Magnetic Field Test at KEK

写真: Photo

目的

 Ni/In バンプボンディングの磁場耐性の確認

クオリティーの安定性に少し不安のあるSnAg bump-bondingの代わりとして、Ni/In bump-bondingを開発中。

Ni/Inはクオリティーが安定していて温度サイクルにも強いが、Niが強磁性体であることを考えると、ATLASの磁場中にインストールした際にバンプが剥がれることが考えらえる。

そこで、バンプの磁場耐性試験を行う。

 Pixel 検出器の磁場中での性能評価

磁場中で安定して動作するかを検出効率やローレンツ角の測定を行い評価する。

 Muon 崩壊の観測

準備 ( log)

  マグネットについて

使用申請と低温セミナー

   MRIマグネット

シンチレータとMPPCを用いたトリガーシステム

磁場中での使用を考慮し、光電子増倍管を使わないMPPC+Scintillatorのトリガーシステムを作成(by 原先生)

トリガーシステムの大きさ、回路については MPPCtrigger.pptxを参照

回路部変更点

トリガー信号の幅が狭くてMulti I/O boardで信号を受け取ってくれなかったため、回路を変更(UA733 3-12→4-11 赤文字部)

この部分を変更することで、信号が大きくなり、Thresholdを設定したときに広い信号を出力できる。

trigger_circuit.png

Threshold設定電圧

Thresholdの設定電圧まとめ。オシロスコープで信号を見ながら、noiseを拾わないぐらいの電圧を設定した。

Scintillatorを上にしたときの左をLeft、右をRightにしている

(MPPCのところを見れる時があったら測定しなおしてアップデートお願いしますm(__)m by kazuyukis)

NR0 NR1 NR2 NR3
Right 0.304V 0.446V now repair 0.406V
Left 0.298V 0.445V now repair 0.403V

Trigger Logic Unit の開発

  • TLU_setup
    TLU_setup.pngTLU_connectivity.png

    20151017-0002_3.png

  • I/O board
    • I/O lines
      • Output : LEMO(LVCMOS33) : Trigger0-3
        • Trigger1 とTrigger3につながるSpartan3の足が故障 -> Pin Out 3,4 を代わりに使用
      • Input : LEMO(LVCMOS33) : Busy0-3
      • Pin Out : GND 4pin + Pin 3-10
        • Pin 3,4 はTrigger outに使用
        • Pin 5-6はFree -> trigger と Busy をout して Osiloscope のprobeで信号を確認
        • Pin 7-10 はVirtex 7 とのinterface に使用
  • Spartan 3
    • Schematic document : FPGA_SEMINAR_090921.pdf
    • Software ISE 14.7
    • I/O lines
      • Input : LEMO(NIM) : NIMin0-3
      • Input/Output : 20pin connector (LVCMOS33)
    • Cosmic test : 上下の二組のMPPCのORのコインシデンス。USBpix のBusy はORでVeto。
      • Trigger = (MPPC0 | MPPC2) & (MPPC1 | MPPC1) & ~(Busy0 | Busy1 | Busy2 | Busy3)
    • Spartan3のverilogコード→ TLU_Cosmic.v Pin assign : TLU_Cosmic.ucf
    • Firmware binary file : TLU_Cosmic.bit
  • Virtex 7
    • Not in use

磁場耐性試験用の架台とスキャナーステージの開発

スキャナステージの操作用ソフトとして、GUIのものとバックアップ用としてTera Term(フリーフェア)を用意。

後者のソフトの場合、ある文字列(コマンド)を送信すると、コントロラーがそれを認知しドライバがモータに信号を送る。

コントローラの仕様の詳細は    コマンド例   EMP-400

ステージの基本

  • 台形ねじのリード   1.25mm  (1回転で進む距離)
  • モータのステップ角  0.72°  (1パルスで回転する角度)
  • モーター駆動     ハーフステップ 0.36°

ステージの使い方(GUI編)

自動制御
  1. デスクトップの「自動制御.exe」のショートカットを選択しアプリケーションを開く
  2. COMポートを選択 (右側のUSBポートならCOM4、左側ならCOM5)
  3. 原点だしを実行
  4. 各種パラメータを設定
  5. RUNで実行
手動制御
  1. 繰り返し回数の代わりに移動量を指定する。これ以外はすべて同じ。

トラブルと対策
  • リミットセンサに触れた
    →原点だしを実行してください
    →原点(モータ側)から遠い場合は以下のとおり

    1、原点だしを実行
    2、センサから離脱したらコンセントを抜く
    3、手動制御プログラムを実行
    4、原点だしを行わず、「回転方向逆」、「速度5mm/sec以上」、「初速、加速度 1mm/sec (mm/sec^2)」、「移動量 150mm」でRUN
    5、原点センサに触れるまで、繰り返す
    6、原点だしを実行

  • 変な音が出る     コンセントを抜いてください
注意事項
  • 必ず原点出しを先に行う
  • 必ず「初速度<速度」とする
  • 何か異常があったらコンセントを抜く
  • プログラムを走らせ終わったら、プログラムの再起動とコントローラのリセット(コンセントを抜いて挿す)を行う方が良い

本実験

Stress Test

Ni/In バンプのReal 4-chip-cards

2015/10/9に届いた4chip module×4のbefore-parylene & beforeTCのtuning & source scan結果→ KEK101-104.pptx

どのモジュールもバンプオープンはなかった。

before-parylene & afterTCのtuning & source scan結果→ KEK101-104_1.pptx

KEK101にバンプオープン有り。

before-parylene & afterTC & afterMTのtuning & source scan結果→ KEK101-104_afterMT.pptx

KEK101:RJ2にもバンプオープン、RJ3のバンプオープンがひどくなる、RJ4 no response.

