Aufbau eines Teststandes zur Integration von Silizium ...

Aufbau eines Teststandes zur Integration 

von Silizium-Streifendetektoren in den 

Vorwärtsbereich des CMS-Experimentes 

von 

Alexander Floßdorf 

Diplomarbeit in Physik 

vorgelegt der 

Mathematisch–Naturwissenschaftlichen Fakultät 

der Rheinisch–Westfälischen Technischen Hochschule Aachen 

im 

September 2004 

angefertigt im 

III. Physikalischen Institut, Lehrstuhl B 

Prof. Dr. J. Mnich

Zusammenfassung 

In die Endkappen des CMS-Spurdetektors sollen rund 6.500 Silizium-Streifenmodule 

eingebaut werden. Diese werden auf segmentartigen Tragestrukturen, den 

sog. Petals, montiert, von denen jeweils 16 auf einem der neun Räder der Trackerendkappe 

angebracht werden. Für den Zusammenbau und die Funktionsfähigkeitstests 

der Petals wird in Aachen ein Integrationsteststand aufgebaut, an 

dem 41 der insgesamt 288 Petals montiert und getestet werden sollen. Da der 

CMS-Spurdetektor zur Verminderung von Strahlenschäden bei −10 ◦ C betrieben 

werden wird, wird zur Überprüfung der Petals bei dieser Temperatur ein Long- 

Term-Teststand entwickelt, an dem die Petals mehrtägige Kühlzyklen durchlaufen 

werden. 

In dieser Arbeit werden der Aufbau und die Funktionsweise der Petals beschrieben 

und die beiden Teststände vorgestellt. Im Juli 2004 wurden der Aachener 

Integrationsteststand in Betrieb genommen und das erste Petal integriert. Die Ergebnisse 

und Erfahrungen dieser Integration und der momentane Status des Integrationsteststandes 

werden dargestellt. Die bisher mit dem Long-Term-Teststand 

durchgeführten Messungen werden erläutert und in Bezug auf die Funktionsfähigkeit 

und die Einhaltung der für die Petal-Tests geforderten Eigenschaften analysiert.

Inhaltsverzeichnis 

1 Einleitung 1 

1.1 Der LHC-Beschleuniger am CERN . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 

1.2 Das CMS-Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 

1.2.1 Der CMS-Detektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 

1.2.2 Die Tracker-Endkappen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 

2 Silizium-Streifendetektoren 7 

2.1 Halbleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 

2.1.1 Eigenschaften von Halbleitern . . . . . . . . . . . . . . . . 7 

2.1.2 Dotierung von Halbleitern . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 

2.1.3 Die Halbleiterdiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 

2.1.4 Die ladungsträgerarme Zone einer Halbleiterdiode . . . . . 10 

2.2 Halbleiterdetektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 

2.2.1 Detektionsmechanismus eines Halbleiterdetektors . . . . . 11 

2.2.2 Strahlenschäden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 

2.2.3 Aufbau eines Silizium-Streifendetektors . . . . . . . . . . . 12 

2.3 Die CMS-Endkappen-Module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 

2.3.1 Aufbau eines Moduls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 

2.3.2 Der APV-Chip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 

2.3.3 Der APV-MUX-Chip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 

2.3.4 Der TPLL-Chip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 

2.3.5 Der DCU-Chip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 

3 Das Petal 19 

3.1 Mechanischer Aufbau eines Petals . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 

3.1.1 Mechanische Struktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 

3.1.2 Wärmeproduktion der einzelnen Komponenten . . . . . . . 20 

3.1.3 Kühlung eines Petals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 

3.1.4 Mechanische Befestigung der Module auf dem Petal . . . . 22 

3.2 Elektronischer Aufbau eines Petals . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 

3.2.1 Funktionsweise eines Petals . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 

3.2.2 Die Steuerung der elektrischen Komponenten . . . . . . . 25 

3.2.3 Die Siliziummodule auf einem Petal . . . . . . . . . . . . . 28 

3.2.4 Das Auslesesystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 

3.2.5 Spannungsversorgung und Verkabelung des Petals . . . . . 32 

i

ii 


4 Komponenten der Teststände 35 

4.1 Transportrahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 

4.2 Kühlung des Petals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 

4.3 Verkabelung des Petals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 

4.4 Aufbau des Auslesesystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 

5 Der Integrationsteststand 39 

5.1 Vorgehensweise bei der Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 

5.2 Montage der Module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 

5.3 Aufbau des Teststandes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 

5.3.1 Kühlung des Petals bei der Integration . . . . . . . . . . . 41 

5.3.2 Spannungsversorgung und Steuerung des Petals . . . . . . 41 

5.3.3 Das Auslesesystem des Integrationsteststandes . . . . . . . 41 

5.3.4 Das ARC-System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 

5.4 Durchführung der Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 

5.4.1 Vorgehensweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 

5.4.2 Montage und Test der CCUs . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 

5.4.3 Montage und Test der AOHs . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 

5.4.4 Montage und Test der Module . . . . . . . . . . . . . . . . 47 

6 Durchführung einer Integration 51 

6.1 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 

6.1.1 Abweichungen vom vorgesehenen Aufbau . . . . . . . . . . 51 

6.1.2 Die CCUM-FEC-Adapterkarte . . . . . . . . . . . . . . . . 51 

6.2 Montage eines Petals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 

6.2.1 Verwendete Komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 

6.2.2 Integration eines Front-Petals . . . . . . . . . . . . . . . . 53 

6.2.3 Aus der ersten Integration gewonnene Erkenntnisse . . . . 54 

7 Der Long-Term-Teststand 57 

7.1 Der Kühlschrank . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 

7.1.1 Mechanischer Aufbau des Kühlschrankes . . . . . . . . . . 57 

7.1.2 Spannungsversorgung des Petals beim Long-Term-Test . . 61 

7.2 Aufbau des Teststandes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 

7.3 Auslesesystem des Long-Term-Teststandes . . . . . . . . . . . . . 64 

7.4 Abweichungen vom vorgesehenen Aufbau . . . . . . . . . . . . . . 64 

7.5 Definition der Messgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 

7.5.1 Pedestal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 

7.5.2 Rauschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 

7.5.3 Common-Mode-korrigiertes Rauschen . . . . . . . . . . . . 67 

8 Tests des Long-Term-Aufbaus 69 

8.1 Kühlmessung ohne Last . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 

8.2 Kühlmessung mit einem Back-Petal . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 

8.2.1 Besonderheiten im Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 

8.2.2 Vorbereitung der Kühlmessung . . . . . . . . . . . . . . . 70


iii 

8.2.3 Durchführung der Kühlmessung . . . . . . . . . . . . . . . 71 

8.3 Ergebnisse und Verbesserungsvorschläge . . . . . . . . . . . . . . 71 

8.3.1 Kühlverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 

8.3.2 Verbesserungen im mechanischen Aufbau . . . . . . . . . . 74 

8.3.3 Spannungsversorgung und Auslesesystem . . . . . . . . . . 75 

8.3.4 Verhalten der Module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 

9 Zusammenfassung und Ausblick 79 

A Technische Zeichnungen eines Front-Petals 81 

B Normal- und Stereomodule 85 

C Tabelle zu den Modulpositionen 87 

C.1 Back-Petal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 

C.2 Front-Petal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 

D Angaben zu den Modulringen auf den Petals 89 

D.1 Vollbestücktes Front-Petal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 

D.2 Vollbestücktes Back-Petal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 

E Logistik des Petal-Baus 91 

F Schematischer Aufbau des Integrationsteststandes 93 

G Isolierung des Kühlschrankes 95 

Abkürzungsverzeichnis 97 

Abbildungsverzeichnis 99 

Literaturverzeichnis 101 

Danksagungen 105 

Index 107

iv 

Inhaltsverzeichnis

Kapitel 1 

Einleitung 

1.1 Der LHC-Beschleuniger am CERN 

Das Ziel des Standardmodells der Elementarteilchenphysik ist eine geschlossene 

Darstellung der fundamentalen Teilchen und ihrer Wechselwirkungen. Das heutige 

Standardmodell umfasst drei der vier bekannten Wechselwirkungen, nämlich die 

starke, die schwache und die elektromagnetische Kraft, während die Gravitation 

bisher noch nicht in dieses Modell integriert werden konnte. Die fundamentalen 

Teilchen sind sechs Leptonen und sechs Quarks. Um die beobachteten Massen der 

Austauschteilchen der schwachen Wechselwirkung, d. h. des Z-Bosons und der 

W-Bosonen, und der sechs Leptonen und Quarks in diesem Modell erklären zu 

können, wird ein weiteres Feld, das Higgs-Feld, postuliert. Über die Wechselwirkung 

mit den Feldquanten, den Higgs-Bosonen, erhalten die Teilchen ihre Masse. 

Eines der erklärten Hauptziele der Elementarteilchenphysik ist der Nachweis dieses 

Higgs-Bosons, bei dem es sich um das einzige noch nicht beobachtete Teilchen 

des Standardmodells handelt. 

Am Europäischen Kernforschungszentrum CERN 1 in Genf wird zur Zeit der 

Ringbeschleuniger LHC 2 aufgebaut, bei dem Protonen mit Protonen kollidieren 

werden. Der Vorteil eines Proton–Proton-Beschleunigers gegenüber z. B. dem Vorgänger 

LEP 3 , bei dem Elektronen und Positronen miteinander reagierten, ist die 

wesentlich größere maximale Schwerpunktsenergie, die bei LHC 14 TeV im Vergleich 

zu maximal 209 GeV bei LEP beträgt. Da die Masse des Higgs-Teilchens 

bei ca. 120 GeV/c 2 vermutet wird [1], sollte dieses beim LHC entdeckt werden 

können. Eine weitere Aufgabe ist die Suche nach Teilchen außerhalb des Standardmodells, 

z. B. nach supersymmetrischen Teilchen. 

Zur Untersuchung dieser Aspekte befinden sich an vier Stellen des unterirdischen, 

27 km langen Beschleunigertunnels vier Wechselwirkungspunkte, an denen 

die beiden entgegengesetzt laufenden Protonstrahlen zur Kollision gebracht werden 

sollen. Die dort aufgebauten Experimente sind das Schwerionenexperiment 

1 CERN: Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire. 

2 LHC: Large Hadron Collider. 

3 LEP: Large Electron Postitron Collider. 

1

2 Kapitel 1. Einleitung 

Vorwärts- 

Kalorimeter 

Supraleitende 

Spule 

Silizium- 

Streifendetektoren 

Silizium- 

Pixeldetektoren 

Hadronisches 

Kalorimeter 

Elektromagnetisches 

Kalorimeter 

Myon- 

kammern 

Abbildung 1.1: Das CMS-Experiment: Man erkennt die einzelnen, um die Strahlachse 

konzentrisch angeordneten Elemente des Detektors. Quelle: [2] 

ALICE 4 , das den Zerfall von B-Mesonen untersuchende Experiment LHCb, und 

die beiden ” 

Universaldetektoren“ ATLAS 5 und CMS 6 . 

1.2 Das CMS-Experiment 

1.2.1 Der CMS-Detektor 

Der CMS-Detektor besteht, wie in Abb. 1.1 zu sehen, von innen nach außen aus 

einem Spurdetektor, einem elektromagnetischen und einem hadronischen Kalorimeter, 

einer supraleitenden Spule und Myonkammern. Die supraleitende Spule, 

die den Spurdetektor und die beiden Kalorimeter umgibt, erzeugt ein homogenes 

Magnetfeld von 4 T parallel zur Strahlrichtung und bewirkt dadurch bei elektrisch 

geladenen Objekten eine Bahnkrümmung, deren Radius Rückschlüsse auf 

Ladung und Impuls des beobachteten Teilchen zulässt. 

Der Spurdetektor, häufig mit dem englischen Wort Tracker bezeichnet, ist vollständig 

aus Siliziumsensoren aufgebaut, wobei der innerste Bereich aus Silizium- 

Pixeldetektoren und die anderen Teile aus Silizium-Streifendetektoren bestehen. 

4 ALICE: A Large Ion Collider Experiment. 

5 ATLAS: A Toroidal LHC Apparatus. 

6 CMS: Compact Muon Solenoid.

1.2. Das CMS-Experiment 3 

Abbildung 1.2: Aufbau des CMS-Spurdetektors. Quelle: [3] 

Eine schematische Skizze des Spurdetektors und die Gliederung in die Bereiche 

Pixeldetektor, TID 7 , TIB 8 , TOB 9 und TEC 10 sieht man in Abb. 1.2. Die Bereiche 

TIB und TOB umschließen die Strahlachse zylinderförmig, während TID und 

TEC in radartigen Strukturen angeordnet sind und den Vorwärtsbereich des Spurdetektors 

abdecken. Insgesamt werden in dem 24,4 m 3 umfassenden Tracker mehr 

als 15.000 Silizium-Streifenmodule, davon über 9.000 mit zwei Siliziumsensoren, 

angebracht. In Abb. 1.3 sieht man einen Querschnitt eines Viertels des Spurdetektors. 

Man erkennt, dass benachbarte Module überlappend angeordnet sind, um 

die gesamte Fläche eines Zylinders bzw. Rades abzudecken. Eine Beschreibung 

der Module befindet sich in Kapitel 2. 

Da die hochenergetische Strahlung zu Beschädigungen des Siliziums führt (vgl. 

Abschnitt 2.2.2), wird der Tracker zur Minimierung dieser Strahlenschäden bei 

−10 ◦ C betrieben. Um bei dieser Temperatur Kondensation auf dem Silizium zu 

vermeiden, wird der Tracker zur Reduzierung der Luftfeuchtigkeit vollständig mit 

Stickstoff gespült. Im Folgenden soll näher auf die Tracker-Endkappen (TEC) 

eingegangen werden. 

1.2.2 Die Tracker-Endkappen 

Die beiden Tracker-Endkappen bestehen aus jeweils neun mit Silizium-Streifendetektoren 

bestückten Rädern. Eine Darstellung des Aufbaus einer kompletten 

7 TID: Tracker Inner Disk. 

8 TIB: Tracker Inner Barrel. 

9 TOB: Tracker Outer Barrel. 

10 TEC: Tracker End Cap.


r [mm] 

1200 

1100 

1000 

900 

800 

700 

600 

500 

400 

300 

200 

100 

η 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 

z view 

1.6 

1.7 

1.8 

1.9 

2 

2.1 

2.2 

2.3 

2.4 

2.5 

0 

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 

z [mm] 

Einseitige Module 

Doppelseitige Module 

Outer Barrel TOB 

Inner Barrel TIB 

Endkappe TEC 

Inner Disks TID 

Abbildung 1.3: Querschnitt durch ein Viertel des CMS-Spurdetektors: Man erkennt 

die Bereiche TIB, TID, TOB und TEC. Doppelseitige Module (vgl. 

Abschnitt 3.2.3) sind blau, Einfachmodule rot dargestellt. η bezeichnet 

die Pseudorapidität. Quelle: [4] 

Endkappe ist in Abb. 1.4 zu sehen. Man kann erkennen, dass die grau dargestellten, 

mechanischen Radstrukturen, deren Durchmesser ca. 2 m beträgt, kreisförmige 

Aussparungen besitzen. Diese dienen der Reduzierung des verbauten Materials, 

um die Anzahl der Wechselwirkungen der bei einer Kollision erzeugten Teilchen 

mit Materie zu minimieren. Die bei der Proton–Proton-Reaktion entstandenen 

Teilchen können bei der Durchquerung von Materie mit dieser wechselwirken und 

die Analyse durch Schauerbildung o. ä. erschweren. 

Da die Bestückung eines kompletten Rades mit Silizium-Streifenmodulen sehr 

kompliziert und auftretende Fehler nur schwierig zu beheben wären, werden die 

Module auf Petals 11 genannten Tragestrukturen angebracht. Um die gesamte Fläche 

außerhalb der Strahlachse abdecken zu können, werden die Module auf beiden 

Petal-Seiten montiert, so dass die freien Stellen auf einer Petal-Seite durch Module 

auf der anderen Seite abgedeckt werden (vgl. Abb. 1.3). Um Lücken zwischen 

zwei Petals zu vermeiden, werden auf beiden Seiten eines Rades Petals angebracht 

(Abb. 1.5), so dass die Siliziummodule benachbarter Petals überlappen. Die Module 

aller Petals eines Rades bilden kreisförmige Ringe um die Strahlachse, weshalb 

man auch auf dem Petal von einer Anordnung in Ringen spricht (vgl. Abb. 1.4). 

Die drei am nächsten zum Wechselwirkungspunkt gelegenen Räder einer Endkappe 

besitzen sieben Ringe, das äußerste Rad nur noch vier (vgl. Abb. 1.3). Die 

auf der dem Wechselwirkungspunkt zugewandten Seite montierten Petals heißen 

11 Petal ist das englische Wort für Blütenblatt.

1.2. Das CMS-Experiment 5 

Ring 1 

Ring 3 

Ring 5 

Ring 7 

Abbildung 1.4: Bild einer kompletten Tracker-Endkappe. Jedes der neun Räder besteht 

aus 16 Petals. Quelle: [5] 

Front-Petals, die auf der abgewandten Seite Back-Petals. Je ein Front- und ein 

Back-Petal bilden zusammen eine autarke elektrische Einheit. Jedes Rad besitzt 

acht Front- und acht Back-Petals, wobei die Bestückung der beiden Petalarten 

mit Modulen stets verschieden ist. Insgesamt werden in den Tracker-Endkappen 

über 6.500 Module auf 288 Petals montiert. 

Einen enormen Vorteil durch die Petals verspricht man sich bei der Wartung. 

Falls eine Komponente ausfällt, muss zur Reparatur nicht das gesamte Rad demontiert, 

sondern lediglich ein Petal herausgenommen werden. 

Für den Bau der Endkappen ist eine Kollaboration (TEC-Kollaboration) mehrerer 

physikalische Institute aus diversen Ländern zuständig, zu der auch das 

III. Physikalische Institut B der RWTH Aachen gehört. Von diesen werden die 

einzelnen Komponenten arbeitsteilig gefertigt und getestet. Das III. Physikalische 

Institut B wird u. a. 41 Petals zusammenbauen und testen. 

Die Petals bestehen aus einer Tragestruktur, auf der die Silizium-Streifenmodule 

und mehrere elektronische Komponenten für die Steuerung und Auslese 

angebracht werden. Nach ihrer Montage wird die Funktionsfähigkeit der Bauteile 

auf dem Petal überprüft. Für den Bau und Funktionsfähigkeitstest der Petals 

wird ein Integrationsteststand aufgebaut. Da der CMS-Tracker bei −10 ◦ C betrieben 

werden wird, soll vorher das Verhalten der Petals bei dieser Temperatur


Radstruktur 

Module 

Front-Petal 

Back-Petal 

 

Abbildung 1.5: Die Petals einer Tracker-Endkappe werden überlappend montiert. 

Quelle: [6] 

überprüft werden. An einem Long-Term-Teststand 12 werden die Petals in einem 

speziellen Kühlschrank gekühlt und ihr Verhalten beobachtet. Zum einen handelt 

es sich um einen mechanischen Stresstest, zum anderen kann das Verhalten der 

Silizium-Streifendetektoren im gekühlten Zustand untersucht werden. 

In den folgenden Kapiteln sollen zuerst die grundlegende Funktionsweise von 

Silizium-Streifenmodulen erläutert und die verwendeten Module näher erklärt 

(Kapitel 2) sowie das Petal und seine Komponenten vorgestellt werden (Kapitel 3). 

Anschließend werden einige allgemeine Erläuterungen zu den für Tests außerhalb 

des Trackers notwendigen Komponenten gegeben (Kapitel 4) und der Integrationsund 

Long-Term-Teststand vorgestellt (Kapitel 5 und 7). Weiterhin werden die 

bisher durchgeführten Tests und der momentane Status der Teststände vorgestellt 

(Kapitel 6 und 8). 

12 Long-Term-Test ist der englische Begriff für Langzeittest.

Kapitel 2 

Silizium-Streifendetektoren 

Die Sensoren der Module des CMS-Spurdetektors bestehen aus Silizium. Bei Silizium 

handelt sich um einen Halbleiter. In diesem Kapitel sollen kurz die wichtigsten 

Eigenschaften von Halbleitern angegeben und der Detektionsmechanismus von Siliziumdetektoren 

erklärt werden. Weiterhin werden die in den Tracker-Endkappen 

verwendeten Module näher beschrieben. 

2.1 Halbleiter 

2.1.1 Eigenschaften von Halbleitern 

Bei Silizium handelt es sich um ein Element der vierten Hauptgruppe des Periodensystems, 

das bei Raumtemperatur in einer Kristallstruktur vorliegt. Aufgrund 

des Pauli-Prinzips können zwei Elektronen eines Festkörpers nicht im 

gleichen Zustand sein, was zu geringen Verschiebungen der Energieniveaus der 

Elektronen der Einzelatome führt. Wegen der großen Anzahl an Atomen in einem 

Festkörper ist der Abstand dieser Niveaus jedoch so gering, dass diese wie 

ein kontinuierliches Energiespektrum behandelt werden können. Man spricht von 

Energiebändern. 

Bei Silizium bilden sich aus den Energieniveaus der Valenzschale zwei Energiebänder, 

das Valenz- und das Leitungsband, die durch einen Bereich ohne Energieniveaus, 

der verbotenen Zone voneinander getrennt sind (vgl. Abb. 2.1). Silizium 

besitzt vier Valenzelektronen, die bei einer Temperatur von 0 K das Valenzband 

vollständig besetzen, während das Leitungsband leer ist. 

Um vom Valenz- in das Leitungsband zu gelangen, benötigt ein Elektron mindestens 

die Energie, die der Breite der verbotenen Zone entspricht. Bei Temperaturen 

im Bereich von 300 K befinden sich aufgrund thermischer Anregung immer 

einige Elektronen im Leitungs- und somit auch Ladungsträger im Valenzband. Im 

Valenzband kann sich ein Elektron frei bewegen, also zur Stromleitung beitragen, 

man spricht von Elektronenleitung. Durch ein in das Leitungsband angehobenes 

Elektron bleibt im Valenzband ein unbesetzter Zustand zurück, der als Defektelektron 

oder Loch bezeichnet wird. Da dieser Zustand von Elektronen besetzt werden 

kann, kann sich das Loch verschieben und sukzessive durch den Kristall wandern. 

7

8 Kapitel 2. Silizium-Streifendetektoren 

Energie 

Leitungsband 

Donatorniveau 

Akzeptorniveau 

Verbotene 

Zone 

Valenzband 

Abbildung 2.1: Schematische Darstellung des Bändermodells. 

Es wirkt somit wie ein positive Ladung und man spricht von Löcherleitung. 

Bei einem Isolator ist die verbotene Zone so groß, dass bei Raumtemperatur 

fast keine freien Ladungsträgerpaare erzeugt werden können. Materialien, die 

bei der Zuführung einer bestimmten Mindestenergie leitend werden, bezeichnet 

man als Halbleiter. 1 Diese Mindestenergie, die vom Abstand zwischen dem höchsten 

Energieniveau des Valenzbandes und dem niedrigsten des Leitungsbandes 

abhängt, beträgt bei Silizium 1,12 eV. Da aber die Elektronen auf der niedrigsten 

Energiestufe des Leitungsbandes einen größeren Impuls besitzen als die Löcher 

auf der höchsten Stufe des Valenzbandes, muss einem Elektron zusätzlich 

dieser Impuls mitgegeben werden, wenn ein Übergang zwischen diesen beiden 

Niveaus stattfinden soll. Stoffe mit dieser Eigenschaft nennt man indirekte Halbleiter. 

Dadurch beträgt die zur Erzeugung eines Elektron-Loch-Paares benötigte 

Mindestenergie bei Silizium 3,6 eV. 

2.1.2 Dotierung von Halbleitern 

Als Dotierung bezeichnet man die gezielte Verunreinigung eines Halbleiterkristalles 

mit Fremdatomen. Besetzt man einen Platz im Kristallgitter mit einem Atom 

einer höheren Hauptgruppe, so hat dieses mehr Valenzelektronen, von denen die 

überzähligen nicht an den kovalenten Atombindungen beteiligt sind. Diese können 

bereits durch geringe Energiezufuhr entfernt werden, so dass sie im Kristall 

frei beweglich sind. Im Bändermodell entsprechen dieser Dotierung zusätzliche 

Energieniveaus, die sich unterhalb des Leitungsbandes befinden und Donatorniveaus 

genannt werden (vgl. Abb. 2.1). Die Energielücke zwischen den Donatorniveaus 

und dem Leitungsband ist wesentlich geringer als zwischen Valenz- und 

Leitungsband, wodurch bereits eine geringere Energie ausreicht, um ein Elektron 

ins Leitungsband zu bringen. Man spricht von n-Dotierung. 

Entsprechend kann man einen Halbleiter auch mit Atomen mit weniger Valenzelektronen 

dotieren. Dieser Vorgang heißt p-Dotierung. In diesem Fall kann sich 

1 Die Unterscheidung zwischen Isolatoren und Halbleitern ist eine Definitionssache und hängt 

von der Höhe der festgelegten Mindestenergie ab.

2.1. Halbleiter 9 

Löcher 

Elektronen 

− 

− 

− 

− 

− 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

− 

− 

− 

− 

− 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

− 

p-dotiert 

− 

− 

− − + + + 

{ 

Verarmungszone 

+ 

n-dotiert 

+ 

Abbildung 2.2: Bei einer Diode entsteht am p-n-Übergang durch Rekombination von 

Elektronen und Löchern eine ladungsträgerarme Zone. Quelle: [4] 

eine sonst vorhandene kovalente Bindung nicht ausbilden, und ein Loch entsteht, 

das bestrebt ist, mit einem Elektron zu rekombinieren. Im Bändermodell kann 

man dies mit der Einführung von Akzeptorniveaus erklären, die sich oberhalb des 

Valenzbandes befinden (vgl. Abb. 2.1). Reicht die Energie eines Elektrons, um 

vom Valenzband aus diese Niveaus zu erreichen, bleibt ein Loch im Valenzband 

zurück, das in diesem zur Leitung beitragen kann. 

Zur p-Dotierung von Silizium werden meistens Bor oder Aluminium (dritte 

Hauptgruppe) und zur n-Dotierung Phosphor (fünfte Hauptgruppe) verwendet. 

Die Dotierungsdichte liegt normalerweise in der Größenordnung von einem 

Fremdatom pro 10 6 Atome. Stark dotierte Halbleiter enthalten bis zu 1% Fremdatome 

[7]. Sie werden durch ein hochgestelltes ” 

+“ gekennzeichnet, also mit n + 

bzw. p + bezeichnet. 

