alineamiento del espectrÓmetro de muones de cms. resultados de las pruebas del iman de cms

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ALINEAMIENTO DEL ALINEAMIENTO DEL ESPECTRÓMETRO DE ESPECTRÓMETRO DE

MUONES DE CMS. MUONES DE CMS. RESULTADOS DE LAS RESULTADOS DE LAS

PRUEBAS DEL IMAN DE CMSPRUEBAS DEL IMAN DE CMS XXXI Reunión Bienal de Física

10-14 Septiembre 2007, Granada

Mar Sobrón Sañudo

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Índice

Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007

El Detector CMS El Sistema de Alineamiento Óptico El Magnet Test & Cosmic Challenge de CMS. Estudios del Alineamiento en el MTCC

Validación del sistema óptico y resultados Validación y alineamiento con cósmicos

Conclusiones

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El Detector CMS


100 m

75-100 m

20 m

SILICON TRACKER

ELECTROMAGNETICCALORIMETER

HADRONICCALORIMETER

RETURN YOKE

MUON BARREL

MUON ENDCAPS

4T MAGNETWeight: 12.500 tDiameter: 15.0 mLength: 21.6 mB Field: 4 T

Criterios de diseño Excelente identificación de

leptones (electrones y muones) Un preciso sistema de tracking

en Si bajo un campo magnético de 4T para la medida del momento de las trazas

Detectores capaces de operar con niveles altos de radiación (hasta 1MGy en 10 años)

Uso de tecnologías de respuesta rápida (intervalo de cruce de haces de 25 ns)

Muy buena hermeticidad

Precisiones Espaciales Requeridas

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El Sistema de Alineamiento de CMS


Propósito: Alineamiento interno del tracker y monitoreo de la posición relativa de las cámaras de muones (barrel y

endcap) con respecto al tracker.

Requerimientos físicos:Error global de alineamiento ~100-200 m

Restricciones en el diseño: Hermeticidad (el sistema debe adaptarse a la geometría del detector y a las restricciones de espacio) Rango dinámico (varios cm) Resistencia a la radiación Inmunidad de los componentes a B y B

Ali. Interno Barrel

Ali.

Inte

rno

EndC

ap

Ali. Interno Tracker

Link

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Puntos de Referencia

Plano Activo (6)

Plano Pasivo (6)

MAB (36)

Línea Óptica Cámara Muones(8 lineas)

Sistema de Alineamiento Barrel


La posición relativa de las cámaras es calculada por triangulación.

Video-cámaras situadas en estructuras rígidas externas (MABs) observan los puntos de referencia de las cámaras de muones (instrumentados con LEDs)

Provee información de la orientación y posición relativa de las cámaras del Barrel

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Sistema de Alineamiento EndCap


Orientación y Posición relativa de las cámaras del EndCap y alineamiento relativo de los diferentes discos.

Líneas láser: interceptadas por cámaras CCD (DCOPs). Seis Transfer Lines miden la posición relativa entre las estaciones de CSCs. Tres straight lines (SLM) Para el alineamiento interno de las cámaras en cada estación.

Sensores de proximidad: complementan la medida de los laseres. Distancias radiales entre inner rings y outer rings y entre outer rings y transfer lines. Medida de distancias azimutales en la primera estación.

Transfer Line

USC55

Terminal Server

RS-232/RS-422

DCOPS Readout

USC55

RS-232/RS-422

DCOPS R

USC55

Terminal Server

RS-232/RS-422

DCOPS Readout

USC55

RS-232/RS-422

DCOPS R

Straight Line

DCOPs

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Beam Laser

Distance tube

Distance tube

Laser Source

ME/1/1

YN1 ZoneME1/1 Transfer

=3 Zone

ME1/2 Zone

Zona ME1/1

MAB

MAB Zone

ME/1/3

Link Disk

Laser source

ME/1/2

Tracker Zone

Alignment Ring

Sistema de Alineamiento Link


Relaciona los subsistemas barrel y endcap con respecto al tracker generando una referencia interna común a todos los sistemas de trazas y se encarga

del alineamiento de las cámaras de la primera estación del endcap.

Link

Líneas Láser: Líneas laseres interceptadas por sensores semitransparentes (ASPDs)

Sensores de proximidad y de inclinación: Complementan y añaden redundancia.

