Prototype modules for the CMS high granularity calorimeter

Abstract

Das High Luminosity Upgrade des LHC am CERN fordert neue Sub-Detektoren für das CMS Experiment vor allem in Vorwärtsrichtung. Einer von diesen ist das High Granularity Calorimeter (HGCal), ein Sampling Kalorimeter, welches hexagonale Silizium-Pad Sensoren als aktive Elemente nutzt. Die aktuelle elektromagnetische und hadronische Kalorimeter-Endkappe des CMS Detektors, welche nicht für die hohen Teilchenflussraten des HL-LHC entworfen wurde, wird mit einem leistungsfähigeren System ersetzt wird. Großflächige Silizumsensoren von 8 Zoll Wafern, welche noch nie zuvor in dieser Anwendung verwendet wurden, werden szintillierende Kristalle ersetzen. Die hexagonalen Module überdecken eine Oberfläche von 600 Quadratmetern und müssen einer Teilchenrate von bis zu 10 16 n_eq/cm 2 standhalten. Diese Arbeit ist in zwei Teile geteilt. Zuerst wurden Prototyp-Module unter realen Bedingungen während eines Strahltests am CERN untersucht. Prospektive Strahltests benötigen intensive Vorbereitungen, welche Funktionstests, Standardisierung und Simulation im Vorhinein benötigen um Design-Probleme zu identifizieren. Meine Beteiligung an diesem Projekt umfasst den Empfangstest von kleineren Demonstrator-Modulen nach deren Zusammenbau im Ausland und Montage eines sampling Kalorimeter aus diesen, welches in einem Strahltest in CERNs Nord-Areal des SPS Beschleunigers benutzt und getestet werden soll. Danach wurden die Daten analysiert, mit Fokus auf die Performance von einzelnen Modulen in Bezug auf Rauschen und Stabilität der Basiswerte. Größere 8 Zoll Sensoren und Hexaboards wurden für weitere Verwendung im Detektor produziert. Ich habe am Testen dieser Sensoren und den allerersten Auslesen-Boards teilgenommen. Danach wurden Studien an Silizium Detektoren durchgeführt. Für diese wurde ein modifiziertes Auslese-Board an Sensoren im Reinraum angeschlossen und ein neues Messsystem aufgesetzt. Kommissionierung dieses Systems und Entwicklungen für zukünftige Nutzung als Ladungserfassungseffizienz-Test sind teil dieser Arbeit. Diese Art von Tests benötigen ein Datenaufnahmesystem. Die Weiterentwicklung dieses Systems, vor allem Integration zusätzlicher Hardware für Labortests und Integration schneller online-Tests während der Datennahme, sind ebenfalls Teil dieser Arbeit. Zu guter Letzt kombiniert die Analyse von Sensoren, welche das neue System benutzt, Interessen von Modul- und Sensorseite. Diese Studien benötigen ebenfalls eine kombinierte Software, welche Beiträge von (zuvor) völlig verschiedenen Laborsystemen benötigt. Nette Resultate dieser Studie zur Performance von Sensor-Rauschen, welche noch nie zuvor für diesen Sensortyp durchgeführt wurden, werden präsentiert.

The High Luminosity upgrade of the LHC at CERN demands new sub-detectors for the CMS experiment especially in forward direction. One of them is the High Granularity Calorimeter (HGCal), a Sampling calorimeter which uses hexagonal silicon pad sensors as active detector material. The current electromagnetic and hadronic calorimeter endcap of the CMS detector, which was not designed for the high particle rates of the HL-LHC, will be replaced by a more powerful system. Large-area silicon sensors built from 8-inch wafers, which have never been used in this application before, will replace scintillator crystals. The hexagonal modules will cover a surface over about 600 square meters and have to resist a particle fluence of up to 10 16 n_eq/cm 2. This thesis is divided into to main parts. Firstly, prototype modules have been studied under real conditions at a beam test at CERN. Prospective test beams require extensive preparations that include functionality tests, standardization and simulation in advance to identify design problems. My involvement in this project covered the reception test of smaller demonstrator modules after assembly abroad and assembly of a sampling calorimeter out of them to be used and tested during a beam test at CERNs North Area of the SPS accelerator. Afterwards, data analysis has been performed, focusing on performance of single modules with respect to noise and pedestal stability. Larger 8-inch sensors and hexaboards have been produced for further use in the detector. I took part in testing these sensors and the very first 8-inch readout boards. Secondly, studies on silicon sensors are conducted. Therefore, a modified readout board has been connected to the sensor in a cleanroom and a complete new measurement system has been set up. Commissioning of this setup and development for future use as a charge collection efficiency test are part of this thesis. All these kind of tests need a data acquisition system. Further development of this system, especially integrating different hardware for laboratory tests as well as integrating fast online tests already during data-taking, have been part of this thesis as well. Last but not least, analysis of sensors, using the new setup combines interests from modules and sensor perspective. These studies also require a combined software, taking input from two (initially) completely different laboratory setups. Some very nice result from this study on noise performance of sensors, which has never been done before with this type of sensor are presented.