2.1.3 Die Halbleiterdiode 

Werden eine p- und eine n-dotierte Schicht eines Halbleiters miteinander verbunden, 

so spricht man von einer Halbleiterdiode. Aufgrund der Konzentrationsdifferenz 

von Löchern und Elektronen diffundieren Elektronen von der n- in die 

p-Schicht und es kommt zur Rekombination der beiden Ladungsträgerarten. Dadurch 

fehlen im n-Bereich Elektronen, die für die elektrische Neutralität notwendig 

wären, und die n-Schicht ist in der Nähe des Übergangsgebietes durch die 

zurückbleibenden Ionenrümpfe positiv geladen. Gleichzeitig sinkt im p-Gebiet 

die Zahl der Löcher, was zu einer effektiven negativen Ladung in diesem Bereich 

führt. Das durch diese Ladungsverschiebung entstehende elektrische Feld wirkt 

dem Diffusionsprozess entgegen, bis sich ein Gleichgewicht einstellt, das am p–n- 

Übergang in beiden Schichten geladene Bereiche zurücklässt, zwischen denen die 

sog. Kontaktspannung anliegt. 2 Durch die Rekombination ist die im n-dotierten 

Teil des Halbleiters vorhandene Anzahl der nur leicht gebundenen Elektronen und 

die im p-Bereich vorhandene Anzahl an Löchern verringert. Man spricht von einer 

ladungsträgerarmen Zone am p-n-Übergang. Diese ist in Abb. 2.2 zu sehen. 

Legt man nun eine Spannung an die Diode an, so überlagern sich das durch 

2 Die Kontaktspannung liegt bei normal dotiertem Silizium in der Größenordnung von einem 

Volt. [7]


− 

− − 

− − − + + + + + 

− − − 

− − + + + + + 

+ 

− − − 

− − + + + 

p-dotiert 

Verarmungszone{ 

+ 

n-dotiert 

+ 

Abbildung 2.3: Wird eine Halbleiterdiode in Sperrrichtung betrieben, vergrößert sich 

die ladungsträgerarme Zone. Quelle [4] 

ρ(x) 

V(x) 

e · N D 

−x +Q 

p 

x n x 

−x p 

x 

−Q 

−e · N A 

V 0 

x n 

Abbildung 2.4: Die idealisierte Ladungsverteilung an einem p-n-Übergang und der 

Potentialverlauf in der Verarmungszone. Quelle: [4] 

die Spannung erzeugte und das am p-n-Übergang durch den Rekombinationsprozess 

vorhandene elektrische Feld. Wird der Pluspol der Spannungsquelle an die 

n-Schicht und der Minuspol an die p-Schicht angeschlossen, so haben die beiden 

Felder die gleiche Richtung und die ladungsträgerarme Zone wird vergrößert. 

Die im n-dotierten Gebiet vorhandenen freien Elektronen werden vom angelegten 

Pluspol und die im p-Bereich vorhandenen Löcher vom Minuspol angezogen. Die 

Diode wird in Sperrrichtung betrieben und wirkt wie ein Isolator. In Abb. 2.3 ist 

die Verarmungszone einer in Sperrrichtung geschalteten Diode zu sehen. 

2.1.4 Die ladungsträgerarme Zone einer Halbleiterdiode 

Um die Ausdehnung der ladungsträgerarmen Zone einer Diode zu bestimmen, 

nimmt man der Einfachheit halber eine idealisierte Ladungsdichte der Form 

ρ = 

{ 

e · N D für 0 < x < x n 

−e · N A für − x p < x < 0 

(2.1) 

an. x n und x p sind dabei die Ausdehnungen der Verarmungszone auf der n- bzw. 

p-dotierten Seite der Diode. N A und N D bezeichnen die Dichten der eingebrachten 

Akzeptor- bzw. Donatoratome, sind also ein Maß für die Stärke der Dotierung 

des Materials. e ist die Elementarladung. In Abb. 2.4 ist der Verlauf dieser La-

2.2. Halbleiterdetektoren 11 

dungsdichte dargestellt. Aufgrund der Ladungserhaltung gilt: 

Löst man für diese Ladungsdichte die Poissongleichung 

N A · x p = N D · x n . (2.2) 

d 2 V 

dx 2 = −ρ ε , (2.3) 

wobei ε das Produkt aus der Dielektrizitätskonstanten ε 0 und der relativen Dielektrizitäszahl 

ε r ist, so ergibt sich die Spannung U 0 zwischen den beiden Schichten 

zu: 

U 0 = e ( ) 

ND · x 2 n + N A · x 2 p . (2.4) 

2ε 

Der Verlauf des Potentials ist in Abb. 2.4 zu sehen. Unter Benutzung von Gleichung 

(2.2) erhält man schließlich: 

( 

) 1/2 ( 

) 1/2 

2 · ε · U 0 

2 · ε · U 0 

x n = 

, x p = . (2.5) 

e · N D (1 + N D /N A ) 

e · N A (1 + N A /N D ) 

Die Ausdehnungen der Verarmungszonen in den beiden Schichten lassen sich also 

aus der Kontaktspannung U 0 und den Ladungsträgerdichten N A und N D bestimmen. 

Betrachtet man eine Diode, mit einer kleinen, stark dotierten p-Schicht 

(p + ) und einer ausgedehnten n-Schicht, also mit der Eigenschaft N A ≫ N D und 

x n ≫ x p , dann berechnet sich die totale Verarmungsbreite d zu: 

( 2 · ε · U0 

d = x n + x p = 

e 

· NA + N D 

N A · N D 

) 1/2 

. (2.6) 

2.2 Halbleiterdetektoren 

2.2.1 Detektionsmechanismus eines Halbleiterdetektors 

Durchquert ein geladenes Teilchen einen Festkörper, so verliert es durch Wechselwirkung 

mit diesem Energie und wird abgebremst. Dabei werden gebundene 

Elektronen von den Atomen gelöst und es entstehen Elektron–Loch-Paare. In der 

Verarmungszone einer Diode existieren im Idealfall keine freien Ladungsträger. 

Ein Teilchendurchgang führt folglich zu einem messbaren elektrischen Signal. Um 

ein solches Signal von dem thermisch angeregter Ladungsträger unterscheiden zu 

können, werden als Halbleiterdetektoren in Sperrrichtung betriebene, vollständig 

verarmte Dioden eingesetzt. 

Die Gleichung (2.6) lässt sich weiter nähern zu: 

( ) 1/2 2 · ε · U 

d ≈ x n ≈ 

. (2.7) 

e · N D 

Durch die Überlagerung einer äußeren Bias-Spannung 3 U B , ist die Breite der 

Verarmungszone nicht nur von der Kontaktspannung U 0 , sondern auch von der 

3 Bias ist das englische Wort für Vorspannung.


Gesamtspannung U = U 0 + U B abhängig. Da im Normalfall U B ≫ U 0 gilt, kann 

die für die vollständige Verarmung der n-Schicht eines Detektors mit der Dicke d 

notwendige Spannung durch Umstellen von Gleichung (2.7) nach 

U B = e · N D 

2 · ε · d2 (2.8) 

berechnet werden. 

Durch die vollständige Verarmung der Diode wird die Anzahl der ohne Teilchendurchgang 

vorhandenen Elektron–Loch-Paare zwar reduziert, sinkt aber nicht 

auf Null. Dadurch fließt stets ein sog. Leckstrom. Schließt man einen Halbleiterdetektor 

an eine Ausleseelektronik an, so kann der Leckstrom durchgehend gemessen 

werden. Der Leckstrom und an verschiedenen Stellen in der Ausleseelektronik 

entstehende elektrische Pulse führen zu einem permanenten Rauschen, also messbaren 

elektrischen Signalen, die ohne einen Teilchendurchgang vorhanden sind. 

Die Ruhelage des Signals ist also nicht Null. 

2.2.2 Strahlenschäden 

Hochenergetische Teilchen können Siliziumatome aus dem Kristallgitter herausschlagen 

und dadurch Gitterfehler verursachen. Diese führen häufig zu zusätzlichen 

Energieniveaus in der verbotenen Zone. Während die bei einem Teilchendurchgang 

erzeugten Ladungsträger aus Valenz- und Leitungsband eingesammelt 

werden und zu dem gemessenen Signal beitragen, können diese zusätzlichen Energieniveaus 

Ladungsträger für einen Zeitraum festhalten, der zu lang ist, als dass 

diese noch dem richtigen Teilchen zugeordnet werden könnten. Solche Gitterfehler 

verschlechtern die Effizienz des Detektors. Zum Teil können diese Fehlstellen 

von selbst wieder ausheilen, man spricht von Annealing. Andererseits können sich 

diese Gitterfehler auch ausweiten und Cluster bilden. Diesen Effekt bezeichnet 

man als Reverse-Annealing. Beide Effekte sind stark temperaturabhängig und 

können durch niedrige Temperaturen unterdrückt werden. Zur Erhöhung seiner 

Lebensdauer wird der CMS-Tracker deshalb bei einer Temperatur von −10 ◦ C betrieben. 

Da der Effekt des Annealings auf einer Zeitskala von Minuten stattfindet, 

während der für Reverse-Annealing benötigte Zeitraum Monate beträgt, können 

während der notwendigen Reparaturarbeiten am Tracker die Fehlstellen wieder 

ausheilen, wogegen das Reverse-Annealing großteils verhindert wird. 

Die durch Strahlung entstehenden Schäden im Silizium führen häufiger zu 

der Bildung von Akzeptor- als zu der von Donatorniveaus. Dadurch kommt es in 

n-dotiertem Silizium nach einem längeren Bestrahlungszeitraum zu einer Typinversion, 

nach der das Silizium effektiv p-dotiert ist. 

2.2.3 Aufbau eines Silizium-Streifendetektors 

Ein Silizium-Streifendetektor besteht, wie in Abb. 2.5 zu sehen, aus einer dünnen 

n + -dotierten Schicht, einem breiten n-dotierten Bereich, der für die Detektion

2.2. Halbleiterdetektoren 13 

1 

2 

3 

4 

5 

6 

7 

Teilchen 

p+ 

Al 

Pitch 

n 

Loecher 

Elektronen 

Hochspannung V (> 0) 

bias 

8 

n + 

1 

2 

3 

4 

5 

6 

7 

8 

AC Pad 

DC Pad 

Widerstand 

Bond zur Elektronik 

Bias Ring (Hochspannung) 

Guard Ring 

Isolationsschicht 

Aluminiumschicht 

(positive Hochspannung) 

Abbildung 2.5: Querschnitt durch einen Silizium-Streifendetektor. Quelle: [4] 

verantwortlich ist, und aus in diesen eingebetteten p + -dotierten Streifen. Oberhalb 

der p + -Streifen befindet sich eine Isolationsschicht aus SiO 2 , die nur an einer 

Stelle, dem DC-Pad, von diesen durchbrochen wird. Über eine Aluminiumschicht 

wird am n + -dotierten Bereich eine positive Hochspannung angelegt, während die 

DC-Pads über Widerstände mit dem geerdeten Bias-Ring verbunden und die 

p + -Streifen somit auch geerdet sind. Die p + -Streifen sind über das SiO 2 kapazitiv 

mit den aus Aluminium bestehenden AC-Pads gekoppelt. Ein den Detektor durchquerendes 

Teilchen verursacht einen Strompuls, der über die p + -Streifen und die 

AC-Pads ausgelesen werden kann. Das gemessene Signal wird über Verbindungen, 

sog. Bonds 4 , an die Ausleseelektronik weitergeleitet. Außen ist der Detektor 

von einem Guard-Ring umgeben, der Überschläge zwischen den verschiedenen 

Schichten über die Außenseite verhindern soll. 

Ein Grund für die Verwendung der n + -Schicht neben der schon bereits vorhandenen 

n-Schicht ist eine bessere Kontaktierung des Aluminiums. Der zweite 

Grund ist die Typinversion des n-dotierten Bereichs. Nach längerer Bestrahlung 

wird aus der n- eine p-Schicht und aus der n + -Schicht eine n-Schicht. Durch die 

zu Beginn vorhandene n + -Schicht liegt auch nach der Typinversion noch eine Diode 

vor, deren Verarmungszone dann von dem neuen p-n-Übergang ausgeht. Die 

zur Verarmung notwendige Bias-Spannung sinkt bis zum Inversionszeitpunkt und 

steigt danach wieder an. [8] 

4 Bond ist das englische Wort für Verbindung.


Kohlefaserrahmen 

Pitch-Adapter 

Kabel für 

Steuersignale 

und 

Versorgungsspannung 

Siliziumsensor 

Siliziumsensor 

Frontend- 

Hybrid 

Bonds 

Hochspannungskabel 

Abbildung 2.6: Bild eines auf Moduls für Ring 6. 

2.3 Die CMS-Endkappen-Module 

2.3.1 Aufbau eines Moduls 

Ein Silizium-Streifenmodul, zu sehen in Abb. 2.6, besteht aus einem (Ring 1 bis 

4) oder zwei (Ring 5 bis 7) ca. 100 cm 2 großen Siliziumsensoren, einem Pitch- 

Adapter 5 und einem Frontend-Hybriden. Der Frontend-Hybrid ist der Träger verschiedener 

elektronischer Bauteile für die Steuerung und Auslese eines Moduls. 

Er beinhaltet vier bzw. sechs APV -Chips (Analog Pipeline Voltage Mode) zur 

Datenauslese, sowie einen TPLL-Chip (Tracker Phase Locked Loop), einen APV- 

MUX -Chip (APV-Multiplexer) und ein DCU -Chip (Detector Control Unit) für 

die Modulsteuerung. Ein Bild eines Frontend-Hybriden ist in Abb. 2.7 zu sehen. 

Die Siliziumsensoren, der Pitch-Adapter und der Frontend-Hybrid eines Moduls 

werden auf einen Kohlefaserrahmen geklebt, der vier Bohrungen zur Montage 

auf einem Petal besitzt. Über ein am Modulrahmen befestigtes Kaptonkabel 

kann die zur Verarmung benötigte Hochspannung an die Siliziumsensoren angelegt 

werden. Ein weiteres Kaptonkabel ist mit dem Frontend-Hybriden verbunden 

und überträgt die Versorgungsspannungen, die Steuersignale und die ausgelesenen 

Daten. Über den Pitch-Adapter sind die Siliziumsensoren an die APVs angeschlossen, 

von denen jeder 128 Streifen ausliest. Die Sensoren der Ringe 3, 4, 6 und 7 

besitzen 512, die der Ringe 1, 2 und 5 hingegen 768 Streifen, so dass auf den 

jeweiligen Frontend-Hybriden entsprechend vier (Ringe 3, 4, 6 und 7) bzw. sechs 

APVs (Ringe 1, 2 und 5) angebracht sind. Die Sensoren sind über Bonds elektrisch 

mit den APVs verbunden. Da der Abstand der Siliziumstreifen je nach 

Position des Moduls im Spurdetektor zwischen 80 µm und 210 µm beträgt, die 

Eingänge des APVs aber nur 44 µm voneinander entfernt sind, muss dieser Abstandsunterschied 

durch den Pitch-Adapter angepasst werden. Bei den Modulen 

5 Das englische Wort Pitch bedeutet Abstand.

2.3. Die CMS-Endkappen-Module 15 

Abbildung 2.7: Frontend-Hybrid mit vier APVs. Man sieht die beiden freien Stellen, 

an denen noch zwei weitere APVs angebracht werden können. Quelle: 

[9] 

mit zwei Sensoren sind die Streifen der beiden Sensoren ebenfalls durch Bonds 

miteinander verbunden (vgl. Abb. 2.6). 

2.3.2 Der APV-Chip 

Der APV 6 nimmt die Signale von 128 Siliziumstreifen entgegen und speichert 

diese jeweils in einem Ringspeicher mit 192 Speicherzellen. Man kann sich diesen 

Speicher als Matrix veranschaulichen, in der jedem Streifen eine Zeile zugeordnet 

ist, in der die aufeinanderfolgenden Werte dieses Streifens gespeichert werden. 

Da die vom LHC vorgegebene Taktfrequenz, Clock genannt, bei 40,08 MHz liegt, 

werden ca. alle 25 ns Daten in den Speicher geschrieben. Da die Speicherung 

sämtlicher ausgelesener Daten zu aufwendig ist, wird eine Vorauswahl interessanter 

Signale getroffen und bei diesen ein Trigger generiert, wofür ca. 3,2 µs benötigt 

werden. Bei 192 Speicherzellen, von denen alle 25 ns eine gefüllt wird, werden die 

Daten 4,8 µs gespeichert, also lange genug, damit ein Trigger eine Speicherzelle 

markieren kann. Diese wird dann bei der nächsten Möglichkeit ausgelesen und 

erst anschließend wieder überschrieben. 

In Abb. 2.8 ist die graphische Darstellung der vom APV gesendeten Signale 

bzw. Daten zu sehen. Die Daten beginnen mit einem Datenkopf, Header genannt, 

mit einer Länge von drei Bit, die logisch eins sind und den Beginn einer Datenübertragung 

anzeigen, gefolgt von der acht Bit langen Speicheradresse und einem 

Fehler-Bit. 7 Darauf folgen die analogen Daten und schließlich eine sog. Tick-Mark, 

6 Die genaue Bezeichnung des verwendeten Chips lautet APV25-S1. 

7 Dieses ist im fehlerfreien Fall stets eins.


Logische Eins 

Header+Adresse+Fehler-Bit 

Tick -Mark s 

Analoge Daten 

Logische Null 

0 127 

Abbildung 2.8: Die Daten eines Moduls: Man erkennt Header und Adresse, die analogen 

Daten und die Tick-Marks. 

die zur Synchronisation der Ausleseelektronik benutzt wird. 8 Die ausgelesenen Daten 

sind allerdings nicht entsprechend der Streifen auf dem Modul angeordnet, so 

dass sie von der verwendeten Ausleseelektronik noch sortiert werden müssen. 

Der APV hat drei verschiedene Betriebsarten, den Peak-Modus, den Deconvolution-Modus 

9 , und den 3-Sample-Modus. Während im Peak-Modus lediglich die 

Daten der durch den Trigger adressierten Speicherzelle ausgelesen werden, werden 

im Deconvolution-Modus die Daten von drei aufeinanderfolgenden Zellen mit 

Gewichtungsfaktoren addiert. Der Vorteil liegt in einer kürzeren Anstiegszeit des 

Signals. Diese beträgt im Peak-Modus ca. 50 ns, also die doppelte LHC-Taktzeit, 

wogegen sie im Deconvolution-Modus bei 25 ns liegt, so dass zwei direkt aufeinanderfolgende 

Ereignisse voneinander getrennt werden können. Im 3-Sample-Modus 

werden mit einem Trigger drei aufeinanderfolgende Zellen im Peak-Modus ausgelesen. 

[10] 

2.3.3 Der APV-MUX-Chip 

Der APV-MUX, häufig nur MUX genannt, multiplext die Daten zweier APVs, 

so dass die Anzahl der verwendeten Datenleitungen halbiert werden kann. Die 

Daten von 256 Streifen werden dann über einen MUX-Kanal ausgelesen. [11] 

8 Die APVs können in einem 40 MHz- und einem 20 MHz-Takt betrieben werden und senden 

je nach Betriebsart alle 35 bzw. 70 Taktzyklen eine Tick-Mark. 

9 Deconvolution ist das englische Wort für Entfaltung.

2.3. Die CMS-Endkappen-Module 17 

2.3.4 Der TPLL-Chip 

Um Steuerleitungen einzusparen, werden LHC-Clock und Trigger über dieselbe 

Leitung gesendet. Dabei ist ein Trigger durch ein fehlendes Clock-Signal kodiert. 

Aufgabe des TPLL, der meistens nur als PLL bezeichnet wird, ist die Extraktion 

des Triggers und die Synchronisation des APV-Taktes mit der LHC-Clock. Dies 

ist aufgrund der verschiedenen Signallaufzeiten für die einzelnen Modulpositionen 

notwendig und kann durch die Einstellung einer Verzögerung vorgenommen werden, 

die bis zu 15 Taktzyklen, also ca. 375 ns, betragen kann. In einer Taktperiode 

von 24,95 ns ist eine Feinjustierung in Schritten von 1,04 ns möglich. Man spricht 

hierbei von der Einstellung des Timings. [12] 

2.3.5 Der DCU-Chip 

Die DCU kontrolliert die wichtigsten Parameter der Elektronik des Frontend- 

Hybriden. Sie überwacht die Versorgungsspannungen von 1,25 V und 2,5 V für 

den Hybriden und den Leckstrom des Moduls. Auf jedem Siliziumsensor wird mit 

einem Sensor die Temperatur gemessen. Des Weiteren wird auch die Temperatur 

des Frontend-Hybriden und der DCU selbst überwacht. [13]

18 Kapitel 2. Silizium-Streifendetektoren

Kapitel 3 

Das Petal 

Die beschriebenen Silizium-Streifenmodule werden auf Petals genannte Tragestrukturen 

montiert. Um eine optimale Flächenabdeckung mit Siliziumsensoren 

zu erreichen, werden auf beiden Seiten eines Endkappenrades gegeneinander versetzt 

Petals angebracht (vgl. Abb. 1.5), wobei es sich um zwei verschiedene Arten, 

nämlich um Front- und Back-Petals handelt (vgl. Abschnitt 1.2.2). Diese unterscheiden 

sich in ihrer Struktur im Wesentlichen nur in der Anzahl und der Lage 

der Module. Sämtliche im Folgenden erläuterte Eigenschaften gelten bis auf wenige, 

extra erwähnte Ausnahmen für beide Petalarten. 

3.1 Mechanischer Aufbau eines Petals 

3.1.1 Mechanische Struktur 

Die mechanische Grundstruktur eines Petals ist annähernd trapezförmig. Ihre 

Länge beträgt bis zu 86 cm und ihre Breite variiert zwischen ca. 16 cm (unten) 

und 46 cm (oben). Da sich die Strahlröhre vom Wechselwirkungspunkt aus verbreitert 

(vgl. Abb. 1.1), gelten diese Abmessungen nur für die Petals der ersten drei 

Räder, während die Petals der anderen sechs Räder kürzer sind. Eine technische 

Zeichnung mit den genauen Abmessungen eines Front-Petals ist im Anhang A 

zu finden. Es ist aus einer wabenförmigen Kohlefaserstruktur gefertigt, die aus 

Nomex-Papier mit durch Phenolharz gebundenen Aramidfasern besteht. 1 Durch 

die hexagonale Struktur ist das Petal trotz geringen Materialaufwandes sehr stabil. 

Die Oberfläche ist ebenfalls aus Kohlefasern gefertigt. 2 Ein mit Siliziummodulen 

bestücktes Petal wiegt maximal lediglich 2,2 kg. 

1 Die technische Bezeichnung lautet Nomex, 3.2-29, X. Die Dichte dieser Struktur beträgt 

29 kg/m 3 . 

2 Genau genommen besteht die Oberfläche aus zwei 0,4 mm dicken Schichten, skins genannt, 

von denen die untere aus Fasern mit der technischen Bezeichnung T300, die obere aus Fasern 

der Art M40 hergestellt werden. Die verschiedenen Faserarten unterscheiden sich untereinander 

in ihren physikalischen Eigenschaften wie Dichte u. ä. 

19

20 Kapitel 3. Das Petal 

Tabelle 3.1: Die Tabelle zeigt die von den einzelnen Komponenten erzeugte Wärmeleistung 

vor und nach 10 Jahren LHC-Bestrahlung, wobei die angegebenen 

Zahlen Mittelwerte der Messungen bzw. bisher durchgeführten Abschätzungen 

für eine Siliziumtemperatur von −15 ◦ C sind. Die von den einzelnen 

Petals erzeugte Gesamtleistung hängt von der Anzahl der bestückten 

Ringe ab. Die Angaben für Front- und Back-Petal beziehen sich auf voll 

bestückte Petals. Es ist zu beachten, dass ein AOH zwei bzw. drei Laser 

besitzt. 

Komponente Wärmeleistung vor Wärmeleistung nach 

Bestrahlung / W Bestrahlung / W 

FE-Hybrid (ohne APVs) 0,15 0,15 

APV 0,36 0,40 

AOH-Laser 0,1 0,1 

DOH 1,0 1,0 

Siliziumsensor 0 0,1 

Front-Petal 69 77 

Back-Petal 58 64 

3.1.2 Wärmeproduktion der einzelnen Komponenten 

Da der Spurdetektor zur Minimierung der Strahlenschäden bei einer Temperatur 

von −10 ◦ C betrieben werden soll, ist es notwendig, diesen aktiv zu kühlen, um 

die von den elektrischen Komponenten erzeugte Wärme abzuführen. Die gesamte 

Wärmeleistung eines vollbestückten Front-Petals beträgt vor auftretenden Strahlenschäden 

bei einer Siliziumtemperatur von −15 ◦ C schätzungsweise 69 W und 

steigt nach 10 Jahren Strahlenbelastung durch den LHC auf 77 W an. Dabei wird 

der Großteil der Wärme von den Frontend-Hybriden produziert. Bei einem komplett 

bestückten Back-Petal liegt die geschätzte Wärmeleistung zu Beginn des 

CMS-Experimentes bei 58 W und nach 10 Jahren bei 64 W. Die Wärmeleistung 

der unbestrahlten Siliziumsensoren liegt bei nahezu 0 W und steigt bei einem 

vollbestücktem Front-Petal in 10 Jahren LHC-Belastung auf ca. 5 W, bei einem 

Back-Petal auf ca. 4 W an. Die Wärmeproduktion der einzelnen Bauteile vor und 

nach Bestrahlung ist in Tabelle 3.1 angegeben. 3 Die Bauteile mit den Bezeichnungen 

AOH und DOH werden in den folgenden Abschnitten näher erläutert. 

Da beim später beschriebenen Long-Term-Test die Temperatur auf dem Petal 

am wärmsten Punkt maximal −10 ◦ C betragen darf, ist die von den Petals 

erzeugte Wärmeleistung ein Maß für die notwendige Kühlleistung, die erbracht 

werden muss. Die geschätzte Wärmeleistung des gesamten Trackers beträgt nach 

10 Jahren Bestrahlung 58,4 kW. 

3 Die Messungen zur Wärmeproduktion der einzelnen Komponenten wurden am I. Physikalischen 

Institut B von Herrn Dr. Stefan König und Herrn Dieter Oellers durchgeführt. Bei den 

Werten für den DOH handelt es sich um Abschätzungen.

