Commissioning and integration of the ALICE Silicon Pixel Detector

Zsfassung in dt. SpracheDie letzte Phase der Konstruktion des "Large Hadron Colliders" (LHC) an der europäischen Organisation für Teilchenphysik (CERN) hat begonnen. Dieser Beschleuniger wird die Studie von subnuklearen Phänomenen mit einer noch nie dagewesenen Präzision ermöglichen. ALICE ("A Large Ion Collider Experiment") ist eines der vier Experimente am LHC und ist für Studien von Kollisionen schwerer Ionen konzipiert. Das Ziel dabei ist, stark wechselwirkende Materie bei extremer Energiedichte zu beobachten und die Physik des Quarkgluonplasmas und QCD-Phasenübergänge zu untersuchen.ä Der Siliziumpixeldetektor (SPD) bildet die beiden inneren Lagen des ALICE Experiment und kann auf Grund seiner hohen Granularität genaue Informationen über Teilchenspuren in einer Umgebung mit hoher Multiplizität, wie sie im LHC bei Schwerionenkollisionen vorkommt, liefern. Der SPD besteht aus 60 Modulen (Staves), die auf zwei Zylindern mit den Radien 3.9 cm und 7.6 cm um das Strahlrohr positioniert sind. Die innere und äußere Lage decken einen Bereich der Pseudorapidität von Eta =1.9 und 1.4 ab. Der SPD liefert ALICE präzise Informationen über Teilchenspuren, die fundamental für die Vermessung von sekundären Vertices sind. Um eine gute Spurauflösung im niedrigen Impulsspektrum zu erhalten, ist ein maximales Materialbudget von ca. 1 %X0 erlaubt, damit der Einfluss auf die durchlaufenden Teilchen möglichst gering ist. Diese Vorgaben wurden im Produktionsprozess berücksichtigt, sodass Sensor und Auslesechip zusammen eine Dicke von nur 350 Mikrometer haben. Der Fokus dieser Arbeit lag unter anderem auf der Entwicklung des ALICE Siliziumpixeldetektords sowie den Integrationstests, welche vor der Installation im Experiment durchgeführt wurden. Die Ergebnisse der "Leitertest" - eine Leiter besteht aus einem Sensor und fünf Pixelchips - werden im Detail präsentiert. Da bei der Leiter-Produktion "Bump-bond" und "Flip-Chip-Bonding" Techniken verwendet wurden, ist die Qualität der Leitern sehr vom Produktionsprozess abhängig. Um die Produktionsqualität zu überprüfen, wurde eine Reihe von Tests durchgeführt, welche eine visuelle Inspektion, Elektroniktests und Messungen mit einer radioaktiven Quelle beinhalteten. Die Ergebnisse der Tests, die während der Leiter Produktion durchgeführt wurden, werden in dieser Arbeit präsentiert und diskutiert. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit war die Langzeitoperabilität der Detektormodule (Half-Staves) im Experiment. Zu diesem Zweck wurden thermische Alterungs-Tests wurde durchgeführt, um die metallischen Verbindungen, die in einem Half-Stave verwendet werden, zu überprüfen. Diese Verbindungen bestehen aus Aluminium-vias (Durchkontaktierungen) und Pb-Sn Lötverbindungen. Fehler bei diesen Verbindungen reslultieren in eine Störung oder sogar kompletten Ausfall des Half-Staves. Deren Zuverlässigkeit ist daher entscheidend für die Funktionalität des Detektors. Dabei wurden ein Dekektormodul, ein Testmodul (Assembly) und ein Pixelchip in einem speziellen Ofen anhand eines vorgegebenen Schema 200-mal auf 45 Grad Celsius erhitzt, beziehungsweise auf 15 Grad Celsius abgekühlt. Diese 200 Heizzyklen wurden in vier Einheiten zu je 50 Zyklen unterteilt. Nach jeder Einheit wurden die drei Testeinheiten auf ihre Funktionalität getestet. Die umfassende Funktionstests des ALICE Siliziumpixeldetektors wurden nach dem Zusammenfügen der Sektoren in einem Reinraum am CERN durchgeführt. Dabei wurden die Netzgeräte, Kabel, Ausleseelektronik und Kühlsystem, wie sie im Experiment vorgesehen sind, verwendet. Alle 10 Sektoren des Detektors wurden einzeln überprüft, d.h. jedes Modul wurde einem definierten Funktionstest unterzogen. Dabei wurden Betriebsparameter jedes Moduls, also der Mindestschwellwert, die Vorspannung und die Anzahl an funktionierenden Pixel, bestimmt. Die Ergebnisse der Sektortests werden in dieser Arbeit prösentiert und mit jenen Werten, die nach der Fertigstellung des Dektektors gemessen wurden, verglichen.The construction of the Large Hadron Collider (LHC) at the European Organization for Particle Physics (CERN) is now in its final stage. It will allow the study of physics in sub-nuclear ranges with an accuracy never achieved in high energy physics before. The ALICE (A Large Ion Collider Experiment) experiment is optimized to study heavy-ion collisions to investigate the behavior of strongly interacting