych. Kontrola ma tu miejsce przez pomiar napięcia na opornikach układu polaryzującego hybrydy. Prądy polaryzujące i ochronne świadczą o stanie płytki krzemowej detektora. Rysunek 20. Budowa modułowa układu COSTAR 9 Architektura układu COSTAR pokazana jest na rysunku powyżej. Jest on złożony z przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC), cyfrowo-analogowego (DAC), oraz cyfrowego modułu wejścia/wyjścia, który może być podłączony do magistrali JTAG. Budowa taka pozwala na pełnienie przez niego kilku funkcji typu slow control: Monitorowanie i kontrola parametrów analogowych (za pośrednictwem przetworników ADC i DAC). Dostępnych jest pięć wejść ogólnego przeznaczenie i cztery wyjścia. Monitorowanie i kontrola parametrów cyfrowych. Służy temu ośmiobitowy rejestr wejścia/wyjścia. 6 Wśród ośmiu wejść przetwornika ADC dostępnego w układzie trzy są przeznaczone do konwersji wewnętrznej temperatury i wartości podłączonych napięć. Pozostałe pięć są to wejścia zewnętrzne, które mogą być stosowane na przykład do pomiaru prądów pętli polaryzujących i ochronnych. W celu komunikacji z resztą układu slow control, układ COSTAR używa tej samej szyny JTAG, co chipy A128C. Dzięki wyborowi magistrali JTAG połączenie takie nie wymaga żadnych dodatkowych elementów. 7 4 Testy modułów SSD na wiązce We wrześniu 1999 roku na akceleratorze SPS w CERNie odbyły się testy mające na celu sprawdzenie działania modułu detektora SSD. Zebranych zostało wiele danych pozwalających na późniejszą analizę zachowania detektora podczas pracy przy rejestracji rzeczywistych cząstek. Aspekty analizy tych danych są tematem niniejszego rozdziału. Rysunek 21. Układ pomiarowy stosowany podczas testów na wiązce 9 4.1 Opis zestawu pomiarowego Zestaw pomiarowy przygotowany został w laboratoriach LEPSI i IReS we Francji. Składał się ze scyntylatorów NE102 służących do trigerowania, komputera VME, kart przetwornikowych Sirocco oraz zestawu detektorów SSD. Pomiary obsługiwał program MicroDAS działający pod kontrolą systemu operacyjnym OS9. Dane rejestrowane były na taśmach Exabyte. Układ zastosowanych detektorów przedstawiony jest na rysunku powyżej (Rysunek 21). Rysunek 12 przedstawia zdjęcie części zestawu pomiarowego obejmującej detektory. Zastosowano układ detektorów składający się z 8 detektorów referencyjnych i detektora testowego. Detektorem testowanym był standardowy dwustronny detektor SSD wyposażony w 12 układów A128C odpowiadających za wzmacnianie i kształtowanie Rysunek 22. Uzyskany w wyniku rekonstrukcji obraz wiązki na sygnałów. Detektory referencyjne detektorze pogrupowane były w 4 pary. Detektory należące do każdej z par to jednostronne detektory SSD 8 ułożone tak, by paski leżały pod kątem prostym w stosunku do siebie. Ułożenie takie zapewnia przestrzenną rozdzielczość układu referencyjnego równą 2 m . Dzięki temu błąd umiejscowienia toru cząstki na detektorze testowym jest mniejszy od 1 m . Jako pocisków użyto pionów o energii 150 GeV . Wiązka miała w przekroju kształt kwadratu o boku 10 mm (Rysunek 22). Świetlność (ang. luminosity) wiązki była tak dobrana, że detektor rejestrował najczęściej zdarzenia odpowiadające przejściu jednej cząstki (Rysunek 18). 4.2 Narzędzia analizy danych Do analizy danych zastosowany został kod w C++ oparty na strukturze programu ROOT. Kod ten był początkowo zaprojektowany dla kolaboracji RC42. Potem został zaadaptowany na potrzeby testów detektorów SSD. Zawiera on narzędzia do odczytu, przetwarzania i wstępnej analizy danych, uzyskanych za pomocą zestawu pomiarowego opisanego powyżej. Algorytm postępowania z danymi jest następujący: Dane surowe, zapisane na taśmach Exabyte należy wczytać do programu. W testach dla każdej konfiguracji układu (zmiany położenia, nachylenia detektora, energii wiązki) zapisywano zwykle statystykę 10000 zdarzeń (plus 500 zdarzeń samego szumu). Odpowiada to około 90 MB danych dla każdej konfiguracji. Aby wczytać dane należy stworzyć zbiór konfiguracyjny opisujący parametry danej konfiguracji. Do najbardziej podstawowych z nich należy położenie detektora w kierunku Y oraz jego obrót. Po wczytaniu danych należy stworzyć histogramy szumów na wszystkich paskach dla danej konfiguracji. Są one niezbędne do dalszej analizy danych. Po wygenerowaniu zbiorów z szumami należy przeprowadzić wstępną analizę danych. Jej efektem jest powstanie nowego zbioru nazywanego DSF (Data Summary File). Zawiera on zapisane w drzewie ROOTa podstawowe histogramy charakteryzujące detektor. To one są przedmiotem dalszej analizy przy zastosowaniu typowych narzędzi i możliwości programu ROOT. Po jednokrotnym wygenerowaniu poprawnego zbioru DSF nie ma potrzeby powtórnej realizacji wszystkich kroków. Wystarczy wczytać gotowy już zbiór. 9 Przygotowanie zbioru konfiguracyjnego Przystosowanie zbioru konfiguracyjnego do odczytu charakterystyk szumów Wczytanie danych SDTinitSession() Powtórne wczytanie danych SDTinitSession() Generacja charakterystyk szumów SBGnoisyStrips() Wygenerowanie zbiorów DSF SDTanalyse() Rysunek 23. Schemat sposobu postępowania przy przygotowaniu wstępnej analizy danych testowych Każdemu z etapów analizy przedstawionych wyżej (z wyjątkiem tworzenia i modyfikacji zbioru konfiguracyjnego) odpowiada jedno gotowe makropolecenie programu ROOT. Makropolecenie takie zawiera wywołania odpowiednich metod, klas opisujących detektor SSD. Schemat postępowania można więc przedstawić w postaci blokowej (Rysunek 23). Podczas przeprowadzania eksperymentu testowany detektor SSD był poddawany translacjom i obrotom tak, aby zaobserwować jego działanie przy cząstkach przechodzących w różnych punktach detektora (jednorodność zachowań detektora) i pod różnymi kątami. Wszystkie te operacje pozycjonowania przeprowadzane były jednak zgrubnie. Dysponując informacjami z detektorów referencyjnych można skorygować błędy powstałe w czasie samego pomiaru. Dysponując gotowym zbiorem DSF możemy porównać punkty przecięcia detektora przez ślad zrekonstruowany z informacji z detektorów referencyjnych oraz