3.1. Mechanischer Aufbau eines Petals 21 

Inserts 

Abbildung 3.1: Verlauf der beiden Kühlschlangen in einem Petal. Man erkennt außerdem 

die Positionen der Inserts, von denen einige beispielhaft beschriftet 

sind. Quelle: [5] 

3.1.3 Kühlung eines Petals 

Die Petals besitzen zwei aus Titan gefertigte Kühlschlangen, die von einer Kühlflüssigkeit 

durchströmt werden. Zur Kühlung wird beim CMS-Experiment eine 

C 6 F 14 -Verbindung 4 verwendet. Damit die von den elektrischen Komponenten erzeugte 

Wärme abgeführt und somit ein Überhitzen einzelner Bauteile vermieden 

werden kann, befinden sich auf dem Petal kleine Aluminiumstifte, sog. Inserts, 

die mit den Kühlschlangen im Petal verbunden sind. Der Kühlschlangenverlauf 

und die Positionen der Inserts sind in Abb. 3.1 zu sehen. Die beiden jeweils knapp 

3,5 m langen Kühlschlangen haben einen Innendurchmesser von 6 mm und ein 

Fassungsvermögen von ca. 80 ml. Ihre am oberen Petal-Ende befindlichen Eingänge 

werden mit dem Cooling-Manifold 5 verbunden, das als eine Art Adapter die 

äußeren Zuleitungen mit den Kühlschlangen verbindet. Außerdem werden durch 

dieses die beiden Kühlschlangen verbunden und in Reihe betrieben. 

Die mit den Kühlschlangen verbundenen Inserts dienen außer der Abführung 

der produzierten Wärme auch zur Befestigung der Module. Die Module werden, 

wie in Abb. 3.2 zu sehen, an vier Punkten auf dem Petal festgeschraubt. Zwei 

dieser Befestigungspunkte liegen sehr nahe am Frontend-Hybriden, um die von 

diesem produzierten, im Vergleich zu den anderen Bauteilen sehr großen Wärmemengen 

möglichst effizient über die Inserts abführen zu können. 

4 Die benutzte Kühlflüssigkeit trägt den Namen PF-5060 und wird von der Firma 3M produziert. 

5 Manifold ist das englische Wort für Sammelrohr, bedeutet in technischen Zusammenhängen 

aber auch Krümmer.


Schrauben 

Modul 

Inserts 

Petal 

Abbildung 3.2: Die Module werden auf den Inserts befestigt. 

3.1.4 Mechanische Befestigung der Module auf dem Petal 

Die Siliziummodule der Tracker-Endkappe sind in sieben Ringen angeordnet (vgl. 

Abschnitt 1.2.2). Bei allen Petals sind die Module der Ringe 1, 3, 5 und 7 auf der 

einen Seite, die der Ringe 2, 4 und 6 auf der anderen befestigt. Bei Front-Petals 

wird die Seite mit den ungeradzahligen Ringen Side A, die Seite mit den geradzahligen 

Ringen Side B genannt. Bei Back-Petals heißen die Seiten entsprechend 

Side C (ungeradzahlige Ringe) und Side D (geradzahlige Ringe). Von der Strahlachse 

aus nach außen ist der Verlauf der Ringe aufsteigend, Ring 1 ist also am 

nächsten an der Strahlachse gelegen (vgl. auch Abb. 1.4). 

Um eine vollständige Abdeckung mit Silizium zu erreichen, werden die Module 

überlappend angeordnet. Die beiden Einzelmodule eines sog. doppelseitigen Moduls 

(vgl. Abschnitt 3.2.3) überlappen nahezu vollständig. Für die überlappende 

Montage müssen an einem Insert mehrere Module übereinander befestigt werden. 

Damit sich die Module nicht berühren und Beschädigungen vermieden werden, 

wird durch Abstandscheiben bzw. Brücken der notwendige Abstand zwischen ihnen 

sichergestellt. Der genaue Vorgang der Modulmontage ist in Abschnitt 5.2 

beschrieben. 

3.2 Elektronischer Aufbau eines Petals 

3.2.1 Funktionsweise eines Petals 

Die auf einem Petal befindlichen Silizium-Streifenmodule müssen mit einer Betriebsspannung 

und einer Hochspannung zur Verarmung des Siliziums versorgt 

werden, sie benötigen Steuersignale, um zu bestimmen, wann welche Daten gesendet 

werden, und es muss ein Auslesesystem geben, über das die Daten ausgelesen 

werden können. Zur Versorgung mit den benötigten Spannungen und zur Übertragung 

der Steuersignale werden die Module mit dem sog. Inter-Connect-Board, 

kurz ICB genannt, verbunden, einem elektrischen Bauteil, das auf der mechanischen 

Petal-Struktur angebracht wird. Das Inter-Connect-Board eines Petals 

besteht aus drei Teilen auf der einen Seite (Side A bzw. C) und zwei zusammengesteckten 

auf der anderen Seite (Side B bzw. D). Alle Einzelteile des Inter-

3.2. Elektronischer Aufbau eines Petals 23 

Abbildung 3.3: Front-Petal mit montiertem Inter-Connect-Board: Side A. Quelle: [14] 

CCUs 

Abbildung 3.4: Front-Petal mit montiertem Inter-Connect-Board: Side B. Auf dem 

Petal sind bereits die beiden CCUs angebracht. Quelle: [14] 

Connect-Boards sind miteinander verbunden. Die Abbildungen 3.3 und 3.4 zeigen 

Bilder eines Front-Petals mit montiertem Inter-Connect-Board. 

Die Steuersignale werden dem Inter-Connect-Board von der Steuerungselektronik 

übermittelt, die dann von auf diesem befindlichen Chips, den CCUs, 6 an 

die einzelnen Komponenten weitergeleitet werden. Die CCU ist ein Chip, der 

sich auf einer CCUM 7 genannten Trägerplatine befindet. Meistens wird nicht zwischen 

CCUM und CCU unterschieden und die gesamte CCUM-Einheit als CCU 

bezeichnet. Wie auf den Frontend-Hybriden befindet sich auch auf jeder CCUM 

eine DCU, um die Temperatur der CCU überwachen zu können. Ein Bild einer 

CCU (bzw. eines kompletten CCUM) sieht man in Abb. 3.5(a), die montierten 

6 CCU: Central Control Unit. Die genaue Bezeichnung für die verwendete CCU-Art lautet 

CCU25. 

7 CCUM: Central Control Unit Module.


(a) CCU 

(b) AOH 

Abbildung 3.5: Abb. (a) zeigt eine Großaufnahme eines CCUM. Der schwarze Chip 

in der Mitte ist die eigentliche CCU. Auf dieser ist auch die Adresse 

angegeben. In Abb. (b) sieht man einen AOH mit drei optischen 

Fasern. 

CCUs sind in Abb. 3.6 zu sehen. Da jedes Petal über zwei CCUs verfügt, werden 

diese mit verschiedenen Nummern adressiert. Die CCUs befinden sich auf einem 

Petal auf Side B bzw. D. 

Damit die gemessenen Daten bei der Übertragung zur Auslese nicht durch 

elektromagnetische Effekte verändert werden, werden sowohl die Daten als auch 

die Steuersignale über den größten Teil der Strecke optisch übermittelt. Da auf 

dem Inter-Connect-Board elektrische Signale benutzt werden, werden Konverter 

benötigt, die die optischen und elektrischen Signale ineinander umwandeln. Die 

optisch eingespeisten Steuersignale werden von dem DOH 8 in elektrische umgewandelt 

und dann an die CCUs weitergeleitet. Die auszulesenden Daten werden 

von den Modulen über das Inter-Connect Board an die AOHs 9 (siehe Abb. 3.5(b)) 

weitergeleitet, die die elektrischen Signale in optische konvertieren und diese dann 

zur Ausleseelektronik übertragen. Dazu befindet sich in unmittelbarer Nähe zu 

jedem Modul ein solcher AOH (vgl. Abb. 3.6). 

Mittels des Inter-Connect-Boards werden die Module, die CCUs und die AOHs 

mit den jeweils benötigten Spannungen versorgt (Abb. 3.7). Sowohl die CCUs als 

auch die AOHs werden durch einfaches Aufstecken auf das Inter-Connect-Board 

montiert, wodurch auch direkt die elektrische Verbindungen zwischen diesen Komponenten 

hergestellt werden. Die Steckerbuchsen für die Module und AOHs sind 

in den Abbildungen 3.3 und 3.4 zu sehen. Da der zu einem Modul gehörende AOH 

direkt neben diesem angebracht wird, sind immer zwei Steckerbuchsen dicht nebeneinander. 

Eine Ausnahme stellt der Ring 1 bei einem Front-Petal dar, bei dem 

sich die AOHs auf der anderen Petal-Seite befinden. 

Des Weiteren sind auf jedem Petal auch einige DCUs zur Überwachung der 

Temperatur vorgesehen, bei denen es sich um die gleichen Chips handelt, die 

8 DOH: Digital Opto Hybrid. 

9 AOH: Analog Opto Hybrid.


CCU 

AOHs 

Module 

AOHs 

CCU 

Abbildung 3.6: Ring 6 eines Front-Petals: Man kann die beiden CCUs und die AOHs 

der Ringe 6 und 4 (unten) erkennen. Quelle: [14] 

sich auch auf den Frontend-Hybriden der Module und den CCUMs befinden (vgl. 

Abschnitt 2.3.5). 

3.2.2 Die Steuerung der elektrischen Komponenten 

Zur Steuerung der Petal-Komponenten wird eine Steuereinheit mit dem Namen 

FEC 10 verwendet. Bei den später beschriebenen Testständen wird ein elektrischer 

FEC, bei dem es sich um eine Computerkarte handelt, benutzt. Beim CMS- 

Experiment sollen allerdings optische FECs (O-FECs) verwendet werden, die die 

Steuersignale optisch zu den Petals senden. Die vom O-FEC gesendeten optischen 

Signale werden von einem DOH in elektrische konvertiert (siehe Abb. 3.8). Auf 

den Rädern der Endkappe wird neben jedem Back-Petal ein DOH montiert. Da 

bei den später beschriebenen Testständen die Steuersignale elektrisch zum Petal 

übertragen werden, wird bei diesen kein DOH zur Signalkonvertierung benötigt. 

Die Signalübertragung erfolgt sowohl bei elektrischer wie auch bei optischer Übertragung 

durchgehend digital. 

Ein Front- und ein Back-Petal bilden zusammen eine autarke elektronische 

Einheit. Auf jedem Petal, unabhängig vom Typ, befinden sich zwei CCUs, wobei 

die eine CCU die Ringe 1 bis 4 versorgt, während die andere für die Ringe 5 bis 7 

zuständig ist. Die vier CCUs von einem Front- und einem Back-Petal sind in Reihe 

geschaltet, so dass die Signale die CCUs nacheinander durchlaufen. Die Steuersig- 

10 FEC: Front End Controller.


LV CCUs LV HV 

CCUs 

AOHs 

Module 

Inter-Connect-Board 

LV: Low Voltage = Niederspannung 

HV: High Voltage = Hochspannung 

Spannungkabel zum ICB 

Verbindungen auf dem ICB 

Abbildung 3.7: Schematische Darstellung der Spannungsversorgung der einzelnen 

Bauteile auf dem Petal. 

nale werden in kleinen Paketen, sog. Tokens 11 verschickt. Eine PLL-Verbindung 

sendet Clock und Trigger an die einzelnen Komponenten (vgl. Abb. 3.9). 

Die Tokens, die nicht für die jeweilige CCU bestimmt sind, werden von dieser 

an die anderen weitergesendet. Um auch im Falle eines Defekts einer CCU 

weiterarbeiten zu können, gibt es zwei unabhängige Leitungsringe für die Kommunikation, 

die Ring A bzw. B genannt werden. Während die CCUs bei Ring A 

nacheinander durchlaufen werden, wird bei Ring B immer eine CCU übersprungen, 

so dass eine defekte CCU durch die Benutzung beider Ringe übergangen 

werden kann (vgl. Abb. 3.10). Standardmäßig wird Ring A verwendet. Überprüft 

wird die Funktionsfähigkeit des Ringes dadurch, dass jedes Token zum FEC zurückgeschickt 

wird. Bei einer Störung wird versucht, die Kommunikation mit allen 

CCUs durch Nutzung von Teilen von Ring B wiederherzustellen. Folglich spricht 

man bei Kommunikationsproblemen vom FEC mit den CCUs von ” 

Ringproblemen“. 

Die elektrische Kommunikation zwischen den CCUs und den anderen elektrischen 

Bauteilen findet über das I 2 C-Protokoll 12 statt. Um die Steuersignale 

zuordnen zu können, besitzt jede Position auf dem Petal eine I 2 C-Adresse. Die 

CCUs erhalten die Steuerbefehle über die vom FEC verschickten Tokens, kommunizieren 

jedoch ihrerseits mit den anderen Komponenten über das I 2 C-Protokoll. 

Jede Komponente sendet, wenn sie von der CCU kontaktiert wird, ein Bestäti- 

11 Die Token-Ring-Verbindung ist ein von IBM entwickeltes Netzwerkprotokoll, das mit der 

Übertragung serieller Strings arbeitet. Sie ist nach IEEE 802.5 standardisiert. 

12 I 2 C: Inter Integrated Circuit. Es handelt sich um ein von der Firma Philips entwickeltes 

Kommunikationsprotokoll für integrierte Schaltungen. Informationen über dieses Protokoll findet 

man in dem Datenblatt [15].


AOHs 

O-FEC 

DOH 

CCUs 

Module 

Inter-Connect-Board 

Optische Verbindung O-FEC – DOH 

Elektrische Verbindung DOH – ICB 

Steuerleitungen auf dem ICB 

Abbildung 3.8: Aufbau der Kommunikation mit den Komponenten auf dem Petal. 

DCU 

DCU 

CCU 

CCU 

FEC 

Electrical connection 

PLL 

DCU 

CCU 

PLL 

Control Module 

PLL 

DCU 

CCU 

PLL 

Control Module 

O/E and E/O 

conversion 

CLK+T1 

µP 

PCI 

OA 

TTCrx 

Abbildung 3.9: Prinzipieller Aufbau des Token-Ringes, der die Steuersignale an die 

CCUs und über den PLL Clock und Trigger für die einzelnen Komponenten 

überträgt. Quelle: [8] 

gung zurück, um anzuzeigen, das die Signale bei ihr eingetroffen sind. Wird dieses 

Signal nicht gesendet, so wird dies dem verwendeten Computerprogramm von der 

CCU mitgeteilt und es kommt zu einer Fehlerausgabe. Ein solcher Fehler wird als 

” I2 C–Kommunikationsproblem“ bezeichnet. 

Die einzelnen Komponenten müssen synchron arbeiten, um aus den ausgelesenen 

Daten den zeitlichen Verlauf und somit eine Teilchenspur rekonstruieren zu 

können. Beim LHC wird alle 25 ns ein Synchronisationspuls an alle Komponenten 

gesendet. Kommt es zu einer Proton–Proton-Kollision, wird ein Trigger an 

die Module geschickt, der einfach durch das Fehlen eines Clock-Signals kodiert 

ist (vgl. Abschnitt 2.3.4). Die entsprechenden Speicherzellen in den APVs werden 

dann markiert und nicht überschrieben, bis die Daten ausgelesen worden sind 

(vgl. Abschnitt 2.3.2). Bei den vorher notwendigen Experimenten und Tests werden 

Clock und Trigger von der Trigger Sequencer Card, kurz TSC, einer mit dem

DRAFT – NOT FOR DISTRIBUTION 

3.4.2. Fault repair reconfiguration 


The mechanism used to reconfigure a ring with a faulty module is explained in this paragraph 

with reference to the Figure 14. 

Secondary 

B 

B 

A 

CCU 

A 

CCU 

CCU 

CCU 

LVDS/CMOS 

LVDS/CMOS LVDS/CMOS LVDS/CMOS 

Primary 

CCUM-1 

CCUM-2 CCUM-3 CCUM-4 

Figure 14 Fault repair reconfiguration example 

Abbildung 3.10: Schematischer Verlauf der Ringe A und B. Fällt eine CCU auf einem 

Petal aus, kann die Ringverbindung trotzdem hergestellt werden. 

A fault can occur anywhere in a CCU module in a control ring. Any of the components on the 

module, i.e. the CCU itself, the LVDS line driver, the local power supply, the connector etc. 

could become Quelle: defective. [16] In this example, one will assume that the CCUM-3 is somehow 

defective. This could be recognized in a variety of ways at the FEC level, for instance the 

ring may become silent, or a number of malformed packets could be received at the FEC or 

finally packet could occasionally become lost in the ring. Should this happen the software in 

the FEC has to start a fault scan procedure. 

Tabelle 3.2: Anzahl der Module auf den einzelnen Ringen bei einem Front- bzw. Back- 

To support Petal. the Bei search den mit in software D gekennzeichneten of the fault in the Modulen ring, the auf following den Ringen protocol 1, is 2 und 

implemented 5 handelt in the CCU: es sich um doppelseitige Module, die aus zwei Einzelmodulen 

bestehen. 

- after hardware reset the CCU assumes that the good input and output ports are always 

the ports A. 

Petal-Art - consider Ring the CCU 1 which Ring has 2to be Ring programmed 3 Ring to change 4 Ring its output 5 port Ring (in this 6 example Ring 7 

CCUM-2): the CCU can change the output port it uses only upon reception of a well 

Front-Petal 2D 2D 3 4 2D 4 5 

formed packet addressed to the CCU itself from the active input port (A or B) 

Back-Petal 1D 1D 2 3 3D 3 5 

- consider the CCU which has to be programmed to change its input port (in this example 

CCUM-4): to instruct the CCU to switch to the alternate input port B (or back to A), a well 

formed packet with the command to perform this reconfiguration has to be fully received 

from the port B (or A) itself. 

FEC verbundenen PC-Karte, zur Verfügung gestellt und über den FEC an das 

- packet requesting the switch of input and output ports may not be returned from the 

Petal übermittelt. Eine vereinfachte Darstellung der Kommunikation über das 

receiving CCU integrally to the FEC which should not expect to receive them back well 

Token-Ring- formed. und These I 2 C-Protokoll packets will necessarily findet man be cut in by Abb. the CCU 3.11. which performs the switch. 

During this reconfiguration, the FEC should not expect to receive well formed returning 

Bei FEC, packets. TSC und FED (vgl. Abschnitt 3.2.4) handelt es sich um PMC- 

Steckkarten, Notice die that mit the FEC PMC-to-PCI-Adapterkarten does not know where the fault occurred 13 in and einen has Computer to search for it. eingebaut 

The 

werden können. procedure is Imbased CMS-Experiment on searching the fault werden from the FEC end of und the ring FED back into Form the first von CCU VMEmodule 

and can work as follows: 

Karten 14 benutzt werden. Zur Steuerung der Petals wird ein Final-FEC verwendet, 

der aus mehreren O-FECs 

- the ring is reset, all CCUs are configured to use ports A for input and output 

besteht. 

- sending packet or tokens to the faulty ring will result in no packet or malformed packets 

to be returned 

- the FEC assumes that CCUM-4 is faulty. It will send a message to CCU-3 to use its 

alternative output port and the FEC itself is programmed to listen to input port B (this has 

to be so because the CCU-4 can not use the alternative output port, as this is not 

connected, see figure) 

3.2.3 Die Siliziummodule auf einem Petal 

Da die neun Räder der Endkappe verschieden viele Modulringe besitzen, gibt 

es dementsprechend verschiedene Petal-Arten. Die prinzipielle Anordnung der 

Module ist allerdings stets die gleiche, bei den äußeren Rädern werden lediglich die 

inneren Ringe weggelassen. Welche Ringe bei welchen Rädern bestückt sind, ist 

A. M. CCU25Specs v2-1 DRAFT – 2.1 12 2/21/2002 

in Abb. 1.3 zu sehen. In der Anordnung der Module unterscheiden sich Front- und 

Back-Petal: Ein vollbestücktes Front-Petal besitzt 28, ein entsprechendes Back- 

Petal 23 Module. Die Anordnung der Module auf einem vollständig bestückten 

Petal ist in Tabelle 3.2 angegeben. 

13 PCI: Peripheral Component Interconnect, PMC: PCI Mezzanine Card. 

14 VME: Versa Module Eurocard.


LV 

HV 

PC 

Module 

TSC 

FEC 

FED 

Token- 

Ring 

I 2 C 

CCUs 

I 2 C 

AOHs 

O-FED 

Steuersignale FEC–CCU (Token-Ring) 

Steuersignale CCU–Modul/AOH (I 2 C) 

Daten elektrisch 

Daten optisch 

LV: Low Voltage = Niederspannung 

HV: High Voltage = Hochspannung 

Abbildung 3.11: Schematischer Aufbau der Steuerung und Auslese eines Petals. Der 

Einfachheit halber wird die Steuerung und Auslese wie in den später 

beschriebenen Testständen durch PC-Karten dargestellt. 

Die Petal-Seiten mit den Modulen der ungeradzahligen Ringe, bei einem Front- 

Petal Side A, bei einem Back-Petal Side C, sind in Richtung des Wechselwirkungspunktes 

ausgerichtet. Ein Teilchen durchquert vom Wechselwirkungspunkt aus die 

Module der einzelnen Petal-Seiten also in der Reihenfolge A–B–C–D. Durch die 

Anordnung der Module auf zwei Seiten werden Lücken in der Siliziumabdeckung 

vermieden (analog der überlappenden Montage der Module eines Ringes gemäß 

Abschnitt 3.1.4). In Anhang A sind die CAD-Zeichnungen eines Front-Petals mit 

Modulen zu sehen. Die Positionen der Module werden in jedem Ring so durchnummeriert, 

dass die Nummern vom Wechselwirkungspunkt aus von links nach 

rechts ansteigen. Betrachtet man die Module auf einer Seite des Petals frontal, so 

wird die Nummerierung der Positionen auf Side A bzw. C von links nach rechts 

und auf Side B bzw. D von rechts nach links vorgenommen. Die Positionsangabe 

erfolgt unter Angabe des Ringes und der Nummer des Moduls. Das Modul 3 auf 

Ring 5 wird z. B. mit ” 

Position 5.3“ bezeichnet.


Auf den Ringen 1, 2 und 5 werden doppelseitige Module verwendet. Diese bestehen 

aus zwei Einzelmodulen, die übereinander angeordnet und um 100 mrad 

gegeneinander verdreht sind. Das untere Modul wird als Normalmodul, das obere 

als Stereomodul bezeichnet. 15 Zur Unterscheidung werden die Module mit den 

Buchstaben ” 

N“ bzw. ” 

S“ gekennzeichnet. CAD-Zeichnungen eines Normal- und 

eines Stereomoduls von Ring 5 sind in Anhang B dargestellt. Dadurch, dass die 

Module mit den Rückseiten zueinander angebracht werden, wird die Beschädigungungsgefahr 

stark verringert und die beiden Module können in einem kleineren 

Abstand montiert werden. Durch das Auslesen von zwei Siliziumstreifen auf verschiedenen 

Modulen und dem Winkel zwischen diesen beiden ist an diesen Stellen 

eine bessere Ortsauflösung möglich und man erhält schon mit den Messungen eines 

Moduls eine zweidimensionale Ortsinformation über das detektierte Teilchen. 

Die Messgenauigkeit dieser Module wird noch dadurch verbessert, dass es sich 

bei den Ringen 1, 2 und 5 um Module mit 768 Streifen handelt. Folglich besitzen 

diese auch Frontend-Hybride mit sechs APVs und drei MUX-Kanälen (vgl. 

Abschnitt 2.3.1). 

3.2.4 Das Auslesesystem 

Wird über die Steuerungselektronik ein Trigger an die APVs der einzelnen Module 

gesendet, so werden die zu diesem Zeitpunkt genommenen Daten in der Speichermatrix 

gesichert, um dann ausgelesen werden zu können (vgl. Abschnitt 2.3.2). 

Bei den APVs kann eine Zeitverzögerung (vgl. Abschnitt 2.3.4) eingestellt werden, 

um einem Trigger die richtigen Daten aus der Speichermatrix zuordnen zu 

können. Sobald die Datenleitungen frei sind, werden die Daten ausgelesen und 

gespeichert. Die Daten zweier APVs werden durch den MUX gemultiplext (vgl. 

Abschnitt 2.3.3) und zu dem zugehörigen AOH geschickt. 

Jeder AOH besitzt zwei oder drei Laser, wobei jeder Laser zu einem MUX- 

Kanal gehört. An jedem Laser ist eine Glasfaser angeschlossen, durch die die 

Daten transportiert werden. Insgesamt gehören zu einem Front-Petal bis zu 68, 

zu einem Back-Petal bis zu 52 optische Fasern. Die Faserlänge der einzelnen AOHs 

variiert, um die im Detektor vorhandenen Kabellängen zu minimieren. Eine Aufstellung 

der verschiedenen Faserlängen befindet sich im Anhang C. Die AOHs 

werden direkt neben den zugehörigen Modulen montiert (siehe Abb. 3.6). Eine 

Ausnahme bildet der Ring 1 des Front-Petals, bei dem die AOHs auf der anderen 

Seite des Petals angebracht werden. 

Der Verstärkungsgrad jedes Lasers kann aus vier Stufen, Gain 0 bis Gain 3, 

gewählt werden, wobei standardmäßig Gain 2 gewählt wird. Dabei entspricht jedem 

Verstärkungswert eine bestimmte Leitfähigkeit, die in Schritten von 2,5 mS 

zwischen 5 mS und 12,5 mS variiert. Die Leitfähigkeit bestimmt die Höhe des 

durch die eingehende Spannung erzeugten Stromes für die Laser und somit die 

Höhe des von den AOH-Lasern an die Ausleseelektronik gesendeten optischen Sig- 

15 Die Bezeichnungen hängen von der Form des Modulrahmens ab. Bei einem Normalmodul 

ist dieser wie bei den Einzelmodulen der anderen Ringe gebaut. Bei dem Stereomodul ist das 

Oberteil des Rahmens für die Drehung um 100 mrad etwas angeschrägt (vgl. Anhang B).


Abbildung 3.12: Verstärkung der Signale durch AOH-Laser in Abhängigkeit vom 

Bias-Strom. Die logischen Nullen von acht MUX-Kanälen sind hier 

rot, die logischen Einsen grün dargestellt (Erläuterung der Größe 

ADC-Einheit in Abschnitt 7.5). Die blauen Markierungen kennzeichnen 

die idealen Arbeitspunkte. Basierend auf Quelle [17]. 

nales. Die Verstärkung ist in einem Bereich der Eingangsspannung von ca. 1 V 

linear. Der Maximal- und der Minimalwert, die von den APVs an den Laser gesendet 

werden, sind die logische Eins und die logische Null aus dem Header. Beide 

Extremalwerte sollen linear verstärkt werden und nicht im unteren oder oberen 

Sättigungsbereich des vom AOH-Laser ausgegebenen Ausgangssignals liegen, um 

Fehler in der Auslese zu vermeiden und sämtliche Daten unverfälscht zu erhalten. 

