Bachelorarbeit - Server der Fachgruppe Physik der RWTH Aachen

Systemtestmessungen zur
Spannungsversorgung für das
Phase-1-Upgrade des CMS-Pixeldetektors
Christian Fimmers
Bachelorarbeit in Physik
vorgelegt der
Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften der
Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen
im Oktober 2013
angefertigt am
I. Physikalischen Institut B
bei
Prof. Dr. Lutz Feld

Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung 1
2. Der CMS-Detektor am LHC 3
2.1. Der Large Hadron Collider (LHC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2. Das Compact Muon Solenoid Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2.1. Der Pixeldetektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3. Das Upgrade des CMS-Pixeldetektors 9
4. Die Spannungsversorgung des neuen Pixeldetektors 11
4.1. DC-DC-Buckkonverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4.2. DC-DC-Konverter für den CMS-Pixeldetektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4.3. Installation der Konverter für den Pixeldetektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
5. Das modizierte PS A4603 15
5.1. Das aktuelle CAEN A4603 Netzgerät . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
5.2. Die bevorstehenden Änderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
5.3. Eigenschaften der Niederspannungskanäle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
5.3.1. Leistung des Netzteils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
5.3.2. Genauigkeit des Netzteils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
5.3.3. Welligkeitsmessungen für die Niederspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
5.3.4. Untersuchung der Slow Control-Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
5.3.5. Schaltdauer des Ein- und Ausschaltvorganges . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
5.4. Eigenschaften der Hochspannungskanäle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
5.5. PSU1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
5.6. Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
6. Systemtestmessungen mit DC-DC-Konvertern und einem Pixelmodul 35
6.1. Das Systemtestsetup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
6.2. Die Messmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
6.3. Referenzmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
6.4. Das modizierte A4603 mit alten V8A Konvertern . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
6.5. Messungen mit zusätzlicher Last an dem Netzteil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
6.6. Messungen mit den neueren V9A-Konvertern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
6.7. Test mit Verwendung des Micro Twisted-pair Cable . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
6.8. HV Board . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
6.9. Variation der digitalen Modulspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
7. Zusammenfassung 47
A. HV-Box 53
B. RWTH-Lastbox 55
i

Inhaltsverzeichnis
C. HV-Board 57
ii

Kapitel 1.
Einleitung
Um die Physik verstehen zu können, reicht die bloÿe Beobachtung der Natur nicht aus. Es müssen
bestimmte Situationen gesucht oder künstlich herbeigeführt werden. Im letzten Jahr wurde die
Entdeckung eines Higgs-Bosons in zwei LHC-Experimenten, CMS und ATLAS, verkündet. Unter
anderem um dieses Teilchen weiter zu untersuchen und seine Eigenschaften zu messen, soll der
LHC künftig bei höheren Schwerpunktsenergien von 14 TeV betrieben werden und die instantane
Luminosität von derzeit 8 · 10 33 cm −2 s −1 auf zunächst 2 · 10 34 cm −2 s −1 bis etwa 2018 und auf
5 · 10 34 cm −2 s −1 nach 2023 steigen.
Der jetzige Pixeldetektor ist für eine instantane Luminosität von 1 · 10 34 cm −2 s −1 ausgelegt
und wäre bei einer instantanen Luminosität von 2 · 10 34 cm −2 s −1 nicht mehr geeignet, Messungen
durchzuführen. In einem technischen Stop im Winter 2016/2017 wird daher ein neuer, in vieler
Hinsicht verbesserter und um eine Detektorlage erweiterter, Pixeldetektor eingebaut werden. Diese
Veränderungen führen unter anderem dazu, dass der Leistungsbedarf im Pixeldetektor steigt. Da
nur die vorhandenen Kabelschächte genutzt werden können, ist es nicht möglich, weitere oder
dickere Kabel einzubauen, um höhere Leitungsverluste auf den 43 m langen Zuleitungskabeln zu
verhindern. Eine Lösung bietet hier die Möglichkeit, eine höhere Spannung und niedrigere Ströme
über die langen Leitungen zu schicken, und diese mittels DC-DC-Konvertern nahe der Pixelmodule
in die benötigten Spannungen zu konvertieren. Die Verlustleistung kann so auch bei dem vorhandenen
Leitungsquerschnitt gering gehalten werden. Um die dafür benötigte höhere Spannung von
10 V ausgeben zu können, müssen die Netzteile umgebaut werden. Die Untersuchung dieser Modikation
sowie Systemtests mit DC-DC-Konvertern und Pixelmodulen sind Inhalt dieser Arbeit.
Zunächst werden der LHC und das CMS-Experiment kurz erklärt (Kapitel 2), bevor das Upgrade
genauer erläutert wird (Kapitel 3). Im vierten Kapitel wird die Spannungsversorgung erklärt.
Das modizierte Netzteil wird im fünften Kapitel charakterisiert. Das sechste Kapitel erklärt, wie
Systemtestmessungen mit Pixelmodulen durchgeführt werden und im siebten Kapitel werden die
verschiedenen Aufbauten der Systemtestmessungen erklärt, sowie deren Ergebnisse präsentiert.
Den Abschluss bildet eine Zusammenfassung mit einer Bewertung der Modikation.
1

Kapitel 2.
Der CMS-Detektor am LHC
2.1. Der Large Hadron Collider (LHC)
Der Large Hadron Collider, kurz LHC, ist ein ringförmiger Teilchenbeschleuniger am CERN bei
Genf in der Schweiz. Protonen oder Schwerionen werden in zwei getrennten Speicherringen von
26, 7 km Länge beschleunigt [1]. Die beiden Ringe sowie vier Experimente benden sich 45 bis
170 m unter der Erdoberäche. Es gibt acht Zugangspunkte (engl. Points), an denen ein Experiment
möglich wäre, vier davon werden genutzt: An Point 1 bendet sich das ATLAS-Experiment
(A Torodial LHC AparatuS), das ebenso wie das CMS-Experiment (Compact Muon Solenoid) an
Point 5 nach neuer Physik sucht und das Higgs-Teilchen untersuchen soll. Point 2 ist Standort
des ALICE-Detektors (A Large Ion Collider Experiment) und an Point 8 bendet sich LHC-b
(LHC-beauty). Die Lage der Experimente im Beschleuniger ist in Abb. 2.1 zu sehen.
Von 1989 bis 2000 wurde in dem gleichen Tunnel das LEP-Experiment, in dem Elektronen und
Positronen zur Kollision gebracht wurden, betrieben. ALICE und LHC-b nutzen die schon damals
vorhandenen Experimenthöhlen, während für ATLAS und CMS neue gebaut wurden. In 2010
wurde der LHC mit einer Schwerpunktsenergie von 7 TeV in Betrieb genommen [3]. Im Jahre 2012
erreichte er Schwerpunktsenergien von 8 TeV für pp-Kollisionen bei einer instantanen Luminosität
von 7 · 10 −33 cm −1 s −1 . Nach dem ersten Long Shutdown (2013-2014) soll die Schwerpunktsenergie
von 14 TeV bei einer instantanen Luminosität von 1 · 10 34 cm −2 s −1 für pp-Kollisionen erreicht
werden.
2.2. Das Compact Muon Solenoid Experiment
Der zylindrische CMS-Detektor ist bei einem Gewicht von 12, 5 t 21, 6 m lang und hat einen
Durchmesser von 14, 6 m [4]. Seine Achse ist parallel zur Strahlachse ausgerichtet.
Innerhalb einer supraleitenden Spule, die ein 4 T-Magnetfeld erzeugt, benden sich die Kalorimeter
und der Pixeldetektor: Ganz auÿen sitzt das hadronische Kalorimeter (HCAL, dicker hellblauer
Bereich in Abb. 2.2). Zwischen zwei Stahlschichten benden sich 14 Lagen Messing, die als Absorber
fungieren. Von Platikszintillatoren führen optische Kabel zu den Hybrid-Photodioden. Das
weiter innenliegende elektrischomagnetische Kalorimeter (ECAL, dünner hellblauer Bereich in
Abb. 2.2) arbeitet mit PbWO 4 -Kristallen und Silizium-Avalanche-Photodioden in der Mantelregion,
sowie Vakuum-Photodetektoren in den Endkappen. Der innere Detektor (Abb. 2.3), Tracker
genannt, besteht aus einem Pixeldetektor (innenliegend), der im nächsten Abschnitt genauer erläutert
werden soll, sowie einem Siliziumstreifendetektor.
Dieser Streifendetektor wird in vier Bereiche, den Tracker Inner Barrel (TIB) mit sechs Detektorlagen,
den Tracker Outer Barrel (TOB) mit ebenfalls sechs Detektorlagen, die Tracker Inner
Disks (TID) mit fünf Detektorlagen und die Tracker End Caps (TEC) mit neun Detektorlagen
unterteilt (Abb. 2.3). Die gesamte Detektionsäche der p-in-n Siliziumdetektoren beträgt 198 m 2 .
Auÿerhalb der Magnetspule bendet sich das Rückführjoch des Magneten. In diesem bendet
sich als innerste Detektorlage das äuÿere hadronische Kalorimeter (engl. Hadron Outer Calorime-
3

Kapitel 2. Der CMS-Detektor am LHC
Abbildung 2.1.: Die Lage des LHC Beschleunigerringes und der vier Experimente [2].
Abbildung 2.2.: Schnitt des CMS-Detektors, der einzelne Detektorelemente zeigt [4].
4