Estructuras rígidas: Alignment Ring (AR) & Link Disk (LD) son usadas como referencia Del AR (tracker) al LD (YE+1):

Conexión Tracker-Endcap Del LD a los MABs: Conexión

Endcap-Barrel

Seis planos activos

Laser Source

8

75º

Barrel

Link

Axial Transfer line

255º315º

Instrumentación del sistema de Alineamiento en el MTCC


Link: Tres líneas láser (75, 255 y 315o) Endcap: Parte positiva prácticamente

completa. Barrel: Sectores 10 y 11

implementados en todas las ruedas (255 – 315o)

Numero de componentes usados en el test ( ~ ¼ del sistema total): - 275 Sensores analógicos (sensores de distancia e inclinómetros)- 125 Foto-sensores (DCOPS + ASPDs) y 100 video cámaras.- 500 + 34 Fuentes de luz (LEDs + laseres semiconductores) - Sondas de Temperatura, humedad y campo magnético

Calibración previa de todos los componentes (estructuras de FC y sensores) en bancos de calibración específicos con precisiones ~m (rad)

Survey y Fotogrametría de los componentes durante la instalación (precisiones ~ 50-300 m)

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CMS-MTCC


LD y AR

SLM en YE+2

TP

ASPDs

MABs en YB0

Link Line en YE+1

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Objetivos del MTCC


Tuvo lugar durante el verano (Fase I) y otoño (Fase II) del 2006

Objetivos del Magnet Test: Comisioning del imán por primera vez a 4T (19.14 KA) y mapa del campo:

Barrel: 0.62T-1.97T con un campo central de 4.0124 T EndCap: 1.66T-2.62T. La precisión de la medida se espera del poco por ciento. Dentro del solenoide se ha medido la densidad de flujo magnético, con un campo central

de 4T, con una precisión de 0.7 por mil. Establecer y entender el procedimiento y tolerancias en el cerrado del detector Validación del sistema de Alineamiento de Muones.

Objetivos del Cosmic Challenge: Operación por primera vez de toda la cadena de sub-detectores

(2 sectores) Comportamiento de los sub-detectores ante campo magnético y la sincronización

entre ellos. Desarrollo y test de algoritmos para el alineamiento con trazas (cósmicos)

Fase II sin Tracker: Mapa del Campo Magnético

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Objetivos de Alineamiento en el MTCC


Validación del sistema de alineamiento de muones durante el MTCC: Validación del sistema de alineamiento de muones durante el MTCC:

Funcionalidad del sistema: Hardware & Electrónica de readout, DAQ, y software de reconstrucción.

Primeras pruebas de las tolerancias en el ensamblado y cierre del detector y efectos de campo frente a los rangos dinámicos del sistema.

Deformaciones del hierro de retorno. Geometría inicial de los detectores a B=0T y B=4T

Test de los algoritmos de alineamiento con trazas de cósmicos Cross-check y compatibilidad de las diferentes medidas:

survey/Fotogrametría inicial (B=0T), medidas ópticas, información de cósmicos

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Primer Cierre de CMS (julio 2006)


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Resultados del MTCC


Movimiento de las estructuras debido a las fuerzas magnéticas: Comprensión (en Z) de los discos hacia el IP, dos tipos de movimientos con campo: elásticos y “permanentes”

Movimientos “permanentes”: No recuperación de la posición inicial de las estructuras a 0T tras los primeros ciclos de energización del imán. “Cerrado final” del detector. Movimientos elásticos: Desplazamientos entre campo magnético on/off. Recuperación de la posición.

Estabilidad (en r ) de los detectores durante operación Repetitividad de los efectos de campo, observados entre las dos fases del test .

Primera geometría de CMS con campo magnético:

COCOA: reconstrucción geométrica a partir de la información óptica del sistema de alineamiento. Algoritmos de Alineamiento con trazas (cósmicos)

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Desplazamientos y deformaciones del Barrel:


Compresión de las cámaras del Barrel hacia el IP.Permanente: No recuperación a 0T. Deformación elástica: Con B.

Field off

Field on

2.7mm

time

2.4 mm

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Desplazamientos y deformaciones del EndCap:


ME+1 Station (Z1 sensors)

y = 0.0307x2 + 0.0309x - 0.0007

y = 0.2806x2 + 0.1414x - 0.0081

y = 0.2646x2 - 0.1985x + 0.0057

0

1

2

3

4

5

6

7

0 1 2 3 4 5Magnetic field, Tesla

Dis

plac

emen

t, m

m,

Point 2

Point 5

Point 6

Poly.(Point 2)Poly.(Point 5)Poly.(Point 6)

La mecánica de sujeción (los Z-stop) hace al EndCap curvarse en forma de cono

Bar

rel

El fuerte campo magnético cerca del extremo del solenoide atrae la parte central del endcap hacia el.

