Test of the CMS Preshower System Motherboards

臺大高能物理實驗室參與了「大型強子對撞機」（ LHC LHC）中的一個稱為 ）「緊湊渺子線圈」（ CMS CMS）的實驗，在這個實驗當中，臺大高能物理實驗 ）室參與了preshower 探測器的製造。LHC 是一個質子子-質子對撞機，其質心 能量為14TeV 14TeV，LHC 預計在2007 年底或2008 年初會開始運作。 在此篇論文中，我會說明下列幾個項目： • LHC 、CMS 及preshower 探測器 • preshower 系統母板（ SMB SMB）的目的與設計 ）• SMB 測試板（ SMB_TB TB）的目的與設計 ）• SMB 的測試及自動化測試程式 • SMB 的測試結果 最後，我還使用CMSSW 去模擬在質子子-質子對撞時，最容易發生的幾 種事件中， preshower 探測器所能測到的訊號。NTUHEP group take part in the CMS (Compact Muon Solenoid) experiment at the LHC (Large Hadron Collider). The LHC is a proton-proton collider and its center of mass energy is 14 TeV. It will begin running in the end of 2007 or in the early 2008. In the master thesis, I will introduce • the LHC, the CMS and the preshower detector; • the purpose and design of the preshower system motherboard (SMB); • the purpose and design of the SMB tester boards (SMB TB); • the connection tests of SMBs and the test program; • the test result of SMBs. Finally, I will do some simulations of the decay modes which have the largest cross-section of p-p collision and find what are measured in the preshower detector.1 Introduction 1 1.1 Fundamental Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Elementary particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3 The Higgs Boson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.4 Thesis Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 CERN, LHC and the CMS Expertment 5 2.1 The Large Hadron Collider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.2 The Compact Muon Solenoid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2.1 Magnet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.2.2 Electromagnetic Calorimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.2.3 Hadron Calorimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2.4 Muon System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2.5 Inner Tracking System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2.6 Trigger System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3 The CMS Preshower Detector 15 3.1 Physics Target . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3.2 Design and Requirement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.2.1 Absorber Planes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.2.2 Silicon Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.2.3 Front-End Readout Hybrid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.2.4 Micromodule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.3 The Preshower Readout and Control Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 4 The Preshower System Motherboard 23 4.1 Design of SMBs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 4.2 Mass Production of SMBs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 4.3 Tests of SMBs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 4.3.1 Visual Inspection of all PCB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 4.3.2 Connection Test with SMB TB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 4.3.3 Connection Test with Flying Probes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 4.3.4 SMB Function Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 4.3.5 Thermal-Cycling Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 5 SMB Test Program with SMB Tester Board 29 5.1 The Basic Ideas of Test Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 5.2 The Basic Units of Test Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 5.3 Basic SubVIs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 5.3.1 string.vi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 5.3.2 string to binary.vi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 5.3.3 binary to string format yuri.vi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 5.3.4 command.vi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 5.3.5 640-X-line format 13 test type.vi . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 5.3.6 640-X-line format with other pin.vi . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 5.3.7 rms and mean for voltage.vi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 5.4 How to Design This Program? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 5.5 The Main Parts of Test Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 5.6 Set up Equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 5.7 The Main Part: 15-type test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 5.7.1 How to Use It? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 5.7.2 Three Configurations of Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 5.7.3 VCC pins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 5.7.4 GND Pins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 5.7.5 LVDS-in Pins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 5.7.6 LVDS-in Pins with Pull-up and Pull-down Resistors . . . . . . . . . . . . . . 40 5.7.7 CMOS-in Pins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 5.7.8 CMOS-out Pins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 5.7.9 Analog-in Pins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 5.7.10 Analog-out Pins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 5.7.11 I2C Clock Pins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 5.7.12 I2C Data Pins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 5.7.13 Pins with Resistors to VCC or GND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 5.7.14 Test of Internal Connections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 5.7.15 Test Possible Short Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 5.7.16 Test of HV Lines Having Large Filter Capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . 45 5.7.17 LVDS-out Pins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 5.7.18 Total Number of Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 5.8 Test 2 Pins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 5.9 Find the Short Pin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 5.10 Test Connector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 5.11 The Test of Control Token Cables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 6 SMB Test Results 55 6.1 SMB Test Results with SMB TB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 6.1.1 VCC pins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 6.1.2 GND Pins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 6.1.3 LVDS-in Pins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 6.1.4 LVDS-in Pins with Pull-up and Pull-down Resistors . . . . . . . . . . . . . . 57 6.1.5 CMOS-in Pins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 6.1.6 CMOS-out Pins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 6.1.7 Analog-in Pins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 6.1.8 Analog-out Pins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 6.1.9 I2C Clock Pins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 6.1.10 I2C Data Pins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 6.1.11 Pins with Resistors to VCC or GND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 6.1.12 Test of Internal Connections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 6.1.13 Test Possible Short Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 6.1.14 Test of HV Lines Having Large Filter Capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . 63 6.1.15 LVDS-out Pins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 6.1.16 Summary of Test Results with SMB TB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 6.2 SMB Connection Test Results with Flying Probes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 6.3 Visual Inspection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 6.4 SMB Function Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 6.5 Thermal-Cycling Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 7 Simulation of Preshower with CMSSW 69 7.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 7.2 The Steps of Simulation and Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 7.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 7.3.1 Particle Gun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 7.3.2 QCD multi-jet events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 8 Conclusion 79 A Table of pins of SMB 8