2.2. Das Compact Muon Solenoid Experiment
Abbildung 2.3.: Schematische Darstellung des Trackers [4].
ter, HO), welches das Eisenjoch als Absorbermaterial nutzt. Ebenfalls im Eisenjoch benden
sich die Myonkammern. Es gibt drei verschiedene Arten von Kammern. In der Zylinderregion
werden Driftröhrenkammern (engl. Drift Tubes, DT) verwendet und in den Endkappen Kathodenstreifenkammern
(Cathode Strip Chambers, CSC). Dies liegt daran, dass in der Zylinderregion
ein konstantes Magnetfeld herrscht, in den Endkappen aber nicht. Zum Triggern gibt es in beiden
Bereichen zusätzlich Widerstandsplattenkammern (Resistive Plate Chambers, RPC) die zwar eine
schlechte Orts-, dafür aber eine sehr gute Zeitauösung besitzen.
2.2.1. Der Pixeldetektor
Der Pixeldetektor besteht aus 100 × 150 µm 2 groÿen Pixeln. Diese Göÿe ist so gewählt, um
eine ähnliche Ortsauösung in beide (z und r − φ) Richtungen 1 zu erhalten und so eine gute
Vertexrekonstruktion, insbesondere der sekundären Vertices, zu ermöglichen. Der Detektor ist
aus drei zylindrischen Lagen (BPix) und zwei Scheiben an den Enden (FPix) aufgebaut, die so
angeordnet sind, dass es im Bereich von −2, 5 < η < 2, 5 fast immer drei Detektionspunkte
gibt. In dem 53 cm langen zylindrischen Teil mit einem Radius von 10, 2 cm benden sich dazu
48 Millionen, in den Endkappen weitere 18 Millionen Pixel, die eine Gesamtäche von 1, 06 m 2
haben. Sowohl der Zylinder als auch die Endkappen bestehen aus je zwei Hälften, um den Detektor
warten und bei Bedarf tauschen zu können. Die Hälften werden um das Strahlrohr, die Röhre, in
der sich der Teilchenstrahl bendet, in den TIB geschoben.
Das Pixelmodul
Ein Pixelmodul (Abb. 3.2) besteht aus einem Siliziumsensor, unter dem sich 16 (2 x 8) Auslesechips
(Read Out Chips, ROC) benden. Derzeit wird der psi46v2 Chip verwendet, die neuen Pixelmodule
werden einen neuen, digitalen psi46dig Auslesechip besitzen. Diese ROCs messen die
im Siliziumsensor deponierte Ladung für je 4160 (52 x 80) Pixel und vergleichen diese mit dem
1 Im CMS-Experiment wird ein rechtshändiges zylindrisches Koordinatensystem benutzt: Die x-Achse zeigt zum
Mittelpunkt des LHC-Beschleunigers; die y-Achse zeigt senkrecht zum Beschleunigerring nach oben Richtung
Erdoberäche; die z-Achse entspricht der Strahlrichtung gegen den Uhrzeigersinn. Der Ursprung liegt mittig
im Detektor. Der Azimuthalwinkel wird in der x − y Ebene gemessen; der Polarwinkel wird meist durch die
Pseudorapidität η = −ln ( tan θ 2) ausgedrückt.
5

Kapitel 2. Der CMS-Detektor am LHC
Abbildung 2.4.: Aufbau der BPix Module (rechts ein vollständiges Modul, links ein Halbes, wie
es an den Rändern der Halbzylinder verwendet wird) [4].
vorgegebenen Threshold-Wert. Ein ROC lässt sich über 32 DAC-Parameter (Digital-to-Analog
Converter), die in der Peripherie mittels des Datenkabels gesetzt werden können, einstellen. An
die Module sind von unten Siliziumnitridleisten geklebt, die der Stabilität und Montage dienen.
Auf dem Sensor bendet sich eine Platine, die High Density Interconnect (HDI) genannt wird.
Sie stellt die Spannungsversorgung des Moduls und dessen Auslese über ein Power- und ein Signal-
Kabel sicher. Auf dem HDI bendet sich ein Token Bit Manager (TBM)[6], ein Chip, der die
ROCs steuert und die Daten so verarbeitet, dass sie übertragen werden können.
Die Funktionsweise der Chips ist in Abb. 3.3 schematisch dargestellt. Ein Teilchen führt zur
Ionisation in einem Pixel des Siliziumsensors. Diese Ladung kann mit Hilfe eines Kondensators im
ROC als Spannung gemessen werden. Leckstrom kann an dieser Stelle durch einen entsprechenden
DAC Parameter, Vleak_comp, korrigiert werden. Nach Durchlaufen eines Vorverstärkers und eines
Shapers kann das Signal mittels eines Komparators mit dem Schwellwert verglichen werden. Damit
man durch ein schnelleres Verfahren exaktere Zeitwerte erhält, geschieht dieser Vergleich nicht
mit jedem einzelnen Pixel, sondern mit der Summe der Ströme einer Double Column, d.h. aller
Pixel zweier benachbarter Spalten des Chips. Ist der Schwellenwert überschritten, wird das Signal
durch einen Kondensator mit dem sample/hold-Verfahren gespeichert, bis es ausgelesen wird. Hier
wird neben der Höhe auch die exakte Adresse, also Zeile und Spalte des entsprechenden Pixels,
gespeichert und im Anschluss ausgelesen. Zu Testzwecken ist es möglich, die Spannung zwischen
dem ROC und dem Vorverstärker mittels des Vcal und des CalDel DACs selbst anzulegen. Der
Vcal DAC legt dabei fest, wie viele Elektronen simuliert werden. Pro DAC-Einheit sind es 64 oder
455, je nach Wahl des Bereiches. Der CalDel DAC stellt die Dauer, während der die Ladung im
ROC simuliert wird, ein. Ob die Detektion der Teilchen funktioniert, ist damit zwar nicht klar,
aber die Ausleseelektronik kann so getestet werden.
6

2.2. Das Compact Muon Solenoid Experiment
Abbildung 2.5.: Schematische Darstellung des Ausleseverfahrens [5].
7

Kapitel 3.
Das Upgrade des CMS-Pixeldetektors
Für den LHC sind in drei Long Shutdowns (LS) Veränderungen geplant. Nach dem LS1, der dieses
Jahr begonnen hat und bis 2014 andauert, soll die Schwerpunktsenergie 14 TeV statt bisher 8 TeV
betragen. Während des LS2 in 2018 werden die Vorbeschleuniger des LHC umgebaut, damit die
Bunches höhere Intensitäten besitzen. In der LS3 Phase (2022) soll der LHC selbst umgebaut
werden.
Um auch bei höherer instantaner Luminosität, sie wird von 1 · 10 34 cm −2 s −1 in 2015 auf 2 ·
10 34 cm −2 s −1 in 2018 steigen, und höherem Pile-up, d.h. es werden sich bis 2018 50, statt derzeit
25, Wechselwirkungen überlagern, weiterhin präzise und ezient messen zu können, muss der
CMS-Pixeldetektor ebenfalls verändert werden. Ziel ist es, dass der neue Detektor im Anschluss
bei den veränderten Bedingungen mindestens die gleiche Performance zeigt wie der jetzige bei
bestehenden Bedingungen [7]. Am Pixeldetektor sollen folgende Änderungen durchgeführt werden:
ˆ
Neue Auslesechips um den bei hohen Datenraten auftretenden Datenverlust zu reduzieren;
ˆ
ˆ
Vergröÿerung des Pixeldetektors, der künftig vier, statt wie bisher drei, Spurpunkte aufzeichnen
soll;
Reduzierung des Materialbudgets vor allem durch eine Zweiphasen-CO 2 -Kühlung, leichtere
mechanische Strukturen und das Verschieben von Elektronikboards aus dem sensitiven
Trackervolumen hinaus;
ˆ
Reduzierung der verschiedenen Modultypen, um Herstellung und Wartung zu vereinfachen;
ˆ
ˆ
Einbau einer dünneren Strahlröhre, damit die innerste Detektorlage des Pixeldetektors näher
am Kollisionspunkt liegen kann;
Eine neuartige Spannungsversorgung mit DC-DC-Konvertern, um die Elektronik auÿerhalb
des Detektors und die Kabel in den Detektor weiterhin verwenden zu können.
Im Rahmen des ersten Long Shutdowns des LHCs wird davon nur der Austausch der Strahlröhre
durchgeführt. Der neue Pixeldetektor sowie die zum Betrieb benötigten Servicekomponenten
(Kühlung, Spannungsversorgung usw.) sollen bis zum jährlichen Shutdown in 2016/2017 fertig
sein und dann eingebaut werden. Ein solch kurzer Zeitraum reicht aufgrund der Modularität des
Detektors für den Austausch aus. Der neue Pixeldetektor wird, um die vier Spurpunkte detektieren
zu können, aus vier statt bisher drei zylindrischen Lagen sowie aus drei statt bisher zwei
Scheiben an den Endkappen bestehen. In Abb. 3.1 ist auÿerdem zu erkennen, dass die innerste
Lage näher am Teilchenstrahl und somit am Kollisionspunkt liegen wird als bisher.
Im BPix wird sich die Anzahl der Pixelmodule von 768 auf 1184 erhöhen. In den Endkappen
bleibt die Anzahl gleich, die Module werden aber alle so groÿ wie im zylindrischen Teil, da nur
noch ein Modell des Pixelmoduls verwendet werden soll.
9

Kapitel 3. Das Upgrade des CMS-Pixeldetektors
Abbildung 3.1.: Vergleich zwischen altem und neuem Pixeldetektor.
10

Kapitel 4.
Die Spannungsversorgung des neuen
Pixeldetektors
Bislang sind die Pixelmodule über ca. 40 m lange Kabel, sogenante Multi Service Cable (MSC),
an die Netzteile, die sie versorgen, angeschlossen. Es werden Netzteile der Firma CAEN genutzt.
Für die Versorgung der Pixelmodule wird das Modell A4603 [8] verwendet.
Durch die zusätzliche Lage im BPix und göÿere Module im FPix wird sich die Anzahl der
Auslesekanäle um den Faktor 1,9 erhöhen. Mit einer Veränderung des Leistungsbedarfs der neuen
PSI46dig Chips gegenüber den derzeitigen PSI46v2 Chips ist nicht zu rechnen, daher wird sich
auch der Leistungsbedarf um den Faktor 1,9 erhöhen. Eine Erhöhung des Leitungsquerschnittes der
Kabel ist aus Platzgründen im Kabelschacht nicht möglich. Die Verlustleistung über den Kabeln
berechnet sich zu P V = ∆U · I = R · I 2 . Es ist nicht möglich, den Strom einfach zu erhöhen,
da die groÿe Verlustleistung die Temperatur im Inneren der Kabelkanäle stark ansteigen lassen
würde; abgesehen davon können die vorhandenen CAEN A4603 nicht ausreichend Leistung zur
Verfügung stellen. Es werden daher DC-DC-Konverter eingesetzt, die eine Eingangspannung von
10 V in eine Ausgangsspannung von 2, 4 V (für die analoge Elektronik des Pixelmoduls, daher
analoge SPannung, bzw. Va genannt) bzw. 3, 0 V (für die digitale Eektronik des Pixelmoduls,
daher digitale Spannung, bzw. Vd genannt) konvertieren. Durch das Konversionsverhältnis von
3−4 ergibt sich, dass der Leistungsverlust um ca. 90 % verringert werden kann. Allerdings müssen
die Netzteile modiziert werden, um die höhere Spannung zur Verfügung stellen zu können.
4.1. DC-DC-Buckkonverter
DC-DC-Konverter sind Schaltungen, die die Höhe einer Gleichspannung verändern. In diesem Fall
soll die Spannung gesenkt werden; dazu wird ein Abwärtswandler, speziell ein Buck-Konverter,
verwendet. Ein Schaltbild ist in Abb. 4.1 zu sehen. Das Grundprinzip dieses Konverters ist, dass
die Eingangsspannung ein- und ausgeschaltet wird. Durch einen Energiespeicher, der durch Induktivitäten
realisiert ist, wird am Ausgang der zeitliche Mittelwert der Spannung über T 2 anliegen.
Nutzt man eine Kapazität als Energiespeicher, so nennt sich der Konverter Ladungspumpe. Diese
Alternative ist aber nicht für die benötigten Ströme geeignet, da diese zu hoch sind.
In dem Zustand, in dem der Transistor die Eingangsspannung durchlässt, liegt diese auch am
Ausgang an. Im Zustand des nicht leitenden Transistor sind Ein-und Ausgangsspannung voneinander
getrennt. Beide Zustände sind im Allgemeinen nicht gleich lang, besitzen jedoch eine feste
Dauer (t ein und t aus ), die in Summe T = t ein + t aus = 1 f
die Periodendauer ergeben. Das Schalten
der Transistoren muss durch Schaltpulse gesteuert werden.
Da der Transistor T einen sehr geringen Widerstand besitzt, vernachlässigen wir die an ihm
abfallende Spannung und erhalten so für den ersten Zustand U ein = U L + U aus . Während der
zweiten Phase, in der der Transistor ebenfalls als widerstandslos angenommen wird, gilt U L =
−U aus . Mit der Spannung über einer Spule U L = L · I ˙ ergibt sich für die Ausgangsspannung
t
U aus = U ein ein T
= U ein · D mit dem Duty Cycle D. Am Ausgang muss ein Tiefpasslter implementiert
werden, damit die hochfrequenten Schaltfrequenzen nicht in der Ausgangsspannung
11