Durch die Regulierung der sog. Bias-Spannung 16 kann der Bereich, in dem der 

Laser linear verstärken soll, eingestellt und auf die Höhe der Signale vom APV angepasst 

werden (vgl. Abb. 3.12). Nähere Informationen über die AOHs befinden 

sich in [18]. 

Die Daten werden von einer Computerkarte mit dem Namen FED 17 entgegengenommen. 

Da diese Karte allerdings elektrische Signale einliest, ist ein sog. 

O-FED (Optical FED) dazwischengeschaltet, der die optischen Signale in elektrische 

zurückkonvertiert. Die Signale der einzelnen AOHs werden über Kabel mit 

mehreren optischen Fasern zum O-FED übertragen. Vom O-FED aus werden die 

Daten an den FED weitergeleitet, über den dann die DAQ-Software 18 , die für 

16 Wie bei Silizium-Modulen wird auch hier von Bias-Spannung gesprochen. Vgl. Abschnitt 

2.2.1. 

17 FED: Front End Driver. 

18 DAQ: Data Aquisition.


Spannungsanschlüsse 

Anschlüsse 

FEC-Steuerung 

Abbildung 3.13: Anschlüsse für die Versorgungsspannungen und die Steuerung auf 

dem Petal. 

die Speicherung der Daten zuständig ist, auf diese zugreifen kann. Die analogen 

Daten werden bis zum FED nicht verändert, erst der FED digitalisiert diese, um 

eine Auswertung durch die Software zu ermöglichen. Es ist auch möglich, bei den 

Daten bereits mittleres Pedestal und Common-Mode zu subtrahieren (die Definition 

dieser Größen erfolgt in Abschnitt 7.5). Eine vereinfachte Darstellung der 

Ausleseelektronik ist in Abb. 3.11 dargestellt. 

3.2.5 Spannungsversorgung und Verkabelung des Petals 

Die Module, AOHs und CCUs müssen mit einer Betriebsspannung 19 versorgt werden, 

die Module weiterhin noch mit einer Hochspannung 20 , die zur Verarmung 

des Siliziums benötigt wird. Die CCUs werden von einer separaten Spannungsquelle 

mit einer Spannung von 2,5 V versorgt. Die Niederspannungsversorgung 

für die Module und AOHs ist in drei Gruppen aufgeteilt, wobei Gruppe 1 die 

Module und AOHs der Ringe 1 und 2, Gruppe 2 die Ringe 3, 4 und 6, und Gruppe 

3 die Ringe 5 und 7 versorgt. Für die Hochspannungsversorgung ist jede der 

drei Gruppen noch in zwei Untergruppen A und B gegliedert. 21 Zu jeder Gruppe 

gehört eine Niederspannung zur Versorgung der Komponenten und zu jeder Untergruppe 

eine Hochspannung. Module und AOHs benötigen zum Betrieb beide 

sowohl eine Spannung von 1,25 V als auch eine von 2,5 V, die von der Niederspannungsquelle 

geliefert werden. Weiterhin wird von der Hochspannungsquelle 

eine Hochspannung von bis zu 450 V bereitgestellt. 

Auf dem Petal selber befinden sich für jede Spannungsgruppe zwei Anschlüsse, 

nämlich für Hoch- und Niederspannung, und zwei Anschlüsse für die Steuersignale, 

wobei ein Anschluss, der auch die Versorgungsspannung für die CCUs weiterleitet, 

19 Im Englischen sprich man von Low Voltage, kurz LV. 

20 Die Hochspannung wird im Englischen als High Voltage oder abgekürzt als HV bezeichnet. 

21 Die Zuordnung der Untergruppen ist Anhang D zu entnehmen


für die eingehenden und der andere für die ausgehenden Signale verwendet wird. 

Die einzelnen Anschlüsse sind in Abb. 3.13 zu erkennen. Um die Verkabelung 

der Petal zu vereinfachen, werden sog. Multi-Service-Kabel verwendet, über die 

sowohl die Niederspannungen als auch die Hochspannung für die AOHs und Module 

angelegt werden. Durch einen Adapter 22 werden die einzelnen Spannungen 

auf die Anschlüsse auf dem Petal aufgeteilt. Über Fühlerleitungen, die auch in 

das Multi-Service-Kabel integriert sind, wird die auf dem Petal anliegende Spannung 

der einzelnen Kanäle gemessen. Dadurch ist es den Netzgeräten möglich, die 

angelegten Spannungen automatisch so nachzuregeln, dass diese an den Komponenten 

auf dem Petal den notwendigen Wert erreichen und Verluste durch Kabel 

und Stecker kompensiert werden. 

Die komplette Verkabelung des Petals besteht also aus der Zuführung der 

Betriebs- und Hochspannungen über drei Multi-Service-Kabel, der Zuführung der 

Steuersignale und der CCU-Spannung über ein Flachbandkabel und den optischen 

Fasern, die die Daten an die Ausleseelektronik übermitteln. 

22 Im Fall der weiter hinten beschriebenen Teststände handelt es sich um ein so genanntes 

Patch-Panel (vgl. Abschnitt 4.3).

34 Kapitel 3. Das Petal

Kapitel 4 

Komponenten der Teststände 

In diesem Kapitel sollen einige grundlegende Elemente der Petal-Steuerung und 

-Auslese erläutert werden, die bei fast allen Tests außerhalb des CMS-Experimentes 

benutzt werden. Auch bei den beiden später vorgestellten Testständen werden 

diese Komponenten verwendet. 

4.1 Transportrahmen 

Die mechanische Struktur des Petals wird in einem Transportrahmen befestigt 

(zu sehen in Abb. 5.1), in dem das Petal bis zum Einbau in die Endkappe bleibt. 

Für diesen Rahmen existieren Abdeckungen, so dass ein zusammengebautes Petal 

sicher transportiert und gelagert werden kann. 

4.2 Kühlung des Petals 

Die elektronischen Bauteile erzeugen teilweise sehr große Wärmemengen, die zur 

Verhinderung von Beschädigungen abgeführt werden müssen. Dazu wird das Petal 

mit Hilfe einer dafür konstruierten Kühlmaschine, der Louvain-Cooling-Plant 

f aktiv gekühlt. 1 Die Kühlmaschine wird mit Gummischläuchen 2 mit einem Innendurchmesser 

von 6,3 mm mit den beiden in Reihe betriebenen Kühlrohren 

des Petals verbunden, wobei der Übergang zwischen Schlauch und Kühlrohr, die 

verschiedene Innendurchmesser haben (6,3 mm auf 6 mm), durch die Verwendung 

von Schnellverschlussschellen ermöglicht wird. Als Kühlmittel wird eine 

C 8 F 18 -Verbindung verwendet 3 , die mit Hilfe der Kühlmaschine durch das Petal 

gepumpt wird. Um die Handhabung der Kühlung zu vereinfachen werden an das 

Petal kurze Schläuche angebracht, die mit selbstschließenden Schnellverschlüssen 

1 Die Louvain-Cooling-Plant wurde im Institut de Physique nucléaire der Université catholique 

de Louvain, das auch zur TEC-Kollaboration gehört, entwickelt. 

2 Es handelt sich um Schläuche aus Polyurethan von der Firma RS Components. 

3 Die vorgesehene Kühlflüssigkeit PF-5080 wird von der Firma 3M hergestellt. Da diese inzwischen 

nicht mehr produziert wird, wird die leicht anders behandelte Flüssigkeit FC77 verwendet, 

bei der es sich ebenfalls um eine C 8 F 18 -Verbindung handelt. Aus Kostengründen wird nicht die 

Original-CMS-Kühlflüssigkeit benutzt. 

35

36 Kapitel 4. Komponenten der Teststände 

Optisches 

Patch-Panel 

Kühlschläuche 

Elektrisches 

Patch-Panel 

Abbildung 4.1: Links sieht man das optische Patch-Panel, in den die Stecker der 

Short-Ribbon-Kabel befestigt werden können. Rechts ist das elektrische 

Patch-Panel zu erkennen, in das die drei Multi-Service-Kabel 

und das Flachbandkabel eingesteckt werden. Man sieht zudem die 

Weiterleitung und Aufteilung der Stecker auf das Petal. Außerdem 

sind die Kühlschläuche mit den zugehörigen Schnellverschlüssen zu 

sehen. 

versehen sind. Die an der Kühlmaschine montierten Schläuche sind ebenfalls mit 

diesen Schnellverschlüssen ausgestattet, um ein Petal leicht in den Kühlkreislauf 

integrieren zu können (zu sehen in Abb. 4.1). Für den Petal-Bau sollen bereits 

Cooling-Manifolds (vgl. Abschnitt 3.1.3) vorhanden sein, die vom Petal in einem 

rechten Winkel wegführen. 

An der Kühlmaschine kann der Druck, mit dem die Kühlflüssigkeit in den 

externen Kreislauf gepumpt wird, und somit der Fluss reguliert werden. Die Temperatur 

der Kühlflüssigkeit kann im Idealfall, also ohne äußere Einflüsse, auf Temperaturen 

zwischen −30 ◦ C und +50 ◦ C eingestellt werden. Im Belastungsfall, wie 

er bei dem später beschriebenen Long-Term-Test auftritt, liegt das erreichbare 

Temperaturminimum wesentlich höher. Die aktuelle Temperatur der Kühlflüssigkeit 

wird von einem Sensor, der sich direkt vor dem Austritt in den externen 

Kreislauf befindet, kontinuierlich gemessen und angezeigt. Die Kühlmaschine ist 

in Abb. 7.1 zu sehen. 

4.3 Verkabelung des Petals 

Für die Versorgung der AOHs und Module eines Petals mit Hoch- und Niederspannung 

werden Multi-Service-Kabel verwendet, über die beide Spannungsarten 

am Petal anliegen. Dabei wird pro Versorgungsgruppe ein solches Kabel verwendet. 

Um die Spannungen auf die auf dem Petal befindlichen Stecker aufzuteilen,

4.4. Aufbau des Auslesesystems 37 

Abbildung 4.2: Das Patch-Panel, an das drei Multi-Service-Kabel und ein Flachbandkabel 

angeschlossen sind. 

wird ein sog. Patch-Panel 4 (zu sehen in Abb. 4.1) benutzt, das fest an einer Ecke 

des Petal-Rahmens befestigt wird. Das Patch-Panel besitzt drei Anschlüsse für 

die Multi-Service-Kabel der einzelnen Gruppen und einen weitern Anschluss für 

ein Flachbandkabel, über das die Steuersignale des FEC und die Versorgungsspannung 

für die CCUs übertragen werden. 

Die CCUs werden von einer Spannungsquelle mit der notwendigen Betriebsspannung 

von 2,5 V versorgt. Dabei wird die Spannung zusammen mit den vom 

FEC eingespeisten Steuersignalen mittels eines Flachbandkabels auf das Patch- 

Panel geführt. Bei der kompletten Verkabelung wird ein vom FEC kommendes 

26-poliges Flachbandkabel mit einer sog. CCUM-FEC-Adapterkarte verbunden, 

auf der die Steckerbelegung der einzelnen Leitungen angepasst werden, und an die 

das Petal über ein 25-poliges Flachbandkabel angeschlossen wird. Dieses Flachbandkabel 

ist zudem mit der Versorgungsspannung der CCUs verbunden und 

führt zum Patch-Panel. 

Zur Versorgung eines Petals müssen nach dessen Befestigung im Rahmen und 

Verkabelung mit dem Patch-Panel lediglich vier Kabel mit dem Patch-Panel verbunden 

werden, so dass das Petal in verschiedenen Testaufbauten schnell in Betrieb 

genommen werden kann. Ein verkabeltes Patch-Panel und die Multi-Service- 

Kabel sieht man in Abb. 4.2. 

4.4 Aufbau des Auslesesystems 

Die optischen Signale von je zwölf AOH-Lasern werden in einem Kabel mit zwölf 

optischen Fasern, Short-Ribbon-Kabel genannt, zusammengeführt. 5 Eines dieser 

relativ kurzen Kabel ist dann über einen Stecker 6 mit einem weiteren, länge- 

4 Patch Panel ist der englische Ausdruck für Verbindungstafel und bezeichnet einen Adapter, 

der Spannungen und Signale auf andere Kabelarten überträgt und verteilt. 

5 Der Übergang zwischen den MPO-Steckern des AOH und den MU -Steckern des Short- 

Ribbon-Kabels findet über einen MU-MPO-Adapter statt. MU steht für Miniature Unit Coupling, 

MPO für Multi-path Push. 

6 Es handelt sich um einen sog. MU-MU -Adapter.

38 Kapitel 4. Komponenten der Teststände 

1m 

10m 

// 

Optische 

Fasern 

der AOHs 

Short-Ribbon-Kabel Long-Ribbon-Kabel O-FED 

Kabel zum FED 

Abbildung 4.3: Verlauf der optischen Auslese: Die optischen Fasern der AOHs verlaufen 

über das Short- und das Long-Ribbon-Kabel zum O-FED. 

ren Kabel mit dem Namen Long-Ribbon-Kabel verbunden, das die Signale dieser 

zwölf Laser dann zum O-FED weiterleitet (dargestellt in Abb. 4.3). Der Grund 

für die Verwendung zweier Kabel ist ein Kompromiss zwischen Arbeits- und Kostenaufwand. 

Da die Verkabelung von bis zu 68 optischen Fasern zum Teil sehr 

unübersichtlich ist und die optischen Fasern und auch die AOH-Stecker sehr leicht 

beschädigt werden, ist es besser, die Verbindung zwischen den AOHs und dem Kabel 

nur einmal vornehmen zu müssen. Da die Kosten für optische Glasfaserkabel 

allerdings sehr hoch sind, ist es günstiger, lange Kabel für mehrere verschiedenen 

AOHs zu verwenden, da während der in den Kapiteln 5 und 6 beschriebenen 

Integration immer nur ein Ring gleichzeitig ausgelesen werden muss. 

Im O-FED werden die optischen dann in elektrische Signale konvertiert und 

zum FED gesendet. Ein O-FED beinhaltet ein oder zwei OECs 7 , von denen jeder 

die optischen Signale von zwölf Leitungen in elektrische konvertieren kann. Da die 

einzelnen optischen Fasern des Short-Ribbon-Kabels an der Stelle des Anschlusses 

an die AOHs und die Kabel, die vom OEC zum FED führen, durchnummeriert 

sind, ist es leicht, die einzelnen Kanäle, die zu einem AOH-Laser, also zu einem 

Multiplexer, gehören, den FED-Eingängen zuzuordnen. 

Um die Auslese zu vereinfachen, wird ein in Karlsruhe produzierter Multiplexer, 

K-MUX genannt, benutzt, der bis zu acht Karten besitzt, die jeweils zehn 

Eingänge für vom O-FED kommende Signale und einen Ausgang haben. Nur ein 

ausgewählter Kanal wird über diesen weitergeleitet, so dass bei einer einmaligen 

Verkabelung des O-FEDs mit dem K-MUX alle Kanäle ohne weiteres Umstecken 

dieser Kabel, zwar nicht gleichzeitig, aber zumindest sukzessive, ausgelesen werden 

können. Da ein FED acht Eingangskanäle besitzt, wird bei der Verwendung 

eines K-MUX mit acht Karten nur ein FED zur Auslese eines kompletten Petals 

benötigt. Die Steuerung des K-MUX kann über eine TPO 8 genannte Karte oder 

eine I 2 C-PMC-Card erfolgen. Da bisher keine dieser beiden Karten vorhanden 

ist, konnte der K-MUX bei den ersten Testmessungen nicht eingesetzt werden. 

7 OEC: Optical Electrical Converter. 

8 TPO: TSC Parallel Output.

Kapitel 5 

Der Integrationsteststand 

Für den CMS-Tracker werden zwei aus neun Rädern bestehende Endkappen gebaut, 

in denen insgesamt rund 6.500 Module auf insgesamt 288 Petals enthalten 

sind. Die notwendigen Arbeiten und Vorbereitungen dafür werden in den verschiedenen 

Instituten der TEC-Kollaboration durchgeführt. In Anhang E sind 

die wichtigsten Schritte skizziert und ein Ablaufplan dargestellt. 

Da im III. Physikalischen Institut B insgesamt 41 Petals zusammengebaut 

und getestet werden sollen, müssen spezielle Arbeitsplätze bzw. Teststände für 

die Montage und die Durchführung der gewünschten Tests aufgebaut werden. Die 

Petals werden zuerst am Integrationsteststand zusammengebaut und auf Funktionsfähigkeit 

überprüft, und anschließend am Long-Term-Teststand einem Stresstest 

unterzogen. 

Eine vorläufige Planung sieht vor, ein Petal in etwas mehr als zwei Tagen 

am Integrationsteststand zusammenzubauen und dann drei Tage am Long-Term- 

Teststand zu testen. Dieser Plan geht von einem fehlerfreien Ablauf der Integrationstestschritte 

aus. Der Gesamtzeitplan, der alle Petals betrifft, ist allerdings 

so ausgelegt, dass für jedes Petal eine komplette Woche für die Integration aufgewandt 

werden kann. 

5.1 Vorgehensweise bei der Integration 

Die zusammengebauten und getesteten Komponenten (mechanische Petal-Struktur 

mit ICB, Module, AOHs, CCUs) werden dem III. Physikalischen Institut 

B von den zuständigen Herstellern bzw. Instituten zugesandt. Jedes verwendete 

Bauteil ist in einer zentralen Datenbank, die in Lyon verwaltet wird, eingetragen 

und zur Identifikation mit einem Barcode versehen. 

Das Petal wird in einem Transportrahmen befestigt. Dieser kann in eine spezielle 

Montagekonstruktion gespannt werden, in dem das Petal beim Zusammenbau 

gedreht werden kann, so dass beide Seiten problemlos zu erreichen sind (vgl. 

Abb. 5.1). Die Integration wird mit Hilfe einer speziell entwickelten Assembly- 

Software 1 vorgenommen, die jede aufgebrachte Komponente nach dem Monta- 

1 Assembly ist das englische Wort für Montage. 

39

40 Kapitel 5. Der Integrationsteststand 

Abbildung 5.1: Die für die Integration verwendete, drehbare Konstruktion mit einem 

in einem Transportrahmen befestigten Front-Petal. 

geschritt testet. Zuerst werden die CCUs, dann die AOHs und zum Schluss die 

Module auf dem Petal angebracht und auf Funktionsfähigkeit überprüft. 

5.2 Montage der Module 

Jedes Modul wird an vier Punkten auf dem Petal befestigt (vgl. Abb. 3.2). Um 

die Module überlappend montieren zu können (vgl. Abschnitt 3.1.4), werden an 

jedem Insert auf dem Petal mehrere Module angebracht. Die Inserts eines Ringes 

sind dementsprechend verschieden hoch. Zur Befestigung der Module mit Schrauben 

werden Centerliner genannte Stifte aus einem harten Kunststoff in die Inserts 

gesteckt. Diese Centerliner stehen etwas über die Inserts hinaus und dienen der 

mechanischen Stabilität. Notwendig ist die nachträgliche Montage, da die Inserts 

auf dem Petal zum Schluß des Petal-Baus noch einmal abgefräst werden. Um ein 

zu starkes Anziehen der Schrauben und daraus resultierende mechanische Spannungen 

zu vermeiden, wird ein Drehmomentschraubenschlüssel benutzt, bei dem 

das gewünschte maximale Drehmoment eingestellt werden kann. Zwischen den 

Köpfen der Schrauben und dem Modulrahmen werden zwei Unterlegscheiben angebracht, 

wobei es sich bei der oberen zur besseren Stabilität um eine gewellte 

Unterlegscheibe handelt. Die mechanische Genauigkeit bei der Montage der Module 

beträgt 100 µm. 

Damit sich die Module und insbesondere die Siliziumsensoren im Überlappungsbereich 

nicht berühren, werden zwischen diesen sogenannte Abstandscheiben 

(Abb. 5.2) bzw. Brücken (Abb. 5.3) montiert. Zwischen zwei an dem gleichen 

Insert befestigten Modulen werden Abstandscheiben angebracht, deren Form je 

nach Ring und der dortigen Anordnung der verschiedenen Bauteile variiert. Damit

5.3. Aufbau des Teststandes 41 

30mm 

20mm 

10mm 

Abbildung 5.2: Einige der für die Integration verwendeten Abstandscheiben. 

die Siliziumsensoren zweier benachbarter Module vollständig überlappen, müsste 

die Befestigung eines Moduls eigentlich durch einen der Siliziumsensoren des 

anderen gehen. Mit einer Brücke kann ein Modul versetzt über einem anderen 

befestigt werden, ohne dass das untere Modul beschädigt wird (Abb. 5.3). 

5.3 Aufbau des Teststandes 

5.3.1 Kühlung des Petals bei der Integration 

Das Petal wird an die Kühlmaschine angeschlossen. Da es beim Zusammenbau 

nicht kalt sein muss, sondern lediglich das Überhitzen einiger Elemente verhindert 

werden soll, reicht es aus, die Kühlflüssigkeit konstant auf Umgebungstemperatur 

zu halten, um einer starken lokalen Erhitzung vorzubeugen. 

5.3.2 Spannungsversorgung und Steuerung des Petals 

Eine schematische Darstellung des Aufbaus befindet sich in Abb. 5.4. Beim Zusammenbau 

des Petals wird als Niederspannungsquelle für die Module und AOHs ein 

Delphi-Power-Supply 2 benutzt, das die benötigten Spannungen von 1,25 V und 

2,5 V bereitstellt. Für die durchzuführenden Hochspannungstests wird ebenfalls 

das Delphi-Power-Supply verwendet (vgl. Abschnitt 5.4.4). Da bei der Integration 

die einzelnen Ringe des Petals jeweils separat getestet werden und nur der 

jeweils zu testende Ring mit Spannung versorgt werden muss, wird lediglich ein 

Delphi-Power-Supply benötigt, das über das Patch-Panel bequem an die jeweilige 

Spannungsgruppe angeschlossen werden kann. Für die Versorgung der CCUs wird 

ein weiteres Spannungsgerät verwendet (siehe Abschnitt 6.1.2). 

5.3.3 Das Auslesesystem des Integrationsteststandes 

Da bei der Petal-Integration keine Daten genommen, sondern nur die prinzipielle 

Funktionsweise überprüft werden soll, werden die aus dem O-FED kommenden 

2 Da diese Spannungsgeräte ursprünglich im Delphi-Experiment am Beschleuniger LEP am 

CERN verwendet worden sind, werden sie Delphi-Power-Supply genannt.


Module 

Brücke 

Frontend- 

Hybride 

AOHs 

Inter- 

Connect- 

Board 

Abbildung 5.3: Ring 2 eines Front-Petals: Man sieht das Inter-Connect-Board und 

zwei doppelseitige Module sowie die AOHs der Ringe 1 (unten) und 2 

(über den Modulen). Außerdem sind zwei der Frontend-Hybride, die 

zu jeweils einem Modul gehören, zu erkennen. Die beiden doppelseitigen 

Module werden mit Hilfe einer Brücke montiert. Quelle: [14] 

elektrischen Daten nicht zum FED weitergeleitet (vgl. Abschnitt 3.2.4), sondern 

auf einem Oszilloskop dargestellt. In dem K-MUX (vgl. Abschnitt 4.4), der bei 

der Integration benutzt werden soll, sind zwei Karten vorhanden, deren Ausgänge 

mit zwei Kanälen des Oszilloskops verbunden werden. Um die Kanäle der 

verschiedenen Ringe auslesen zu können, müssen die an die jeweils auszulesenden 

AOHs angeschlossenen Short-Ribbon-Kabel mit dem Long-Ribbon-Kabel verbunden 

werden, so dass bei den Messungen der einzelnen Ringe stets nur ein Kabel 

umgesteckt werden muss. 

In Anhang F befinden sich eine tabellarische Auflistung sämtlicher Komponenten 

und eine graphische Darstellung eines kompletten Integrationsteststandes. 

5.3.4 Das ARC-System 

Sämtliche Komponenten, die im Integrationszentrum eintreffen, sind auf Funktionsfähigkeit 

überprüft worden. Da die Siliziummodule sehr empfindlich sind, 

sollen diese vor der Montage auf das Petal noch einmal auf eventuelle Transportschäden 

getestet werden. Dafür wird ein Auslesesystem namens ARC 3 benutzt. 

Da das ARC-System bei den bisherigen Integrationstests in Aachen noch nicht 

verwendet worden ist, soll an dieser Stelle nicht weiter auf dieses System ein- 

3 ARC: APV Readout Controller. Es handelt sich um ein System, das für die notwendigen 

Tests von Einzelmodulen entwickelt worden ist.

5.4. Durchführung der Integration 43 

PC 

FEC 

TSC 

Delphi 

MS 

Petal 

O-FED 

K-Mux 

Oszilloskop 

Steuersignale FEC–Petal 

Signale PC–Delphi 


Daten optisch 

MS: Multi-Service-Kabel 

Abbildung 5.4: Schematischer Aufbau des Integrationsteststandes. 

gegangen werden. Detaillierte Beschreibungen zum ARC-System sind in [19] zu 

finden. 

5.4 Durchführung der Integration 

5.4.1 Vorgehensweise 

Die Integration wird mit der Assembly-Software (Abb. 5.5) durchgeführt, die als 

Leitfaden bei der Montage dient. Genaue Angaben zum Ablauf der Tests während 

der Integration und eine Dokumentation der Assembly-Software sind in [20] zu 

finden. Über eine AFS-Anbindung 4 wird dabei direkt auf die am CERN liegende 

Software zugegriffen. 5 Die Ergebnisse der einzelnen Integrationsschritte werden 

in einer XML-Datei 6 lokal auf dem PC gespeichert. 

Jedes Bauteil (Inter-Connect-Board, Modul, CCU,...) ist mit einem Barcode 

versehen und über diesen eindeutig identifizierbar. Die Eigenschaften, einzelnen 

4 Bei dem Andrew File System, abgekürzt AFS, handelt es sich um ein an der Carnegie 

Mellon University entwickeltes, verteiltes Dateisystem. Man kann von jedem Computer mit 

Internetzugang weltweit auf dieses zugreifen und die dort abgelegten Dateien benutzen. 

5 Dieses Verfahren wurde gewählt, um evtl. vorzunehmende Änderungen in der Software 

durchführen zu können, ohne dass alle Integrationszentren diese neu installieren müssen und 

so stets mit der aktuellen Version arbeiten. Dadurch können eventuelle Probleme bzgl. der 

Kompatibilität untereinander und mit der Datenbank vermieden werden. 

