Develpment of the control system for the ALICE Transition Radiation Detector and of a test ...

255 Pages·2009·28.25 MB·English

by  Jorge Mercado

Development of the control system of the ALICE
Transition Radiation Detector and of a test
environment for quality-assurance of its front-end electronics
Dissertation
Jorge Mercado P´erez
Supervisor:
Prof. Dr. Johanna Stachel
Physikalisches Institut,
Universit¨at Heidelberg
Heidelberg, September 2008

Dissertation
submitted to the
Combined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematics
of the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
Put forward by
M. Sc. Jorge Mercado P´erez
Born in: Mexico City, Mexico
Oral examination: November 10, 2008

Development of the control system of the ALICE
Transition Radiation Detector
and of a test environment for quality-assurance
of its front-end electronics
Referees: Prof. Dr. Johanna Stachel
Prof. Dr. Hans-Christian Schultz-Coulon

Entwicklung des Kontrollsystems fu¨r den ALICE
¨
Ubergangsstrahlungsdetektor und eines Test-setups
zur Qualit¨atssicherung der front-end Elektronik
Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Detektor-Kontroll-System (DCS) f¨ur den U¨bergangs-
strahlungsdetektor (TRD) des ALICE Experiments am Large Hadron Collider entwickelt. Das
TRD Kontrollsystem ist vollst¨andig implementiert als eine detektororientierte Hierarchie von
Objekten, welche sich wie End-Zustandsautomaten verhalten. Es kontrolliert und ¨uberwacht
¨uber 65 tausend front-end Elektronik (FEE) Einheiten, einige hundert low-voltage und ein-
tausend high-voltage Kan¨ale, sowie weitere Subsysteme wie K¨uhlung und Gasversorgung. Die
Inbetriebnahme des TRD Kontrollsystems fand w¨ahrend mehrerer Datennahmen mit ALICE
unter Verwendung von Ereignissen aus der kosmischen Strahlung statt.
In einem weiteren Teil dieser Arbeit wurde ein Test-setup zur Qualit¨atssicherung der Massen-
produktion von ¨uber viertausend FEE Readout-boards mit insgesamt 1.2 Millionen elektro-
nischen Auslesekan¨alen des TRD entwickelt. Die Hardware- und Softwarekomponenten wer-
den im Detail beschrieben. Zus¨atzlich wurde vorher eine Reihe von Leistungsuntersuchun-
gen durchgef¨uhrt, welche die Strahlungstoleranz des TRAP-chips ¨uberpr¨uft, der den Haupt-
bestandteil der TRD-FEE darstellt.
Development of the control system of the ALICE
Transition Radiation Detector and of a test environment
for quality-assurance of its front-end electronics
Within this thesis, the detector control system (DCS) for the Transition Radiation Detector
(TRD) of the ALICE experiment at the Large Hadron Collider has been developed. The TRD
DCS is fully implemented as a detector oriented hierarchy of objects behaving as finite state
machines. It controls and monitors over 65 thousand front-end electronics (FEE) units, a few
hundred low voltage and one thousand high voltage channels, and other sub-systems such as
cooling and gas. Commissioning of the TRD DCS took place during several runs with ALICE
using cosmic events.
Another part of this thesis describes the development of a test environment for large-scale
productionquality-assuranceofover4thousandFEEread-outboardscontainingintotalabout
1.2 million read-out channels. The hardware and software components are described in detail.
Additionally,aseriesofperformancestudieswerecarriedoutearlierincludingradiationtolerance
tests of the TRAP chip which is the core component of the TRD FEE.

Contents
Abstract vii
Part I – Introductory Material 1
1
.Introduction 3
2
.The LHC and experiments 11
2.1 The accelerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.1 Luminosity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.1.2 The LHC layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.3 The accelerator complex . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 Experiments at the LHC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.1 ATLAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.2 CMS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.3 LHCb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.4 ALICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.5 TOTEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.6 LHCf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3
.The ALICE experiment 21
3.1 Purpose and physics motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2 The ALICE detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2.1 Central barrel detectors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2.2 Forward detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2.3 Muon spectrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3 Trigger and data acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
ix
x Contents
3.3.1 Pre-trigger system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3.2 L0, L1, L2 trigger levels . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3.3 High-Level Trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3.4 Data acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4
.The ALICE TRD 31
4.1 Transition radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.2 Detector requirements and design . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.2.1 Physics requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.2.2 Detector design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.3 Readout and basic infrastructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.3.1 Readout electronics chain . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.3.2 Low voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.3.3 High voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Part II – TRD FEE quality assurance 41
5
.TRD front-end electronics 43
5.1 Multi-Chip Module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.1.1 Preamplifier and shaping amplifier . . . . . . . . . . . . . 46
5.1.2 The Tracklet Processing chip . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.2 Readout Board . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.3 Additional components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6
.Radiation and performance studies 57
6.1 Radiation tests of the TRAP chip . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6.1.1 Radiation in the TRD − quantities and units . . . . . . . 58
6.1.2 Radiation effects in electronic devices . . . . . . . . . . . 60
6.1.3 Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.1.4 Test procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
6.1.5 Total dose calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
6.1.6 Results and conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
6.2 PASA characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75