Kapitel 4. Die Spannungsversorgung des neuen Pixeldetektors
Abbildung 4.1.: Schaltbild eines Abwärtswandlers, bzw. Buckkonverters.
Abbildung 4.2.: AC_PIX_V8A Konverter (links) und die Abdeckung für die Spule (rechts).
wiederzunden sind. Auch am Eingangssignal kann zur zusätzlichen Glättung der Spannung ein
Bypasskondensator eingebaut werden.
4.2. DC-DC-Konverter für den CMS-Pixeldetektor
Damit die Reduktion der Leistungsverluste möglichst groÿ ist, müssen die Konverter nah an die
Module gebracht werden. Eine Montage im Inneren des CMS-Experimentes ist möglich. Dort
können allerdings keine handelsüblichen DC-DC-Konverter verwendet werden, da diese bei einer
hohen Strahlungsbelastung und dem vorhandenen Magnetfeld von 3, 8 T nicht einsatzfähig sind.
Auÿerdem ist es für den Einbau im Detektor notwendig, auf ein möglichst geringes Materialbudget
zu achten; daher werden spezielle Konverter am I. Physikalischen Institut B der RWTH
entwickelt. Es gibt inzwischen verschiedene Versionen, die neueste ist der PixV10. Während der
durchgeführten Tests war der PixV9A die aktuellste Entwicklung. Dieser sowie dessen Vorgänger,
der PixV8A, der in Abb. 4.2 zu sehen ist, wurden in dieser Arbeit für Messungen verwendet.
Aufgrund des hohen Magnetfeldes im Detektor verwendet man statt der üblichen Ferritkerne
für Spulen einen Plastikkern. Eine Abschirmung auf dem Konverter, speziell über der Spule des
Konverters, verringert das Magnetfeld und trägt zur Kühlung der Spule bei. Auÿerdem soll sie
die rauschenden und nicht-rauschenden Teile des PCBs voneinander trennen. Die Abschirmung
wird wahrscheinlich aus einem Plastikkern hergestellt werden, auf den galvanisch eine 30 µm dicke
Kupferschicht aufgetragen wird. Um Kühlkontakte herzustellen und die Abschirmung zu erden ist
sie an mehreren Stellen an der Leiterplatte (PCB) angelötet. Dies ist gleichzeitig ihre Befestigung.
Ein guter thermischer Kontakt wird durch Wärmeleitpaste im Inneren der Abschirmung
erreicht. Auch der Chip benötigt eine gute Kühlung. Daher ist dieser mit einem wärmeleitenden
Kleber aufgeklebt und wird direkt durch die groÿächige Kupferäche auf der Rückseite des
PCBs gekühlt, die auf Kühlbrücken auiegt. Die Strahlenbelastung ist vor allem für die Chips eine
Herausforderung. Am Cern werden in der PH-ESE Gruppe spezielle AMIS-Chips [9] entwickelt,
die den Anforderungen gerecht werden. Auch diese benden sich noch in der Entwicklung und es
gibt verschiedene Versionen. Die PIX_V8A-Konverter sind mit dem AMIS4-Chip ausgestattet,
PIX_V9A und PIX_V10 besitzen einen AMIS5-Chip. Die vermutlich letzte Version, der FEAST
12

4.3. Installation der Konverter für den Pixeldetektor
Abbildung 4.3.: CAD Modell des neuen Pixeldetektors [7].
existiert zwar schon, es gibt aber noch keine Konverter, die diesen Chip verwenden. Der AMIS5
wurde bezüglich seiner elektrischen Eigenschaften und seiner Strahlungstoleranz weiterentwickelt.
Es wurden die Ein- und Ausschaltzeiten reduziert, Leistungstransistoren wurden isoliert, der
Soft-Start wurde weiterentwickelt, der Übertemperaturschutz auf 40° C angepasst, der Überstromschutz
ausgetauscht, die Trigger-Spannung verändert (auf 0, 7 V) und die vier Output-Level auf
3, 3 V, 2, 5 V, 1, 8 V und 1, 2 V festgelegt.
4.3. Installation der Konverter für den Pixeldetektor
Um alle nötigen Leitungen und Boards anzubringen, gibt es mechanische Strukturen, die sogenannte
Supply Tube und den Service Zylinder. Der innere Zylinder (Service Zylinder) nimmt die
Elektronik des FPix, der äuÿere (supply Tube) die des BPix auf. Die Konverter für den BPix
benden sich im hinteren Teil der Supply Tubes (grau in Abb. 4.3), in 1 − 2 m Entfernung von
den Pixelmodulen. Dort sind 13 Paare aus jeweils einem 2, 4 V-Konverter und einem 3, 0 V-
Konverter nebeneinander auf ein Bus-Board gesteckt. Da ein Board von 2 MSC-Kabeln versorgt
wird ist ein ein MSC-Kabel an sechs bis sieben Konverterpaare angeschlossen. Gleichzeitig sind
sie auf Kühlbrücken aufgeschraubt, die auf kleinen CO 2 -Röhren sitzen. Um Material zu sparen,
sind diese Brücken nicht aus Vollmaterial. Die Brücken haben keinen elektrischen Kontakt zu der
Unterseite der Konverter-PCBs. Für die Hochspannung (HV) verläuft unter den Bus-Boards ein
HV-Board, das die HV von vier HV-Kanälen an jeweils vier, also insgesamt 16, Pixelmodule leitet.
Über weitere Boards gelangen die benötigten Spannungen bis zu den Micropower Wires, 360 µm
dicken Aluminium-Drähten, die mit Kupfer beschichtet sind. Diese 1 m langen verdrehten Kabel,
daher Micro twisted pair cables (MTP) genannt, gehen dann zu den einzelnen Pixelmodulen.
Die Konverter für die Endkappen benden sich weiter innen im FPIX Service Zylinder (blau in
13

Kapitel 4. Die Spannungsversorgung des neuen Pixeldetektors
Tabelle 4.1.: Anzahl der Pixdlmodule pro Konverterpaar und der damit verbundenen benötigten
Ströme für die unterschiedlichen Detektorlagen [7].
Abb. 4.3) und sind auf kleineren Boards zu nur je vier Paaren gesteckt. Die Kühlung funktioniert
hier ebenfalls mit Kühlbrücken und CO 2 -Rohren.
Ein Konverterpaar versorgt nicht nur ein Pixelmodul mit der benötigten Spannung, sondern je
nach Lage im Detektor und den damit verbundenen variierenden Strömen bis zu vier Pixelmodule.
Die möglichen Kombinationen und die damit verbundenen Ströme pro Konverter sind Tab. 4.1 zu
entnehmen.
14

Kapitel 5.
Das modizierte PS A4603
5.1. Das aktuelle CAEN A4603 Netzgerät
Um die Pixelmodule mit Spannung zu versorgen, wird derzeit ein speziell für die Verwendung
am LHC entwickeltes Netzgerät der Firma CAEN genutzt; das Modell A4603 [8]. Dieses Netzteil
besteht aus zwei Einheiten, den Power Supply Units PSU0 und PSU1, die jeweils die gleichen
Funktionen besitzen. Beide Einheiten besitzen zwei Niederspannungskanäle (LV), welche verschiedene
Ausgangsströme und -spannungen liefern, und zwei identische Hochspannungskanäle
(HV). Zur Regelung der LV-Kanäle stehen vier Parameter zur Verfügung: V set stellt die Spannung,
I set begrenzt den Strom und die beiden Werte V max und I max setzen Grenzen der in der
Software einstellbaren Werte. Zur Kontrolle des Netzteils gibt es auÿerdem die Parameter V con ,
die Spannung am Ausgang, V mon , die Spannung an den Sensedrähten, und I mon , den ausgegebenen
Strom. Alle angegebenen Parameter mit Ausnahme des V con -Wertes existieren auch für die
HV-Kanäle. Mit den Sensedrähten der LV wird eine Fast Remote Control Funktion umgesetzt.
Diese regelt die Spannung am Verbraucher immer exakt auf den eingestellten Wert und korrigiert
so Spannungsabfall auf den Zuleitungen. Die PSUs besitzen zusätzlich noch zwei Messwerte der
Temperatur. Wo exakt diese gemessen werden ist leider nicht bekannt.
5.2. Die bevorstehenden Änderungen
Um die DC-DC Konverter mit der benötigten Spannung von 10 V zu versorgen können die derzeit
vorhandenen und verwendeten Netzteile des Types A4603 von CAEN nicht ohne weiteres verwendet
werden, da nur Spannungen von V set = 1, 8 − 3, 0 V für den digitalen (LV0) und von
V set = 1, 0 − 2, 3 V für den analogen (LV1) LV-Ausgang einstellbar sind. Da eine Neuentwicklung
sehr aufwendig und teuer ist, wurde der Hersteller, Cean, beauftragt, ein Modikationskit für
die vorhandenen Power Supplies zu entwickeln, das die neuen Anforderungen (Tab. 5.1) erfüllt:
Die Spannung muss auf V set = V max = 8, 0 − 12, 0 V erhöht werden. Auÿerdem soll die nicht
verwendbare Fast Remote Control-Funktion in eine optionale Slow Control-Funktion umgebaut
werden.
Um den Umbau aller verwendeten Power Supplies einfach zu gestalten und einen evtl. Rückbau
zum ursprünglichen Modell zu ermöglichen, soll die Modikation modular gestaltet werden.
Die Firma CAEN modizierte zunächst ein Modell, das P. D' Angelo, INFN Mailand, ersten
Tests unterzog. Nachdem die Ergebnisse dieser Tests vorlagen, wurden drei weitere Netzteile modiziert.
Bei einem dieser Geräte wurde an der RWTH Aachen im Rahmen dieser Arbeit datailliert
geprüft, ob die Spezikationen eingehalten wurden, um dieses im Anschluss für Systemtests mit
den DC-DC Konvertern zu verwenden.
Um ein A4603 Netzteil zu betreiben, sind einige weitere Geräte notwendig [10]. Der verwendete
Aufbau ist in Abb. 5.1 zu sehen. Zur Steuerung wird ein SY1527 oder ein SY2527 [11] Managementsystem
benötigt. In allen hier beschriebenen Versuchen wurde letzteres Modell verwendet,
während im Betrieb für das CMS-Experiment das SY1527 Anwendung ndet. In beide Kontrollein-
15

