Construction and Calibration of the Laser Alignment System for the CMS Tracker Von der Fakult¨at fu¨r Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften der Rheinisch-Westf¨alischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Naturwissenschaften genehmigte Dissertation vorgelegt von Diplom–Physiker Roman Adolphi aus Aachen Berichter: Universit¨atsprofessor Dr. St. Schael Apl. Professor Dr. W. Braunschweig Tag der mu¨ndlichen Pru¨fung: 28. November 2006 Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfu¨gbar. Zusammenfassung Am europ¨aischen Kernforschungszentrum CERN (Genf, Schweiz) befindet sich der CMS Detektor (Compact Muon Solenoid) an einer der vier Proton-Proton Wechselwirkungszo- nen des Beschleunigers LHC (Large Hadron Collider) im Bau. Der innere Spurdetektor desCMSExperimenteswirdmiteinemDurchmesservon2.4mundeinerL¨angevon5.4m bei seiner Fertigstellung der weltweit gr¨oßte Silizium-Detektor sein. Zum Nachweis von geladenen Teilchen wird eine aktive, ca. 200 m2 große Fl¨ache von insgesamt etwa 15000 Silizium-Streifen-Modulen zur Verfu¨gung gestellt, die auf einer modularen mechanischen Tragestruktur befestigt sind. Die Verwendung von Kohlefasermaterial ist eine optimale Voraussetzung, um mechanische Stabilit¨at bei −10oC Betriebstemperatur in einem 4 T Magnetfeld zu gew¨ahrleisten. Zur pr¨azisen Vermessung der einzelnen Teilchenspuren ist die genaue Kenntnis der Spurkammergeometrie notwendig. Neben der mechanischen Montagegenauigkeit gr¨oßerer ¨ DetektoreinheitenundderenvermessungstechnischerUberpru¨fungliefertdasLaser-Align- ment-System (LAS) die Grundlage zur effizienten Spurrekonstruktion. Durch das in die SpurkammerintergrierteLaser-Alignment-Systemk¨onnendiePositionenderElementeder Tragestruktur auf der Skala von 100 µm festgestellt werden. Relative Bewegungen einzel- ner Komponenten k¨onnen in der Gr¨oßenordnung von 10 µm kontrolliert und u¨berwacht werden. Die Planung, das Design und die Verifizierung der Zuverl¨assigkeit eines optischen Sys- tems dieser Komplexit¨at fu¨r die r¨aumliche Ausrichtung eines Silizium-Detektors in der Gr¨oßenordnungderCMSSpurkammer–unterderVoraussetzungminimalerBeeinflussung des Detektordesigns und Vermeidung zus¨atzlicher externer Referenzstrukturen – ist eine neue wissenschaftliche Herausforderung. Die Entwicklung eines Laser-Alignment-Systems zur Rekonstruktion der CMS Spurkammergeometrie, die Realisierung unter Beru¨cksich- tigung der bestehenden Anforderungen, die Integration in den CMS Detektor und die Bestimmung der Leistungsf¨ahigkeit des optischen Systems werden in der vorliegenden Arbeit beschrieben. Das Prinzip der Positionsbestimmung basiert auf der Tatsache, daß Silizium im in- fraroten Wellenl¨angenbereich teilweise transparent ist. Der absorbierte Anteil eines Laser- strahls erzeugt ein Signal im jeweiligen Silizium-Streifen-Modul, womit dessen Position rekonstruiert werden kann, und der transmittierte Anteil stellt die optische Verbindung zur n¨achsten Detektorlage her. Ausgehend von den Ergebnissen der Untersuchungen der Eigenschaften von Laserdioden sowie den Tests von Lichtleitfasern und Steckern wurden die Systemkomponenten von der Laserquelle bis zum Detektor definiert. Detailierte Studien bezu¨glich der Verwendung von Strahlteilern und geeigneten Tes- taufbauten zur Vermessung der von ihnen ausgesandten kollinearen Strahlen wurden durchgefu¨hrt. ImRahmensowohldergeometrischenalsauchderoptischenAnforderungen wurde eine Strahlteilerkonstruktion entwickelt, die auf dem Polarisationsprinzip beruht. Die Genauigkeit, mit der die Kollinearit¨at der ausgehenden Strahlen gemessen wurde, war besser als 50 µrad, und es konnte gezeigt werden, daß unter den experimentellen Bedingungen in CMS die relative Position beider Strahlen konstant bleibt. Die Schnittstelle zwischen dem LAS und dem Spurdetektor stellen die Silizium-Align- ment-Sensoren dar, die sowohl zum Teilchennachweis als auch zur Laserpositionsbestim- mung dienen. Zur Verbesserung der optischen Eigenschaften wurde eine Anti-Reflex- Schicht auf der Ru¨ckseite der Sensoren unter Gew¨ahrleistung gleichbleibender elektrischer Eigenschaften aufgetragen. Die experimentellen Ergebnisse der Transmissions- und Re- flexionsmessungen von Alignment-Sensoren in einem speziell entwickelten Testaufbau stimmten mit den Modellrechnungen u¨berein und best¨atigten die hohe optische Qualit¨at der Sensoren. Mit Hilfe einer Laserdiode und der Datenauslese der Signale in Silizium-Streifen- Modulen in einer Anordnung gem¨aß der Geometrie einer Endkappe (TEC) des Spurdetek- tors wurde das Funktionsprinzip u¨berpru¨ft und die r¨aumliche Modulaufl¨osung gemessen. Fu¨r fast alle Modulpositionen innerhalb der Endkappe konnte die Laserstrahlposition bei Relativbewegung der Module in der Gr¨oßenordnung der Spezifikation von 10 µm rekonstruiert werden. Zus¨atzlich konnte gezeigt werden, daß die Brechung des Strahls vernachl¨assigbar ist. In einem bereits fertig montierten Sektor der Endkappenstruktur der Spurkammer wurden die Daten des LAS mit denen aus einer fotogrammetrischen Vermessung ver- glichen. Die Rekonstruktion der Endkappengeometrie mittels der Laserstrahlen gelang mit einer Pr¨azision von besser als 100 µm, und durch den u¨bereinstimmenden Vergleich mit den Ergebnissen der fotogrammetrischen Vermessung konnte die optische Positions- analyse des LAS best¨atigt werden. Die hohen Anforderungen an die Implementierung und an die Leistungsf¨ahigkeit