przecięcia detektora zgodnie z informacją odczytaną z pasków. Jeśli różnica między tymi punktami jest znacząco różna od zera należy dodać ją do położenia detektora zapisanego w odpowiednim pliku konfiguracyjnym a następnie powtórzyć od początku cały proces przedstawiony na schemacie powyżej. Analogiczna prawidłowość obowiązuje dla położenia kątowego. W ten sposób, rekurencyjnie można wygenerować dane zgodne z rzeczywistym położeniem detektora w czasie eksperymentu, wykluczając niniejszym błąd wynikły ze zgrubnego jego pozycjonowania (Rysunek 24). Należy jednak pamiętać, iż jest to procedura dość pracochłonna zarówno ze względu na objętość danych jak i fakt, że czasem niezbędna jest ilość powtórzeń większa od dwóch. Zbiór DSF po poprawnym wygenerowaniu zawiera informacje pozwalające w łatwy sposób za pomocą narzędzi programu ROOT tworzyć histogramy różnych wartości. Poniżej 0 Rysunek 24. Wzorowe ustawienie modułu SSD w czasie analizy danych. Lewy rysunek: ustawienie przesunięcia detektora (Htu-Hu – różnica między torem zrekonstruowanym na detektorze, a torem z detektorów referencyjnych). Wartość średnia poniżej 1 mikrona dla blisko 8000 zdarzeń na detektorze. Rysunek prawy: poprawne ustawienie kątowe (większość trafień układa się na linii poziomej). zamieszczono fragment zbioru nagłówkowego (DEvent.h) biblioteki zawierającego informacje o dostępnych histogramach. 1 public: Short_t Int_t Short_t Float_t Float_t // // // // // Float_t HuCG; // Float_t Float_t Short_t Htv; Htu; HtN; // // // Float_t HtChi2; // Float_t Short_t Float_t Float_t Float_t Float_t Float_t Float_t Float_t Int_t Hqc; HsN; Hsn; Hpq; Hrvq; Hcomq; HSNc; Hnc; HSNc1; Hsk; // // // // // // // // // // Float_t Float_t Float_t Float_t Float_t Float_t Float_t Hq0; Hq1; Hq2; Hq3; Hq4; Hq5; Hq6; // pulseheight on seed strip,(neighbour 0) // second highest pulseheight // third highest pulseheight Short_t Short_t Short_t Short_t Short_t Short_t Short_t Hk0; Hk1; Hk2; Hk3; Hk4; Hk5; Hk6; // // // // // // // Float_t Float_t Float_t Float_t Short_t HqL; HqR; HqRoS; HqLoS; HkL; // // // // // Float_t Float_t Float_t HuL; Heta; HtuToL; }; Hhk; HeN; Hpk; Hsu; Hu; authentic hit number in the plane event number associated to this hit number of the plane (Hit Plane Number) u position of hit Seed Strip position of hit measured with charge fraction method (2-strip eta) position of hit measured with center of gravity method v position of track next to this hit u position of track next to this hit number of tracks found passing the plane chi square of track fit, track next to this hit cluster pulse sum strips in cluster seed strip noise seed strip pedestal seed strip RawValue seed strip CommonMode cluster S/N cluster noise average Hqc/Hsn seed strip index strip index of strip with charge Hq0 strip index of strip with charge Hq1 with Hq2 with Hq3 with Hq4 with Hq5 with Hq6 charge on left most strip of two charge on right most srip of two charge right of seed charge left of seed index of strip left of seed, "HkR" = HkL+1 would be redundant // postion u [mircon] left of two highest // HqR/(HqR+HqL) // Distance to left strip in pitch. 4.3 Rekonstrukcja klastrów Kiedy cząstka przechodzi poprzez moduł SSD, aktywuje pewną ilość pasków. Nie wiemy jednak, ile z nich uczestniczy w zbieraniu wytworzonego ładunku, gdyż przez detektor mogą być „widziane” różne efekty towarzyszące przejściu cząstki (przypadkowe efekty kątowe, 2 pojemności między paskami, elektrony ). Analiza danych polega na obserwacji i pomiarze sygnału elektrycznego otrzymywanego z modułu SSD i wnioskowaniu na tej podstawie o podziale ładunku między paskami detektora. będziemy mieć cząstkami do Najczęściej czynienia z przechodzącymi przez Rysunek 25. Sposób rekonstrukcji klastra. Górny poziom moduł SSD pod kątami różnymi od odcięcia dla paska centralnego L i dolny dla klastra L . 1 prostych. Towarzyszyć temu będzie 2 wzbudzenie nie jednego tylko paska, lecz małej ich grupy. Taką grupę pasków rejestrujących ładunki powstałe przy przejściu jednej cząstki nazywamy klastrem. Sygnał odczytany z paska modułu SSD (nazwijmy go ADC (i, k ) ) składa się z różnych komponentów. Można go zapisać w postaci sumy ADC (i, k ) P (i, k ) CMS ( j , k ) S (i, k ) , gdzie i, j , k to odpowiednio numer paska, chipu i zdarzenia. Poszczególne składniki sumy to: P (i, k ) - piedestał. Fluktuuje on w czasie wokół pewnej wartości podstawowej. Jest wynikiem istnienia pewnych niejednorodności elektronicznych między paskami detektora (Rysunek 26); CMS ( j , k ) - przesunięcie elektroniki (Common Mode Shift). Pewne przesunięcie elektroniki charakterystyczne dla każdego układu A128C i zmieniające się w czasie; S (i, k ) - właściwy sygnał i resztkowy szum na danym pasku detektora. Piedestał P(i, k ) dla każdego z kanałów wyliczany jest jako średnia z poszczególnych wartości po pewnej ilości zdarzeń. Następnie wyliczany jest szum ni dla każdego z kanałów. Zakłada się, iż jest on wariancją wartości Ai ( ADC (i, k ) P (i, k )) . Dysponując wartością szumu łatwo już wyliczyć przesunięcie elektroniki CMS ( j , k ) , a co za tym idzie wyodrębnić właściwy sygnał (miarę zdeponowanego ładunku) dla każdego z pasków ( si ). Dopiero wtedy można przejść do właściwej rekonstrukcji klastrów. Dla wszystkich pasków oblicza się wartość stosunku sygnału do szumu si / ni (Rysunek 17). Następnie wyznacza się pewien poziom odcięcia L1 . Powinno być ono na tyle duże, aby tylko dla jednego 3 z pasków wartość si / ni była większa od L1 . Pasek ten jest głównym paskiem klastra i zwany jest seed strip. Dla większości przypadków udaje się wyodrębnić taki jeden konkretny pasek. Istnieje jednak pewna ilość zdarzeń rzędu 3%, dla której nie jest to możliwe, nawet po wyeliminowaniu wszelkich pasków uznanych za martwe lub zaszumione. Po znalezieniu paska głównego całą operację powtarza się dla niższego poziomu odcięcia L2 (Rysunek 25). Znajduje się w ten sposób grupę ns sąsiednich pasków należących do jednego klastra. Jak wykazały przeprowadzone przez