Outer ring se mueven aprox. 6 mm( top/bottom asimetría)

Nariz de YE+1 se mueve 16mm Dependencia cuadrática del movimiento con el campo

16mm

Permanente

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60m

Estabilidades en r:


Efectos de Temperatura: Los movimientos de las cámaras

correlacionan con la diferencia de temperatura día/noche

Efecto de campo: Pequeños movimientos por debajo de 60

m. Estructura del movimiento correlacionada

con B.

Noche

20m

1.5o

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Repetitividad de las medidas entre Fases y Tolerancias en el Cerrado


Comportamiento similar con el campo en ambas fases Entre Fases el detector se abrió y cerro de nuevo. Posicionamientos ~ mm

r

r

B=0T

B=3.8Tr

Phase I

PhaseII

r ~ 2.6 mm

r ~ 2.7 mmEntre 0T y 3.8T

Diferentes pasos entre Fase I y IIDiferentes pasos entre Fase I y II

r ~3mm

B=0T

B=3.8T

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Reconstrucción de la Geometría: COCOA (CMS Object-oriented Code for Optical Alignment)

Es un sofware de reconstrucción a través de aproximaciones geométricas basado en un ajuste no lineal por mínimos cuadrados.

Permite la reconstrucción de la posición y la orientación angular de los objetos del Sistema óptico así como la determinación de los parámetros ópticos internos y la propagación de errores.

numero de grados de libertad de todo el sistema 30000 parámetros Input:

Geometría completa (para MTCC) del sistema link en su geometría inicial: Geometría nominal + Survey. Calibraciones de los sensores y las estructuras + Medidas 2D y 3D . Medidas ópticas y Medidas de los sensores analógicos

Output: Cocoa nos da las coordenadas (6 grados de libertad) de todas las estructuras y los

componentes a campo 0T y a diferentes campos magnéticos hasta un campo de 4T. Estas coordenadas se pueden introducir directamente en la DB para la reconstrucción offline de muones

Por primera vez: se ha implementado una descripción realista del sistema link de alineamiento y se ha obtenido una reconstrucción completa del sistema a diferentes valores de campo. se ha establecido y validado una estrategia de ajuste (grados de libertad / medidas) una primera estimación de la precisión del sistema (en base al estudio de los residuos del ajuste) es del orden de 200-300 m.

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Alineamiento con Trazas:Alineamiento Interno de Cámaras


DT Cámaras: alineamiento Interno de layersPropósito: Geometría interna de las cámaras DT. Cada Cámara tiene tres Superlayers (dos miden y

uno )

El algoritmo de alineamiento (Método Blobel) usa información de cósmicos junto con medidas de survey y medidas de calidad de fabricación, como información adicional.

Alineamiento de 8 -layers Se han encontrado desviaciones de 80 m en

desplazamientos y 20 rad en ángulos Gran acuerdo entre medidas (survey,

información de fabricación)

Before Alignment

After Alignment

Residual distribution (measured – fitted)

Residuos del ajuste de las trazas

Desplazamientos en r

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Residuos del ajuste por trazas de las 4 camaras.

Desplazamientos r-

Alineamiento con Trazas:Geometría del Detector (Barrel) de Muones


Partiendo de la geometría “ideal” del detector, medidas de survey y fotogrametría de las cámaras DT permiten definir una primera geometría “real” de detector. (Estas medidas tienen en cuentan principalmente efectos de gravedad de las estructuras de hasta 6 mm).

Con los datos de cósmicos, se aplican los algoritmos de Alineamiento con Trazas (Metodo Blobel) a los diferentes sectores y estructuras hasta obtener la geometría completa del espectrómetro (del barrel).

Desplazamientos r- Cada sector separadamente. La geometría del MTCC muestra desplazamientos

del orden de 1 mm Después de las correcciones de survey los

desplazamientos llegan al nivel de 250 m. Finalmente el alineamiento con trazas los reduce a

100 m.

Targets de Fotogrametría en Las cámaras de Muones

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Conclusiones:


Se ha completado el desarrollo del sistema óptico de alineamiento: hardware, electrónica, DAQ, reconstrucción e implementado por primera vez en el detector

Se ha validado el sistema de alineamiento, por primera vez con campo magnético (validación dinámica)

Se han desarrollado y validado algoritmos de alineamiento con trazas utilizando datos de cósmicos (commissioning de las cámaras y geometría del MTCC)

Se pudieron medir los efectos de campo magnético en la geometría del detector.