6 XML: Extensible Markup Language.


Abbildung 5.5: Die Assembly-Software: Links oben befindet sich eine Überblick über 

die bisher erfolgreich montierten Bauteile. Darunter sind die auf den 

gerade zu bestückenden Positionen benötigten Bauteile, der eingescannte 

Barcode und das Testergebnis angegeben. Auf dem Bild 

rechts wird die Lage der Komponenten auf dem Inter-Connect-Board 

angezeigt. Darunter sind die Angaben über Faserzuordnung u. ä. zu 

finden. 

Testergebnisse und auch der derzeitige Aufenthaltsort jeder Komponente werden 

in einer zentralen Datenbank in Lyon gespeichert, so dass alle Institute der TEC- 

Kollaboration jederzeit alle notwendigen Informationen über jedes Bauteil zur 

Verfügung haben. Die Datenbank wird von den einzelnen Instituten immer auf 

dem aktuellen Stand gehalten. 

Vor der Montage eines Bauteiles muss die zu bestückende Position auf dem 

Petal in der Software angegeben und der zu dem Bauteil gehörige Barcode eingescannt 

werden. 7 Die Assembly-Software überprüft, ob ein passendes Bauteil für 

die Position ausgewählt wurde und ob sich dieses im richtigen Institut befindet. 

Bei AOHs wird z. B. die in der Datenbank eingetragene Faserlänge mit der auf der 

Position benötigten verglichen, bei Modulen wird beispielsweise überprüft, ob das 

7 Es handelt sich um einen zweidimensionalen Barcode.


Abbildung 5.6: Ausgaben der Assembly-Software bei einem falsch (links) und einem 

richtig (rechts) ausgewählten AOH. 

Modul an der richtigen Stelle angebracht werden soll. Wurde ein falsches Bauteil 

für eine Position ausgewählt, wird eine Fehlermeldung ausgegeben und der Einscannvorgang 

muss mit einem entsprechend passenden Bauteil wiederholt werden. 

Ein Ausgabebeispiel für einen für eine Position falsch und richtig ausgewählten 

AOH findet man in Abb. 5.6. 

Zuerst werden die beiden CCUs, anschließend die AOHs und zum Schluss die 

Module auf dem Petal angebracht und getestet. Die Montage der AOHs und Module 

erfolgt jeweils ringweise. Nach dem Anbringen der jeweiligen Komponenten 

werden mit Hilfe der Assembly-Software mehrere Tests durchgeführt und deren 

Ergebnisse ausgegeben. Waren die Tests erfolgreich, kann mit dem Zusammenbau 

des Petals fortgefahren werden. Tritt ein Fehler auf, so werden potentielle Fehlerquellen 

benannt und die Petal-Montage kann erst nach erfolgreichem Abschluss 

dieses Tests (z. B. nach dem Austauschen einer defekten Komponente) fortgesetzt 

werden. 

Es ist möglich, die Assembly-Software in einem sog. Dummy-Modus zu betreiben, 

in dem einzelne Schritte simuliert werden. Dadurch können Objekte, die 

bisher noch nicht mit einem Barcode ausgestattet sind, trotzdem auf dem Petal 

angebracht werden, da das Programm in diesem Modus einfach einen Barcode 

generiert. Diese Komponenten können aber dennoch benutzt und im normalen 

Modus getestet werden. Des Weiteren können in diesem Modus einzelne Tests, 

die bei einem Bauteil evtl. nicht funktionieren, übersprungen und somit die Integration 

der anderen Bauteile fortgesetzt werden. 

5.4.2 Montage und Test der CCUs 

Die beiden CCUs werden einfach auf das Petal aufgesteckt. Danach wird mit der 

Software getestet, ob eine Token-Ring-Verbindung hergestellt und Steuerbefehle 

an die CCUs geschickt werden können. Das Assembly-Programm gibt an, ob der 

Test erfolgreich war. 

5.4.3 Montage und Test der AOHs 

Die AOHs werden ringweise auf dem Inter-Connect-Board angebracht und getestet. 

Die Assembly-Software gibt an, welcher AOH-Typ (Anzahl und Länge der


Optische 

Fasern 

Clips 

Abbildung 5.7: Die montierten AOHs auf Side A von einem Front-Petal: Links die 

AOHs der Ringe 5 und 7, rechts die AOHs des Ringes 3. Man erkennt 

auch die Clips, die die optischen Fasern geordnet vom Petal führen. 

optischen Fasern) montiert werden muss. Der Barcode des ausgewählten AOHs 

wird dann eingescannt. Der AOH wird auf den vorgesehenen Steckplatz aufgesteckt 

und mit einer Schraube fixiert. Um ein zu starkes Anziehen der Schrauben 

und dadurch auftretende Spannungen zu vermeiden, wird für sämtliche Schrauben 

ein Drehmomentschraubenschlüssel benutzt. Die an einer Position benötigte 

Schraubenlänge und das einzustellende Drehmoment sind festgelegt und werden, 

um den Zusammenbau einfacher zu gestalten und die Benutzung mehrerer technischer 

Zeichnungen zu vermeiden, von dem Assembly-Programm angegeben. 

Die Fasern der AOHs werden dann mit Hilfe von Clips, die in speziellen Bohrungen 

befestigt werden, zu einer Seite des Petals geführt (Abb. 5.7). Betrachtet 

man Side A eines Front-Petals (bzw. Side C eines Back-Petals), werden die Fasern 

nach rechts weggeführt. An dieser Seite befindet sich in der mechanischen Konstruktion 

des Petals eine Nut, durch die die Fasern zum optischen Patch-Panel 

geführt werden können (Abb. 4.1). Die Fasern werden zusammengeschnürt, um 

Beschädigungen bei der Führung durch die Nut zu vermeiden. Nun muss der AOH 

an das Short-Ribbon-Kabel angeschlossen werden. Zuerst werden die optischen 

Steckverbindungen jeder Faser mit einem speziellen Reinigungsgerät gesäubert 

und dann in die entsprechenden Anschlüsse des Short-Ribbon-Kabels gesteckt. 

Die Software gibt vor, in welchen Anschluss der Stecker gesteckt werden muss 

(vgl. Abb. 5.5), so dass das Auslesen einzelner Kanäle später einfach und ohne 

aufwendiges Suchen des richtigen Kanals geschehen kann. Hierbei ist zu beachten, 

dass, wenn man die austretenden Fasern der AOHs von vorne betrachtet, die rechte 

mit der Nummer Null, die mittlere mit eins und die linke mit zwei bezeichnet 

wird. 8 

8 Bei AOHs mit zwei Lasern fehlt der mittlere Laser mit der Nummer eins.


(a) (b) (c) 

Abbildung 5.8: Typische Bilder auf dem Oszilloskop: (a) beim Testen der AOHs, (b) 

und (c) beim Testen der Module. Bei (b) erkennt man den Header 

und die Tick-Marks, bei (c) sind zusätzlich noch analoge Daten zu 

sehen. Auf der Abszisse ist die Zeit in Einheiten von 1 µs, auf der 

Ordinate die Signalhöhe in beliebigen Einheiten aufgetragen. 

Sind die AOHs eines Ringes montiert, so wird geprüft, ob die I 2 C–Verbindung 

hergestellt und Steuerbefehle an diese geschickt werden können. War der Test 

nicht erfolgreich, so werden eine Fehlermeldung ausgegeben und mögliche Fehlerquellen 

benannt. Der Test muss nach Behebung des Problems wiederholt werden. 

Ist die Verbindung mit den AOHs hergestellt, wird ein sog. Bias-Scan durchgeführt. 

Bei diesem wird bei dem zu untersuchenden Laser von dem Programm die 

Verstärkung auf Gain 2 eingestellt und die Bias-Spannung in kleinen Schritten 

hochgeregelt (vgl. Abschnitt 3.2.4). Dieser Prozess wird auf dem Oszilloskop verfolgt, 

auf dem man eine flache, leicht verrauschte Linie erkennen kann, die sich 

beim Verändern der Spannung in kleinen Sprüngen in eine Richtung bewegt. 9 Im 

nächsten Schritt wird dem Laser ein Reset-Befehl gesendet, die Bias-Spannung 

also in einem Schritt auf null gesetzt, und erneut das Verhalten am Oszilloskop 

beobachtet. Diesmal sollte sich das Signal in einem größeren Sprung in die andere 

Richtung bewegen. Diese Tests werden mit allen Lasern eines AOHs durchgeführt. 

Ein typisches Oszilloskopbild ist in Abb. 5.8(a) zu sehen. Bei diesem Test 

bestimmt nicht das Programm, sondern der Durchführende der Integration, ob 

ein Test erfolgreich war oder fehlgeschlagen ist. 

5.4.4 Montage und Test der Module 

Die Module werden ringweise auf dem Petal befestigt. Dabei werden die Module 

von einigen Ringen in zwei aufeinanderfolgenden Schritten angebracht. Zuerst 

werden die unten liegenden montiert und getestet, anschließend die oberen. Beim 

Auftreten eines Fehlers beim Testen der unteren Module kann so verhindert werden, 

dass darüberliegende Module wieder abgenommen werden müssen. Für die 

überlappende Montage werden die Module mit Hilfe von Abstandscheiben und 

9 Die Richtung hängt von der Polarität der Kabelverbindung zwischen O-FED und Oszilloskop 

ab.


Hochspannungsstecker 

Versorgungsspannung 

& 

I 2 C-Verbindung 

Abbildung 5.9: Die montierten Module auf Ring 7 eines Front-Petals: Vier der insgesamt 

fünf Versorgungs- und Hochspannungsstecker sind jeweils markiert. 

Brücken befestigt. Bei den Ringen 1, 2 und 5 werden die zusammengehörenden 

Normal- und Stereomodule stets am selben Insert angebracht und dementsprechend 

auch in einem Schritt montiert. Die Assembly-Software gibt auch hier an, 

welche Centerliner, Schrauben und Abstandscheiben benötigt werden, und welches 

maximale Drehmoment bei den einzelnen Schrauben einzustellen ist (vgl. 

Abschnitt 5.2). Die Stecker der Frontend-Hybride, über die die benötigten Niederspannungen 

und die Steuersignale geliefert werden, und die am Modulrahmen 

befestigten Kaptonkabel, über die die Hochspannung an die Siliziumsensoren angelegt 

werden kann, werden in die auf dem Petal vorhandenen Anschlüsse eingesteckt 

(Abb. 5.9). Danach wird mit der Testprozedur begonnen. 

Als erstes wird auch bei den Modulen die Funktionsfähigkeit der I 2 C-Verbindung 

vom Programm getestet. Anschließend wird ein Hochspannungstest durchgeführt 

und überprüft, ob der Hochspannungsanschluss funktioniert. Mit einem 

Kabel namens PCB 10 ist es möglich, über den Parallel-Port des benutzten Computers 

den vom Delphi-Power-Supply fließenden Strom auszulesen. Des Weiteren 

kann mit Hilfe dieses Kabels vom Delphi-Power-Supply eine Spannung von ca. 1 V 

über den Hochspannungsanschluss an das Modul angelegt werden. Man misst nun 

ohne und mit angelegter Spannung den auftretenden Leckstrom und überprüft so 

die Funktionsfähigkeit des Hochspannungsanschlusses. Dieser Test wird automatisch 

von der Assembly-Software ausgeführt. 

Anschließend werden bei jedem MUX-Kanal die gesendeten optischen Signale 

überprüft. Dafür werden bei den APVs und dem AOH-Laser Standardeinstel- 

10 PCB: Printed Circuit Board.


lungen gewählt, wobei die APVs so konfiguriert werden, dass sie keine analogen 

Daten senden. Die TSC sendet nun Trigger, und die Signale werden auf dem Oszilloskop 

beobachtet. Funktioniert das System richtig, sind die Tick-Marks der 

APVs zu erkennen. Weiterhin kann man einen Header, dem allerdings keine Daten 

folgen, beobachten. Zu sehen ist die Aufnahme eines solchen Oszilloskopbildes 

in Abb. 5.8(b). Dieser Test wird mit allen Laser-Kanälen durchgeführt. Anschließend 

wird der Test bei allen Kanälen wiederholt, allerdings werden die APVs 

diesmal so konfiguriert, dass sie analoge Daten senden, die auf dem Oszilloskop 

zu sehen sind (Abb. 5.8(c)). Über den Erfolg bzw. Misserfolg dieser beiden Tests 

entscheidet der Durchführende der Integration. 

Sind auch diese Tests mit allen Modulen erfolgreich durchgeführt worden, so 

ist die Integration beendet und die erstellte XML-Datei kann zur Datenbank 

geschickt und in dieser gespeichert werden. 

Da jeder Zwischenschritt der Integration in der XML-Datei gespeichert wird, 11 

kann der Integrationsprozess zwischendurch unterbrochen und später wieder aufgenommen 

werden. Auch ist es möglich isolierte Einzeltests durchzuführen, so 

dass Komponenten während der Integration auch nach Abschluss des sie betreffenden 

Integrationsschrittes noch ausgetauscht bzw. erneut getestet werden können. 

11 Der Dateiname beinhaltet den Barcode des verwendeten Petals, so dass die verschiedenen 

XML-Dateien auseinandergehalten werden können.

50 Kapitel 5. Der Integrationsteststand

Kapitel 6 

Durchführung einer Integration 

In der Zeit vom 26. bis 28. Juli 2004 wurde im III. Physikalischen Institut B 

die erste vollständige Petal-Integration durchgeführt. Es wurde ein zu den TEC- 

Rädern 1 bis 3 gehörendes Front-Petal zusammengebaut und getestet. 

6.1 Aufbau 

6.1.1 Abweichungen vom vorgesehenen Aufbau 

Ein Unterschied zu dem in Kapitel 5 beschriebenen Aufbau bestand darin, dass bei 

dieser Integration kein K-MUX benutzt werden konnte, da die notwendige Computerkarte, 

die diesen steuert, noch nicht vorhanden war. Die aus dem O-FED 

kommenden Kabel mussten direkt mit dem Oszilloskop verbunden werden, was 

die Messungen nicht weiter beeinflusst, sondern lediglich den Zeitaufwand bei den 

mit dem Oszilloskop durchzuführenden Tests erhöht. 

Des Weiteren war kein optisches Patch-Panel vorhanden, so dass die Stecker 

der Short-Ribbon-Kabel mit Klebeband auf dem Rahmen festgeklebt werden 

mussten. 

6.1.2 Die CCUM-FEC-Adapterkarte 

Es gibt zwei Versionen der in Abschnitt 5.3.2 vorgestellten CCUM-FEC-Adapterkarte, 

eine ältere, die direkt am Computer an den FEC-Ausgang angeschlossen 

wird und eine neuere, bei der zusätzlich noch zwischen der Benutzung der Ringe 

A und B gewählt werden kann (vgl. Abb. 6.1). Es standen zwei der neueren Karten 

zur Verfügung, von denen eine für den Integrationsteststand benutzt wurde. 

Allerdings haben sich bei dieser, wie auch bei anderen Messungen, Instabilitäten 

bzgl. der CCU-FEC-Ringverbindung gezeigt. Auch im Institut für Experimentelle 

Kernphysik der Universität Karlsruhe, das ebenfalls der TEC-Kollaboration angehört, 

sind diese Probleme aufgetreten. Bisher sind diese allerdings noch nicht 

gelöst worden. Zur Zeit wird untersucht, ob evtl. die Länge des Kabels zwischen 

dem FEC und der Adapterkarte zu diesen Problemen führt oder ob vielleicht 

51

52 Kapitel 6. Durchführung einer Integration 

Abbildung 6.1: Ein Bild der neuen Version der CCUM-FEC-Adapterkarte: Das von 

rechts kommende Kabel führt zum FEC, die anderen beiden Kabel, 

von denen eins die Signale vom FEC zum Petal und das andere die 

Signale vom Petal zurück zum FEC überträgt, werden zu einem Kabel 

vereinigt und führen zum Patch-Panel. 

Erdungsprobleme vorliegen. Da sowohl der Integrations- als auch der Long-Term- 

Teststand auf diese angewiesen sind, ist eine genaue Untersuchung notwendig. 

Die neue Version dieser Karte konnte bei der Integration für die Montage der 

CCUs, der AOHs und der Module bzw. Frontend-Hybride (vgl. Abschnitt 6.2.1) 

der Ringe 5 und 7 verwendet werden. Anschließend war es nicht mehr möglich, 

über diese Karte mit den CCUs auf dem Petal zu kommunizieren. Eine alte Version 

der Adapterkarte konnte vom I. Physikalischen Institut B der RWTH Aachen 

ausgeliehen und die Integration fortgesetzt werden. Da die ausgeliehene Karte 

fest an dem Verbindungskabel zum Petal befestigt war, musste das Verbindungskabel 

ebenfalls ausgetauscht werden. Weiterhin waren auch die Verbindungen 

zum Spannungsgerät, das die CCUs mit den benötigten 2,5 V versorgt, dauerhaft 

an das Verbindungskabel angeschlossen. Da diese nicht zum bisher verwendeten 

Spannungsgerät kompatibel waren, musste dieses auch ausgewechselt werden. 

Bei der neueren Karte wurde ein Spannungsgerät der Firma zentro elektrik 

verwendet, bei der älteren Version des I. Institutes B ein DC Power Supply der 

Firma Rohde & Schwarz. 

6.2 Montage eines Petals 

6.2.1 Verwendete Komponenten 

Das beim ersten Integrationsprozess verwendete Front-Petal und das bereits montierte 

Inter-Connect-Board entsprachen zwar nicht dem aktuellsten Design, die 

Änderungen bei den neueren Versionen waren aber für den Ablauf und das Vorgehen 

beim Zusammenbau nicht relevant. Die mechanischen Bauteile wie Brücken 

etc. waren vorhanden. Bei den AOHs fehlten lediglich zwei Modelle, die aber beide 

durch andere AOHs ersetzt werden konnten. Bis auf Ring 5 konnten alle Ringe 

vollständig mit Modulen bestückt werden. Da für Ring 5 keine Module vorhanden 

waren, wurden auf diesen Positionen Modulrahmen, auf die Frontend-Hybride 

aufgeklebt waren, verwendet.

6.2. Montage eines Petals 53 

6.2.2 Integration eines Front-Petals 

Die Kühlmaschine wurde auf eine Temperatur von 20 ◦ C geregelt und der Durchfluss 

durch das Petal auf ca. 1 l/min eingestellt. 1 Dadurch sollte die Überhitzung 

einzelner Bauteile verhindert werden. Da sowohl die bisher konstruierten Petals 

als auch die CCUs nicht über Barcodes verfügen, wurden diese Komponenten in 

der Software im Dummy-Modus hinzugefügt. Nach dem erfolgreichen Test der 

CCUs wurden ringweise die AOHs angebracht und getestet. Die optischen Fasern 

wurden mit den Short-Ribbon-Kabeln verbunden, die Fasern wurden allerdings 

nicht gebündelt, da das Petal wieder auseinandergebaut werden sollte und 

die Gefahr bestand, die Fasern beim Aufschneiden der sie zusammenhaltenden 

Schnürbänder zu beschädigen. Die auf den Positionen 3.1 und 7.3 anzubringenden 

AOHs mussten durch Modelle mit anderen Faserlängen ersetzt werden, da 

die benötigten AOHs nicht zur Verfügung standen. Beide wurden in der Software 

im Dummy-Modus hinzugefügt. Die Tests mit den AOHs verliefen alle erfolgreich 

und auf dem Oszilloskop konnte stets die erwartete, schrittweise Verschiebung des 

gemessenen Signals beobachtet werden. Abbildung 5.8(a) wurde bei diesen Tests 

aufgenommen. 

Bereits beim Testen der ersten montierten Module konnte ein I 2 C-Kommunikationsproblem 

beobachtet werden, das bei einer anschließenden Untersuchung des 

Moduls mit dem ARC-System (vgl. Abschnitt 5.3.4) auf einen defekten APV zurückgeführt 

werden konnte. Ansonsten verlief die Montage der Module erfolgreich. 

Bei allen anderen Modulen konnte die I 2 C-Verbindung direkt hergestellt werden 

und der I 2 C-Kommunikationstest funktionierte problemlos. Der Hochspannungstest 

kann bisher noch nicht automatisch durchgeführt werden (vgl. [21]). Der gemessene 

Leckstrom wird momentan in beliebigen Einheiten in der Steuerkonsole 

des Computers ausgegeben, und durch Vergleich der Werte ohne und mit angelegter 

Spannung kann vom Durchführenden der Integration über den Erfolg oder 

Misserfolg dieses Tests entschieden werden. Dieser Test soll später automatisch 

durchgeführt werden. Bei den Positionen 3.3 und 4.2 konnte keine Veränderung 

des Leckstroms beim Anlegen der Spannung über das Hochspannungskabel beobachtet 

werden. Da das Testergebnis momentan noch vom Durchführenden der 

Integration festgelegt wird, konnte mit der Integration fortgefahren und auf den 

Austausch der beiden Module verzichtet werden. Eine Überprüfung ergab, dass 

sowohl die Verbindungen über das Inter-Connect-Board als auch die Module einwandfrei 

funktionieren. Das Fehlschlagen des Tests bei den beiden Modulen ist 

wahrscheinlich auf Probleme bei den Steckerverbindungen zurückzuführen. Wie 

erwartet, konnte bei Ring 5 keine Veränderung des Leckstroms beobachtet werden, 

da sich keine Siliziumsensoren auf den montierten Rahmen befanden. Die 

Darstellung der Tick-Marks und des Headers mit und ohne Rohdaten auf dem 

Oszilloskop funktionierte bei allen montierten Modulen bzw. Frontend-Hybriden 

ohne Probleme. Alle montierten Module hätten also von einem DAQ-Programm 

ausgelesen und Daten genommen werden können. Die in Abb. 5.8(b) und 5.8(c) 

dargestellten Signale wurden bei dieser Prozedur aufgenommen. 

1 Genaueres über die Einstellung des Durchflusses findet sich in Abschnitt 4.2.

54 Kapitel 6. Durchführung einer Integration 

Abbildung 6.2: Side A des vollständig integrierten Petals. 

Die Möglichkeit der isolierten Einzeltests von Komponenten wurde ebenfalls 

ausprobiert. Dazu wurden ein bereits montierter AOH und ein montiertes Modul 

erneut getestet und der Barcode eines AOHs neu eingescannt. Beides funktionierte 

problemlos. Man kann also bei der Montage nachträglich einzelne Komponenten 

auf dem Petal austauschen, ohne den gesamten betroffenen Ring neu testen zu 

müssen. Anschließend kann die Integration an der Stelle, an der der Einzeltest 

durchgeführt wurde, fortgesetzt werden. Beim erneuten Einscannen eines Barcodes 

wird im entsprechenden Feld auf dem Bildschirm angegeben, welcher Barcode 

durch welchen anderen ersetzt worden ist. 

Wie in Abschnitt 6.1.2 bereits beschrieben, musste nach der Montage der Module 

auf Ring 7 und der Frontend-Hybride auf Ring 5 die CCUM-FEC-Adapterkarte 

ausgetauscht werden. Die fehlenden fünf Ringe wurden mit der alten Kartenversion 

getestet, wobei keine Veränderungen in den Testergebnissen beobachtet 

wurden. 

Während die Module der Ringe 1, 3, 5, und 7 am 27.7.2004 montiert und 

getestet wurden, wurden die übrigen drei Ringe am 28.7.2004 bestückt. An diesem 

Tag konnte keine Verbindung mit der Datenbank in Lyon hergestellt werden, 

so dass alle Module im Dummy-Modus eingescannt werden mussten. Die Tests 

wurden alle im Normalmodus durchgeführt. Die Verbindung mit der Datenbank 

konnte am nächsten Tag wieder ohne Probleme hergestellt werden, so dass es sich 

hierbei nur um ein kurzes, schnell wieder gelöstes Datenbankproblem gehandelt 

zu haben scheint. 

6.2.3 Aus der ersten Integration gewonnene Erkenntnisse 

Der erste Integrationsprozess ist trotz kleiner Probleme als Erfolg zu werten. Die 

beiden vollständig bestückten Seiten des ersten im III. Physikalischen Institut B 

integrierten Front-Petals sind in den Abb. 6.2 und 6.3 zu sehen.

6.2. Montage eines Petals 55 

Abbildung 6.3: Side B des vollständig integrierten Petals. 

Die erste Integration eines Petals mit der Durchführung aller Tests dauerte 

zweieinhalb Tage. Ein großer Anteil dieser Zeit lässt sich jedoch voraussichtlich 

durch die Verwendung des K-MUX einsparen, da das zeitaufwendige Umstecken 

der Kabel am Oszilloskop dann entfällt. Des Weiteren wurde beim Auftreten des 

Problems mit der CCUM-FEC-Adapterkarte versucht, den Test mit der gleichen 

Karte weiterführen zu können, wofür ebenfalls einige Stunden aufgewandt wurden, 

bis schließlich beschlossen wurde, die andere Karte zu verwenden. Die Integration 

sollte von einem routinierten Techniker in wesentlich kürzerer Zeit durchzuführen 

sein, so dass der bisherige Plan, bis zu einer Woche für die Montage eines Petals 

einzukalkulieren, auch beim Auftreten mehrerer Fehler einzuhalten sein sollte. 

Wahrscheinlich kann sie unterschritten und der optimistische Ablaufplan für die 

Integration realisiert werden, der etwa zwei Tage vorsieht.

56 Kapitel 6. Durchführung einer Integration

Kapitel 7 

Der Long-Term-Teststand 

Der CMS-Tracker soll bei einer Temperatur von −10 ◦ C betrieben werden. Dazu 

muss sichergestellt werden, dass die zusammengebauten Petals auch mehrmaliges 

Abkühlen und Erwärmen, z. B. aufgrund notwendiger Reparaturen am Tracker, 

problemlos überstehen. Außerdem müssen evtl. Änderungen in ihrem Verhalten 

bei tiefen Temperaturen bzw. aufgrund mehrfacher Temperaturänderungen untersucht 

werden. Die Petals werden deshalb über drei Tage einem sog. Long-Term- 

Test unterzogen. Dabei werden sie in mehreren Zyklen abgekühlt und erwärmt 

und im gekühlten Zustand ausgelesen. Es handelt sich um einen Stresstest, der 

die Funktionsfähigkeit der Petals auch nach mehreren Kühlzyklen sicherstellen 

soll und die Möglichkeit bieten, ihr Verhalten bei −10 ◦ C zu untersuchen. 