autora analizy ns 1,5 (Rysunek 18). Za wartości poziomów odcięcia przyjmuje się odpowiednio L1 10 , zaś L2 2 . Wartości te zostały dobrane we wcześniejszych analizach tak, aby zmaksymalizować efektywność detekcji cząstki (ilości zdarzeń zrekonstruowanych przez SSD do ilości zdarzeń zarejestrowanych przez wszystkie detektory referencyjne) do wartości 99%. Znając podział ładunku pomiędzy paskami jednego klastra (Rysunek 27) można zrekonstruować punkt przejścia cząstki przez detektor. W zastosowanej bibliotece zaimplementowany jest algorytm centrum grawitacji. Zgodnie z nim punkt przecięcia modułu detektora SSD dzieli odległość między paskami klastra w stosunku równym stosunkowi ładunków zarejestrowanych przez odpowiednie paski klastra (Rysunek 16). W rzeczywistości jednak metoda ta nie jest idealna i jak się okazuje lepiej byłoby stosować nieliniową metodę algorytmów , szerzej opisaną w literaturze 9. Rysunek 26. Wartości piedestału dla obu stron modułu. Widać wyłączony drugi układ A128C na obydwu ze stron (Układ po jednej ze stron nie działał, po drugiej został sprzętowo ominięty). Po stronie N modułu widać uszkodzone paski na końcu płytki (paski o numerach 743 i 745). 4 Rysunek 27. Podział ładunku pomiędzy paski klastra. Histogramy przedstawiają wartości impulsu rejestrowane na kolejnych paskach klastra. Widać, że wartość ta maleje na dalszych paskach (przy jednoczesnym zmniejszaniu się liczby interesujących zdarzeń). Dopasowanie funkcją Landau’a. 4.4 Rejestracja cząstek w zależności od kąta przejścia przez detektor Na podstawie danych zebranych w eksperymencie przeprowadzone zostały analizy wpływu kąta, pod jakim cząstka przecina detektor, na jego działanie. Niestety ze względu na uszkodzenie zbiorów z danymi można obserwować jedynie zachowanie się modułu dla pionów przecinających go pod kątami 0 , 5 oraz 10 w stosunku do kierunku prostopadłego do płytki krzemowej. Do niektórych analiz nadaje się również zbiór zawierający dane o cząstkach przechodzących pod kątem 15 . Dla trzech pierwszych kątów dysponujemy statystyką około 10000 zdarzeń zarejestrowanych w układzie pomiarowym. Dla 15 mamy statystykę około 2500 zdarzeń (zbyt małą by można było wyciągać wnioski). 5 Rysunek 28. Histogramy ilości pasków w klastrze dla trzech pierwszych kątów. Tak jak opisano w paragrafie poniżej widać, iż zwiększaniu kąta nachylenia modułu towarzyszy zwiększanie się rozmiaru rekonstruowanego klastra. Dla kąta 10 widać już wyraźna przewagę klastrów składających się z 2 pasków nad składającymi się z 1 paska. Histogramy obcięto na wartości 5 pasków w klastrze. Jest to konieczne ze względu na fakt, iż zastosowany w używanej bibliotece algorytm rekonstrukcji narzuca takie właśnie ograniczenie. Jak można się spodziewać zwiększanie kąta nachylenia modułu względem wiązki powinno wpływać na wielkość rekonstruowanego klastra. Byłoby to bezpośrednim następstwem faktu, iż nośniki kreowane w krzemie przez cząstkę przechodzącą pod większym kątem powinny być ściągane na większą ilość pasków. Już z całkowicie uproszczonego modelu czysto geometrycznego (z własności trójkąta) wynika, że ładunki powinny zajmować obszar dłuższy o około 50 m , czyli połowę odległości między paskami, dla kąta zwiększonego do 10 . Zatem efekt nachylania detektora nawet dla tak niewielkich kątów powinien być widoczny (Rysunek 28). Ze względu na znaczne zwiększenie ilości klastrów składających się z dwóch pasków maleć powinna wydajność algorytmu rekonstrukcji punktów trafienia. Rysunek 24 przedstawia histogram obrazujący różnicę pomiędzy rzeczywistym punktem przejścia cząstki, a punktem zrekonstruowanym. Histogram ten powinien ulegać rozmyciu przy zwiększaniu kąta. 6 Rysunek 29. Histogramy różnicy między rzeczywistym punktem przejścia cząstki, a punktem zrekonstruowanym. Widać spodziewany efekt rozmycia spowodowany zwiększeniem wielkości klastra. Nie należy spodziewać się, aby zmiana nachylenia modułu SSD względem wiązki powodowała zauważalną różnicę w wartości ładunku zbieranego w całym klastrze. Pewne małe wahania mogą być w tym przypadku spowodowane wspomnianym wcześniej ograniczeniem wielkości klastra do 5 pasków. Zastrzeżenie to nie powinno jednak obowiązywać dla tak małych kątów jak analizowane (Rysunek 30). 7 Rysunek 30. Histogramy całkowitego ładunku zebranego przez paski klastra. Tak jak się spodziewano, całkowity ładunek klastra nie ulega zmianie przy zmianie kąta nachylenia. Dwa niższe piki przed wartością 100 są ciekawym efektem uwzględnienia w procesie analizy sygnałów z kilku uszkodzonych pasków modułu SSD. Paski te były wzbudzone przy rejestracji większości rzeczywistych zdarzeń stąd ich wkład do histogramów. Całkowity ładunek zebrany przez klaster nie ulega zmianie. Zmieniać powinny się natomiast stosunki ładunków zebranych na kolejnych, pod względem wielkości ładunku, paskach klastra (Rysunek 31, Rysunek 32, Rysunek 33). Przeprowadzone w tym rozdziale analizy mają na celu zobrazowanie sposobu działania modułu SSD przy rejestracji cząstek przechodzących pod różnymi kątami. Wykazują, że moduły SSD zachowują się zgodnie z oczekiwaniami. Należy pamiętać, iż przedstawione histogramy powstały na podstawie danych, uzyskanych w realnych testach prototypów detektorów SSD. Pokazują zatem rzeczywiste zachowanie modułów SSD. Dlatego właśnie tego typu analizy są niezwykle ważne. 8 Rysunek 31. Histogramy stosunku ładunku na najwyższym pasku klastra do ładunku całego klastra. Zgodnie z oczekiwaniami przy zwiększaniu kąta zwiększa się ilość zdarzeń, dla których stosunek ten jest bliski 0,5 zaś zmniejsza ilość tych dla których jest bliski 1. Dla porównania umieszczono histogram dla kąta 15 , dla którego dysponujemy małą statystyką. 9 Rysunek 32. Histogramy stosunku ładunku na drugim pasku klastra do ładunku całego klastra. Rysunek 33. Histogramy stosunku ładunku na trzecim pasku klastra do ładunku całego klastra. 