Se ha podido establecer una geometría para las condiciones de operación de CMS. (a distintos valores de campo, donde se observa el comportamiento esperado)

Los datos presentan una buena consistencia entre las diferentes medidas (distintos subsistemas de alineamiento, fases, valores de campo, datos de cósmicos)

En general se ha encontrado un buen acuerdo entre las medidas realizadas y lo esperado por las simulaciones de elementos finitos (FEA)

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Backup

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CMS Muon system layout


MB3MB2MB1

MB4

ME1 ME2 ME3 ME4

Barrel: 0 < | | < 1.25 wheels / 4 stations instrumented with DTs and RPCs

Endcap: 0.9 < | | < 2.43 disc/4 stations instrumented with CSCs and RPCs

Task:- Muon identification- Muon momentum and charge measurement - Muon trigger (fast response RPCs with more precise position resolution DTs and CSCs).

Spatial precision of 100 m

Up to = 2.4

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Geometría del sistema de Muones


Estructura soporte Barrel (~12 m 15 m)

Estructura Soporte EndCap

Endcap Disc

Alineamiento Preciso!

Estructuras mecánicas grandes, no son suficientemente rígidas para los requerimientos.Deformaciones máximas esperadas (confirmadas por survey y MTCC)

~1-3 cm B on/off 5-15 mm gravedad < 500 μm operación (Temp. y humedad)

misalignment máximo permitido (no degradación de la medida de momento)

R 200 m Para Barrel y EndCap ~ mm en Z

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Reconstrucción de la Geometría: COCOA


Estrategia en la reconstrucción: Ajuste a 0T: Ajuste de las diferentes estructuras a 0T utilizando las medidas dadas por fotogrametría y las medidas del sistema link (sensores analógicos y ópticos) Ajuste a diferentes valores de Campo Magnético: Partiendo de la geometría reconstruida a campo 0T y las medidas del sistema, se reconstruye la geometría a diferentes valores de campo.

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Alineamiento con Trazas (I)Los Residuos son la diferencia entre la posición medida (real) y la extrapolada o esperada (nominal, survey, alineamiento)

La traza de un muon ( r) se puede definir como:r=f (parámetros de trazas, parámetros de alineamiento)

r (s) = r (s, pp, deltadelta) s es la distancia recorrida (el tiempo), p son los parámetros de trazas y delta los parámetros de desalineamiento

Puesto que se esperan pequeños desalineamientos la expresión se puede desarrollar en serie

Construimos el 2 para una proyección como:

2 = i j[ (Rxij (pp, deltadelta)-Jxj (p0p0)*Δppj -Jxj(deltadeltai)*deltadeltai)2/ ij2]

Donde i es la suma a las cámaras y j la suma a las trazas.

Este 2 contiene las variables siguientes:• deltai: (numero de grados de libertad que queremos medir) x (numero de cámaras diferentes)• Δppj: (numero de parámetros de una traza) x (numero de trazas)

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Alineamiento con Trazas (II)Para encontrar el minimo del 2 hay que resolver el sistema: MM*BB=ssSiendo M una matriz nxn donde n es el numero de variables del 2 B es un vector de los deltadeltai y Δppj y s es un vector de estas dimensiones y es una combinación de residuos.

MM*BB=ssB=( deltadelta, Δp) p) Ponemos primero las variables de Ali. y luego las de trazas. s= (bb, )M se puede dividir en cuatro matrices, una con los elementos del desalineamiento y otra con los de las trazas.Queda al final un sistema por partes que se reduce a invertir N (numero de trazas) matrices 5x5 y una matriz (n_Ali.)x(n_Ali). Esta ultima no es invertible, pero introduciendo datos de survey en el chi2 se puede hacer invertible y el sistema se puede resolver.

j i

ijj

k

SLk

iQCi

SL

k

ki

QCi

jsurveyj

SLj

SLj

Surveyj

21

23120

2 4

Original chi2

Survey:j is running over degrees of freedom.SLj means the mean value of that degree of freedom of the layers in superlayer j

QC measurements:

k runs over layers.

i runs over superlayers (1 and 2)

Lagrange constrains to fix floating degrees of freedom in the mean value of the layers

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Before Alignment

After Alignment

Residual distribution (measured – fitted)

alineamiento del espectrÓmetro de muones de cms. resultados de las pruebas del iman de cms

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