matter at extreme conditions of compression and temperature. The Silicon Pixel Detector (SPD) constitutes the two inner most layers of the Inner Tracking System (ITS) of ALICE. Due to its high granularity the SPD can provide ALICE with precise tracking information in such a high multiplicity environment as predicted for Pb-Pb collisions (charged particle multiplicities of up to 8,000 per unit of rapidity), which is a fundamental element for adequate secondary vertexing in charm and beauty detection. The SPD barrel consists of 60 staves distributed in two layers at radii 3.9 cm and 7.6 cm around the beam pipe. The inner and outer layer cover the pseudorapidity range of eta =1.9 and 1.4, respectively. To get good track resolution in the low momentum spectrum a maximum material budget of approx. 1 %X0 is allowed per pixel layer in order to have as small influence on the traversing particle as possible. In the design and the production process, the requirements are conformed, so that sensor and readout chip together will have a total thickness of only 350 micrometer. This work focuses on the development of the ALICE silicon pixel detector and the integration tests carried out before installation. In particular the ladder tests prior to assembling to a half-stave are presented. Since the bump bond and flip chip bonding processes used in the ladder production include several metal depositions and patterning steps the overall quality of the ladder is strongly dependent on the production process. In order to verify the production quality a series of tests was performed on each ladder, including visual inspection, electrical tests and measurements with a source. The results obtained during the ladder production tests are presented and discussed. Special emphasis was laid on the effects of long term operation of the half-staves in the experiment. A thermal cycling study was carried out to verify the reliability of the metallic interconnections used in each half-stave. These connections include ultrasonic wire bonds, Al-vias and Pb-Sn solder bump bonds. Failure of these connections will result in malfunctioning or even complete loss of one half-stave and their reliability is therefore crucial for the operation. On one half-stave and for comparison on one readout chip and one single assembly a test of 200 cycles in total was carried out. All three components are cycled in a heating chamber between 15 degree Celsius and 45 degree Celsius. The test was divided into four steps of 50 cycles. After each step a complete functionality test of the components was performed. Extensive integration tests of the ALICE SPD were conducted in a cleanroom at CERN using the final power supply installation, cables, readout chain and cooling system as foreseen in the experiment. The functionality of each of the 10 sectors was tested separately. All half-staves were tested following a well defined procedure. The operation parameters of every half-stave in terms of minimum threshold, bias voltage and working pixels were measured. The results of the sector tests are presented and compared to the results after integration to the two half-barrels of the SPD.10

A method for unwrapping highly wrapped multi-echo phase images at very high field: UMPIRE

Purpose To develop a method of unwrapping phase images from multi-echo scans that works even where there are several wraps between echoes, and which generates unwrapped phase images in addition to phase difference (PD) images. Theory The difference between the echo spacings in an acquisition with three unevenly spaced echoes (an imposed delay) can be selected such that the phase evolution in that time is in the range -π to +π in all voxels of interest. Under this condition, an image of the difference between the phase evolutions in the two inter-echo periods, an estimate of ΔB, is free of wraps. This ΔB estimate can be used to identify and remove receiver phase offsets and wraps in phase images. Methods The approach was tested on simulated data and high-resolution in vivo brain data acquired from six subjects at 7 Tesla. Results The method generated wrap-free phase images. It was able to remove more wraps than is possible with PD imaging and was faster and more reliable than spatial unwrapping. Conclusion Unwrapping Multi-echo Phase Images with iRregular Echo spacings (UMPIRE) is conceptually simple, fast, reliable, and requires no fitting, thresholds, or operator intervention