0 5 Testy elektryczne modułów SSD Krzemowe detektory mikropaskowe stosowane były w wielu wcześniejszych eksperymentach. Innowacyjną właściwością detektorów SSD zaprojektowanych na potrzeby eksperymentów STAR i ALICE jest cała elektronika pozwalająca na akwizycję danych oraz monitorowanie warunków pracy każdego modułu. Aby zapewnić bezawaryjną pracę warstwy SSD w czasie eksperymentu, każdy z elementów wchodzących w jej skład musi być wcześniej testowany. 5.1 Zastosowania testów elektrycznych Testy elektryczne są to wszystkie testy przeprowadzane w każdym etapie produkcji warstwy SSD, mające na celu wykluczenie jakichkolwiek usterek elektroniki detektora wynikłych w procesie produkcji i montażu. Obejmują one zatem: testy układów A128C oraz COSTAR w laboratorium Thomson CSF Detexis zaraz po wyprodukowaniu, oraz powtórnie przed montażem w IReS, testy chipów, zmontowanych już hybryd oraz całych modułów po każdym etapie scalania i transportu w laboratoriach IReS i SUBATECH oraz testy złożonych drabinek przed wysłaniem do BNL, w celu montażu w detektorze. W wyniku testów elektrycznych ustalane są również optymalne ustawienia dla każdego modułu SSD, dzięki czemu każdy z nich będzie mógł być odpowiednio dostrojony w czasie eksperymentu. W czasie dwukrotnego pobytu w laboratorium SUBATECH w Nantes we Francji autor współuczestniczył w budowie i uruchomieniu stanowiska testowego pozwalającego na sprawdzenie funkcjonowania pojedynczych układów A128C oraz całych zmontowanych modułów SSD zawierających po dwie hybrydy, to jest po 12 układów ALICE i 2 COSTAR. Pierwsza wersja stanowiska testowego umożliwiała testy pojedynczych chipów A128C oraz jednej strony modułu SSD (choć prototyp modułu nie był jeszcze dostępny). Dane testowe zapisywane były w tym wypadku do dedykowanej bazy danych obsługiwanej przez MySQL, zaś dostęp do nich zapewniał applet w języku JAVA. Finalna wersja stanowiska testowego została rozszerzona o możliwość testów chipów COSTAR i obu stron modułu oraz przystosowana do pracy z unowocześnioną wersją elektroniki. Została też zmieniona wewnętrzna struktura kodu programu sterującego testem. Dane testowe zapisywane były w tym wypadku do bazy danych zawierającej wszystkie dane z testów produkcyjnych detektorów SSD dla eksperymentu STAR, zaś dostęp do nich zapewniał interfejs w PHP3. Problemy prac nad systemem składowania danych rozważane są w dalszym rozdziale. 1 5.2 Stanowisko testowe Stanowisko testowe zbudowane było z następujących elementów sprzętowych: komputera działającego pod kontrolą systemu Windows 98 wyposażonego w wielofunkcyjną kartę National Instruments PCI 6111E z 5MHz konwerterem analogowo-cyfrowym, podłączonego do niego poprzez port równoległy kontrolera JTAG PM3705 Boundary Scan Controller umożliwiającego sterowanie układami ASIC, układu konwertującego sygnały do poziomów TTL przystosowanego do współpracy z opracowanym w SUBATECH interfejsem D, kart (interfejsów) D, w dowolnej ilości – po jednej dla testu jednej strony modułu SSD. Dodatkowo stosowany był komputer działający pod kontrolą Linux Mandrake 7.01 stosowany jako tymczasowe miejsce składowania danych testowych. Schemat budowy układu testowego przedstawiony jest na rysunku poniżej (Rysunek 34). MySQL Komputer PC NI6111E Jednostronny Jednostronny PM3705 moduł SSD moduł SSD Konwerter D-Card D-Card Rysunek 34. Schemat budowy stanowiska testowego SSD Komputer podłączony do układu testowego pozwalał na sterowanie procesem pomiaru za pomocą programu napisanego w LabView. Dane uzyskane w wyniku pomiaru wysyłane były do klienta działającego na komputerze Linuxowym, który po zamianie ich na pytania SQL zapewniał komunikację z bazą danych. Wszelkie połączenia pomiędzy komputerami wykorzystywały mechanizm gniazdek (ang. sockets) i protokół TCP/IP. 5.3 Wykonywane testy elektryczne Zbudowany zestaw pomiarowy umożliwiał przeprowadzanie dwóch rodzajów testów chipu A128C. Mowa tu o wcześniej opisanych testach transparentnych i testach kanałów. Dodatkowo umożliwiał monitorowanie temperatury za pomocą chipu COSTAR. Głównym jego zadaniem miało być sprawdzanie stanu modułów SSD po ich transporcie do laboratorium SUBATECH w Nantes tak, by wyłapać możliwe uszkodzenia przed wykonywaniem innych testów detektorów (np. testów wafla krzemowego za pomocą źródła promieniotwórczego lub za pomocą lasera). 2 Stanowisko pomiarowe umożliwiało pracę w dwóch trybach. W automatycznym wykonywane były wszystkie testy zaraz po przyłączeniu modułu SSD do zestawu pomiarowego. W razie jakichkolwiek wątpliwości co do wyników uzyskanych w automatycznym trybie pracy możliwe było wykonanie w trybie ręcznym dowolnego rodzaju testu z dowolnymi parametrami. Korzystając ze sposobności autor wraz z Piotrem Szarwasem, stosując przygotowane stanowisko testowe, przeprowadził i przeanalizował zachowanie modułu SSD przy zmianach parametrów biases. Wykorzystując możliwość testów jednego z pierwszych pełnych modułów SSD przeprowadził też test działania układu COSTAR, do czego stworzył specjalny program, rozszerzający podstawowe możliwości układu testowego. 5.4 Parametry biases Wykonane pomiary polegały na przeprowadzeniu serii testów transparentnych pierwszego układu A128C umieszczonego na pełnym module detektora SSD. Testy przeprowadzano korzystając ze zbudowanego zestawu pomiarowego. Dane zapisywane były do bazy danych. Tabela 3. Wartości nominalne parametrów biases Parametr Wartość Ipreamp 100 Vpreamp 153 Ishaper 60 Vshaper 91 Iinbuff 50 Ioutbuff 100 Ilvds 20 Stąd odpowiednie serie danych wczytywane były potem do programu ROOT, w którym stworzone zostały wykresy. Przeprowadzone pomiary miały na celu zaobserwowanie wpływu zmian parametrów biases na pracę układu A128C. Za każdym razem wykonywano testy transparentne dla wartości nominalnych a następnie po zmianie jednego z parametrów. Zwykle 3 wykonywano po 5 lub 6 testów dla każdego z parametrów biases (dla wartości z przedziału 0255). Wartości przyjęte za nominalne zebrano w tabeli powyżej (Tabela 3). Testy rozpoczęto od sprawdzenia wpływu amplitudy impulsu testowego wystawianego przez wewnętrzny generator impulsów, na kształt sygnału otrzymywanego. Jak łatwo było przewidzieć wysokość impulsu powoduje przeskalowanie całego otrzymywanego sygnału (Rysunek 35). Rysunek 35. Wpływ wartości amplitudy impulsu testowego na sygnał w teście transparentnym Następnie zaobserwowano wpływ wartości prądu i napięcia przedwzmacniacza na wynik testu. Jak się okazało dla testowanego egzemplarza zmiany parametrów pracy przedwzmacniacza nie miały prawie żadnego wpływu na wynik testu (Rysunek 36, Rysunek 37). Jest to pewna różnica w stosunku do testów pierwszych prototypów A128C wykonanych w laboratorium IReS we Francji (ALICE Technical Design Report). 