Kapitel 5. Das modizierte PS A4603
Channel 1 2
Vset 8 − 12 V 8 − 12 V
Vmax software 8 − 12 V 8 − 12 V
Vset / Vmax resolution 20 mV 20 mV
Vcon 8 − 12 V 8 − 12 V
Vmon resolution 20 mV 20 mV
Vcon resolution 20 mV 20 mV
Iset 0 − 13 A 0 − 6 A
Iset/Imon resolution 10 mA 10 mA
ramp up/down - -
voltage monitor vs. output
typ: 1% + 30 mV typ: 1% + 30 mV
max: 1% + 50 mV max: 1% + 50 mV
voltage set vs. output
typ: 1% + 30 mV typ: 1% + 30 mV
max: 1% + 50 mV max: 1% + 50 mV
current monitor vs. output
typ: 2% + 0, 05 A typ: 2% + 0, 05 A
max: 2% + 1 A max: 2% + 1 A
current set vs. output
typ: 2% + 0, 05 A typ: 2% + 0, 05 A
max: 2% + 1 A max: 2% + 1 A
max. ripple 10 mV 10 mV
magnetic eld tolerance 1 kGauss 1 kGauss
radiation tolerance to be tested to be tested
Channel 3 4
Vset 0 − (−600) V 0 − (−600) V
Vmax software 0 − (−600) V 0 − (−600) V
Vset / Vmax resolution 100 mV 100 mV
Vcon - -
Vmon resolution 100 mV 100 mV
Vcon resolution - -
Iset 0 − 20 mA 0 − 20 mA
Iset/Imon resolution 1 µA 1 µA
ramp up/down
1 − 100 V/sec 1 − 100 V/sec
1 V/sec steps 1 V/sec steps
voltage monitor vs. output
typ: 1% + 0, 3 V typ: 1% + 0, 3 V
max: 1% + 0, 5 V max: 1% + 0, 5 V
voltage set vs. output
typ: 1% + 0, 3 V typ: 1% + 0, 3 V
max: 1% + 0, 5 V max: 1% + 0, 5 V
current monitor vs. output
typ: 2% + 2 µA typ: 2% + 2 µA
max: 2% + 5 µA max: 2% + 5 µA
current set vs. output
typ: 2% + 2 µA typ: 2% + 2 µA
max: 2% + 5 µA max: 2% + 5 µA
max. ripple 50 mV 50 mV
magnetic eld tolerance 1 kGauss 1 kGauss
radiation tolerance to be tested to be tested
Tabelle 5.1.: Geforderte Spezikationen des modizierten A4603-Netzteils.
16

5.3. Eigenschaften der Niederspannungskanäle
Abbildung 5.1.: Rack mit allen Komponenten der Spannungsversorgung.
heiten muss ein A1676A [12] Branch Kontroller eingesetzt werden, an den bis zu sechs EASY
Crates angeschlossen werden können. Im CMS-Experiment bendet sich vor jedem EASY4000 ein
A3486-Netzteil [13], welches den Crates die benötigte 48V-Gleichspannung zur Verfügung stellt.
In dem Laboraufbau sind diese Nezteile allerdings nicht verwendet worden. Stattdessen ist ein
EASY4000 direkt an den A1676A angeschlossen. Die Spannungsversorgung übernimmt ein Delta
Elektronika SM 52-30 [14]. In die Crates können dann bis zu neun der eigentlichen Power Supplies
eingesetzt werden. Es werden sowohl die A4603-Netzteile, welche die Hoch- und Niederspannung
für die Pixelmodule liefern, als auch die A4602-Netzteile, die die Elektronik auf der Supply Tube
versorgen, von den Crates aufgenommen. Im Laborrack benden sich ein individuell modiziertes
A4603 und ein mit dem Modikationskit ausgestattetes A4603, um damit Tests durchzuführen.
Ein A4602-Netzteil ist nicht vorhanden, wird aber auch nicht benötigt.
5.3. Eigenschaften der Niederspannungskanäle
Bei den beiden Low-Voltage Kanälen LV0 (für die digitale Spannung) und LV1 (für die analoge
Spannung) wurden die entscheidenden Veränderungen vorgenommen. Es galt vor allem zu über-
17

Kapitel 5. Das modizierte PS A4603
LV0 LV1
Vset 7,8 - 12,5 V 7,8 - 12,5 V
Vmax 7,8 - 12,5 V 7,8 - 12,5 V
Vset/Vmax Auösung 20 mV 20 mV
Tabelle 5.2.: Mögliche Auswahlbereichefür die in der PS A4603-Software einstellbaren Gröÿen der
Niederspannung, sowie deren Auösung.
prüfen, ob die geforderten Spannungen und Leistungen durch das Netzteil zur Verfügung gestellt
werden können. Es wurde auch überprüft, ob die anderen Eigenschaften durch die Modikation
unverändert geblieben sind.
Die in der Software einzustellenden Werte für V set und V max sowie deren Auösungen in der
Software können durch einfaches Ausprobieren überprüft werden. Die Ergebnisse sind in Tab. 5.2
dargestellt.
Die Spannungsbereiche für V set und V max entsprechen nicht der Spezikation. Da nur der verwendbare
Bereich gröÿer wird, der benötigte aber weiterhin in vollem Umfang verfügbar ist, wird
diese Abweichung von der Spezikation als nicht relevant beurteilt. Die Auösung der Einstellung
dieser beiden Werte entspricht der Spezikation.
5.3.1. Leistung des Netzteils
Das Pixelmodule werden künftig eine Leistung von bis zu 130 W an der Niederspanung pro Netzteileinheit
benötigen. Ob diese auch bereit getellt werden kann, sollten die folgenden Tests zeigen.
Die vom Netzteil zur Verfügung gestellte Leistung wurde mit einem Aufbau (Abb. 5.2) gemessen,
bei dem an beiden LV-Kanälen jeweils eine elektronische Last angeschlossen war, die im Konstantstrommodus
betrieben wurde. Am Kanal LV0 befand sich ein BK Precision 8500 [15], das
mittels einer LabView-Software gesteuert werden konnte, am LV1-Kanal ein Statron Type 3227
[16], dessen Steuerung manuell vorgenommen werden musste. Die Lasten und das Netzteil sind
mit einem der auch im Detektor verwendeten 43 m langen Multi-Service-Kabel (MSC) verbunden.
Um dieses nutzen zu können, muss ein ca. 1 m langes Kabel, welches den Dsub-Stecker in einzelne
Adern mit Aderendhülsen auöst, ergänzt werden. Für verschiedene Spannungen, die für LV0 und
LV1 immer gleich gewählt wurden, ist der Strom der beiden Lasten im gesamten zur Verfügung
stehenden Bereich variiert worden. Der Bereich ist bei LV0 0−9 A und bei LV1 0−5 A. Für beide
Kanäle ist der maximal zur Verfügung stehende Strom somit geringer als der geforderte. Bei den
Messungen, die D'Angelo mit dem ersten modizierten A4603 durchführte, waren die maximalen
Ströme 9 A für LV0 bzw. 4, 5 A für LV1. Die niedrigeren Ströme sind durch die Leistungsgrenze
zu begründen: Die Spannung wurde erhöht und die Leistungsgrenze ist konstant geblieben. Nach
P = I ·U muss der Strom damit sinken. In der Spezikationstabelle wurden hier einfach die Werte
der ursprünglichen Version übernommen. Die Ströme wurden für den Kanal LV1 im gesamten
Bereich in Schritten von 0, 4 A bzw. später von 0, 5 A erhöht (Die Änderung wurde vorgenommen,
um ein geeigneteres Binning in den Leistungsdiagrammen zu erhalten). Für jeden Stromwert
wurde dann der Strom an LV0 durch die elektronische Last in den gleichen Schritten erhöht. Nach
der Modikation ist der Ausgang im Allgemeinen nicht durch den Strom, sondern viel mehr durch
die Leistung begrenzt, wie in Abb. 5.3 ersichtlich ist. Für Spannungen bis einschlieÿlich 11 V gibt
es keine Komplikationen und es können maximale Ströme genutzt werden; dies sieht man in Abb.
5.4.
Bei der Spannung von 12 V ist zu erkennen, dass maximale Ströme nicht auf beiden Kanälen
gleichzeitig möglich sind. An diesem Punkt ist die maximale Leistung des Netzteiles erreicht.
Oberhalb dieser Leitung sind im Diagramm die weiÿen Stellen zu beobachten. Hier hat sich jeweils
18

5.3. Eigenschaften der Niederspannungskanäle
Abbildung 5.2.: Versuchsaufbau, um Leistungsmessungen durchzuführen.
19

Kapitel 5. Das modizierte PS A4603
Abbildung 5.3.: Leistungsmessung der Niederspannung an der Last bei 12 V ohne Slow Control
mit sichtbarer Leitungsgrenze.
20

5.3. Eigenschaften der Niederspannungskanäle
Abbildung 5.4.: Leistungsmessung der Niederspannung an der Last bei 11 V ohne Slow Control;
auf beiden Kanälen kann gleichzeitig der maximale Strom gezogen werden.
21