7.1 Der Kühlschrank 

7.1.1 Mechanischer Aufbau des Kühlschrankes 

Um die Temperatursituation im Tracker simulieren zu können, werden die Petals 

in eine Umgebung gebracht, in der ihre wärmste Stelle eine Temperatur von maximal 

−10 ◦ C hat. Neben der Temperatur muss auch die Luftfeuchtigkeit beachtet 

werden, die so niedrig sein sollte, dass Kondensation auf den kältesten Stellen 

der Petals, insbesondere dem Silizium, vermieden wird, da die Streifendetektoren 

dabei beschädigt würden. 

Dazu wurde in der mechanischen Werkstatt des III. Physikalischen Instititutes 

B ein Kühlschrank gebaut, der in Abb. 7.1 zu sehen ist. Es handelt sich um 

eine Stahltruhe, die an allen Seiten mit dem Isoliermaterial Styrodur 1 ausgekleidet 

ist (teilweise erkennbar in Abb. 7.2). Die Dicken der einzelnen Styrodurschichten 

sind in Anhang G angegeben. Die Außenkante zwischen Tür und Kühlschrank ist 

mit Tesa-Moll 2 abgedichtet. 

1 Bei Styrodur handelt es sich um einen von der Firma BASF produzierten, extrudierten 

Polystyrol-Hartschaumstoff, der zur Wärmedämmung verwendet wird. Der Wärmeleitkoeffizient 

beträgt 0,035 W/Km. Weitere Informationen findet man in [22]. 

2 Tesa-Moll ist ein von der Tesa AG hergestelltes Material zur Abdichtung von Spalten. 

57

58 Kapitel 7. Der Long-Term-Teststand 

Kühlmaschine Kühlschrank Rack 


Abbildung 7.1: Der Long-Term-Teststand in Aachen: Links steht die Kühlmaschine, 

in der Mitte der Kühlschrank, rechts das Rack mit Spannungsgeräten 

und O-FEDs. 

Der Innenraum des Kühlschranks ist mit Aluminiumplatten ausgekleidet, hinter 

denen sich die von der Kühlflüssigkeit durchflossenen Kühlrohre aus Kupfer 

befinden. An den Seitenwänden und an der Rückwand verlaufen jeweils eine Kühlschlange 

in Form eines ” 

S“, um eine gleichmäßigere Wärmeabführung zu ermöglichen. 

Eine vierte Kühlschlange läuft erst unten am Boden und dann an der Decke 

des Kühlschrankes entlang. Aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit von Aluminium 

wird die Temperatur der einzelnen Flächen homogener. An der Rückseite 

des Kühlschrankes befindet sich ein mit der Kühlmaschine (vgl. Abschnitt 4.2) 

verbundener Verteiler, der die Kühlflüssigkeit auf die vier parallel geschalteten 

Kühlschlangen aufteilt. Der Innenraum des Külhlschrankes hat eine Höhe von 

140 cm, eine Breite von 46 cm und eine Tiefe von 59 cm. 

Um die gewünschte geringe Luftfeuchtigkeit zu erhalten, wird der Kühlschrank 

mit Stickstoff gespült. Dazu befindet sich im unteren Bereich des Kühlschranks 

ein Kupferrohr mit kleinen Löchern (zu sehen in Abb. 7.2), das den Stickstoff 

gleichmäßig im Külschrank verteilen soll. Der Stickstoff wird aus Vorratsflaschen 

mit einem Volumen von 50 l bei 200 bar unter Verwendung eines Druckminderers 

über einen Schlauch durch die Rückwand des Kühlschranks in das Kupferrohr 

geleitet. 

Um das Petal möglichst sicher und unproblematisch in den Kühlschrank bringen 

zu können, wurde eine herausnehmbare Schublade konstruiert, die in Abb. 7.3 

und 7.4 zu sehen ist. Diese besteht aus einem Boden, einer Vorderwand und zwei

7.1. Der Kühlschrank 59 

Verteilungsrohr 

für N 2 

Führungsschienen 

Abbildung 7.2: Der Innenraum des Kühlschranks: Man erkennt die Führungsschienen 

für die Schublade und das Kupferrohr für die Stickstoffzufuhr. 

Querverstrebungen. Unter der Schublade befinden sich Rollen, um die Schublade 

problemlos über die auf dem Kühlschrankboden angebrachten Führungsschienen 

herausnehmen und hineinschieben zu können (vgl. Abb. 7.2). An der Vorderwand 

ist die Schublade ebenfalls mit Styrodur (vgl. Anhang G) isoliert, welches an 

der Schublade und nicht an der Tür angebracht wurde, um die Ritzen in der 

Tür besser abdichten zu können. Die Querverstrebungen dienen der Stabilität 

der Schublade, werden aber auch zum Anbringen der einzelnen benötigten Kabel 

verwendet. Auf dem Boden der Schublade befinden sich Haltevorrichtungen, die 

zwei Petalrahmen, auf jeder Seite der Verstrebungen einen, halten können. Ein 

Petalrahmen ist 57,5 cm breit und 115 cm hoch, benötigt also ungefähr 80% der 

Kühlschrankhöhe. 

Um die Verkabelung des Petals im Kühlschrank möglichst leicht und ohne Gefahr, 

die Kabel zu beschädigen, durchführen zu können, besitzt der Kühlschrank 

im oberen Teil der Tür eine Aussparung (vgl. Abb. 7.1). Die Isolierung der Schublade 

wurde an dieser Stelle entsprechend verstärkt, um den höheren Kälteverlust 

möglichst gering zu halten. Die Verkabelung geschieht über ein Patch-Panel, das 

an der Aussparung der Tür direkt an der Schublade angebracht ist. Zu sehen ist 

das Patch-Panel an der Kühlschrankschublade in Abb. 7.5. Innen sind an diesem 

drei kurze Multi-Service-Kabel und ein Flachbandkabel dauerhaft montiert (vgl. 

Abb. 7.4), die an das Patch-Panel des Transportrahmens eines auf der Schublade 

befindlichen Petals angeschlossen werden. Von außen kann das Petal jetzt über die


Abbildung 7.3: Die Schublade kann einfach in den Kühlschrank hineingeschoben werden. 

drei Multi-Service-Kabel und ein Flachbandkabel mit den notwendigen Spannungen 

und Steuersignalen versorgt werden. Bei der Konstruktion an der Schublade 

handelt es sich um eine Verlagerung des Patch-Panels nach außen. Des Weiteren 

befindet sich in der Schublade eine Durchführung, durch die die auszulesenden 

Daten über optische Fasern (an dieser Stelle liegen die Long-Ribbon-Kabel) zur 

Ausleseelektronik gebracht werden. Außerdem werden die Kühlschläuche, die die 

Kühlflüssigkeit zum Petal transportieren, an dieser Stelle durch die Schublade 

geführt. 

Das Petal kann also außerhalb des Kühlschrankes in der Schublade komplett 

verkabelt und erst anschließend in diesen gestellt werden. Der Vorteil gegenüber 

einfachen Durchführungen durch die Tür liegt darin, dass die Kabel nicht durch 

evtl. notwendiges Knicken beim Schließen der Tür oder durch Kanten an den 

Durchführungen beschädigt werden können. Zum einfachen Transport der Schublade 

steht ein Transportwagen (zu sehen in Abb. 7.3 und 7.4) zur Verfügung, auf 

dem sich ebenfalls Führungsschienen befinden, so dass die Schublade mit Hilfe 

der Rollen problemlos vom Wagen in den Kühlschrank bzw. aus dem Schrank 

heraus auf den Wagen geschoben werden kann.

7.1. Der Kühlschrank 61 

Rohr für opt. Fasern 

Kabel 

Transportrahmen 

Querverstrebungen 

Kühlschäuche 

Wagen 

Abbildung 7.4: Die Kühlschrankschublade auf dem Transportwagen. Auf der Schublade 

befindet sich ein Transportrahmen. 

Die Zahl der Anschlüsse ist allerdings nur für ein Petal im Kühlschrank ausgelegt. 

Der Platz für ein weiteres ist nur aus Sicherheitsgründen vorgesehen, um 

evtl. ein zweites Petal, das nicht ausgelesen wird, ebenfalls mit den Kühlzyklen 

mitbelasten zu können, um die Belastung, der es vor seiner endgültigen Qualifikation 

ausgesetzt wird, zu erhöhen. Falls es aufgrund von Verzögerungen in der 

Produktion der Einzelteile für die Petal zu Zeitproblemen kommt, wäre es möglich, 

Anschlüsse für ein zweites Petal anzubringen. 

Im Kühlschrank befinden sich indes mehrere Temperatur- sowie kombinierte 

Feuchtigkeits-/Temperatursensoren, die zur Überwachung des Kühlschrankes dienen. 

Der Anschluss der Sensoren erfolgt über ein Flachbandkabel, für das ebenfalls 

ein Anschluss an der Schublade angebracht ist. 

7.1.2 Spannungsversorgung des Petals beim Long-Term- 

Test 

Zur Versorgung der AOHs und Module mit den benötigten Betriebsspannungen 

von 1,25 V und 2,5 V werden sechs Lambda-Netzgeräte 3 verwendet, wobei je zwei 

3 Es handelt sich um programmierbare Gleichspannungs-Netzteile des Typs ZERO-UP1020 

der Firma Lambda.


Rohr zur Durchführung 

der optischen Fasern 

Anschlüsse für 

Flachbandkabel 


Anschlüsse für 

Multi-Service-Kabel 

Abbildung 7.5: Das Patch-Panel auf der Kühlschrankschublade. 

Spannungsgeräte zu einer Versorgungsgruppe gehören. Eines der Geräte liefert 

jeweils 1,25 V Versorgungsspannung, das andere 2,5 V (vgl. Abschnitt 3.2.5). Die 

Hochspannung wird von drei sog. DEPP-Boards 4 zur Verfügung gestellt. Jedes 

DEPP-Board hat zwei separat steuerbare Ausgänge, so dass jede Untergruppe auf 

dem Petal einzeln versorgt werden kann. Die einzelnen Spannunsgeräte sind so 

verkabelt, dass die zu einer Gruppe gehörenden Spannungen von einem speziellen 

Anschluss mit Hilfe eines Multi-Service-Kabels zum Petal geleitet werden können 

(vgl. Abschnitt 3.2.5). Dieser Anschluss befindet sich auf der Rückseite des Racks 5 , 

in dem die Spannungsgeräte untergebracht sind (vgl. Abb. 7.1). Die Multi-Service- 

Kabel führen zum Patch-Panel der Kühlschrankschublade. Zur Versorgung der 

CCUs mit den benötigten 2,5 V wird ein Delphi-Power-Supply verwendet. 

7.2 Aufbau des Teststandes 

Ein schematischer Aufbau des Long-Term-Teststandes ist in Abb. 7.6 dargestellt. 

Der Kühlschrank wird ebenfalls mit der Kühlflüssigkeit PF-5080, die auch für 

das Petal verwendet wird, gekühlt. Dabei werden Petal und Kühlschrank von der 

gleichen Kühlmaschine versorgt und mit isolierten Schläuchen so verbunden, dass 

die Kühlflüssigkeit erst durch das Petal und dann durch die Kühlschlangen des 

Kühlschrankes fließt. Durch die Reihenschaltung von Petal und Kühlschrank soll 

vor allem eine ausreichende Kühlung des Petals gewährleistet werden, die bei einer 

Parallelschaltung aufgrund eines geringen Flüssigkeitdurchsatzes durch das Petal 

unter Umständen nicht gegeben wäre. Die Bedienung der Hochspannungsgeräte 

4 Die Abkürzung DEPP steht für Depletion Power. Depletion ist das englische Wort für 

Verarmung, Depletion Power bezeichnet also die für die Verarmung der Siliziumsensoren notwendige 

Spannung. Technische Informationen zu diesem Hochspannungsgerät finden sich im 

Datenblatt [23]. 

5 Mit Rack bezeichnet man einen Schrank, in dem elektronische Boards aufgestellt und mit 

dem normalen Stromnetz verbunden sind.

7.2. Aufbau des Teststandes 63 

Slow-Control 

Lambda 

DEPP 

PC 

TSC 

FEC 

FED 

Petal 

Kühlmaschine 

O-FED 

Kühlschrank 


Daten optisch 

Signale zur Slow– Control 

Abbildung 7.6: Schematischer Aufbau des Long-Term-Teststandes. 

DEPP erfolgt über eine eigens entwickelte Software 6 , mit der die Spannung der 

einzelnen Kanäle jedes Spannungsgerätes gesteuert werden kann. 

Im finalen Aufbau wird eine sog. Slow-Control benutzt, die die aktuelle relative 

Luftfeuchtigkeit und die Temperatur im Kühlschrank überwacht und überprüft, 

ob die Kühlschranktür geschlossen ist. Sollte das System weniger als 5 ◦ C vom 

Taupunkt entfernt sein, wird die Temperatur der Kühlmaschine auf 20 ◦ C geregelt 

und im Fall einer offenen Kühlschranktür werden die Kühlmaschine ausgeschaltet 

und die angelegten Spannungen heruntergefahren. Weitere Informationen findet 

man in [24]. 

Mit zwei kombinierten Feuchte- und Temperatursensoren vom Typ SHT11 7 

und drei Temperatursensoren vom Typ Dallas 18B20 8 können die wichtigen Parameter 

im Kühlschrank überwacht werden. Die Genauigkeit der Dallas-Sensoren 

beträgt ±1 ◦ C, die der SHT11-Sensoren ±0,5 ◦ C. Die Sensoren werden mittels eines 

Coolis 9 ausgelesen, mit dem verschiedene Sensorarten über eine serielle Schnittstelle 

10 von einem Computer gesteuert und ausgelesen werden können. Über diesen 

werden sowohl die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit im Kühlschrank als 

6 Diese Software wurde am III. Physikalischen Institut B von Torsten Franke entwickelt und 

von Manuel Giffels erweitert. 

7 Es handelt sich um Sensoren von der Firma Sensirion. Weitere Informationen findet man 

in [25]. 

8 Diese Sensoren werden von der Firma Maxim Integrated Products hergestellt. Nähere Informationen 

finden sich im zugehörigen Datenblatt [26]. 

9 Informationen zu diesem Auslesegerät findet man in der zugehörigen Beschreibung [27]. 

10 Die Kommunikation findet über eine RS232-Verbindung statt.


auch der Kühlflüssigkeitsdurchsatz durch das Petal und den Kühlschrank gemessen. 

Letzteres geschieht über einen Flusssensor der Firma RS-Components, der 

die Frequenz von einem sich im Flüssigkeitstrom drehenden Schaufelrad ausgibt, 

die mittels des zughörigen Datenblattes [28] in den entsprechenden Durchfluss 

umgerechnet werden kann. 

7.3 Auslesesystem des Long-Term-Teststandes 

Das System wird wie in Abschnitt 3.2.4 beschrieben ausgelesen. Dabei ist es 

geplant, bis zu sechs O-FEDs und einen K-MUX (vgl. Abschnitt 4.4) mit acht 

Karten zu verwenden. Dadurch können alle optischen Fasern gleichzeitig an einen 

FED angeschlossen werden. 

Für die Durchführung der Kühltests wird eine Long-Term-Software verwendet, 

mit der die jeweiligen Steuersignale über den FEC auf das Petal gebracht 

und die Daten mit Hilfe des FED ausgelesen und analysiert werden können. Des 

Weiteren sollen mit dieser Software auch die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit 

ausgelesen werden können, so dass man die genommenen Daten in Abhängigkeit 

von Temperatur und Luftfeuchtigkeit untersuchen kann. Weitere Informationen 

finden sich in [29]. 

7.4 Abweichungen vom vorgesehenen Aufbau 

Die Slow-Control ist bisher noch nicht fertiggestellt und konnte bei den bisherigen 

Messungen nicht verwendet werden. 

Da, wie in Abschnitt 4.4 bereits erwähnt, die für die Steuerung des K-MUX 

benötigte Computerkarte noch nicht vorhanden war, konnte dieser auch bei dem 

Long-Term-Teststand noch nicht eingesetzt werden. Es wurde dementsprechend 

wie beim Integrationsteststand lediglich ein O-FED benutzt und durch Umstecken 

der Short-Ribbon-Kabel und Long-Ribbon-Kabel, sowie der zwölf Stecker des O- 

FED, die an die acht Eingänge des FEDs angeschlossen werden können, die jeweils 

auszulesenden Kanäle ausgewählt. 

Des Weiteren ist die Long-Term-Software noch nicht fertiggestellt und konnte 

dementsprechend nicht verwendet werden. Zur Datennahme wurde deshalb eine 

Standalone genannte, in Lyon und am CERN entwickelte Software verwendet, 

mit der es möglich ist, eine komplettes Petal zu steuern und auszulesen. In zwei 

Dateien im XML-Format können die notwendigen Angaben für die verschiedenen 

Komponenten gemacht und in das Programm geladen werden. So wird im sog. 

FEC-File angegeben, wie die Nummern der vorhandenen CCUs lauten und welche 

Positionen auf dem Petal mit welcher Modulart (vier oder sechs APVs) bestückt 

sind. Die einzelnen Positionen auf dem Petal werden hierbei durch Angabe der 

zuständigen CCU und der zu der Position gehörigen I 2 C-Adresse identifiziert. 

Des Weiteren werden die AOHs, sowie die einzelnen Komponenten des Frontend- 

Hybriden (PLL, DCU etc.) und einige für diese veränderbare Größen separat 

angegeben. Z. B. ist es möglich, das Timing der Module über den PLL-Chip (vgl.

7.4. Abweichungen vom vorgesehenen Aufbau 65 

Abbildung 7.7: Die Standalone-Software: Links sieht man die momentanen Rohdaten, 

rechts die Abweichung des momentanen Signals von der mittleren 

Nulllage. Auf der Abszisse der sind jeweils die Kanäle, auf der 

Ordinate die Signalhöhe in ADC-Einheiten (vgl. Abschnitt 7.5) aufgetragen. 

Abschnitt 2.3.4) und die Bias-Spannung der AOHs zu regeln. In einem sog. FED- 

File werden dann die für den oder die benutzten FEDs notwendigen Angaben 

gemacht, insbesondere, welcher MUX-Kanal, also welche zwei APVs, mit welchem 

FED-Eingangskanal verbunden sind. 

Mit dem Programm selber können dann Daten genommen und sowohl die 

ankommenden Rohdaten, als auch die berechneten Pedestals, das Rauschen und 

das Common-Mode-korrigierte Rauschen dargestellt werden (Abb. 7.7 und 7.8). 

Eine Definition dieser Größen befindet sich in Abschnitt 7.5. 

Die genommenen Daten können in Dateien im ROOT -Format 11 gespeichert 

und später analysiert werden. Des Weiteren besteht die Möglichkeit mit bestimmten 

Tests mit Hilfe von Standalone die korrekten Werte für das Timing der APVs 

und die Bias-Spannung der AOH-Laser zu ermitteln, um dann die optimalen Werte 

in den XML-Dateien einstellen zu können. Ist der Wert für das Timing nicht 

korrekt eingestellt, so kann es Probleme beim Finden des Daten-Headers geben 

und eine sinnvolle Datennahme ist nicht möglich. Bei einer falschen Einstellung 

der Bias-Spannung ist die Verstärkung der Daten unter Umständen nicht gleich 

und die gemessenen Daten entsprechen nicht den wirklichen Gegebenheiten. Weitergehende 

Informationen zu dieser Software sind in [17] zu finden. 

11 ROOT ist ein am CERN entwickeltes C++-Paket zur Datenanalyse. Informationen zu 

ROOT findet man in [30].


Abbildung 7.8: Die Standalone-Software: Man sieht von links nach rechts die ermittelten 

Pedestals, das Rauschen und das Common-Mode-korrigierte 

Rauschen (vgl. Abschnitt 7.5). Auf der Abszisse sind jeweils die 512 

Kanäle des Moduls dargestellt, auf der Ordinate die jeweiligen Werte 

in ADC-Einheiten. 

7.5 Definition der Messgrößen 

7.5.1 Pedestal 

Auch wenn kein Teilchendurchgang stattfindet, werden bei jeden ausgelesenen 

Kanal bzw. Siliziumstreifen analoge Spannungssignale gemessen. Diese kommen 

durch den Leckstrom des Siliziumsensors und durch elektrische Pulse zustande, 

die an verschiedenen Stellen der Elektronik wie z. B. dem Frontend-Hybriden, dem 

AOH und dem O-FED entstehen. Da die einzelnen APV-Kanäle nicht vollkommen 

identisch sind, hat jeder einzelne Kanal, also jeder Streifen auf dem Silizium eine 

individuelle Nulllage. Man bezeichnet diese als Pedestal 12 . Berechnet man das 

mittlere Pedestal des k-ten Streifens aus N Messungen, wobei die gemessenen 

Werte der n-ten Messung mit x k,n bezeichnet werden, so ergibt sich dieses zu: 

P k = 

∑ N 

n=1 x k,n 

. (7.1) 

N 

Die Darstellung eines Pedestals über die Streifen eines Moduls ist in Abb. 7.9(a) 

zu sehen. 

12 Pedestal ist das englische Wort für Sockel.

7.5. Definition der Messgrößen 67 

Pedestal / ADC-Einheiten 

CM-Rauschen / ADC-Einheiten 

Streifennummer 

Streifennummer 

(a) Pedestal 

(b) Common-Mode-korrigiertes Rauschen 

Abbildung 7.9: In Abb. (a) sieht man das Pedestal, in Abb. (b) das Common-Modekorrigierte 

Rauschen eines Moduls mit 512 Streifen. 

7.5.2 Rauschen 

Die ankommenden Rohdaten sind nicht konstant, sondern variieren bei jedem 

Kanal in der Umgebung seiner spezifischen Nulllage. Diese Abweichungen werden 

als Rauschen bezeichnet. Das Rauschen eines Kanals ist definiert als: 

√ 

∑N 

n=1 (P k − x k,n ) 2 

σ k = 

N − 1 

. (7.2) 

7.5.3 Common-Mode-korrigiertes Rauschen 

Durch externe Einflüsse kann es zu einer Verschiebung der Nulllagen in eine Richtung 

kommen. Z. B. beobachtet man solch einen Effekt stets bei den ersten Messungen 

auf einem Petal, da sich die AOHs erwärmen und das Rauschen in den 

ersten Minuten dadurch deutlich erhöhen. Eine solche gemeinsame Verschiebung 

der Daten eines gesamten APVs bezeichnet man als Common-Mode. Das gemittelte 

Pedestal von den 128 Streifen eines APVs ergibt sich zu: 

P = 

∑ 128 

k=1 P k 

. (7.3) 

128 

Betrachtet man das über alle Streifen eines APVs gemittelte Pedestal für das 

Ereignis n, so ist dieses durch 

P n = 

∑ 128 

k=1 x k,n 

128 

(7.4) 

gegeben. Der Common-Mode ist nun die Abweichung zwischen diesen beiden gemittelten 

Pedestals: 

cm n = P − P n . (7.5)


Das Common-Mode-korrigierte Rauschen ist definiert als: 

√ 

∑N 

n=1 (P k − cm n − x k,n ) 2 

σ k,cm = 

N − 1 

. (7.6) 

Pedestal, Rauschen und Common-Mode-korrigiertes Rauschen werden in sogenannten 

ADC -Einheiten 13 angegeben. Die ADC-Einheiten eines Auslesesystems 

entsprechen einer bestimmten Anzahl an Elektron-Loch-Paaren, die in den Siliziumsensoren 

erzeugt werden. Mit Teilchen bekannter Energie kann dann eine 

Eichung vorgenommen werden. Näheres hierzu findet man in [4]. 

Ein typischer Verlauf des Common-Mode-korrigierten Rauschens ist in der 

Abb. 7.9(b) zu sehen. In Abb. 7.8 sind ebenfalls Pedestal, Rauschen und Common- 

Mode-korrigiertes Rauschen zu erkennen. 

13 ADC: Analog Digital Converter.

Kapitel 8 

Tests des Long-Term-Aufbaus 

Zum Test des Long-Term-Aufbaus und insbesondere des Kühlschrankes wurden 

Kühltests mit und ohne Petal durchgeführt. Bei der Kühlung eines Back-Petals 

konnten auch die Spannungsversorgung und das Auslesesystem getestet werden. 

8.1 Kühlmessung ohne Last 

Die Solltemperatur der Kühlmaschine wurde auf das theoretische Minimum von 

−30 ◦ C geregelt und der leere Kühlschrank gekühlt. Die SHT11-Sensoren wurden 

an einer der Querverstrebungen der Schublade montiert. Einer der Dallas- 

Sensoren befand sich an der Decke, einer am Boden und der dritte hing frei in 

der Mitte des Kühlschrankes. 

Die Kühlmaschine konnte die Kühlflüssigkeit auf etwa −23 ◦ C abkühlen. Die 

Temperatur am Boden des Kühlschrankes betrug nach mehrstündigem Kühlen 

im Gleichgewicht ca. −20 ◦ C, wogegen direkt unter der Decke lediglich −10,5 ◦ C 

erreicht wurden. 

8.2 Kühlmessung mit einem Back-Petal 

Zwischen dem 19. und 21. Juli 2004 wurden mit einem vom I. Physikalischen Institutes 

B zur Verfügung gestellten Back-Petal Kühlmessungen durchgeführt. Es 

wurden die Spannungsversorgung, das Auslesesystem und insbesondere die Eigenschaften 

des Kühlschrankes getestet. Für die Messungen wurde ein vollbestücktes 

Back-Petal verwendet, das auf volle Funktionsfähigkeit getestet worden war. 

8.2.1 Besonderheiten im Aufbau 

Wie bei den Integrationstests, gab es auch bei den Kühltests mit dem Long-Term- 

Teststand Probleme mit der CCUM-FEC-Adapterkarte. Um die Funktionsfähigkeit 

des Systems sicherzustellen, wurde bei dem durchgeführten Kühltest ebenfalls 

die ältere Version dieser Karte verwendet. Folglich mussten auch, wie bereits in 

69

70 Kapitel 8. Tests des Long-Term-Aufbaus 

Abschnitt 6.1.2 erwähnt, das Netzgerät und das Verbindungskabel des I. Physikalischen 

Institutes B benutzt werden. 

8.2.2 Vorbereitung der Kühlmessung 

Das Petal war in einem Transportrahmen befestigt und mit Schutzplatten abgedeckt. 

Um die Luftfeuchtigkeit auf den Modulen gering zu halten, wurde durch 

eine Durchführung des Patch-Panels ein mit der Stickstoffversorgung verbundener 

Schlauch in den Kühlschrank geführt und unter die Schutzplatten geschoben, 

um das Petal direkt mit Stickstoff umspülen und Kondensation verhindern zu 

können. 

Die beiden SHT11-Sensoren wurden wie bei der Messung des leeren Kühlschrankes 

an einer der beiden Querverstrebungen in der Schublade befestigt, während 

die drei Dallas-Sensoren außen auf der Schutzplatte des Petal-Rahmens montiert 

wurden, jeweils einer am oberen bzw. unteren Ende und einer in der Mitte. 