4 Rysunek 36. Wpływ wartości Ipreamp na sygnał w teście transparentnym Rysunek 37. Wpływ wartości Vpreamp na sygnał w teście transparentnym Dla zintegrowanego w układzie A128C shapera zmiany wartości prądu powodowały tylko nieznaczną zmianę kształtu uzyskanej krzywej (Rysunek 38). 5 Rysunek 38. Wpływ wartości Ishaper na sygnał w teście transparentnym Inaczej dzieje się przy zmianach napięcia. Widać tu dużą zmienność sygnału (Rysunek 39). Rysunek 39.Wpływ wartości Vshaper na sygnał w teście transparentnym 6 Ostatnim przeprowadzonym porównaniem było porównanie sygnałów testu transparentnego przy zmianach prądu bufora wyjściowego. W tym przypadku wyniki były zgodne z oczekiwaniami (Rysunek 40). Rysunek 40. Wpływ wartości Ioutbuff na sygnał w teście transparentnym Testy wpływu zmian pozostałych dwóch parametrów biases na działanie układu A128C nie zostały przeprowadzone. Wszystkie zaprezentowane testy miały głównie na celu zaobserwowanie sposobu działania nowatorskiego chipu A128C. Umożliwiły również pełne przetestowanie stworzonego stanowiska pomiarowego, jak również obserwację działania jednego z pierwszych kompletnych prototypów modułu SSD. Wyniki przeprowadzonych porównań zgadzają się w ogólności z charakterystykami pracy układu A128C prezentowanymi w literaturze. 5.5 Układ COSTAR Do testów układu COSTAR stanowisko pomiarowe zostało nieznacznie zmodyfikowane. Test miał na celu sprawdzenie mechanizmu pomiaru temperatury zaimplementowanego w chipie COSTAR. Do tego celu stworzono specjalny program realizujący pomiar przy wykorzystaniu niezmienionej części sprzętowej. Ekran główny stworzonej aplikacji przedstawiony został na rysunku poniżej (Rysunek 41). 7 Rysunek 41. Pulpit sterujący stanowiskiem testowym układu COSTAR Ze względu na relatywną prostotę programu w LabView możliwe jest również przedstawienie modułu pętli głównej sterującej pomiarami (Rysunek 42). Pomiar został przeprowadzony przy stałej temperaturze otoczenia. Moduł SSD podgrzewano stosując do tego strumień gorącego powietrza. Na powierzchni jednego z układów COSTAR umieszczono czujnik elektronicznego miernika temperatury o dużej dokładności. Następnie stabilizowano temperaturę na pewnym poziomie kontrolowanym za pomocą miernika zewnętrznego i przeprowadzano 100 akwizycji w celu późniejszego uśrednienia. Jak okazało się później w czasie analizy uzyskanych danych, rozbieżności pomiędzy poszczególnymi odczytami dotyczyły trzeciego miejsca po przecinku. Po uśrednieniu danych dla każdego punktu pomiarowego i zebraniu wszystkich punktów naniesiono je na wykres (Rysunek 43). Temperaturę odczytaną przez układ oznaczono jako TCostara zaś temperaturę odczytaną z miernika elektronicznego jako Treferencyj ne . Do punktów doświadczalnych dopasowano prostą. 8 Rysunek 42. Element kodu w LabView - pętla for odpowiadająca za kolejne pomiary temperatury Rysunek 43. Liniowa charakterystyka działania układu COSTAR 9 Jak widać z wykresu uzyskano prawie idealną zależność liniową, jakiej się spodziewano. Pewne zawahanie przy Treferencyjne 30 jest wynikiem problemu ze stabilizacją temperatury w tym punkcie. Współczynnik kierunkowy prostej jest różny od 1, gdyż czujnik temperatury referencyjnej umieszczony był na powierzchni układu (pokrytego przecież pewną warstwą chroniącą przed urazami mechanicznymi), a układ umieszczony był na pracującym module (gdzie dodatkowym źródłem ciepła jest pracująca elektronika). 0 6 Zagadnienia składowania danych testowych Jak wspomniano już wcześniej, wszystkie elementy wchodzące w skład warstwy SSD, a więc układy A128C i COSTAR, wafle krzemowe, hybrydy, gotowe moduły oraz drabinki są w procesie montażu wielokrotnie testowane. Testy przeprowadzane są u producentów oraz w laboratoriach IReS w Strasbourgu oraz SUBATECH w Nantes. Można je podzielić na szczegółowe testy w IReS oraz zgrubne wykonywane dla przykładu po transporcie komponentów do innego ośrodka. Pojawia się zatem problem składowania i udostępniania danych testowych tak, aby możliwe było łatwe odnalezienie wszystkich testów dotyczących interesującego obiektu. Początkowo dane testowe umieszczane były na jednym komputerze, na którym wykonywano testy. Były one dostępne w formie plików tekstowych bez jawnie zdefiniowanej struktury, bez względu na to czy zawierały one pewne pojedyncze wielkości charakteryzujące obiekt, czy całe charakterystyki mierzonych zależności. Następnie zapewniono dostęp do danych tworząc w języku Perl zestaw skryptów CGI umożliwiających pobieranie zbiorów poprzez serwer WWW (Jerome Baudot, IReS, inf. prywatne). Podejście takie było akceptowalne w początkowej fazie przygotowania detektora SSD. W momencie jednak, gdy prawdziwą stała się wizja niemal masowej produkcji wszystkich elementów niezbędnych do budowy warstwy SSD dla eksperymentu STAR zaczęto myśleć o rozwiązaniu elegantszym i zapewniającym większe możliwości. Testy wszak wszystkich elementów pociągną za sobą powstanie wielkiej ilości wyników testowych. Dane te powinny być zapisane w sposób umożliwiający łatwy do nich dostęp oraz szybkie i efektywne możliwości przeszukiwania i przeglądania. Wtedy to na Wydziale Fizyki Politechniki Warszawskiej powstała idea stworzenia systemu spełniającego wszystkie powyższe warunki. W pracach nad nim od samego początku czynnie uczestniczył autor. System baz danych dla warstwy SSD eksperymentu STAR oparty jest na bazie danych MySQL. Jest to wielowątkowa, wydajna baza danych opracowana