Kapitel 5. Das modizierte PS A4603
Abbildung 5.5.: Berechnete Ausgangsleistung der Niederspannung bei 12 V ohne Slow-Control.
Die Leistung unterscheidet sich deutlich von der an der Last gemessenen.
einer der beiden Kanäle ausgeschaltet. Eine Fehlermeldung im Managementsystem nicht angezeigt.
Welcher der beiden Kanäle LV0 und LV1 sich abschaltet ist Zufall. Dies bedeutet jedoch nicht,
dass die PSU nur ∼ 130 W zu Verfügung stellen kann, weil nicht nur an den elektronischen
Lasten, sondern auch auf dem langen MSC Spannung und somit Leistung abgefallen ist. Diese
steigt mit dem Strom, da für den Leistungsabfall über dem Kabel P Kabel = R · I 2 gilt. Die
Ausgangsleistung des Netzteiles wird mittels der intern im A4603 gemessenen Ausgangswerte der
Spannungen (V mon ) und Ströme (I mon ) berechnet: P = I LV 0 · U LV 0 + I LV 1 · U LV 1 . Dass diese eine
zuverlässige Messung darstellen, wird im weiteren Verlauf der Arbeit noch gezeigt werden. Die
Ergebnisse der Berechnung sind für 12 V, einer Spannung in der die Leistungsgrenze gut erkennbar
ist, in Abb. 5.5 dargestellt.
Die maximale Ausgangsleistung liegt nach diesen Messungen also bei ca. 150 W. Die interne
Temperatur des A4603-Netzgerätes zu den Zeitpunkten, zu denen es sich abschaltet, wurde von
den integrierten Sensoren des Netzteiles relativ hoch (55° C − 60° C) gemessen. Während des
Betriebes im CMS-Detektor wird es mittels wassergekühlter Rackeinschübe, die in unserem Labor
leider nicht zur Verfügung stehen, gekühlt. Um realistische Temperaturbedingungen zu erhalten,
wurden drei Lüfter auf das Netzteil montiert. Da sich die Netzteile zu je acht nebeneinander im
Rack benden und kein Luftspalt zwischen den einzelnen Geräten vorhanden ist, wurden auÿerdem
Styrodurplatten neben dem Netzteil positioniert, um eine Konvektionskühlung an dieser Seite zu
22

5.3. Eigenschaften der Niederspannungskanäle
Abbildung 5.6.: Berechnete Ausgangsleistung der Niederspannung bei 12 V ohne Slow-Control
unter realistischen Temperaturbedingungen: Die verfügbare Leistung ist durch
das Kühlen um 15 W gestiegen.
verhindern. Auf der anderen Seite des modizierten A4603 ist das Modell ohne Modikationskit
montiert, so dass hier ebenfalls ein Wärmeabuss verhindert wird. Unter diesen Bedingungen
wurden die Leistungsmessungen noch einmal durchgeführt.
Während der Messung der unter realistischen Temperaturbedingungen ermittelten Ausgangsleistung,
die für 12 V in Abb. 5.6 dargestellt ist, hat das Netzteil eine interne Temperatur von 40° C
nicht überschritten. Ein Abschalten aufgrund zu hoher Temperatur kann also ausgeschlossen werden,
da aus der vorherigen Messung bekannt ist, dass ein Betrieb bis zu 55° C interner Temperatur
möglich ist. Die maximale Ausgangsleistung, die hier ermittelt wurde, liegt bei ca. 165 W. Dies
ermöglicht zwar nicht, auf beiden Kanälen gleichzeitig die maximal mögliche Spannung bei maximal
möglichem Strom zu verwenden; die künftig benötigten Leistungen von 57, 8 W auf LV0 und
28, 7 W auf LV1 [7], bzw. von 91 W auf LV0 und 35 W auf LV1 des unmodizierten Gerätes, werden
aber jeweils übertroen, so dass die Leistung des Netzteils ausreichend hoch ist. Die maximalen
Ströme stehen mit dieser Kühlung bis 11, 5 V auf beiden Kanälen zur Verfügung.
Während der durchgeführten Leistungsmessungen konnte beobachtet werden, dass V con nicht
ausschlieÿlich im Bereich zwischen 8 und 12 V liegen kann, sondern auch von ca. 7, 8 bis 12, 5 V
variiert. Dies ist aufgrund der schon abgewichenen Werte für V set nicht unerwartet und kein
Nachteil des Netzteils für seine Verwendung. Es konnte auch festgestellt werden, dass die Auösung
23

Kapitel 5. Das modizierte PS A4603
Abbildung 5.7.: Diagramme für die Anpassung der Spannungen: V set (links) und V mon (rechts)
sind jeweils über V out aufgetragen und eine Regressionsgerade wurde angepasst.
LV0
LV1
V mon /V out 0, 63% ± 11mV 1, 25% ± 23mV
V set /V out 0, 16% ± 24mV 0, 47% ± 14mV
Tabelle 5.3.: Abweichungen der Spannungswerte.
von V con 20 mV beträgt. Die Auösung des I mon -Wertes ist 10 mA. Dies entspricht ebenfalls der
Spezikation.
5.3.2. Genauigkeit des Netzteils
In diesem Abschnitt wird überprüft, wie genau die ausgehenden Spannungen und Ströme mit den
eingestellten und den intern gemessenen Werten übereinstimmen. Die Spezikation fordert für
die Spannungen jeweils 1 % + 0, 3 V und für die Ströme jeweils 2 % + 2 µA. Für die Messungen
wurde das Split-Kabel direkt an die Rückseite des A4603 angeschlossen, um Spannungsabfall auf
dem MSC zu verhindern. Als Last wurde die BK Precision 8500 benutzt, da diese eine bessere
Auösung besitzt und die Messung der Ausgangsspannung übernommen hat. Die Werte für V set
wurden am A4603 eingestellt und in 0, 1 V Schritten von 7, 8 V bis 12, 5 V erhöht. V mon wurde am
SY2527 abgelesen. Um die relativen und absoluten Abweichungen zu ermitteln, wurden V set und
V mon jeweils gegen die Ausgangsspannung V out aufgetragen (Abb. 5.7) und eine Gerade V set/mon =
V out·m+a angepasst. Der Oset a ist direkt als absolute Abweichung zu interpretieren, die relative
Abweichung ergibt sich durch r = |m − 1|. Diese Messungen und Rechnungen wurden mit beiden
Kanälen der PSU0 durchgeführt; die Ergebnisse sind in Tab. 5.3 zusammengefasst.
V mon vs. V out bei LV1 weist mit 1, 25 % einen etwas zu hohen Wert für die relative Abweichung
auf. Die absolute Abweichung ist bei dieser Anpassung noch von ihrem Spezikationswert entfernt.
Desweiteren handelt es sich in der Spezikation um Durchschnittswerte, die erreicht werden
sollen [17]. In den Maximalwerten ist der relativen Abweichung keine Vergröÿerung erlaubt, die
absoluten Abweichungen dürfen dort aber bis zu 50 mV betragen. Die geringe Abweichung wird
24

5.3. Eigenschaften der Niederspannungskanäle
Abbildung 5.8.: Anpassung der Stromabweichung (hier als Beispiel für I set gegen I out an LV0;
Ergebnisse aus fünf dieser Plots werden jeweils gemittelt).
LV0
LV1
I mon vs. I rear 0, 04% ± 110, 06A 0, 07% ± 0, 04A
I set vs. I rear 0, 22% ± 0, 02A 0, 043% ± 0, 00A
Tabelle 5.4.: Gemessene Werte für die Abweichungen der Ströme.
hingenommen. Die restlichen relativen sowie alle absoluten Abweichungen benden sich deutlich
unterhalb der Spezikation und sind damit sehr gut. Da nur ein Power Supply zur Verfügung
steht, können die Werte der maximalen Abweichung nicht ermittelt werden.
Da mit I set nur der maximale, nicht aber der anliegende Strom in der Software eingestellt
werden kann, bedarf es für die Stromabweichung einer umständlicheren Messung. Um diese zu
testen, wurde daher für jeden eingestellten Stromwert I set die angeschlossene Loadbox im Konstantstrommodus
betrieben und der Strom schrittweise erhöht, bis das A4603 abgeschaltet hat.
Der letzte gemessene Stromwert ≠ 0 wurde dann als I out verwendet. Bei jedem Schritt konnte
I mon an dem SY2527 abgelesen werden. Diese Messung wurde für I set = 1A, 2A, .., 9A (LV0),
bzw. I set = 1A, 2A, .., 5A (LV1) durchgeführt. An die so ermittelten Werte konnten wieder
Geraden angepasst werden, die, unter Verwendung der oben beschriebenen Funktionen, absolute
und relative Abweichung liefern. In Abb. 5.8 ist diese Anpassung beispielhaft für I set vs. I out des
LV0-Kanals gezeigt. Die ermittelten Werte sind in Tab. 5.4 zusammengefasst. Die Abweichungen
zwischen den Ausgangsströmen und den internen Messungen sowie Einstellungen sind deutlich
geringer, als es die Spezikation zulässt. Dies gilt sowohl für den relativen, als auch für den absoluten
Anteil. Auch hier ist es nicht möglich, die Maximalwerte zu prüfen, da nur ein A4603 zur
Verfügung steht.
5.3.3. Welligkeitsmessungen für die Niederspannung
Um die Qualität einer Gleichspannung zu bestimmen, betrachtet man die Welligkeit, engl. Ripple.
Man beobachtet den Spannungsverlauf über der Zeit und untersucht, wie groÿ die Schwankungen
25