Run Summary

run number Purpose Magnetic strength start time end time coment
run1 magnetic stress 1.6T 2015/10/15 18:30   number of loop : infinity, speed : 25mm/sec

cosmicセットアップ

magnet.png

検出器のセットアップは上から順番に

MPPC0 / MPPC 2 / KEK102 / KEK103 / KEK104 / MPPC1 / MPPC3

Latency Scan

データ取得用のセットアップ→SCC(KEK80)を使って、MPPC triggerの動作確認→順調に動いてそう(富士B2でのセットアップ復元)

磁場耐性試験については順調に動作中(月曜日の朝までこのままの予定)

latency checkを行った、defaultではlatencyが大きすぎたため。(Spartanでの処理の時間のためだと思われる)

SOURCE SCAN/Basic Par`s/latencyの所の値を変更→小さくすると後ろにいく

latency単位:クロック数(1クロック=25nsec)

run latency LV1 peak comment source scan number
default 210 10    
1 60 no peak    
2 160 no peak    
3 206 14   source scan5
4 218 2,10 peak2<peak10 source scan6
5 214 0,6,14 peak0<peak6<peak14 source scan7
6 226 2,12 peak2>peak12 source scan8
7 236 3,15 peak3<peak14 source scan9
8 218 no peak after digital mask, empty source scan10
9 210 4 only peak source scan11
10 210 5 long run over night (~11000 trigger) source scan12
run latency LV1 peak comment source scan number
11 210 5 restarted to check run10 data =start : 17th Oct 11:50 end 12:10 (300trigger) source scan13
12 210 5

To understand low ToT value, changed bias voltage to 300V =start: 12:14 end 12:23 (129trigger)

... no drastic improvement of ToT.. peak at 0 and tail to 6 ToT

source scan14
13 210   keep taking data with 300V = start:12:25 end source scan 15

Pre-analysis

KEK102,KEk103を重ねて、trigger信号として upper trigger system & lower trigger system & ~(module busy or)でデータ取得を行った。

4chip moduleでの解析方法とext.triggerがちゃんと動作しているかの確認を行った。

解析について

  • triggerIDがずれているのは見られなかった。
  • しかし、moduleのrowファイルを見たところ、trigger数が違っていた
  • rawファイルの中に「CHANNEL」があるが、どのCHANNELがどのchipに対応しているかはっきり分からなかった→Source Scanを行った時のrawファイルがあれば、どれがどれに対応しているか確認可能
  • hitmap、ToTmap、lv1mapは作成可能→詳しくは Pre-analysis.pptx
  • correlationが見えるかと思っていたが、cosmic muonはいろいろな方向から飛来しているからcorrelationは見られないのではないか???
  • clusteringをするとき、今は重心系をとった→qmean algorithmを考えた方がいいか?

Cosmic Test

Magnetic field : B=0 T

run number Module1 HV Module2 HV Module3 HV start time end time # of triggers Rate[Hz] filename/source scan # comment
1 KEK102 200V KEK103 200V KEK104 200V 2015 10/19 19:58 2015 10/19 21:30 212? 0.04

KEK102_KEK103_KEK104_th2400_7ToTat10ke_run00_B0

SOURCE_SCAN

KEK102 RJ3 is empty
2 KEK102 200V KEK103 200V KEK104 200V 2015 10/19 21:37 2015 10/20 0:17 407 0.04

KEK102_KEK103_KEK104_th2400_7ToTat10ke_run00_B0

SOURCE_SCAN_1

All chips work!
3 KEK102 200V KEK103 200V KEK104 200V 2015 10/20 0:19 2015 10/20 9:29 1334 0.04

KEK102_KEK103_KEK104_th2400_7ToTat10ke_run00_B0

SOURCE_SCAN_2

All chips work!

Magnetic field : B=0.5 T

run number Module1 HV Module2 HV Module3 HV start time end time # of triggers Rate[Hz] filename/source scan # comment
4 KEK102 200V KEK103 200V KEK104 200V 2015 10/20 10:00 2015 10/20 16:36 1040 0.04

KEK102_KEK103_KEK104_th2400_7ToTat10ke_connectivity00_B05

SOURCE_SCAN_2

 
5 KEK102 200V KEK103 200V KEK104 200V 2015 10/20 17:19 2015 10/21 9:30 2914 0.05

KEK102_KEK103_KEK104_th2400_7ToTat10ke_connectivity00_B05

SOURCE_SCAN

~4.9kG

Magnetic field : B=1 T

run number Module1 HV Module2 HV Module3 HV start time end time # of triggers Rate[Hz] filename/source scan # comment
6 KEK102 200V KEK103 200V KEK104 200V 2015 10/21 10:07 2015 10/22 9:27 4315 0.05

KEK102_KEK103_KEK104_th2400_7ToTat10ke_run00_B10

SOURCE_SCAN

(7.90,5.93,0.00)~9.88kG

Magnetic field : B=1.6 T

run number Module1 HV Module2 HV Module3 HV start time end time # of triggers Rate[Hz] filename/source scan # comment
7 KEK102 200V KEK103 200V KEK104 200V 2015 10/22 10:40 2015 10/23 16:6 4815 0.036

KEK102_KEK103_KEK104_th2400_7ToTat10ke_run00_B10

SOURCE_SCAN

(12.29,9.26,0.00)~15.38kG
-- Koji Nakamura - 2015-10-10
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