przez szwedzką firmę TcX AB. Jej podstawowymi zaletami jest bardzo duża szybkość działania oraz fakt, iż jest ona bezpłatna w zastosowaniach niekomercyjnych na platformie Linux. Jest ona oparta na architekturze klient-serwer. Dzięki temu klientem może być każdy program działający na komputerze podłączonym do Internetu, wspierający MySQL, jak na przykład ROOT. Warto również podkreślić, że MySQL jest serwerem SQL, a co za tym idzie wykorzystuje ten powszechnie znany i stosowany język przy wprowadzaniu, zmianach i dostępie do informacji. Aby zapisać dane testowe w MySQL został zaprojektowany specjalny układ tabel, zapewniający przejrzystość zapisu danych. Jednocześnie uwzględniony został warunek, by 1 zminimalizować ilość zapisywanych danych, to jest nie przetrzymywać informacji nadmiarowych. Ten relacyjny układ tabel odpowiada w dużej mierze drzewiastemu układowi testowanych elementów (chipy, hybryda, wafel, moduł, drabinka, detektor). Do układu tabel musiały zostać również przystosowane narzędzia, za pomocą których obiekty są obecnie testowane. Dostęp do danych został zapewniony za pomocą specjalnego interfejsu napisanego w języku PHP, nazwanego IDAE (Integrated Database and Administration Environment). Dzięki temu każdy uprawniony użytkownik może w łatwy sposób przeglądać z dowolnego Rysunek 44. Możliwości przeszukiwania danych w systemie IDAE miejsca na świecie bazę danych, mając do dyspozycji jedynie komputer podłączony do Internetu i przeglądarkę WWW. Nie jest tu więc istotny np. system operacyjny komputera. Zastosowany język PHP jest rozszerzeniem standardu HTML. Jest to skryptowy język programowania interpretowany i wykonywany przez serwer WWW (w naszym przypadku APACHE). Dzięki umieszczeniu serwera WWW i MySQL na dedykowanym komputerze, cały, czasem dość pracochłonny proces przeszukiwania danych, przeniesiony jest na ten komputer, zmniejszając do minimum wymagania w stosunku do stacji roboczej użytkownika systemu. Interfejs IDAE zawiera w sobie mechanizmy zabezpieczające dostęp do danych, mechanizmy administrowania kontami użytkowników i ustawiania poziomów dostępu oraz przede wszystkim – umożliwiające przeszukiwanie i wizualizację danych. Do dużych jego zalet 2 należą łatwość wyszukiwania wszystkich testów wykonanych dla zadanego obiektu oraz możliwości generowania „w locie” wszystkich wykresów zapisanych w bazie danych. Poniżej przedstawiono kilka przykładowych wykresów wygenerowanych z baz danych z testów przeprowadzonych w laboratorium IReS. Dokładny opis oprogramowania stworzonego do przechowywania i udostępniania danych testowych przekracza tematykę i ramy tej pracy i nie zostanie tu zamieszczony. Rysunek 45. Charakterystyki zarejestrowane podczas jednego testu wafla detektora Rysunek 46. Testy pasków wafla star_027. Widać 4 uszkodzone paski po stronie N modułu i bezbłędną stronę P. 3 Rysunek 47. Przykładowe testy prądowe pętli polaryzującej i ochronnej wafla star_027 uzyskane w systemie IDAE 4 7 Podsumowanie Niniejsza praca miała za zadanie ukazać ogrom zagadnień związanych z zaplanowaniem, wykonaniem i analizą działania detektora, jakim będzie SSD. Przedstawia więc po kolei eksperymenty STAR i ALICE, ich cele i konfigurację. Przedstawia też powód wprowadzenia warstwy SSD i jej budowę. Szczególny nacisk położony jest na elementy, jakimi są układy COSTAR i A128C oraz wafel krzemowy – składniki elementarnego modułu SSD. Związane jest to z faktem, iż autor zarówno na Wydziale Fizyki Politechniki Warszawskiej, jak i w laboratoriach IReS i SUBATECH we Francji pracował nad wieloma zagadnieniami związanymi z krzemowymi detektorami mikropaskowymi. Były to głównie prace na potrzeby kolaboracji STAR. Opisane analizy zachowania detektora przy zmianie jego położenia kątowego to element prac prowadzonych na Wydziale Fizyki i związanych z badaniem działania jednych z pierwszych pełnych modułów SSD. Dokładne poznanie charakterystyk ich działania przy rejestracji promieniowania jonizującego niezbędne jest przed rozpoczęciem eksperymentu STAR. Wykonanie przez autora analiz poprzedzone było przystosowaniem opisanego oprogramowania stosowanego wcześniej w centrum obliczeniowym w Lyonie do pracy na platformie LINUX oraz zgromadzeniem kompletu danych. Przeprowadzone dotychczas analizy potwierdzają celowość wprowadzenia warstwy SSD, jako iż uzyskiwane wyniki nie odbiegają od oczekiwań. Przedstawione testy elektryczne to wynik prac autora nad stanowiskiem do testów elektrycznych zbudowanym w laboratorium SUBATECH w Nantes. Wykonane zostały pod koniec prac autora nad tym stanowiskiem na gotowym już zestawie. Stworzona stacja testowa umożliwia w łatwy sposób sprawdzanie działania elektroniki modułu SSD. Wykonywane za jej pomocą testy to jeden z wielu etapów testów, które elementy warstwy SSD muszą przejść nim zostaną umieszczone w detektorze STAR w laboratorium BNL. Budowa stanowiska do testów elektrycznych była po części impulsem do rozpoczęcia na Wydziale Fizyki prac nad składowaniem danych testowych. Rola autora obejmuje tu współpracę przy przygotowaniu tablic – struktur do umieszczania danych z wszelkich przeprowadzanych dla elementów warstwy SSD detektora STAR testów. Obejmuje również stworzenie systemu IDAE umożliwiającego łatwy dostęp do danych oraz napisanie filtrów umożliwiających łatwe wpisywanie do bazy danych danych z testów prowadzonych w laboratorium IReS w Strasbourgu. Wielkim sukcesem tego projektu jest fakt, iż w chwili obecnej cały system działa prawidłowo, a dane ze wszystkich testów układów A128C, 5 COSTAR, wafli i hybryd umieszczane są w bazie danych, na przeznaczonym do tego celu komputerze znajdującym się na Wydziale Fizyki Politechniki Warszawskiej. 6 8 Spis rysunków RYSUNEK 1. SCHEMATYCZNY DIAGRAM FAZOWY MATERII JĄDROWEJ 9. 