Kapitel 5. Das modizierte PS A4603
Abbildung 5.9.: Darstellung der Welligkeit für den Niederspannungskanal LV0 auf dem Oszilloskop.
Neben dem pp-Wert wurde manuell auch die Spannungsbreite des Kerns
bestimmt.
der Spannung sind. Wenn die Messmethode peak-to-peak, abgekürzt pp, angewendet wird, heiÿt
das, dass die Dierenz aus dem Maximum und dem Minimum der entsprechenden Spannung
gebildet werden. Man könnte alternativ auch einen rms-Wert bestimmen; da die Spezizierung
in pp stattgefunden hat, werden die folgenden Messungen auch alle mit dieser Methode gemacht.
In der Spezikation ist der Ripple auf 10 mV begrenzt. Eine hohe Welligkeit, also groÿe Schwankungen
in der Spannung, kann die Funktion angeschlossener Geräte beeinträchtigen.
Um den Ripple zu messen, ist direkt an dem A4603 ein 1 m langes Kabel mittels Dsub-Stecker
angeschlossen. Das lange MSC wurde nicht verwendet, da es eine Induktivität darstellt, die den
Wert positiv beeinussen würde. An das Kabel ist eine Last (BK Precision 8500) angeschlossen,
welche auf die jeweilige maximale Last (9 A) eingestellt ist. An den Anschlüssen der elektronischen
Last bendet sich auÿerdem ein Tastkopf des Oszilloskops. Hier wurde ein LeCroy WaveRunner
6050 [18] verwendet, um den Ripple an dieser Stelle zu messen. Das Oszilloskop besitzt eine
Funktion, um die pp-Werte zu messen.
Wie man in Abb. 5.9 sieht, ist die Dierenz zwischen den Spannungsspitzen deutlich gröÿer
als die durchschnittliche Schwankung. Die pp-Werte der LV-Kanäle sind mit knapp 80 mV auch
deutlich über der Spezikation von 10 mV. Die durchschnittlichen Schwankungen wurden mit
Hilfe der Cursor-Funktion des Oszilloskops von Hand bestimmt. Auch diese sind mit gut 25 mV
noch deutlich gröÿer als erwünscht. Ob dies problematisch ist, wird sich in Kapitel 6 im Rahmen
der Systemtestmessungen zeigen, bei denen die Netzteile mit Hilfe der Konverter ein Pixelmodul
versorgen.
26

5.3. Eigenschaften der Niederspannungskanäle
Abbildung 5.10.: LV-Ripple mit verschiedenen Bandbreiten gemessen. Die Fehlerbalken stellen die
Standardabweichung der Mittelwertberechnung dar.
Da es für möglich gehalten wird, dass durch andere Messeinstellungen eventuell andere, näher
an der Spezikation liegende Werte gemessen werden könnten, wurde eine Messserie aufgenommen,
bei der die möglichen Einstellungen variiert wurden. Die Bandbreite (zuvor 500 MHz, volle
Bandbreite) des Oszilloskops wurde auf die beiden möglichen Werte von 200 MHz und 20 MHz
beschränkt. Auÿerdem wurde für alle drei Bandbreiten die zeitliche Auösung zwischen 1 µs/div
und 100 ms/div variiert. Die Spannungsauösung wurde immer so gewählt, dass der gesamte
Ripple gerade dargestellt werden konnte, man also die bestmögliche Auösung erhält. Für diese
Messserie wurde die Statistik-Funktion des Oszilloskops verwendet. Diese mittelte bei jeder Einstellung
jeweils ca. 1000 Messungen des pp-Wertes.
Wie in Abb. 5.10 zu erkennen ist, führt eine beschränkte Bandbreite zwar zu geringerem Ripple,
reduziert diesen allerdings keineswegs soweit, dass eine Übereinstimmung von Messung und
Spezikation vorhanden ist. Geringe Messdauern senken den Ripple, wie erwartet, ebenfalls leicht
ab. Diese sollten jedoch nicht als Grundlage für die Charakterisierung des Power Supplys dienen,
da die Spannung auch über längere Zeiten konstant sein sollte.
5.3.4. Untersuchung der Slow Control-Funktion
Das PS A4603 wurde mit der Möglichkeit ausgestattet, die Spannung, die am Verbraucher anliegt,
statt der, die am Geräteausgang anliegt, zu steuern. Dies ist dadurch möglich, dass es
Senseleitungen gibt, die im alten Power Supply eine schnelle Regelung durchgeführt haben, um
die Pixelmodule unabhängig von der Last bei konstanten Spannungen zu betreiben. Mit der Verwendung
der DC-DC-Konverter ist dies nicht mehr nötig, da diese selbst eine schnelle Regelung
besitzen und unabhängig von der Last 3, 0 V oder 2, 4 V bereitstellen. Eine Kombination der
beiden schnellen Regelungen könnte sogar zu Intabilitäten führen, da die Konverter eine Last mit
negativer Impedanz darstellen. Es ist jedoch vorteilhaft, die Konverter bei konstant 10 V Eingangsspannung
zu betreiben. Bevor die Konverter und Pixelmodule mit aktivierter Slow-Control-
Funktion (sie lässt sich in der Software des SY2527 ein- und ausschalten) betrieben wurden,
wurde deren Einuss untersucht. Durch das Nachregeln der Spannung verändert sich V con und
27

Kapitel 5. Das modizierte PS A4603
Abbildung 5.11.: Leistungsmessung für die Niederspannung an der Last mit Slow-Control für verschiedene
Spannungen: 10 V (links oben), 11, 5 V (rechts oben), 12 V (links
unten), 12, 5 V (rechts unten).
damit auch die Ausgangsleistung. Aus diesem Grund wurden auch mit dieser Funktion nochmals
Leistungsplots (Abb. 5.11) aufgenommen. Der Aufbau war dabei äquivalent zu dem oben bereits
beschriebenen.
Man sieht, dass es hier bei den hohen Spannungswerten an der Last nicht mehr möglich ist, die
höheren Ströme zu erreichen. Die Werte sind wieder Messwerte hinter dem MSC, dort lag die maximale
Leistung zuvor noch über 100 W. Der Leistungsabfall über dem MSC steigt quadratisch mit
dem Strom. Daher muss bei steigendem Strom auch die Spannung erhöht werden, damit weiterhin
10 V am Verbraucher, der Loadbox, anliegen. An den Kanten, die in den obigen Leistungsplots
erkennbar sind, hat der im A4603 angezeigte Wert von V con jeweils ca. 13 V erreicht. Die plausible
Erklärung ist also, dass das Netzteil die Ausgangsspannung nur bis auf 13 V erhöhen kann.
Das ist mit der Spezikation, die 12 V voraussetzt, in Übereinstimmung, sodass das Abschalten
des Netzteils unter diesen Bedingungen erwartet ist. Die Beobachtung hat zur Folge, dass die
ohne Slow-Control ermittelten Maximalwerte für V con von ca. 12, 5 V auf die mit Slow-Control
abgelesenen Werte von 13 V erhöht werden müssen.
Desweiteren wurde untersucht, wie die Regelung in dem Netzteil vorgenommen wird. Dazu
wurde ein Oszilloskop, ein LeCroy WaveSurfer 44MXs-A [19], verwendet und die Spannungsänderung
beim Ein- und Ausschalten einer Last, der Statron 3227, betrachtet. Das Oszilloskop wurde
für diesen Versuch zusammen mit den Leitungen zum Netzteil an die Schraubklemmen der Last
angeschlossen. Ziel ist, herauszunden, wie schnell der ursprüngliche Wert der Spannung wieder
28

5.3. Eigenschaften der Niederspannungskanäle
Abbildung 5.12.: Spannungsverlauf beim Einschalten (oben) und Ausschalten (unten) der Last an
LV0. Man sieht die einzelnen Schritte in dem Regelprozess sehr gut.
erreicht wird. Die Loadbox wurde im Konstantstrommodus betrieben. Der Strom wurde bei LV0
(1 − 9 A) und bei LV1 (1 − 5 A) jeweils variiert, um dessen Einuss auf die Regelzeit untersuchen
zu können.
Man sieht auf dem Screenshot des Oszilloskops (Abb. 5.12), dass die Regelung nicht kontinuierlich,
sondern in einzelnen Schritten stattndet. Um diesen Vorgang genauer zu charakterisieren,
wurde für jeden Strom neben dem maximalen Spannungsunterschied und der gesamten Regelungsdauer
auch die Dauer eines einzelnen Schrittes sowie die Veränderung der Spannung während eines
solchen Schrittes abgelesen. Alle Werte wurden mit den Cursorfunktionen des Oszilloskops von
Hand bestimmt. Die abgelesenen Werte wurden in Abb. 5.13 über dem Strom aufgetragen.
Bei höheren Lasten und den damit verbundenen höheren Strömen steigt der gesamte Spannungsunterschied
wie erwartet an, da der Spannungsabfall linear zu I ist (∆U = R · I). Um eine gröÿere
Spannungsdierenz auszugleichen, ist eine längere Zeit notwendig. Die Betrachtung der einzelnen
Anpassungsschritte zeigt, dass diese bei variierenden Strömen konstant sind. Jeder der Schritte
hat eine Zeitdauer von ca. 320 ms und verändert die Spannung um bis zu 500 mV. Die groÿen
Schwankungen in der Gesamtdauer sind zum einen darauf zurückzuführen, dass die Zeit, bis der
erste Schritt durchgeführt wird, zwischen 0 und 320 ms variiert. Dies zeigt, dass die Regelung
ununterbrochen stattndet und nicht nur bei einer Dierenz zwischen V set und V mon einsetzt.
29

Kapitel 5. Das modizierte PS A4603
Abbildung 5.13.: Darstellung der Stromabhängigkeit der Slow-Control Funktion. Oben Dauer
(links) und Spannungsdierenz (rechts) eines Schrittes; unten die Gesamtdauer
(links) bis 10 V Ausgangsspannung wieder erreicht sind, und die gesamte Spannungsdierenz
(rechts). Die Aussagen Ein- und Ausschalten in den Legenden
beziehen sich jeweils auf die elektronischen Lasten.
30

5.3. Eigenschaften der Niederspannungskanäle
Abbildung 5.14.: Zeit zum Ein- und Ausschalten der Spannung.
Andererseits kann es vorkommen, dass der letzte notwendige Schritt die Spannung zu weit erhöht
und ein weiterer notwendig ist, um diese wieder abzusenken (Abb. 5.12). Die Dierenz zwischen
LV0 und LV1 liegt daran, dass für LV0 in den Leitungen zwischen Last und Netzteil jeweils zwei
Adern und somit der doppelte Leitungsquerschnitt zur Verfügung stehen.
5.3.5. Schaltdauer des Ein- und Ausschaltvorganges
Eine weitere untersuchte Eigenschaft ist die Zeit, die das Netzteil benötigt, um die Spannung
von 0 auf V set zu erhöhen, wenn diese eingeschaltet wird. Um diese messen zu können, wurde
wieder eine Last (Statron 3227) im Konstantstrommodus an das A4603 angeschlossen. Der Aufbau
entspricht dem für die Messung der Slow Control-Zeit. Der Unterschied liegt darin, dass nun
die Lastbox eingeschaltet bleibt und die Spannung des A4603 ein- und ausgeschaltet wird. Da
eine Abhängigkeit vom Strom naheliegend ist, wird die Messung für verschiedene Stromwerte
(1−9 A) durchgeführt. Für jeden Strom wurden fünf Messwerte genommen und diese gemittelt. Die
einzelnen Werte wurden durch die Funktionen für Steig- und Sinkzeit des Oszilloskops bestimmt.
Diese messen die Zeit, die die Spannung braucht, um von 10 % ihres Maximalwertes auf 90 % ihres
Maximalwertes zu steigen, bzw. von 90 % auf 10 % zu fallen. Das Erreichen des Maximalwertes
selbst dauert dementsprechend länger. Die Werte für beide Vorgänge sind in Abb 5.14 über dem
Strom aufgetragen.
Man kann für den Einschaltvorgang eine Abhängigkeit vom Strom erkennen, die quadratischer
Natur zu sein scheint. Die Abschaltvorgänge dauern im Allgemeinen deutlich weniger lange.
Während die Einschaltvorgänge mit steigendem Strom länger dauern, geht das Ausschalten immer
schneller. Dies ist dadurch zu erklären, dass die noch im System verbliebene Energie von der
höheren Last viel schneller verbraucht ist.
31

