Testing two design pixel detector readout components for the phase i upgrade of the cms experiment

Abstract

During Phase I (2018) of the Large Hadron Collider (LHC) upgrade, the Compact Muon Solenoid (CMS) pixel detector will need to handle a much higher data volume due to the doubling of the luminosity as well as the planned increase in the number of pixel modules. To meet this challenge, the readout scheme will be changed to digital readout and the readout frequency will be increased. The design of the new readout system includes the use of a voltage control oscillator (VCO) and data serializers. A possible VCO design was developed by the Paul Scherrer Institute. This thesis documents the computerized simulation of this design which predicted that it would perform adequately. Then, three prototype samples were built and tested experimentally. To determine radiation hardness, they were irradiated with 60Co in 10 doses of 50 KGy, each. The measurements showed that this circuit will keep working under high doses of irradiation. The serializer has also been designed and studied via simulation determining its timing parameters. The circuit design performs as expected.

Durante la fase I (2018) de actualización del Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés), el detector de píxeles del Solenoide Compacto de Muones (CMS, por sus siglas en inglés) necesitará manejar un mayor volumen de datos debido a la duplicación en el valor de luminosidad y al incremento en el número de módulos de píxeles. Para superar este reto, el sistema actual de lectura será cambiado a uno completamente digital y la frecuencia de lectura será incrementada. El diseño del nuevo sistema de lectura incluye el uso de un oscilador controlado por voltaje (VCO) y serializadores de datos. Un posible diseño para el VCO fue desarrollado por el Instituto Paul Scherrer. Esta tesis documenta la simulación computadorizada de este diseño con la predicción de que tendría un rendimiento adecuado. Tres muestras de prototipo fueron construidas y probadas experimentalmente. Para determinar el daño que les causará la alta radiación a la cual estarán expuestas, fueron irradiadas con 10 dosis de 60CO, cada dosis de 50 KGy. Las mediciones mostraron que este circuito seguir ́a trabajando a altas dosis de radiación. El serializador también ha sido diseñado y estudiado a través de simulaciones determinando así los parámetros de tiempo. El circuito funciona como se espera.