4 RYSUNEK 2. ETAPY PRZYŚPIESZANIA CZĄSTEK W EKSPERYMENCIE STAR 9..........................................................................................................................................8 RYSUNEK 3. SCHEMAT PRZYŚPIESZANIA CZĄSTEK W EKSPERYMENCIE ALICE (ZE STRON WWW AKCELERATORA LHC HTTP://WWW.CERN.CH/LHC). .9 RYSUNEK 4. SCHEMAT BUDOWY DETEKTORA STAR 9....................................10 RYSUNEK 5. UKŁAD PANELI DETEKCYJNYCH W DETEKTORZE TPC (STAR) 9.....................................................................................................................................12 RYSUNEK 6. OGÓLNA BUDOWA DETEKTORA ITS 9..........................................12 RYSUNEK 7. OGÓLNY SCHEMAT BUDOWY DETEKTORA TPC DLA EKSPERYMENTU STAR 9.....................................................................................................14 RYSUNEK 8. MIEJSCE UMIESZCZENIA WARSTWY SSD W EKSPERYMENCIE STAR 9....................................................................................................17 RYSUNEK 9. UKŁAD DRABINEK W WARSTWIE SSD DETEKTORA STAR 9 .18 RYSUNEK 10. UKŁAD MODUŁÓW SSD NA DRABINCE 9...................................19 RYSUNEK 11. UKŁAD PASKÓW NA PŁYTCE KRZEMOWEJ WAFLA SSD 9...20 RYSUNEK 12. ZDJĘCIE ZESTAWU POMIAROWEGO STOSOWANEGO W CERNIE......................................................................................................................................21 RYSUNEK 13. BUDOWA I PARAMETRY PŁYTKI KRZEMOWEJ MODUŁU SSD (RYSUNEK WYKONANY PRZEZ C. KUHN).............................................................22 RYSUNEK 14. SCHEMAT BUDOWY UKŁADU A128C 9........................................23 RYSUNEK 15. WYNIK TESTU KANAŁÓW. IMPULS Z WEWNĘTRZNEGO GENERATORA IMPULSÓW SKIEROWANY DO KANAŁÓW 30-70.............................24 7 RYSUNEK 16. STOSUNEK SYGNAŁU DO SZUMU.................................................24 RYSUNEK 17. WYNIKI REKONSTRUKCJI KLASTRÓW.....................................24 RYSUNEK 18. IDEA REKONSTRUKCJI PUNKTU UDERZENIA NA PODSTAWIE INFORMACJI O KLASTRZE........................................................................24 RYSUNEK 19. TEST TRANSPARENTNY. SYGNAŁ DLA LEKKO ODCHYLONYCH OD WARTOŚCI NOMINALNYCH PARAMETRÓW BIASES ORAZ IMPULSU TESTOWEGO O WARTOŚCI 250......................................................................25 RYSUNEK 20. BUDOWA MODUŁOWA UKŁADU COSTAR 9...............................26 RYSUNEK 21. UKŁAD POMIAROWY STOSOWANY PODCZAS TESTÓW NA WIĄZCE 9..................................................................................................................................28 RYSUNEK 22. UZYSKANY W WYNIKU REKONSTRUKCJI OBRAZ WIĄZKI NA DETEKTORZE...................................................................................................................28 RYSUNEK 23. SCHEMAT SPOSOBU POSTĘPOWANIA PRZY PRZYGOTOWANIU WSTĘPNEJ ANALIZY DANYCH TESTOWYCH..........................30 RYSUNEK 24. WZOROWE USTAWIENIE MODUŁU SSD W CZASIE ANALIZY DANYCH....................................................................................................................................31 RYSUNEK 25. SPOSÓB REKONSTRUKCJI KLASTRA. GÓRNY POZIOM ODCIĘCIA DLA PASKA CENTRALNEGO I DOLNY DLA KLASTRA ........................33 RYSUNEK 26. WARTOŚCI PIEDESTAŁU DLA OBU STRON MODUŁU.............34 RYSUNEK 27. PODZIAŁ ŁADUNKU POMIĘDZY PASKI KLASTRA..................35 RYSUNEK 28. HISTOGRAMY ILOŚCI PASKÓW W KLASTRZE DLA TRZECH PIERWSZYCH KĄTÓW. ........................................................................................................36 RYSUNEK 29. HISTOGRAMY RÓŻNICY MIĘDZY RZECZYWISTYM PUNKTEM PRZEJŚCIA CZĄSTKI, A PUNKTEM ZREKONSTRUOWANYM. ...........37 RYSUNEK 30. HISTOGRAMY CAŁKOWITEGO ŁADUNKU ZEBRANEGO PRZEZ PASKI KLASTRA.......................................................................................................38 8 RYSUNEK 31. HISTOGRAMY STOSUNKU ŁADUNKU NA NAJWYŻSZYM PASKU KLASTRA DO ŁADUNKU CAŁEGO KLASTRA.................................................39 RYSUNEK 32. HISTOGRAMY STOSUNKU ŁADUNKU NA DRUGIM PASKU KLASTRA DO ŁADUNKU CAŁEGO KLASTRA...............................................................40 RYSUNEK 33. HISTOGRAMY STOSUNKU ŁADUNKU NA TRZECIM PASKU KLASTRA DO ŁADUNKU CAŁEGO KLASTRA...............................................................40 RYSUNEK 34. SCHEMAT BUDOWY STANOWISKA TESTOWEGO SSD...........42 RYSUNEK 35. WPŁYW WARTOŚCI AMPLITUDY IMPULSU TESTOWEGO NA SYGNAŁ W TEŚCIE TRANSPARENTNYM........................................................................44 RYSUNEK 36. WPŁYW WARTOŚCI IPREAMP NA SYGNAŁ W TEŚCIE TRANSPARENTNYM..............................................................................................................45 RYSUNEK 37. WPŁYW WARTOŚCI VPREAMP NA SYGNAŁ W TEŚCIE TRANSPARENTNYM..............................................................................................................45 RYSUNEK 38. WPŁYW WARTOŚCI ISHAPER NA SYGNAŁ W TEŚCIE TRANSPARENTNYM .............................................................................................................46 RYSUNEK 39.WPŁYW WARTOŚCI VSHAPER NA SYGNAŁ W TEŚCIE TRANSPARENTNYM..............................................................................................................46 RYSUNEK 40. WPŁYW WARTOŚCI IOUTBUFF NA SYGNAŁ W TEŚCIE TRANSPARENTNYM..............................................................................................................47 RYSUNEK 41. PULPIT STERUJĄCY STANOWISKIEM TESTOWYM UKŁADU COSTAR.....................................................................................................................................48 RYSUNEK 42. ELEMENT KODU W LABVIEW - PĘTLA FOR ODPOWIADAJĄCA ZA KOLEJNE POMIARY TEMPERATURY...................................49 RYSUNEK 43. LINIOWA CHARAKTERYSTYKA DZIAŁANIA UKŁADU COSTAR.....................................................................................................................................49 RYSUNEK 44. MOŻLIWOŚCI PRZESZUKIWANIA DANYCH W SYSTEMIE IDAE...........................................................................................................................................52 9 RYSUNEK 45. CHARAKTERYSTYKI ZAREJESTROWANE PODCZAS