Kapitel 5. Das modizierte PS A4603
Channel 3 4
Vset 0 - (-600) V 0 - (-600) V
Vmax (sw) 0 - (-600) V 0 - (-600) V
Vset/Vmax Auösung 100 mV 100 mV
Tabelle 5.5.: Eigenschaften der A4603-Software für die Hochspannung.
Abbildung 5.15.: Ein Blick in die HV-Box, an der schon das Oszilloskop angeschlossen ist.
5.4. Eigenschaften der Hochspannungskanäle
An den beiden Hochspannungs-Kanälen sind keine Änderungen vorgenommen worden; die Eigenschaften
der Spannungsquellen wurden aber teilweise untersucht, da ein Einuss durch die Modikation
des gesamten Power Supplies nicht grundsätzlich auszuschlieÿen ist. Wie bei den Low-
Voltage-Kanälen schon beschrieben, ist eine Bestimmung der von der Software einstellbaren Werte
recht einfach zu überprüfen. Die Werte in Tab. 5.5 stimmen alle mit der Spezikation überein.
Auch bei der Hochspannung wurde die Welligkeit gemessen, da diese sich negativ auf die Funktionsweise
der Pixelmodule auswirken könnte. Die Spezikation erlaubt einen Ripple von 50 mV
pp. Hierzu wurde eine HV-Box (Abb. 5.15, Schaltplan in Anhang A) gebaut, die zum einen eine
Last darstellen kann, zum anderen eine AC-Kopplung ermöglicht. Dies ist notwendig, da die
vorhandenen Oszilloskope nur für Spannungen bis zu 400 V geeignet sind, die Ausgangsspannung
aber bis zu 600 V beträgt. Die naheliegendste Lösung war es, mittels eines Kondensators zu entkoppeln
und über einem in Reihe geschalteten Widerstand zu messen. Die Box ermöglicht auÿerdem
via Bananensteckern einen zusätzlichen Verbraucher in Reihe mit den eingebauten Widerständen
von 30 kΩ und dem Potentiometer anzuschlieÿen.
Um mögliche Veränderungen durch das MSC auszuschlieÿen, wurde die Box direkt am Ausgang
des PS4603 montiert. Da eine Veränderung des Ripple bei unterschiedlichen Lasten/Strömen nicht
ausgeschlossen wurde, fand die Messung für mehrere verschiedene Lasten statt. Die Spannung
wurde konstant zu 600 V gewählt. Jeder Punkt im Diagramm (Abb. 5.16) ist ein Mittelwert
aus ca. 1000 Messwerten und der Fehlerbalken die zugehörige Standardabweichung. Die Werte
wurden alle durch die Funktionen des verwendeten Oszilloskops ermittelt und berechnet. Um eine
Abhängigkeit von der Zeitauösung festzustellen wurde diese variiert; es wurde mit 10 ms und mit
1 µs gemessen. Da die gemessenen Werte sehr deutlich über der Spezikation von 50 mV liegen und
CAEN selbst nur mit 1, 5 m Kabel und mit einem Kondensator mit 10 nF parallel zum Widerstand,
über dem gemessen wird, eine Spezikation durchgeführt hat [17] wurde vor Aufnahme der roten
Messpunkte ebenfalls ein (43 m langes) MSC eingebaut. Da CAEN versicherte, pp und keine
RMS-Werte zu messen, beschränken sich die folgenden Messungen auf diesen Wert.
Durch das zusätzliche Kabel ist eine Reduktion um ca. 20 % entstanden. Um testen zu können,
ob mit dem Kondensator eine weitere Reduktion bis auf 50 mV erreicht wird, wurde die HV-Box
32

5.5. PSU1
Abbildung 5.16.: HV-Ripple ohne Kabel, ohne Kondensator parallel zum Messwiderstand.
auf einem Kanal so umgebaut, dass die gleichen Bedingungen vorliegen wie bei CAEN. Mit der
neuen Box konnte die Last leider nicht variiert werden. Es wurde ein Widerstand von 50 kΩ
verwendet, bei CAEN war es ein 55 kΩ-Widerstand. Der Kondensator hat, wie auch bei CAEN,
eine Kapazität von 10 nF. Da CAEN angegeben hat, mit einer auf 20 MHz limitierten Bandbreite
zu messen, wurde die Bandbreite variiert, um daraus resultierende Eekte sehen zu können.
In dieser Messung, die in Abb. 5.17 dargestellt ist, konnten die Werte zwar ein weiteres Mal
verbessert werden, in den Bereich von 50 mV kommen sie aber erst durch die Wahl einer Auösung
von 10 −7 s/div, bei der nicht mehr der gesamte Ripple gemessen werden kann. Der durch ein Kreuz
dargestellt Messpunkt wurde bei der von CAEN verwendeten Zeitauösung gemessen. Die für sehr
geringe Auösung übermäÿig hohen Werte sind die Amplitude einer 50 Hz-Schwingung, die durch
die Verwendung des MSC entsteht, das aufgerollt neben anderen Stromkabeln liegt. Die sinnvollen
Werte liegen in dem mittleren Diagrammbereich und sind mit 100 − 130 mV immer noch mehr
als doppelt so groÿ wie erwünscht. Eine deutliche Verbesserung durch den parallelen Kondensator
kann man nicht erkennen. Um die 50 Hz-Schwingung nicht mehr als Störsignal zu erhalten, wurden
ca. 1 m lange Kabel verwendet. Die beiden Kabel (HV+ und HV-) wurden miteinander verdreht.
Auch bei dieser Messung war die Welligkeit gröÿer als 50 mV, dies liegt hier wie erhot aber nicht
mehr an einer 50 Hz-Schwingung.
5.5. PSU1
Alle bisherigen Tests wurden ausschlieÿlich mit Power-Supply-Unit 0 (PSU0) durchgeführt. Da
beide Units exakt baugleich sind, kann davon ausgegangen werden, dass ein Betrieb von PSU1 die
gleichen Ergebnisse liefern würde, dies wurde im Rahmen dieser Arbeit jedoch nicht überprüft. Es
ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass der zeitgleiche Betrieb beider Units, der im Detektor vorgesehen
ist, zu Veränderungen führt. In erster Linie ist zu befürchten, dass die Leistung des Netzteils
nicht ausreicht, um an beiden Units maximale Leistung zu ziehen. Um dies ausschlieÿen zu können,
wurde zusätzlich zu den beiden Lastboxen an der PSU0 eine Last in Form von Widerständen
an PSU1 angeschlossen. Der Widerstand für LV0 wurde 1, 14 Ω, der für LV1 2, 35 Ω groÿ gewählt,
33

Kapitel 5. Das modizierte PS A4603
Abbildung 5.17.: HV-Ripple mit Kondensator parallel zum Messwiderstand.
da diese Kombinationen bei 10 V nahe der maximalen Ströme liegen. Zwischen den Widerständen
und dem A4603 befand sich kein MSC, da wir nur über eines verfügen. Es wurden beide Power
Supplies auf den maximalen Strom zum zugehörigen LV-Kanal eingestellt und die Widerstände so
dimensioniert, dass sie ebenfalls nahezu maximalen Strom bei 10 V Spannung ziehen. Die 10 V-
Einstellung wurde gewählt, da die am Power Supply anzuschlieÿenden Konverter diese Spannung
benötigen. Eine Erhöhung der Spannung war nicht möglich (ohne die Widerstände zu wechseln).
Der Test zeigte, dass an beiden Supply Units zusammen auch über 290 W zur Verfügung gestellt
werden können und es keine Komplikationen gibt. Bei höheren Spannungen und anderen Lasten
ist durchaus eine höhere Leistung möglich.
5.6. Zusammenfassung
Die Untersuchung des Betriebes im Magnetfeld sowie unter Strahlungsbelastung wurden nicht
durchgeführt. Für diese Messungen ist unser Laboraufbau nicht geeignet. Die durchgeführten
Messungen zeigen, dass das Modikationskit sehr gut arbeitet. Nahezu alle untersuchten Eigenschaften
erfüllen die Spezikationen und die Erhöhung der Spannung ist ohne Leistungsverluste
umgesetzt worden. Einzig der Ripple ist nicht so gering wie erwünscht. Dies ist jedoch auch bei
dem unmodizierten Netzteil der Fall. Um den Einuss genauer zu untersuchen wurden Tests
mit DC-DC-Konvertern und einem Pixelmodul durchgeführt. Diese werden im nächsten Kapitel
beschrieben.
34

