Strahlteleskop für niederenergetische Teilchen DPG Frühjahrstagung in Mainz
Lennart Huth für die Mu3e Kollaboration
26. März 2014
HV-MAPS
HV-MAPS = HighVoltage-MonolithicActivePixel Sensor
Für das Mu3e Experiment entwickelt (A.Herkert)
nullunterdrückte digitale Auslese starkes E-Feld zwischen N-Well und Substrat
→Drift statt Diffusion Zeitauflösung < 17 ns kommerzieller IBM 180nm Prozess
Der MuPix4 Prototyp
Pixel Größe: 92 x 80 µm2 Aktive Fläche: 2.9 x 3.2 mm2 MuPix4 gedünnt: 1 h Strahlungslänge Sensor + Träger: 10 %
Effizienz > 99 % Zeitstempel Adressinformation kontinuirliche Auslese
Spaltenadresse "x"
0 5 10 15 20 25 30
Zeilenadresse "y"
0 5 10 15 20 25 30 35
pixel_map_1_
Entries 3.036569e+07 Mean x 18.19 Mean y 20.05
RMS x 5.738
RMS y 6.109
1 10 102 103 104 105 106 107 pixel_map_1_
Entries 3.036569e+07 Mean x 18.19 Mean y 20.05
RMS x 5.738
RMS y 6.109
Motivation
Warum werden Strahlteleskope benötigt?
Motivation
Warum werden Strahlteleskope benötigt?
Spurrekonstruktion
→ Test neuer Sensoren
Charakterisierung der Vielfachstreuung von Materialien
Motivation
Warum werden Strahlteleskope benötigt?
Spurrekonstruktion
→ Test neuer Sensoren
Charakterisierung der Vielfachstreuung von Materialien
Warum ist ein Strahlteleskop aus HV-MAPS sinnvoll?
Motivation
Warum werden Strahlteleskope benötigt?
Spurrekonstruktion
→ Test neuer Sensoren
Charakterisierung der Vielfachstreuung von Materialien
Warum ist ein Strahlteleskop mit HV-MAPS sinnvoll?
Ist ein Teleskop für niederenergetische Teilchen, welches hohe Raten verarbeiten kann
ΘMS ∝q x
X0
(1+0 .038ln
x X0)
p → Minimierung des Materials Integrationstest des Mu3e Experiments (mehrere Lagen) Die Hardware für ein Teleskop existiert größtenteils schon
Konzept
z x y
MuPix4 auf PCB-Karten Strahl
Trigger- Szintillator
Trigger- Szintillator
Mechanik
Optomechanische Komponenten von ThorlabsR
200-260mm
max. 600 mm
min 25 mm
optical table
rail MuPix Beam
auf optischer Schiene montiert Lagen sind mechanisch unabhängig kompaktes System
bisher Sensoren ungedünnt auf Träger
Software und Auslese
Readout PC
TOP Stratix Dev Board
BOTTOM Startix Dev Board
PC Back (plug) side PC Front (CD Drive) side
HSMC Connector A HSMC Connector B
HSMC Connector A HSMC Connector B Readout Adapter
Readout Adapter
Control Adapter
Control Adapter Back Ctrl Cable Front Ctrl Cable
Back Ctrl Cable Front Ctrl Cable Back RO Cable
Front RO Cable
Back RO Cable Front RO Cable
0 1
0 1
2 3
2 3
GPU
2 Stratix IV FPGA Karten für je 2 Sensoren
Speziell entwickelte HSMC Adapterkarten
Verbindung zum MuPix-PCB via Flachbandkabel
FPGAs sind synchronisiert Auslese entweder getriggert oder kontinuierlich
02.02.2014 - 09.02.2014
Mu3e Testbeam @ DESY T22
Datenauslese
DAQ - Leistung
Insgesamt 2.5 Tage stabile Datennahme!
maximale Spurrate
maximal erreichte Trefferrate: 1.5 MHz
→kein Problem für die DAQ
→Flaschenhals:
Auslesegeschwindigkeit des FPGA lange Flachbandkabel
Online Monitor
mechanische Präzesion & Korrelationen
maximale Verschiebung zweier Lagen: 16 Pixel=b 1.5 mm
Spaltenadresse Sensor 1
0 5 10 15 20 25 30
Spaltenadresse Sensor 2
0 5 10 15 20 25
30 corr_col1_col2
Entries 72678 Mean x 11.88 Mean y 19.01 RMS x 8.353 RMS y 8.416
1 10 102 corr_col1_col2
Entries 72678 Mean x 11.88 Mean y 19.01 RMS x 8.353 RMS y 8.416
15 20 25
30 corr_col1_col3
Entries 3607 Mean x 20.83 Mean y 12.11 RMS x 8.72 RMS y 9.256
1 10 corr_col1_col3
Entries 3607 Mean x 20.83 Mean y 12.11 RMS x 8.72 RMS y 9.256
Spaltenadresse Sensor 3
0 5 10 15 20 25 30
Spaltenadresse Sensor 4
0 5 10 15 20 25 30
corr_col3_col4 Entries 64917 Mean x 18.48 Mean y 17.2 RMS x 8.365 RMS y 9.391
1 10 102 corr_col3_col4
Entries 64917 Mean x 18.48 Mean y 17.2 RMS x 8.365 RMS y 9.391
15 20 25
30 corr_col1_col4
Entries 3883 Mean x 21.08 Mean y 17.1 RMS x 9.441 RMS y 11.28
10 102 corr_col1_col4
Entries 3883 Mean x 21.08 Mean y 17.1 RMS x 9.441 RMS y 11.28
Verteilungsbreiten
htemp
Entries 18355
Mean -6.897
RMS 2.138
/ ndf
χ2 892.3 / 5
Constant 7014 ± 79.2 Mean -7.255 ± 0.007 Sigma 0.7954 ± 0.0062
x_2-x_1
-12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6
Counts
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
htemp
Entries 18355
Mean -6.897
RMS 2.138
/ ndf
χ2 892.3 / 5
Constant 7014 ± 79.2 Mean -7.255 ± 0.007 Sigma 0.7954 ± 0.0062
x_2-x_1 {x_2!=20 && x_1!=30}
(x_2-x_1)
-30 -20 -10 0 10 20 30
y_1
0 5 10 15 20 25 30 35 40
1 10 102 103 Col1 - Col2 vs Row 1
5 GeV Elektronen Strahl Mittelwert: 7.3 Pixel Sigma: 0.79 Pixel
Intrinsische Pixelauflösung:
1
√12 ≈0.28 Pixel
keine sichtbaren Rotationen
→ Pixelgröße ausreichend klein
→ Sensoren dünnen
Erstes HV-MAPS Teleskop erfolgreich im Betrieb Hohe Teilchenraten können verarbeitet werden (≈1 MHz) Funktionalität bestätigt
Teststrahlanalyse noch nicht beendet:
→ weitere Ergebnisse werden folgen neuer MuPix6 Prototyp geliefert!
→ Fehler der letzten Version behoben Erneuter Einsatz am PSI im Mai 2014
Vielen Dank für Ihre
Aufmerksamkeit!
M. Kiehn: Do, 17:30 T 115: Teststrahlmessungen mit dem MuPix4 Sensor für das Mu3e Experiment
S. Corrodi: Do, 18:30 T 121: Schnelle Auslese des HV-MAPS Trackers des Mu3e Experiments