des Laser-Alignment-Systems erforderten w¨ahrend der Entwicklung, Konstruktion und Kali- bration die L¨osung von unterschiedlichen Fragestellungen und Problemen. Die dadurch gesammelte Erfahrung kann als Grundlage fu¨r weitere Anwendungen bei der Ausrichtung von Spurkammern und Teilchendetektoren dienen. Abstract The CMS detector (Compact Muon Solenoid) is under construction at one of the four proton-proton interaction points of the LHC (Large Hadron Collider) at CERN, the Eu- ropean Organization for Nuclear Research (Geneva, Switzerland). The inner tracking system of the CMS experiment consisting of silicon detectors will have a diameter of 2.4 m and a length of 5.4 m representing the largest silicon tracker ever. About 15000 sil- icon strip modules create an active silicon area of 200 m2 to detect charged particles from proton collisions. They are placed on a rigid carbon fibre structure, providing stability within the working conditions of a 4 T solenoid magnetic field at −10oC. Knowledge of the position of the silicon detectors at the level of 100 µm is needed for an efficient pattern recognition of charged particle tracks. Metrology methods are used to survey tracker subdetectors and the integrated Laser Alignment System (LAS) pro- vides absolute positioning of support structure elements to better than 100 µm. Relative movements of the components are resolved and monitored at the 10 µm scale. A robust and reliable optical system able to measure and control the large CMS tracker geometry with high accuracy has been developed and validated. The design and construction of such a system, fully integrated in the silicon tracker, avoiding external reference structures in order to have minimal impact on the tracker layout and consisting of radiation hard and non-magnetic components represents a new scientific challenge. The construction and integration of the LAS fulfilling the requirements, as well as its calibration and performance are described in this thesis. The working principle is based on the partial transparency of silicon for light wave- lengths in the near infrared region. The absorbed part of the laser beam generates a signal in the corresponding silicon strip module serving to reconstruct its position. The transmitted part reaches the subsequent module layer generating an optical link between the two layers. Investigation of the light generation and distribution led to a definition of the optical components and their optimization for Laser Alignment purposes. Laser diodes have been qualified as light sources and singlemode optical fibres, terminated by special connectors, distribute the light to the CMS tracker detector. The beamsplitting device, a key component of the LAS light distribution inside the CMS tracker, has been studied in detail. The challenge of splitting one collimated beam into two back-to-back beams inside a small available volume has been solved by using the polarization principle. Special test setups were developed to determine the collinearity of the two outgoing beams with a precision better than 50 µrad and it has been shown that their relative orientation remains constant under working conditions. The interface between the tracker and the LAS is given by the silicon sensors which are responsible both for particle detection and for the determination of the position of the laserspot. Ananti-reflex-coatinghasbeenappliedonthebacksideofallalignmentsensors to improve their optical properties without deterioration of their tracking performance. A test setup has been developed to simultaneously study the transmission and reflection properties of the alignment sensors. The results are in good agreement with calculations and confirm the high optical quality of the sensors. The working principle of the optical alignment has been verified and the resolution of the laser spot was measured in a test setup with alignment modules arranged according to the CMS tracker endcap (TEC) geometry. For almost all laser spot positions in the TEC, relative module movements at the level of 10 µm were reconstructed. In addition, it has been shown that refraction effects are negligible. Data from Laser Alignment in one TEC sector has been compared with TEC survey measurements. The reconstruction precision of better than 100 µm obtained by two laser beams was independently confirmed by the metrology data, thus validating the performance of the optical alignment. The stringent requirements imposed on the implementation and performance of the Laser Alignment System necessitated the solution of a variety of problems and led to the accumulation of considerable experience in the alignment of particle tracking detectors by optical means. Contents Preface 1 1. Introduction 3 1.1. The Standard Model of Particle Physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.1.1. Basic Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.1.2. Experimental Verification and Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2. The Large Hadron Collider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.2.1. Physics at the Large Hadron Collider . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.3. The Compact Muon Solenoid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.3.1. The Muon System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.3.2. The Calorimeter System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.4. The CMS Tracking System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.4.1. The Pixel Tracker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.4.2. The Silicon Microstrip Tracker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2. Description of the CMS Tracker Laser Alignment System 21 2.1. Purpose of the LAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.1.1. Goals of the CMS Tracker Laser Alignment . . . . . . . . . . . . . 21 2.1.2. Alignment Objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.2. Requirements and Design Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.2.1. Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.2.2. Working Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.3. General Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.3.1. Laser Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.3.2. Light Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.3.3. Signal Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.4. Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.4.1. Reconstruction Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.4.2. CMS DAQ Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3. Beamsplitters 39 3.1. Layout and Functionality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.1.1. Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.1.2. Irradiation Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.2. Collinearity Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.2.1. Test Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 i Contents 3.2.2. Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.2.3. BS Collinearity at Low Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.2.4. Conclusions of the Beamsplitter Measurements . . . . . . . . . . . . 59 3.3. Alignment Tube . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 3.3.1. Requirements and Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 3.3.2. Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4. Alignment Sensors 65 4.1. Sensor Coating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.1.1. Absorption Coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 4.1.2. Diffraction Grating Influence and Applied Matrix Model . . . . . . 69 4.1.3. T,R,A as Function of Wavelength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.1.4. Dielectric Thickness Variations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 4.1.5. Silicon Surface Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.1.6. Dependence on Silicon Thickness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.2. Transmission and Reflection Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.2.1. Experimental Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.2.2. Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 5. Laser Light Detection 93 5.1. Laser Signal Readout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 5.1.1. The Operating System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 5.1.2. Temperature Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 5.2. Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.2.1. Experimental Setup and Data Taking . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.2.2. Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.3. Refraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 5.3.1. Experimental Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 5.3.2. Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 5.4. First Sector TEC Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 5.4.1. Laser Beam Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 5.4.2. Survey Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 5.4.3. Comparison with the Laser Alignment System . . . . . . . . . . . . 135 6. Conclusions 139 6.1. Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 6.2. Future Plans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 A. Tracker Pictures 141 A.1. Endcap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 A.2. Inner Barrel/Disc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 A.3. Outer Barrel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 B. Momentum Resolution 145 C. Laser Diode Power Estimation Studies 147 ii Contents D. Light Distribution 149 E. Fibres and Connectors 151 F. Simulation 153 G. Beamsplitter Pictures and Data 155 G.1. Design Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 G.2. Beam Direction Adjustment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 G.3. BS TEC Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 G.4. BS Coating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 G.5. BS Mount Interface in the Cooling Device . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 H. Transmission, Reflection, and Absorption Calculation 163 H.1. Boundary Conditions and Wave Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 H.2. Fresnel Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 H.3. Matrix Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 I. TEC First Sector 169 I.1. TEC Picture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 I.2. Survey Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 J. TEC Laser Data 171 J.1. Laser Beams of the First Sector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 J.2. Determination of the z-Coordinate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 J.3. Laser Alignment and Survey Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 Bibliography 177 iii Contents iv