[论文解读] Beam test performance studies of CMS Phase-2 Outer Tracker module prototypes

The Tracker Group of the CMS Collaboration, Bergauer, T.+782 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Particle Detector Development and Performance被引用 1

一句话总结

本文展示了CMS Phase-2外层触发器用原型2S模块的束流测试结果，表明CMS二进制芯片（CBC）、集线器集成电路（CIC）、光学读出以及模块上电源转换的组合，可在横向动量（pT）区分中实现99.75%的簇效率和99%的短 stub 效率。性能满足高亮度LHC（HL-LHC）的要求，即使在辐照至预期通量91%的情况下仍保持稳定。

ABSTRACT

A new tracking detector will be installed as part of thePhase-2 upgrade of the CMS detector for the high-luminosity LHC era.This tracking detector includes the Inner Tracker, equipped withsilicon pixel sensor modules, and the Outer Tracker, consisting ofmodules with two parallel stacked silicon sensors. The Outer Trackerfront-end ASICs will be able to correlate hits from chargedparticles in these two sensors to perform on-module discriminationof transverse momenta (p$_{T}$). The p$_{T}$information is generated at a frequency of 40 MHz and will be usedin the Level-1 trigger decision of CMS. Prototypes of theso-called 2S modules were tested at the Test Beam Facility at DESYHamburg between 2019 and 2020. These modules use the finalfront-end ASIC, the CMS Binary Chip (CBC), and for the firsttime the Concentrator Integrated Circuit (CIC), optical readoutand on-module power conversion. In total, seven modules were tested,one of which was assembled with sensors irradiated with protons. Animportant aspect was to show that it is possible to read out modulessynchronously. A cluster hit efficiency of about 99.75 % wasachieved for all modules. The CBC p$_{T}$ discriminationmechanism has been verified to work together with the CIC andoptical readout. The measured module performance meets therequirements for operation in the upgraded CMS tracking detector.

研究动机与目标

• 验证CMS Phase-2外层触发器升级中2S模块原型在束流测试条件下的性能。
• 验证CBC芯片的pT区分机制与CIC及光学读出系统结合时的功能性。
• 评估辐射损伤对模块性能的影响，特别是对辐照至4.6×10¹⁴ neq/cm²的传感器的影响。
• 确认模块在辐照及退火后性能仍保持在规格范围内，模拟HL-LHC运行条件。
• 证明模块在束流环境中具备同步读出能力，并实现模块间稳定的相关性。

提出的方法

• 在DESY束流测试设施使用电子束对七个全尺寸2S模块原型进行了测试。
• 模块采用最终版CBC前端ASIC、CIC用于光学数据汇聚，以及模块上的电源转换。
• 数据获取采用定制软件流水线，利用参考探测器组成的束流跟踪系统进行轨迹重建。
• CBC芯片通过在可编程搜索窗口内关联两个堆叠硅条纹传感器的击中信号，实现在模块上的pT区分。
• 辐照后的传感器在室温下退火200天，以模拟4000 fb⁻¹后的使用寿命终点状态。
• 通过多种阈值、传感器位置和束流角度评估性能，包括效率、分辨率、噪声和电荷共享。

实验结果

研究问题

• RQ1 2S模块原型能否在束流条件下实现高簇效率的同步读出？
• RQ2 CBC芯片的pT区分逻辑在与CIC及光学读出系统结合时是否能正确运行？
• RQ3 辐照至91%预期通量的辐射损伤对簇效率和pT区分性能有何影响？
• RQ4 在传感器表面是否存在效率的空间依赖性，特别是在辐照模块中？
• RQ5 模块能否在束流环境中保持稳定性能，并在多个模块间实现稳定的短 stub 相关性？

主要发现

• 所有模块，包括辐照传感器的模块，均实现了99.75%的簇击中效率。
• 基于CBC的pT区分机制在低于6000 e⁻的阈值下，实现了约99%的短 stub 效率，即使在辐照传感器上也表现良好。
• 辐照传感器在退火200天后，pT区分性能未见显著退化。
• 簇效率在传感器表面不同位置之间无显著差异，表明性能均匀。
• 模块1与模块3之间的短 stub 位置相关性残差宽度约为550 µm，与预期的多重散射和束流角度一致。
• 系统表现出稳定的读出性能，并实现了模块间的可靠相关性，证实了在束流环境中实现同步运行的可行性。