JEDNEGO TESTU WAFLA DETEKTORA..........................................................................53 RYSUNEK 46. TESTY PASKÓW WAFLA STAR_027. WIDAĆ 4 USZKODZONE PASKI PO STRONIE N MODUŁU I BEZBŁĘDNĄ STRONĘ P........................................53 RYSUNEK 47. PRZYKŁADOWE TESTY PRĄDOWE PĘTLI POLARYZUJĄCEJ I OCHRONNEJ WAFLA STAR_027 UZYSKANE W SYSTEMIE IDAE..........................54 0 9 Bibliografia [1] John W. Harris, Relativistic Heavy Ion Physics and the Relativistic Heavy Ion Collider, Maj 1998. [2] ALICE Collaboration, ALICE Experiment Technical Proposal, Grudzień 1995. [3] Ewa Skrzypczak, Zygmunt Szefliński, Wstęp do fizyki jądra atomowego i cząstek elementarnych, PWN, Warszawa 1995. [4] STAR Collaboration, STAR Conceptual Design Report, PUB-5347, Czerwiec 1992. [5] W. Peryt i inni, Test bench for silicon strip detectors testing, International Conference on Accelerator and Large Experiment Physics Control Systems, Trieste, Italy, 1999. [6] ALICE Collaboration, ALICE Technical Design Report of the Inner Tracking System (ITS), Czerwiec 1999. [7] C. Suire i inni, Off- and in-beam tests of Silicon-strip Detectors for the ALICE experiment at LHC, ALICE/99-22 Internal Note, Maj 1999. [8] F. Retiere i inni, Performances of Double-Sided Silicon Strip Detectors for the ALICE experiment at LHC, 1999. [9] L. Arnold i inni, Experimental study of the spartial resolution of silicon strip detectors for the Inner Tracking System of the ALICE Detector, ALICE/97-12 Internal Note, Kwiecień 1997. [10] M. Germain i inni, Irradiation of a Silicon-Strip Detector and readout chips for the ALICE experiment at LHC, ALICE/99-07 Internal Note, Styczeń 1999. [11] J. P. Coffin, Developments and Tests of Double-Sided Silicon Strip Detectors and Readout Electronics for the Internal Tracking System of ALICE at LHC, 1999. [12] Strony internetowe eksperymentu STAR – http://www.star.bnl.gov [13] Strony internetowe eksperymentu ALICE – http://www.cern.ch/ALICE [14] L. Hebrand, J. P. Blonde, C. Colladani, ALICE128C Technical Report, LEPSI-09-021997. 1 Spis Treści 1 WPROWADZENIE.........................................................................................................2 2EKSPERYMENTY ALICE I STAR...............................................................................3 2.1CELE EKSPERYMENTÓW...................................................................................................3 2.1.1Plazma kwarkowo-gluonowa...............................................................................4 2.1.2 Sygnały przejścia fazowego................................................................................5 2.2KONFIGURACJA EKSPERYMENTÓW......................................................................................7 2.2.1Akcelerator..........................................................................................................8 2.2.2Detektor...............................................................................................................9 2.2.2.1Magnes........................................................................................................10 2.2.2.2Wewnętrzne detektory krzemowe...............................................................11 2.2.2.3Detektor TPC..............................................................................................13 2.2.2.4Detektor TOF..............................................................................................14 2.2.2.5Inne detektory.............................................................................................15 3WARSTWA SSD.............................................................................................................17 3.1OPIS OGÓLNY..............................................................................................................17 3.2BUDOWA MODUŁU SSD................................................................................................19 3.3REJESTRACJA CZĄSTKI W MODULE SSD...........................................................................21 3.4UKŁAD A128C..........................................................................................................22 3.5UKŁAD COSTAR......................................................................................................25 4TESTY MODUŁÓW SSD NA WIĄZCE.....................................................................28 4.1OPIS ZESTAWU POMIAROWEGO........................................................................................28 4.2NARZĘDZIA ANALIZY DANYCH........................................................................................29 4.3REKONSTRUKCJA KLASTRÓW..........................................................................................32 4.4REJESTRACJA CZĄSTEK W ZALEŻNOŚCI OD KĄTA PRZEJŚCIA PRZEZ DETEKTOR...........................35 5TESTY ELEKTRYCZNE MODUŁÓW SSD..............................................................41 5.1ZASTOSOWANIA TESTÓW ELEKTRYCZNYCH.........................................................................41 5.2STANOWISKO TESTOWE..................................................................................................42 5.3WYKONYWANE TESTY ELEKTRYCZNE................................................................................42 5.4PARAMETRY BIASES......................................................................................................43 5.5UKŁAD COSTAR......................................................................................................47 2 6ZAGADNIENIA SKŁADOWANIA DANYCH TESTOWYCH................................51 7PODSUMOWANIE........................................................................................................55 8SPIS RYSUNKÓW ........................................................................................................57 9BIBLIOGRAFIA............................................................................................................61 3