Der Kühlkreislauf wurde angeschlossen und der Kühlmittelfluss wurde auf 

0,7 l/min bis 0,8 l/min begrenzt, da der Überdruck der Pumpe in der Kühlmaschine 

bei dieser Einstellung bereits 4 bar betrug und die Leitungen und Schnellverschlüsse 

nicht stärker belastet werden sollten. 

Das Petal wurde in der Kühlschrankschublade befestigt und mit den in der 

Schublade angebrachten Steckern verkabelt. Die durch die Schublade geführten 

Short-Ribbon-Kabel wurden mit einem Long-Ribbon-Kabel verbunden, das Patch- 

Panel mit den Spannungsgeräten und dem FEC verkabelt. Zuerst wurden nun alle 

Module über ein FEC-Programm mit dem Namen ProgramTest auf Funktionsfähigkeit 

der Token-Ring- und I 2 C-Verbindung getestet. Die Kommunikation funktionierte 

mit allen Komponenten fehlerfrei und es konnten die Daten der Module 

mit dem Programm Standalone ausgelesen werden. 

Leider war es nicht möglich, mit dem Programm Standalone die notwendigen 

Messungen durchzuführen, die zur korrekten Einstellung des Timings bei 

den APVs und zur richtigen Bereichswahl der AOH-Laser notwendig sind. Dieses 

Problem trat erst kurz vor der eigentlichen Messung auf und konnte nicht mehr behoben 

werden. Das Timing wurde deswegen anhand des Datenheaders eingestellt, 

da sich dessen Qualität abhängig den Einstellungen des Timings verbessert bzw. 

verschlechtert. Diese Einstellungsmethode, bei der die Timing-Werte nur durch 

Ausprobieren eingestellt werden können, ist sehr ungenau und unzuverlässig. Eine 

Einstellung der richtigen Bias-Spannungen bei den AOH-Lasern war nicht möglich 

und es wurden Werte gewählt, die im typischen Bereich der benötigten Spannungen 

lagen. Diese Einstellungen beeinflussen die Auswertungsmöglichkeiten der genommenen 

Daten in Abschnitt 8.3.4. Da für die richtige Einstellung des Timings 

in erster Linie die Kabellänge relevant ist, wurden die Timing-Einstellungen auf 

der Schublade vorgenommen. 

Bei den Tests an der Schublade fiel auf, dass eine der Multi-Service-Kabel- 

Verlängerungen nicht vollständig zu funktionieren schien, da von der an diesem 

Kabel angeschlossenen Versorgungsgruppe keine Daten empfangen wurden. Da 

die I 2 C-Kommunikation durchgehend möglich war, muss die Versorgungsspan-

8.3. Ergebnisse und Verbesserungsvorschläge 71 

nung von 2,5 V, die für die Steuerung der Komponenten benötigt wird, angelegen 

haben. Wahrscheinlich waren die für die Erzeugung von analogen Daten notwendigen 

1,25 V nicht angeschlossen. Im Nachhinein stellte sich heraus, dass in der 

Tat eine der Fühlerleitungen fehlerhaft verkabelt war. Folglich konnten während 

des Langzeittests in dem Kühlschrank nur zwei Versorgungsgruppen ausgelesen 

werden. Da in der Gruppe 1 die wenigsten Module vorhanden sind, wurde diese 

nicht ausgelesen. Bei der Versorgungsgruppe 3, also den Ringen 5 und 7, konnten 

von einigen Kanälen ebenfalls keine analogen Daten genommen werden, wobei 

immer komplette MUX-Kanäle betroffen waren. Die Hochspannungsversorgung 

funktionierte auf allen Positionen problemlos. 

8.2.3 Durchführung der Kühlmessung 

Der Kühlschrank wurde nun bei einer Umgebungstemperatur von ca. 21 ◦ C mit 

Stickstoff gespült, bis die relative Luftfeuchtigkeit unter 10% gesunken war. Dann 

wurde der Kühlschrank heruntergekühlt, wobei weiter mit Stickstoff gespült und 

die Luftfeuchtigkeit beobachtet wurde. Während des Abkühl- und anschließenden 

Aufwärmprozesses wurden die Module der Positionen 5.5, 5.6 und 6.2 in regelmäßigen 

Abständen ausgelesen. Sämtliche Gruppen wurden durchgehend mit 

der notwendigen Niederspannung versorgt, wogegen die Hochspannung nur bei 

einigen Messungen eingeschaltet war. Im gekühlten Zustand wurden sämtliche 

Positionen erneut ohne und mit angelegter Hochspannung ausgelesen. 

Anschließend wurde die Niederspannung ausgeschaltet und der Kühlschrank 

ohne Last über einen Zeitraum von ca. vier Stunden weiter heruntergekühlt, um 

den direkten Einfluss der durch die anliegenden Versorgungsspannungen erzeugten 

Wärmeleistung abschätzen zu können. 

8.3 Ergebnisse und Verbesserungsvorschläge 

8.3.1 Kühlverhalten 

Bei der hier beschriebenen Kühlmessung wurde die Temperatur im oberen Viertel 

des Kühlschrankes nicht gemessen, da das Petal nur die unteren drei Viertel 

belegt. Zwischen dem untersten und obersten Punkt des Petal-Rahmens wurde 

nach Abkühlen im Gleichgewicht eine Temperaturdifferenz von etwa 3,5 ◦ C gemessen, 

so dass der beim leeren Kühlschrank festgestellte Temperaturgradient 

keine sonderlich großen Auswirkungen auf die Kühlung des eigentlichen Petals 

hat. Die erreichten Tiefsttemperaturen betrugen bei eingeschalteter Versorgungsspannung 

−13 ◦ C auf dem Boden des Kühlschrankes, also am unteren Ende des 

Petal-Rahmens und −9,5 ◦ C am oberen Ende. Dabei ist zu beachten, dass diese 

Messungen außerhalb der Schutzplatte durchgeführt wurden und die mechanische 

Struktur des aktiv gekühlten Petals wahrscheinlich noch kälter war. Während 

nacheinander von allen Modulen Daten genommen wurden, stieg die Temperatur 

in der Petal-Umgebung um ca. 1 ◦ C an.


Abbildung 8.1: Zeitlicher Temperaturverlauf einer Kühlmessung mit einem leeren 

Kühlschrank ohne Stickstoffspülung (blau) und einer Kühlmessung 

mit einem Petal, an dem die Versorgungsspannungen permanent anlagen, 

und mit Stickstoffspülung (rot). 

Sowohl bei den Messungen ohne als auch bei denen mit Petal, wurden die beiden 

SHT11- und die drei Dallas-Sensoren benutzt. Da die SHT11-Sensoren stets 

an den gleichen Positionen auf einer Querverstrebung der Schublade waren, sind 

die Werte dieser Sensoren am besten zu vergleichen. In Abb. 8.1 sind die Werte des 

unten, etwa zehn Zentimeter über dem Boden montierten SHT11-Sensors einer 

Messung ohne Last und ohne Stickstoffspülung und die der Messung mit eingeschaltetem 

Petal und Stickstoffspülung gegenübergestellt. Man erkennt, dass die 

zum Erreichen des Temperaturminimums benötigte Zeit mit Last etwas größer 

ist und dass das Minimum etwa 7 ◦ C über dem Wert des leeren Kühlschrankes 

liegt. Zum Erreichen der Gleichgewichtstemperatur werden in beiden Fällen über 

12 Stunden benötigt, wobei nach neun Stunden die Temperatur maximal noch 

1,5 ◦ C vom Gleichgewicht entfernt ist. 

Die Wärmeleistung eines vollbestückten Back-Petals beträgt ca. 58 W (Abschnitt 

3.1.2). Nach der Anleitung der Kühlmaschine steigt die minimale Temperatur 

der Kühlflüssigkeit und folglich auch die Temperatur des Kühlschrankes 

bei dieser Heizleistung um ca. 2,5 ◦ C. (Erläuterung der Größe ADC-Einheiten in 

Abschnitt 7.5)Das Petal wurde ausgeschaltet und weiter gekühlt. Die vom unteren 

SHT11-Sensor nach vier Stunden gemessene Temperatur betrug −14,5 ◦ C. 

Zum Erreichen der Gleichgewichtstemperatur reichte diese Zeit nicht aus. Durch 

Vergleich mit den anderen Messungen kann man davon ausgehen kann, dass die


Tabelle 8.1: Siliziumtemperaturen der verschiedenen Module des Back-Petals nach 

dem Kühlen. 

Position Temperatur / ◦ C 

1.1 −12,2 

1.2 −12,6 

2.1 −12,6 

2.2 −12,5 

3.1 −11,6 

3.2 −12,6 

4.1 −8,1 

4.2 −8,6 

4.3 −8,0 

5.1 −5,3 

5.2 −4,8 

5.3 −5,8 

Position Temperatur / ◦ C 

5.4 −4,9 

5.5 −5,0 

5.6 −5,6 

6.1 −9,4 

6.2 −7,1 

6.3 −9,0 

7.1 −10,0 

7.2 −6,4 

7.3 −6,9 

7.4 −4,8 

7.5 −8,8 

Differenz zum Minimum im Gleichgewicht etwa 1 ◦ C betrug. Mit dieser Differenz 

von 1 ◦ C und einer Ungenauigkeit der SHT11-Sensoren von ±0,5 ◦ C stimmt der 

gemessene Temperaturunterschied von 1,5 ◦ C bei ein- und ausgeschalteter Versorgungsspannung 

des Petals mit dem theoretischen Wert von 2,5 ◦ C überein. Der 

Unterschied des am oberen Petal-Rand gemessenen Wertes von −11 ◦ C zu dem 

Tiefstwert bei anliegender Versorgungsspannung beträgt ebenfalls 1,5 ◦ C. 

Der Unterschied zwischen der Tiefsttemperatur eines leeren Kühlschrankes 

und einem mit Stickstoff gespülten Kühlschrank (mit einem Petal ohne anliegende 

Versorgungsspannungen) beträgt also zwischen 4,5 ◦ C und 5,5 ◦ C. Da bei einer 

Messung mit einem Petal, an dem keine Spannung anliegt, die gleiche Tiefsttemperatur 

zu erwarten ist wie bei einem leeren Kühlschrank, ist diese Differenz 

wahrscheinlich auf den Stickstofffluss zurückzuführen. Genau genommen, sollte 

der Kühlschrank mit Petal sogar noch etwas kälter werden, da die Kühlflüssigkeit 

noch durch das Petal im Innenraum fließt. Die zusätzlichen Schlauchverbindungen 

außerhalb des Kühlschrankes sollten aufgrund ihre Isolierung keine großen 

Auswirkungen haben. 

Zusätzlich wurden über die DCUs der Module die Siliziumtemperaturen ausgelesen. 

1 Die gemessenen Temperaturen sind in Tabelle 8.1 angegeben. Die Module 

einiger Ringe (bes. Ring 1 und 2) haben hierbei die Umgebungstemperatur des 

Kühlschrankes angenommen, während die Module von Ring 5 wesentlich wärmer 

waren. Bei Ring 5 handelt es sich um Doppelmodule mit zwei Siliziumsensoren 

und sechs APVs, also um die Module mit der größten Wärmeproduktion. 

Bei ausgeschalteter Versorgungsspannung betrugen die Tiefstwerte der Temperaturen 

−14,5 ◦ C am Boden und −11 ◦ C am oberen Ende des Petal-Rahmens. 

Sämtliche Komponenten waren nach erneutem Anlegen der Versorgungsspannung 

1 Grundlage für die Umrechnung der von der DCU ausgegebenen Werte waren Messungen, 

die in [31] beschrieben sind.


wieder betriebsbereit, es gab also keine Probleme, das ausgeschaltete Petal im Kalten 

wieder in Betrieb zu nehmen. Bei Tests am CERN waren Probleme beim Einschalten 

der heruntergekühlten Petals aufgetreten [32]. Da bei CMS die Elektronik 

voraussichtlich erst nach dem Herunterkühlen in Betrieb genommen werden wird, 

wird ein Test des Wiedereinschaltens des Petals Bestandteil des Long-Term-Tests 

sein. 

Bisher ist noch nicht näher spezifiziert, in welcher Form die geforderte Marke 

von −10 ◦ C beim Long-Term-Test erreicht werden soll. Wenn diese Temperatur 

bei einem mechanischen Stresstest, also bei ausgeschalteter Versorgungsspannung, 

erreicht werden soll, so ist das in Aachen aufgebaute System in der Lage, diese 

Anforderung zu erfüllen. Falls dagegen das Petal während des Abkühlungsprozesses 

durchgehend ausgelesen werden soll, so kann der Testaufbau den Grenzwert 

noch nicht erreichen. Soll die Temperatur lediglich auf der mechanischen Tragestruktur 

erreicht werden, so muss das Petal etwa 1 ◦ C kühler werden. Falls es sich 

als notwendig erweisen sollte, auf dem Silizium −10 ◦ C nicht zu überschreiten, so 

muss das System, wenn man eine konstante Differenz zwischen der Außen- und 

der Siliziumtemperatur auf dem Ring 5 voraussetzt, um mindestens weitere 5 ◦ C 

abgekühlt werden. 

8.3.2 Verbesserungen im mechanischen Aufbau 

Um die Luftfeuchtigkeit so gering zu halten, dass das System stets mindestens 

10 ◦ C vom Taupunkt entfernt war, wurden für den Kühlschrank mit einem Volumen 

von ca. 2 m 3 über einem Zeitraum von zweieinhalb Tagen 70 m 3 Stickstoff 

benötigt. Es ist naheliegend, dass der hohe Gasfluss einen starken Einfluss auf die 

erreichbaren Temperaturen hat. Bereits während des Kühltests konnten einige größere 

Lecks in der Abdichtung der Kühlschranktür entdeckt werden, durch die ein 

hoher Gasaustausch mit der Umgebung möglich war. Es ist geplant, die Abdichtung 

an dem Übergang von der Tür zum Kühlschrank zu verbessern. Ein weiteres, 

bereits bekanntes, großes Leck war die Durchführung, durch die die Short-Ribbon- 

Kabel nach außen geführt werden, die provisorisch mit Styrodur gefüllt worden 

war. Im finalen Aufbau ist es geplant die Durchführung auszuschäumen. Momentan 

wird allerdings noch am Aufbau gearbeitet und die optischen Kabel werden 

bei verschiedenen Testaufbauten verwendet. 

Die Kühlschläuche, die die Kühlmaschine, das Petal und den Kühlschrank 

verbinden, sind mit Isoliermaterial abgeklebt. Allerdings waren die Anschlüsse an 

der Kühlmaschine und dem Kühlschrank noch nicht isoliert, da die Kühlmaschine 

zur Zeit für verschiedene Messungen verwendet und dadurch regelmäßig an den 

Anschlüssen gearbeitet wird. Die aus Messing und Stahl bestehenden Anschlüsse 

können erst beim finalen mechanischen Aufbau des Teststandes dicht isoliert werden. 

Bei den bisher durchgeführten Tests kam es regelmäßig zu starker Eisbildung 

an den Anschlussstellen. Durch die Abdichtung wird eine weitere Absenkung der 

Temperatur im Kühlschrank erwartet. 

Der an der Rückseite des Kühlschrankes angeschlossene Verteiler mit den Zuleitungen 

zu den Kühlschlangen konnte ebenfalls nicht vollständig abgedichtet


werden, da noch nicht klar ist, ob evtl. die Verschaltung der Kühlschlangen geändert 

werden soll. Auch hier kam es zur Eisbildung und wahrscheinlich zu nicht 

unerheblichen Kälteeinbußen. Inzwischen wurden die hinteren Rohre bereits ausgetauscht, 

um ihre Längen zu minimieren. Im finalen Aufbau soll das gesamte 

Verteilersystem durch eine Art dicht abschließenden Deckel aus Styrodur isoliert 

werden. Zur Zeit wird noch überlegt, die vier parallel geschalteten Kühlschlangen 

in Reihe zu betreiben, um den Durchsatz durch die einzelnen Rohre zu erhöhen. 

Indem die Kühlflüssigkeit zuerst die Kühlschlange an der Decke durchströmt, soll 

die Temperaturverteilung homogenisiert und der Temperaturgradient über die 

Höhe des Kühlschrankes vermindert werden. Alternativ wird eine Modifizierung 

des Verteilersystems diskutiert, bei dem durch Ventile der Durchfluss durch die 

einzelnen Kühlschlangen regulieren werden kann. 

Am Patch-Panel an der Schublade werden sowohl die verschiedenen Kabel 

angeschlossen, als auch die Kühlschläuche durchgeführt, die zum Petal im Kühlschrank 

führen. Durch die Temperatur der Kühlflüssigkeit kondensierte auf der 

Metallplatte des Patch-Panels Wasser, das auf Dauer die elektrischen Stecker beschädigen 

könnte. Dementsprechend ist es geplant, sämtliche elektrischen Stecker 

durch einen Überzug abzudichten, um Beschädigungen zu vermeiden. 

Um die Temperatur weiter zu senken, ist es geplant, den den Kühlschrank 

durchströmenden Stickstoff vorzukühlen, um nicht permanent kalten durch warmen 

Stickstoff zu ersetzen. Ein kleiner Temperaturunterschied wird sich zwar 

wahrscheinlich nicht vermeiden lassen, aber die Temperaturdifferenz könnte zumindest 

verkleinert werden. 

8.3.3 Spannungsversorgung und Auslesesystem 

Abgesehen vom Defekt eines der in der Kühlschrankschublade angebrachten Multi- 

Service-Kabels gab es bei der Spannungsversorgung des Petals keine Probleme. 

Auch im Kalten konnte mit allen AOHs und Modulen über die I 2 C-Verbindung 

kommuniziert werden. Das Auslesesystem funktionierte ebenfalls fehlerfrei. Sämtliche 

Module, die bei Zimmertemperatur ausgelesen werden konnten, lieferten 

auch im gekühlten Zustand Daten. Überraschenderweise konnten sogar einige 

MUX-Kanäle ausgelesen werden, die im Warmen keine Daten geliefert hatten. 

Da jeweils nur einige Kanäle nicht ausgelesen werden konnten, handelte es sich 

wahrscheinlich um ein sog. Schwellenproblem. Die anliegende Spannung von ca. 

1,25 V reichte also für einige Komponente aus, während sie für andere noch zu 

niedrig war. Die Schwelle scheint sich mit der Temperatur verändert zu haben 

oder aber die anliegende Niederspannung war zeitlich nicht konstant und ist leicht 

angestiegen. Bei Tests mit dem bei der Integration verwendeten Petal konnten 

alle Kanäle ausgelesen und das vorher beobachtete Verhalten nicht reproduziert 

werden, so dass noch weitere Untersuchungen mit anderen Petals nötig sind.


8.3.4 Verhalten der Module 

Der FED besitzt insgesamt acht Eingangskanäle, so dass das Verhalten von acht 

MUX-Kanälen während des Kühlzyklusses beobachtet werden konnte. Da es nicht 

möglich war, mit der Software die richtige Bias-Spannung zu ermitteln (vgl. Abschnitt 

7.4), wurden für diese Erfahrungswerte gewählt. Es wurden während des 

Abkühl- und Aufwärmvorganges in regelmäßigen Abständen Daten ohne und mit 

angelegter Hochspannung genommen. Die APVs wurden im Peak-Modus mit einer 

Taktfrequenz von 20 MHz betrieben (vgl. Abschnitt 2.3.2). 

Die Daten wurden mit Hilfe des Programms ROOT analysiert. Die Auswertung 

wurde mit ROOT-Makros und der AC1Analysis-Software [33] gemäß der in 

Abschnitt 7.5 angegebenen Formeln für 95.000 aufgenommene Signale pro Streifen 

durchgeführt. Um das veränderte Verstärkungsverhalten der Auslesekomponenten 

zu berücksichtigen, wurden die Daten auf die Höhe des Headers, der entsprechend 

mitverstärkt wird, normiert. Die Normierung erfolgte auf eine Headerhöhe von 200 

ADC-Einheiten. Dabei stellte sich leider heraus, dass die logische Eins bei sieben 

der acht MUX-Kanäle während des Kühlens in die Sättigung der Verstärkung 

gelangte (vgl. Abb. 3.12). Eine Normierung dieser Daten war somit nicht möglich. 

Es war aber sowohl bei diesen Daten als auch bei dem achten, normierbaren Kanal 

zu erkennen, dass die Verstärkung mit sinkender Temperatur größer wurde. Ohne 

Normierung war bei allen Kanälen ein Anstieg des Common-Mode-korrigierten 

Rauschens ohne und mit Hochspannung zu beobachten. Da allerdings auch die 

Verstärkung anstieg, ist dieses Verhalten nicht aussagekräftig. 

Es konnten lediglich die Daten von einem MUX-Kanal (von Modul 6.2) analysiert 

werden. Im Folgenden werden die über die Streifen eines APVs gemittelten 

Common-Mode-korrigierten Rauschverteilungen betracht, die in den Abb. 8.2 und 

8.3 zu sehen sind. Auf der Abszisse ist die Temperatur des nahe am Boden des 

Kühlschrankes angebrachten Sensirion-Sensors aufgetragen, auf der Ordinate die 

Werte des Rauschens in ADC-Einheiten. 

Die normierten Werte vom ersten APV (Abb. 8.2(a) und 8.2(b)) lassen kein 

eindeutiges Verhalten erkennen und somit keine Aussage über Veränderungen des 

Common-Mode-korrigierten Rauschens mit der Temperatur zu. Das Gleiche gilt 

für die normierten Messwerte vom zweiten APV bei angelegter Hochspannung 

(Abb. 8.3(b)), bei dem die meisten Messwerte im Rahmen des Fehlers übereinstimmen. 

Bei den Messungen ohne Hochspannung lässt sich bei diesem für abnehmende 

Temperaturen eine leicht steigende Tendenz erkennen (Abb. 8.3(a)). Die 

Änderung der Werte liegt allerdings lediglich in einem Bereich von ca. 0,1 ADC- 

Einheiten. Es ist sehr wahrscheinlich, dass bereits kleine systematische Fehler 

zu Veränderungen des Common-Mode-korrigierten Rauschens in dieser Grössenordnung 

führen können. Für die Darstellung in den Abb. 8.2 und 8.3 konnten 

lediglich die statistischen Fehler berücksichtigt werden. Die hier durchgeführte 

Messungen lassen somit leider keine Aussage über das Verhalten des Common- 

Mode-korrigierten Rauschens zu. Bei am CERN durchgeführten Kühltests mit 

Petals war allerdings mit sinkender Temperatur auch ein sinkendes Rauschen 

beobachtet worden. [32]


(a) APV 1 ohne Hochspannung 

(b) APV 1 mit Hochspannung 

Abbildung 8.2: Darstellung des Common-Mode-korrigierten Rauschens des ersten 

APVs in Abhängigkeit von der Temperatur: In den Abb. (a) sieht 

man den Verlauf ohne, in Abb. (b) mit angelegter Hochspannung.


(a) APV 2 ohne Hochspannung 

(b) APV 2 mit Hochspannung 

Abbildung 8.3: Darstellung des Common-Mode-korrigierten Rauschens des zweiten 

APVs in Abhängigkeit von der Temperatur: In den Abb. (a) sieht 

man den Verlauf ohne, in Abb. (b) mit angelegter Hochspannung.

Kapitel 9 

Zusammenfassung und Ausblick 

Mit dem in Kapitel 5 beschriebenen Integrationsteststand sollen in Aachen insgesamt 

41 Petals für den CMS-Detektor zusammengebaut und getestet werden. Die 

in Kapitel 6 beschriebene erste Integration verlief erfolgreich und die Funktionsfähigkeit 

des Teststandes konnte verifiziert werden. Abgesehen von kleinen, noch 

vorzunehmenden Ergänzungen ist der Integrationsteststand einsatzbereit und der 

Petal-Integration steht nichts mehr im Wege. 

Die in Aachen zusammengebauten Petals werden mit dem in Kapitel 7 dargestellten 

Long-Term-Teststand einem mehrtägigen Kühltest unterzogen. In Kapitel 

8 sind die bisherigen Messungen mit diesem Teststand beschrieben und der 

momentane Status des Long-Term-Teststandes dargestellt. Die Petals können gekühlt 

und ausgelesen werden, wobei am Kühlschrank jedoch noch einige Modifikationen 

vorzunehmen sind. Da der genaue Ablauf des Long-Term-Tests noch 

nicht feststeht, ist eine abschließende Beurteilung noch nicht möglich. 

Die an den beiden Testständen in Aachen zusammengebauten und getesteten 

Petals werden in die Tracker-Endkappen eingebaut werden und ein wichtiger 

Bestandteil des CMS-Experimentes sein. 

79

80 Kapitel 9. Zusammenfassung und Ausblick

Anhang A 

Technische Zeichnungen eines 

Front-Petals 

Abbildung A.1: Technische Zeichnung eines Front-Petals. Quelle: [5] 

81

82 Anhang A. Technische Zeichnungen eines Front-Petals 

Abbildung A.2: CAD-Zeichnung der Vorderseite eines Front-Petals. Man sieht die 

montierten Module und AOHs auf dem Petal und kann auch den 

Kühlschlangenverlauf erkennen. Quelle: [5]

Abbildung A.3: CAD-Zeichnung der beiden Seiten eines Front-Petals mit Modulen. 

Die Ansicht ist von der Position des Wechselwirkungspunktes (englisch: 

Interaction Point = IP) dargestellt. Quelle: [5] 

83

84 Anhang A. Technische Zeichnungen eines Front-Petals

Anhang B 

Normal- und Stereomodule 

Unten sind die CAD-Zeichnungen eines Normal- und eines Stereomoduls von 

Ring 5 zu sehen. Man erkennt die unterschiedliche Form der beiden Modulrahmen, 

die zu einer Verdrehung der Siliziumsensoren von 100 mrad zueinander führen. 

Physics 

Abbildung B.1: Abbildung eines Normalmoduls von Ring 5. Quelle: [5] 

Physics 

Abbildung B.2: Abbildung eines Stereomoduls von Ring 5. Quelle: [5] 

85

86 Anhang B. Normal- und Stereomodule

Anhang C 

Tabelle zu den Modulpositionen 

In den folgenden beiden Tabellen ist für jede Position auf einem Front- bzw. 

Back-Petal die Modulart angegeben, wobei ein Normalmodul mit ” 

N“ und ein 

Stereomodul mit ” 

S“ gekennzeichnet ist. Des Weiteren sind die Anzahl der APVs 

auf dem Frontend-Hybriden des Moduls und die Länge der optischen Fasern des 

zugehörigen AOHs angegeben. 

C.1 Back-Petal 

Position Modulart Anzahl APVs Länge der optischen Fasern / cm 

1.1 N 6 110 

1.2 S 6 100 

2.1 N 6 88 

2.2 S 6 88 

3.1 N 4 88 

3.2 N 4 80 

4.1 N 4 88 

4.2 N 4 80 

4.3 N 4 70 

5.1 N 6 80 

5.2 S 6 80 

5.3 N 6 70 

5.4 S 6 70 

5.5 N 6 56 

5.6 S 6 56 

6.1 N 4 70 

6.2 N 4 56 

6.3 N 4 35 

7.1 N 4 88 

7.2 N 4 80 

7.3 N 4 70 

7.4 N 4 70 

7.5 N 4 56 

87

88 Anhang C. Tabelle zu den Modulpositionen 

C.2 Front-Petal 

Position Modulart Anzahl APVs Länge der optischen Fasern / cm 

1.1 N 6 120 

1.2 S 6 110 

1.3 N 6 110 

1.4 S 6 110 

2.1 N 6 100 

2.2 S 6 100 

2.3 N 6 88 

2.4 S 6 88 

3.1 N 4 100 

3.2 N 4 88 

3.3 N 4 80 

4.1 N 4 88 

4.2 N 4 80 

4.3 N 4 70 

4.4 N 4 70 

5.1 N 6 80 

5.2 S 6 70 

5.3 N 6 70 

5.4 S 6 56 

6.1 N 4 70 

6.2 N 4 56 

6.3 N 4 35 

6.4 N 4 35 

7.1 N 4 80 

7.2 N 4 80 

7.3 N 4 70 

7.4 N 4 70 

7.5 N 4 56

Anhang D 

Angaben zu den Modulringen auf 

den Petals 

In den folgenden beiden Tabellen findet sich eine Auflistung der Anzahl an Modulen, 

APVs und optischen Fasern auf den verschiedenen Ringen und die Angabe 

der Versorgungsgruppe. Die beiden Untergruppen einer Versorgungsgruppe sind 

dabei mit A und B bezeichnet. Des weiteren ist angegeben, auf welcher Petal-Seite 

sich der jeweilige Ring befindet. 1×2 bezeichnet ein Doppelmodul. [34] 

D.1 Vollbestücktes Front-Petal 

Ring Anzahl Module APVs Anzahl Versorgungs- Petal-Seite 

pro Modul opt. Fasern gruppe 

1 2×2 6 12 1A A 

2 2×2 6 12 1B B 

3 3 4 6 2A A 

4 4 4 8 2A B 

5 2×2 6 12 3A A 

6 4 4 8 2B B 

7 5 4 10 3B A 

D.2 Vollbestücktes Back-Petal 

Ring Anzahl Module APVs Anzahl Versorgungs- Petal-Seite 

pro Modul opt. Fasern gruppe 

1 1×2 6 6 1A C 

2 1×2 6 6 1B D 

3 2 4 4 2A C 

4 3 4 6 2A D 

5 3×2 6 18 3A C 

6 3 4 6 2B D 

7 5 4 10 3B C 

89

90 Anhang D. Angaben zu den Modulringen auf den Petals

Anhang E 

Logistik des Petal-Baus 

Der abgebildete Logistikplan zeigt die Aufgaben der einzelnen Institute beim Bau 

der Tracker-Endkappen (Quelle: [35]). Zuerst wird die Qualität der Siliziumsensoren 

überprüft. Anschließend werden die kompletten Silizium-Streifenmodule (vgl. 

Abschnitt 2.3) zusammengebaut. Diese werden dann in den Bonding-Zentren gebondet 

und schließlich mit den anderen Komponenten in den Integrationszentren 

auf den Petals montiert. In Aachen und Lyon wird schließlich jeweils eine komplette 

Endkappe zusammengebaut. Die Abkürzungen in dem Ablaufplan bedeuten: 

DC: 

QTC: 

MAC: 

BC: 

PIC: 

SM: 

Distribution Centre 

Quality Test Centre 

Module Assembly Centre 

Bonding Centre 

Petal Integration Centre 

Super Module 

Auf der Seite http://accms04.physik.rwth-aachen.de/~cms/TEC/tec_org. 

html sind die zur TEC-Kollaboration gehörenden Institute aufgeführt. 

91

92 Anhang E. Logistik des Petal-Baus 

Logistic for the Tracker End Cap 

11425 sensors / 7100 modules (including 10% contingency) 

DC-CERN 

Rings 1 & 2 & 4 & 7: 5275 sensors 

Rings 3 & 5 & 6: 6150 sensors 

QTC-Vienna 

QTC-Karlsruhe 

625 sensors 4650 sensors 

6150 sensors 

MAC-Vienna 

MAC-Lyon 

MAC-Brussels 

Ring 2: 625 modules 

Ring 1&4&7: 3050 modules 

Ring 3&5&6:3425 modules 

Ring 2: 625 mod. Ring 4: 1125 mod. Ring 7: 1625 mod. Ring 1 & 3 : 1000 mod. Ring 5: 1600 mod. 

Ring 6: 1125 mod. 

BC-Vienna 

BC-Zurich BC-Strasbourg BC-Hamburg BC-Karlsruhe 

BC-Aachen 

Petal-Integration (each BC to each PIC = 38 transportways) 

41 Petals 

41 Petals 

41 Petals 

41 Petals 

41 Petals 41 Petals 41 Petals 

PIC-Aachen PIC-Brussels PIC-Hamburg PIC-Karlsruhe PIC-Louvain PIC-Lyon PIC-Strasbourg 

SM1 (Aachen) 

SM2 (Ka à Lyon) 

Abbildung E.1: Logistischer Ablaufplan für den Endkappenbau.

Anhang F 

Schematischer Aufbau des 

Integrationsteststandes 

In der Abbildung ist der schematische Aufbau des Integrationsteststandes dargestellt. 

Die Komponenten sind in der Tabelle aufgeführt und mit die entsprechenden 

Nummern aus der Skizze angegeben. Zusätzlich werden ein 2-D-Barcode- 

Scanner und ein komplettes ARC-System benötigt. [36] 

Abbildung F.1: Aufbau des Integrationsteststandes. 

93

94 Anhang F. Schematischer Aufbau des Integrationsteststandes 

0 PC 

1 FEC 

2 TSC 

3 Optisches Verbindungskabel TSC-FEC 

4 Optische Fasern mit MPO-Adapter 

5 O-FED 

6 K-Mux 

7 Oszilloskop 

8 Niederspannung (Delphi PS) 

9 Multi-Service-Kabel 

10 Patch-Panel, Flachbandkabel und CCUM-FEC-Adapterkarte 

11 Spannungsversorgung für die CCUs 

12 PCB: Kabel für HV-Messung 

13 TPO oder I 2 C-PMC: K-Mux-Steuerung

Anhang G 

Isolierung des Kühlschrankes 

In der folgenden Tabelle sind die Dicken der Isolierungen des Kühlschranks mit 

Styrodur angegeben. 

Ort Dicke der Isolierung in cm 

Decke 14 

Boden 18 

Rückwand 13 

Linke Seitenwand 15 

Rechte Seitenwand 16 

Tür 10 

Schublade vorne 8 

95

96 Anhang G. Isolierung des Kühlschrankes

Abkürzungsverzeichnis 

ADC Analogue Dgital Converter 

AOH Analog Opto Hybrid 

APV Analogue Pipeline Voltage Mode 

CCU Central Control Unit 

CMS Compact Muon Solenoid 

DAQ Data Aquisition 

DCU Detector Control Unit 

DEPP Depletion Power 

DOH Digital Opto Hybrid 

FEC Front End Controller 

FED Front End Driver 

HV High Voltage 

ICB Inter Connect Board 

I 2 C Inter Integrated Circuit 

LHC Large Hadron Collider 

LV Low Voltage 

MUX Multiplexer 

O-FEC Optical Front End Controller 

O-FED Optical Front End Driver 

OEC Optical Electrical Converter 

PLL Phase Locked Loop 

TEC Tracker End Cap 

97

98 Abkürzungsverzeichnis 

TIB Tracker Inner Barrel 

TID Tracker Inner Disc 

TOB Tracker Outer Barrel 

TSC Trigger Sequencer Card 

XML Extensible Markup Language

Abbildungsverzeichnis 

1.1 Das CMS-Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 

1.2 Der CMS-Spurdetektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 

1.3 Querschnitt durch ein Viertel des CMS-Spurdetektors . . . . . . . 4 

1.4 CMS-Tracker-Endkappe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 

1.5 Petals auf einem Endkappenrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 

2.1 Schematische Darstellung des Bändermodells . . . . . . . . . . . . 8 

2.2 Verarmungszone einer Halbleiterdiode . . . . . . . . . . . . . . . . 9 

2.3 In Sperrrichtung betriebene Halbleiterdiode . . . . . . . . . . . . 10 

2.4 Ladungsverteilung und Potentialverlauf der Verarmungszone . . . 10 

2.5 Querschnitt durch einen Silizium-Streifendetektor . . . . . . . . . 13 

2.6 TEC-Modul für Ring 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 

2.7 Frontend-Hybrid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 

2.8 Signale eines Moduls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 

3.1 Verlauf der Kühlschlangen auf einem Petal . . . . . . . . . . . . . 21 

3.2 Modulbefestigung auf den Inserts . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 

3.3 Front-Petal mit ICB: Side A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 

3.4 Front-Petal mit ICB: Side B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 

3.5 CCU und AOH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 

3.6 Ring 6 eines Front-Petals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 

3.7 Spannungsversorgung der Bauteile auf dem Petal . . . . . . . . . 26 

3.8 Kommunikation mit den Komponenten auf dem Petal . . . . . . . 27 

3.9 Schema der Token-Ring-Verbindung . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 

3.10 Verlauf der CCU-Ring-Verbindung . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 

3.11 Schematischer Aufbau eines Petals . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 

3.12 Verstärkung von AOHs in Abhängigkeit vom Bias-Strom . . . . . 31 

3.13 Anschlüsse auf dem Petal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 

4.1 Die Patch-Panel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 

4.2 Elektrisches Patch-Panel mit Multi-Service-Kabeln . . . . . . . . 37 

4.3 Verlauf der optischen Auslese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 

5.1 Drehbare Konstruktion für die Petals bei der Integration . . . . . 40 

5.2 Abstandscheiben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 

5.3 Ring 2 eines Front-Petals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 

99

100 Abbildungsverzeichnis 

5.4 Schematischer Aufbau des Integrationsteststandes . . . . . . . . . 43 

5.5 Assembly-Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 

5.6 Beispiele für die Ausgaben der Assembly-Software . . . . . . . . . 45 

5.7 AOHs auf einem Petal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 

5.8 Bilder auf dem Oszilloskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 

5.9 Modulstecker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 

6.1 CCUM-FEC-Adapterkarte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 

6.2 Side A des vollständig integrierten Petals . . . . . . . . . . . . . . 54 

6.3 Side B des vollständig integrierten Petals . . . . . . . . . . . . . . 55 

7.1 Long-Term-Teststand in Aachen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 

7.2 Innenraum des Kühlschrankes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 

7.3 Kühlschrank mit Schublade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 

7.4 Schublade auf Transportwagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 

7.5 Patch-Panel auf der Kühlschrankschublade . . . . . . . . . . . . . 62 

7.6 Schematischer Aufbau des Long-Term-Teststandes . . . . . . . . . 63 

7.7 Standalone-Software: Rohdaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 

7.8 Standalone-Software: Pedestal und Rauschen . . . . . . . . . . . . 66 

7.9 Pedestal und Common-Mode-korrigiertes Rauschen . . . . . . . . 67 

8.1 Zeitlicher Temperaturverlauf der Kühlmessungen . . . . . . . . . 72 

8.2 Common-Mode-korrigiertes Rauschen des ersten APVs . . . . . . 77 

8.3 Common-Mode-korrigiertes Rauschen des zweiten APVs . . . . . 78 

A.1 Technische Zeichnung eines Front-Petals . . . . . . . . . . . . . . 81 

A.2 CAD-Zeichnung der Vorderseite eines Front-Petals . . . . . . . . . 82 

A.3 CAD-Zeichnung eines Front-Petals mit Modulen . . . . . . . . . . 83 

B.1 Abbildung eines Normalmoduls von Ring 5 . . . . . . . . . . . . . 85 

B.2 Abbildung eines Stereomoduls von Ring 5 . . . . . . . . . . . . . 85 

E.1 Logistischer Ablaufplan für den Endkappenbau . . . . . . . . . . . 92 

F.1 Aufbau des Integrationsteststandes . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

Literaturverzeichnis 

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for the Standard Model Higgs boson at LEP 

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[2] CMS-Outreach, CERN: Drawing of the Complete CMS Detector 

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DetectorDrawings/DetectorDrawings.html. 

[3] M. Pöttgens: Produktion von CMS-Tracker-Modulen am CERN 

Vortrag auf dem Seminar des III. Physikalischen Institutes in Bad Honnef, 

September 2002. 

[4] B. Hegner: Integration von Si-Streifenmodulen in den Vorwärtsbereich des 

zentralen CMS-Spurdetektors 

Diplomarbeit in Physik, III. Physikalisches Institut B, RWTH Aachen, Februar 

2004. 

[5] K.-H. Dreger, M. Wlochal: Technische Zeichnungen und CAD-Zeichnungen 

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[6] http://ireswww.in2p3.fr/ires/recherche/cms/Tracker/TKpetales. 

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[7] W. R. Leo: Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments 

2. Auflage, 1994, Springer Verlag, ISBN 3-540-57280-5. 

[8] The CMS Collaboration: The Tracker Project Technical Design Report 

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[9] Th. Hermanns: Aufbau eines Systems für Kühltests zur Qualitätsüberwachung 

von CMS Silizium-Modulen 

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2004. 

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101

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APVMUXPLL/pdf/UserGuide.pdf. 

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Version 2.0, Juli 2000 

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[13] G. Magazzu, A. Marchioro, P. Moreira: DCU2 User Guide, Oktober 2001 


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[14] I. Physikalisches Institut B der RWTH Aachen http://accms04.physik. 

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[15] Philips: The I 2 C-Bus Specification, Version 2.1, Januar 2000 

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[16] A. Marchioro, C. Ljuslin, C. Pillard: CCU25 Communication and Control 

Unit ASIC for Embedded Slow Control, Februar 2002 


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[17] L. Mirabito: Tracker Data Acquisition User Guide, August 2003 

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[18] G. Cervelli, A. Marchioro, P. Moreira, F. Vasey: Radiation Tolerant Linear 

Laser Driver IC, Version 4.1, Januar 2002 

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Microstrip Detectors for the Inner Tracking System of the CMS Experiment 

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2003. 

[20] B. Trocme: Software Documentation 

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software.html. 

[21] B. Trocme: FAQ on the HV Line Tests of Modules 


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FAQ_HV.html.

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[23] F. Beißel: DEPP, Version 1.0, Dezember 2002 

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[26] Maxim Integrated Products Inc.: DS18B20 Programmable Resolution 1 – 

Write Digital Thermometer 

http://pdfserv.maxim-ic.com/en/ds/DS18B20.pdf. 

[27] F. Beißel: Cooli – Cold Box Control Serial Interface, Version 2.0, Juli 2003 

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[28] RS Components: Flow Sensor Dual Range, September 1996. 

[29] W. Beaumont: Longterm CMS Si Module Test 

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Object-Oriented Data Analysis Framework, Juli 2004 

http://root.cern.ch/root/doc/RootDoc.html. 

[31] T. Franke, Th. Hermanns: DCU Calibration of the Modules for the Test 

Beam Petal 

http://www.physik.rwth-aachen.de/group/IIIphys/CMS/tracker/en/ 

index.html. 

[32] K. Klein: Report on the X5 Beam Test 2004 

Vortrag auf der CMS-Tracker-Woche am CERN, Juli 2004 

http://accms04.physik.rwth-aachen.de/~cms/Publications/Talks/ 

data/Klein_TEC_TB2004_tbmeeting.pdf. 

[33] R. Brauer: CMS Tracker Offline Analysis Software 

http://brauer.home.cern.ch/brauer/Ana/index.html. 

[34] W. Karpinski: Petal Services 

http://accms04.physik.rwth-aachen.de/~cms/Tracker/Electronics/ 

Drawings/cablings/data/PetalServices.pdf.

104 Literaturverzeichnis 

[35] The CMS TEC Collaboration: Logistic for the Tracker End Cap 

http://accms04.physik.rwth-aachen.de/~cms/TEC/logistics.pdf. 

[36] B. Trocme: Proposal for an Assembly Test Procedure: Hardware List 


http://lyoinfo.in2p3.fr/cms/cmstraces/PetalAssembly/Hadware_ 

list.html.

Danksagungen 

Zu guter Letzt möchte ich mich bei all denjenigen bedanken, die mich bei dieser 

Diplomarbeit unterstützt haben. 

ˆ Bei Herrn Prof. Dr. J. Mnich und Herrn Prof. Dr. G. Flügge möchte ich 

mich für die Möglichkeit zu dieser Diplomarbeit bedanken. Die Arbeit am 

III. Physikalischen Institut war nicht nur sehr interessant, sondern hat mir 

auch sehr viel Spaß gemacht. 

ˆ Herrn Dr. Oliver Pooth danke ich für seine freundliche Unterstützung während 

meiner gesamten Diplomarbeit. Ohne seine vielen Hilfestellungen und 

geduldigen Erklärungen wäre diese Arbeit nicht möglich gewesen. 

ˆ Ein besonderer Dank gilt Herrn F. Beißel von der elektronischen Entwicklung, 

ohne dessen Hilfe der Aufbau der beiden Teststände nicht möglich 

gewesen wäre. Für die vielen aufschlußreichen Gespräche und detaillierten 

Erklärungen der elektronischen Aspekte der Teststände, sowie seine vielfältigen 

Anregungen, durch die sehr viele Probleme gelöst werden konnten, 

möchte ich mich herzlichst bedanken. Weiterhin danke ich der gesamten 

elektronischen Werkstatt des III. Physikalischen Institutes B für die Unterstützung 

beim Aufbau der Elektronik der Teststände und die stets schnelle 

Hilfe bei auftretenden Schwierigkeiten. 

ˆ Mein Dank gilt auch der mechanischen Werkstatt des III. Physikalischen Institutes 

B. Insbesondere danke ich Herrn Carsten Gillissen für die Durchführung 

der Petal-Integration und die vielen kleinen, unauffälligen, aber doch 

so wichtigen mechanischen Arbeiten an den Testständen. Weiterhin danke 

ich Herrn J. Kreitz für den Bau des Kühlschrankes, bei dem er geduldig alle 

meine Sonderwünsche umgesetzt hat. 

ˆ Frau Dr. Katja Klein und Herrn Richard Brauer möchte ich für die vielen 

Hilfestellungen bei meiner Diplomarbeit danken. Neben den ausführlichen 

Erklärungen der benutzten Computerprogramme und vieler verwendeter 

elektrischer Komponenten haben sie durch die Aushilfe mit elektrischen und 

mechanischen Bauteilen die Durchführung der in dieser Arbeit beschriebenen 

Messungen erst ermöglicht. 

105

106 Danksagungen 

ˆ Bei Herrn Dr. Benjamin Trocme aus Lyon bedanke ich mich für die Beantwortung 

all meiner Fragen und die expliziten Erklärungen bzgl. der Petal- 

Integration. 

ˆ Herrn Benedikt Hegner danke ich für seine Unterstützung beim Aufbau der 

Teststände und insbesondere für die geduldige Hilfe bei vielen Computerproblemen. 

Die Diskussionen über verschiedene Probleme haben mir häufig 

geholfen, diese erfolgreich zu lösen. Die Zusammenarbeit hat sehr viel Spaß 

gemacht. 

ˆ Bei Herrn Alexander Linn möchte ich mich für seine Unterstützung bei der 

Durchführung der Messungen an den beiden Testständen und die sehr gute 

Zusammenarbeit sehr herzlich bedanken. 

ˆ Herrn Dr. Andreas Nowack danke ich für die Hilfe bei diversen Computerproblemen 

und seine Unterstützung beim Schreiben meiner Diplomarbeit. 

ˆ Bei Herrn Dr. Markus Axer, Herrn Torsten Franke, Herrn Thomas Hermanns, 

Herrn Stefan Kasselmann, Herrn Dr. Thomas Kreß und Herrn Michael 

Pöttgens möchte ich mich für die Hilfe bei vielen Problemen und die 

sehr angenehme Arbeitsatmosphäre bedanken. 

ˆ Zum Schluß möchte ich mich bei meinen Eltern bedanken, dass sie mir dieses 

Studium ermöglicht und mich während meiner ganzen Studienzeit intensiv 

unterstützt haben. Den Dank, den ich ihnen schulde, kann ich leider nicht 

angemessen ausdrücken.

Index 

A 

Abstandscheibe 40 

ADC-Einheiten 68 

Akzeptorniveau 9 

ALICE 2 

Annealing 12 

AOH 24, 30, 38, 45, 46, 47, 53 

AOH-Laser siehe Laser 

APV 14, 15, 16, 17, 27, 30 

APVMUX siehe MUX 

Assembly-Software 39, 43, 45, 48 

ATLAS 2 

B 

Barcode 43, 44 

Bias-Scan 47 

Bias-Spannung 

AOH 31, 47, 65, 70 

Silizium-Streifenmodul 11, 13 

Bond 13, 14, 15 

Brücke 40 

C 

CCU 23, 24, 25, 45, 53 

CCUM-FEC-Adapterkarte 37, 51, 69 

CERN 1 

Clock 15, 17, 26 

CMS 2 

Common-Mode 32, 67 

Cooling-Manifold 21 

D 

Datenbank 39, 44, 49 

Datennahme, Long-Term-Test 64 

DCU 14, 17, 23, 24 

Defektelektron 7 

Diode 9, 10, 11 

DOH 24, 25 

Donatorniveau 8 

Dotierung 8, 11 

n-Dotierung 8, 9 

p-Dotierung 8, 9 

E 

Einzeltest 49, 54 

Elektronenleitung 7 

F 

Faserlänge 30 

Fasern, optische 30, 46 

FEC 25, 26, 28, 37 

FED 28, 31, 38, 64 

Feuchtigkeitssensor 61, 63 

Final-FEC 28 

Frontend-Hybrid 14 

G 

Gitterfehler 12 

H 

Halbleiter 8 

Halbleiterdetektor 11, 12 

Halbleiterdiode siehe Diode 

Header 15, 31, 49, 65, 70, 76 

Higgs-Boson 1 

Hochspannungstest 41, 48, 53 

I 

I 2 C-Verbindung bzw. -Protokoll 26, 

28, 47, 48, 53, 70 

Insert 21, 40 

Integration 39, 53, 55 

Integrationsteststand 5, 39 

Inter-Connect-Board 22, 23, 24 

K 

K-MUX 38, 42, 64 

Kalorimeter 

elektromagnetisch 2 

107

108 Index 

hadronisch 2 

Kontaktspannung 9 

Kühlmaschine 36, 41, 58, siehe auch 

Louvain-Cooling-Plant 

Kühlschlange 21 

Kühlschrank 57, 58, 59, 60, 61, 62, 

63, 69, 74 

Kühlung 21, 35 

L 

Laser(AOH) 30 

Leckstrom 12, 53, 66 

Leitungsband 7, 8 

LEP 1 

LHC 1 

LHCb 2 

Loch siehe Defektelektron 

Löcherleitung 8 

Long-Ribbon-Kabel 38 

Long-Term-Software 64 

Long-Term-Teststand 6, 57, 62, 64 

Louvain-Cooling-Plant 35, siehe auch 

Kühlmaschine 

Luftfeuchtigkeit 57, 58, 63 

M 

Module 

Anordnung 28, 29 

Befestigung 21, 22, 40, 47 

doppelseitige 28 

Multi-Service-Kabel 33, 36, 37 

MUX 14, 16 

Myonkammern 2 

N 

Normalmodul 30 

O 

O-FEC 25, 27 

O-FED 31, 38, 41, 64 

OEC 38 

Oszilloskop 42, 47, 49, 53 

P 

p-n-Übergang 10 

Patch-Panel 

elektrisch 37 

Kühlschrank 59 

optisch 46 

Pedestal 32, 66, 68 

Petal 

Back-Petal 5, 25, 69 

Front-Petal 5, 25, 53 

Petalrahmen siehe Transportrahmen 

Pitchadapter 14 

Pixeldetektor 3 

PLL 14, 17, 26 

ProgramTest 70 

R 

Rauschen 67, 68 

Common-Mode-korrigiert 67, 68, 

76 

elektrisch 12 

Reverse-Annealing 12 

Ring 4, 14, 22, 28, 29, 47 

S 

Schicht 

n-Schicht 9 

p-Schicht 9 

Schublade 58, 59, 60 

Short-Ribbon-Kabel 37, 38 

Side A, B, C, D 22, 29 

Signalübertragung 25 

Silizium 7 

Silizium-Pixeldetektor 2 

Silizium-Streifendetektor 2, 6, 12 

Silizium-Streifenmodul 3, 4, 5, 14, 19 

Siliziumsensor 14 

Siliziumstreifen, Anzahl 14 

Slow-Control 63, 64 

Spannungen Petal-Komponenten 24, 

32, 36 

Sperrrichtung 10 

Spurdetektor 2, 3 

Standalone 64, 70 

Stereomodul 30 

Steuersignale 23, 24 

Stickstoff 58, 70, 74 

Stickstoffspülung 58, 72, 73 

Strahlenschäden 12, 20

Index 109 

T 

TEC 3 

Temperatur 75 

Kühlschrank 63, 69, 71, 74 

Module 73 

Temperatursensor 61, 63 

TIB 3 

Tick-Mark 15, 49 

TID 3 

Timing 17, 65, 70 

TOB 3 

Token bzw. Token-Ring-Verbindung 

26, 28, 45, 70 

TPLL siehe PLL 

Tracker siehe Spurdetektor 

Tracker-Endkappen 3, 5 

Transportrahmen 35, 39, 59, 63 

Trigger 15, 17, 26, 27 

TSC 27, 28 

Typinversion 12, 13 

V 

Valenzband 7, 8 

Verarmungszone 11, siehe auch Zone, 

ladungsträgerarme 

Versorgungsgruppe 32, 36 

W 

Wärmeleistung, Petal und Komponenten 

20 

Wiedereinschalten eines gekühlten Petals 

74 

Z 

Zone 

ladungsträgerarme 9, 10, siehe 

auch Verarmungszone 

vebotene 7, 12

110 Index

Aufbau eines Teststandes zur Integration von Silizium ...

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