Kapitel 6.
Systemtestmessungen mit
DC-DC-Konvertern und einem Pixelmodul
In diesem Kapitel wurden Systemtests mit einem Pixelmodul durchgeführt, um die Einüsse der
Eigenschaften des Netzteiles, der DC-DC-Konverter und weiterer verwendeter Komponenten der
Spannungsversorgung zu untersuchen. Vor allem die Schaltprozesse die in den Netzteilen und
Konvertern stattnden, könnten sich auf das Rauschen der Pixelmodule auswirken. Da die neuen
Pixelmodule noch nicht existieren, wurden die Messungen mit einem der aktuellen Pixelmodule,
welche in Kapitel 2 bereits ausführlich beschrieben wurden, durchgeführt.
6.1. Das Systemtestsetup
Um Tests mit einem Pixelmodul durchführen zu können, bedarf es eines umfangreichen Aufbaus.
Die wichtigsten Teile sind das Testboard, um das Modul ansprechen und Daten auslesen zu können,
die Modulbox, die die nötigen Bedingungen für das Modul schat, und die Konverterkiste, die
den Betrieb der DC-DC-Konverter ermöglicht.
Die Modulbox (Abb. 6.1) dient dazu, das Pixelmodul auf einer gewünschten Temperatur zu
halten und Eisbildung zu verhindern. Dazu wurde eine Kiste aus Styrodur gebaut [20], die während
des Betriebes geschlossen gehalten wird. In der Kiste bendet sich eine Metallplatte, auf der bis
zu vier Module positioniert und betrieben werden können. Die Platte soll das Modul kühlen. Dazu
ieÿt Kühlmittel (eine Silikonmischung) der angeschlossenen Kühlmaschine, einer Huber CC 505
[21], durch Bohrungen in der Platte. An der Kühlmaschine kann die Temperatur vorgegeben
werden, die die Platte haben soll. Die Pixelmodule sind auf einen Modulhalter aufgeschraubt und
mit einem Plastikgehäuse versehen, um sie vor mechanischen Schäden zu schützen. Um einen
guten thermischen Kontakt zwischen der Kühlplatte und dem Modulhalter herzustellen, benden
sich weitere Kanäle in der Platte. Diese enden in Fräsungen unter dem Modulhalter, während
am anderen Ende eine Vakuumpumpe angeschlossen ist. Die Module werden somit auf die Platte
gesaugt und ein guter Kontakt ist vorhanden. Werden einzelne Plätze für Module nicht genutzt,
ist es wichtig, die vorgesehenen Fräsungen abzukleben, damit diese Technik weiterhin funktioniert.
In die Modulbox kann des Weiteren Trockenluft eingeleitet werden, die verhindert, dass es durch
groÿe thermische Veränderungen, die während dieser Messreihen nicht durchgeführt wurden, zu
Eisbildung kommt und die Module beschädigt werden können. Auf dem Bild ist die Modulbox,
wie auch während der Versuche, mit vier Pixelmodulen bestückt. Es wurde immer nur das im Bild
ganz unten dargestellte Modul (M806) genutzt.
Das Testboard (Abb. 6.2) erlaubt die Kommunikation mit dem Pixelmodul und versorgt dieses
mit den nötigen Spannungen. Dazu können über eine Anschlusskarte das Power- und das Datenkabel
des Pixelmoduls an das Testboard angeschlossen werden. Über eine zusätzliche Adapterkarte
ist es möglich, nicht die vom Testboard zur Verfügung gestellte Niederspannung zu verwenden, sondern
das Modul extern zu versorgen. Die Spannungen werden dazu auf der Karte unterbrochen und
an Schraubklemmen kann die gewünschte Quelle mit dem Pixelmodul verbunden werden. Zur Versorgung
des Boards gibt es ein 6 V Netzteil, über das optional auch die LV Versorgung stattndet.
35

Kapitel 6. Systemtestmessungen mit DC-DC-Konvertern und einem Pixelmodul
Abbildung 6.1.: Box, in der die Pixelmodule betrieben werden können.
36

6.1. Das Systemtestsetup
Abbildung 6.2.: Testboard, um das Modul zu steuern; die Adapterkarte für den LV Input ist
optional und wird weggelassen, wenn die Niederspannung aus dem Testboard
verwendet werden soll.
Die HV muss an einer Lemo-Buchse eingespeist werden. In den ersten Tests war an diese ein Keithley
2410 Sourcemeter [22] angeschlossen. Auch die Hochspannung des A4603 Netzteils musste hier
angeschlossen werden, da das Testboard die Hochspannung nicht nur weiterleitet, sondern auch
einen Überspannungsschutz darstellt. Es besteht zusätzlich eine gesonderte Verbindung des Testboards
zur Erde. Die Verbindung zum Messrechner wird mit einem USB-Kabel hergestellt. Mit der
vom Paul-Scherrer-Institut entwickelten Psi46expert-Software kann das Testboard und somit auch
das Pixelmodul gesteuert und ausgelesen werden. Bevor das Rauschen des Moduls gemessen werden
kann müssen dazu Tests durchgeführt werden die die DAC-Parameter des Moduls optimieren.
Dies sind der PreTest, der FullTest, der TrimTest und die PHKalibration (Pulshöhenkalibration).
Um die Konverter zu betreiben, wird eine weitere Styrodur-Kiste (Abb. 6.3) genutzt, da auch
diese bestimmte Anforderungen an die Temperatur stellen. Sie müssen gekühlt werden, um die
Temperatur konstant zu halten, da diese Ausgangsspannung und Ezienz beeinusst. Das Prinzip
ist ähnlich dem der Modulbox. Hier wurden zwischen der gekühlten Metallplatte und der Platte,
die thermischen Kontakt mit den Konvertern hat, zusätzlich Peltier-Elemente eingebaut. Diese
erlauben eine exakte und schnellere Regelung der Temperatur an der Kühlplatte und den Konvertern.
Für die im Rahmen dieser Arbeit gemachten Versuche wäre dies nicht nötig gewesen, die Kiste
ist jedoch auch für Versuche, während derer die Konverter thermisch zykliert werden, gebaut und
dazu werden die Peltier-Elemente benötigt. Eine Software, die an Peltier-Controler und Kühlmaschine
angeschlossen ist, überprüft, ob die Kühlmaschine mitläuft und schaltet die Peltiers ab, falls
dies nicht der Fall ist. Dies verhindert ein Überhitzen der unteren Kühlplatte, bzw. des Raumes
37

Kapitel 6. Systemtestmessungen mit DC-DC-Konvertern und einem Pixelmodul
Abbildung 6.3.: Die Konverterkiste mit dem Bus-Board, auf das hier nur ein Konverter jedes Typs
gesteckt wurde.
zwischen den beiden Platten und damit der sich darin bendenden Kabel. In der Software lässt
sich auÿerdem die Temperatur der oberen Kühlplatte regeln. Die Kühlmaschine ist dieselbe, die
auch die Modulbox kühlt. Mit T-Stücken sind beide Kisten an eine Maschine angeschlossen. Auch
dieser Kiste wird Trockenluft zugeführt, um Kondensation zu vermeiden; da alle Versuche bei einer
Temperatur von 20° C gemacht wurden, ist diese jedoch nicht notwendig und die Kiste konnte auch
in oenem Zustand betrieben werden. Dies erleichtert die Kabelführung deutlich und wurde ausgenutzt.
Der thermische Kontakt zwischen der oberen Kühlplatte und den Konvertern wird über
Kühlbrücken hergestellt. Eine Kühlbrücke ist mit zwei Schrauben auf die Kühlplatte montiert.
Auf jeder Kühlbrücke benden sich zwei Konverter (bei vollständiger Bestückung), die ebenfalls
mit jeweils zwei Schrauben auf die Brücke gedrückt werden. Auf der Brücke ist ein Klebestreifen
Kaptonband aufgebracht, um einen elektrischen Kontakt zu unterbinden. Die Konverter sind auf
ein Prototyp des im Detektor verwendeten Bus-Boards, das nur vier Konverterpaare aufnehmen
kann, gesteckt. Es kann vier 3, 0 V-Konverter und vier 2, 5 V-Konverter betreiben. Die Spannung
der Konverter für den analogen Strom unterscheidet sich von der im Detektor verwendeten, da
eine umständliche Bearbeitung der Konverter notwendig gewesen wäre, die aufgrund der geringen
Dierenz von 0, 1 V nicht als zweckmäÿig angesehen wurde. Die Versorgung ndet mittels zwei mal
zweier Schraubklemmen statt, an die das Power Supply angeschlossen wird. Die Ausgangsspannungen
können an acht Steckverbindungen abgegrien werden. Es besteht die Möglichkeit, auch
einen HV-Kanal mittels BNC-Steckern über das Bus Board zu leiten, diese wurde jedoch nicht
genutzt. Der Anschluss der Konverterkiste an das Netzteil fand in allen Versuchen mit dem MSC
statt. Um die Konverterkiste anschlieÿen zu können, wurde ein weiteres, ca. 1 m langes Kabel,
das den Dsub-Stecker in einzelne Adern mit Aderendhülsen auöst, verwendet.
Der nale Aufbau, in dem alle vorhandenen Elemente, die im Detektor eingesetzt werden,
genutzt wurden, ist in Abb. 6.4 dargestellt. Bei den vorhergehenden Messungen müssen einzelne
Elemente weggelassen, ersetzt oder ergänzt werden; dies wird an entsprechender Stelle erklärt.
6.2. Die Messmethode
Das Rauschen des Pixelmoduls wird mittels einer sogenannten S-Kurvenmessung durchgeführt.
Die Module werden zunächst auf einen bestimmten Threshold Wert getrimmt, d.h. es werden
DAC-Parameter so eingestellt, dass die Ausleseelektronik der ROCs ab einer betimmten Spannung
38

6.2. Die Messmethode
Abbildung 6.4.: Systemtest-Aufbau für den nalen Test mit HV-Board und MTP-Kabel.
ein Hit registriert. In einer folgenden Messung werden in jedes Pixel Kalibrationspulse injiziert
und gemessen, wie viele Pulse vom Modul detektiert werden. Die Ladung des Kalibrationssignals
wird sukzessive über den Vcal-DAC erhöht. Ohne Rauschen würde sich dann für die Ezienz als
Funktion der Höhe des Kalibrationssignals eine Stufenfunktion ergeben. In der Realität ergibt sich
hingegen keine scharfe Stufe, sondern, insofern das Rauschen gauÿisch ist, eine Errorfunktion. Da
man annehmen kann, dass es sich um ein gauÿisches Rauschen handelt, wird an die Ezienzen
eine Errorfunktion angepasst und die Breite dieser bei 50 % Ezienz (also der Hälfte des Maximalwertes)
bestimmt [5]. Dieser Wert wird als S-Kurven-Rauschen eines einzelnen Pixels bezeichnet.
Um eine möglichst genaue Bestimmung zu ermöglichen, macht das Programm PSI46expert den
Test einmal mit Variation des Vcal-DACs in einem groÿen Bereich und ein zweites mal in einem
kleineren Bereich in der Nähe des in dem ersten Lauf bestimmten Threshold-Wertes mit gröÿerer
Genauigkeit. Der Wert des Rauschens liegt zunächst in DAC Units vor, kann aber in eine Spannung
oder in eine Elektronenzahl (1 DAC-Einheit entspricht 65 Elektronen) umgerechnet werden.
Im folgenden werden die Angaben in Elektronenzahlen stattnden.
Jede Messung wurde, soweit möglich, vier mal durchgeführt. An dem DC-DC Konverter, der
die digitale Ausgangsspannung (3, 0 V) liefert, ist dabei eine an der RWTH gebaute Loadbox
(Anhang B) angeschlossen, deren Betriebsmodi variiert wurden. In der jeweils ersten Messung
zieht sie keinen Strom, in der zweiten einen konstanten Strom von 2, 0 A. Dieser Strom entspricht
etwa dem Strom, den ein Konverter im CMS-Experiment maximal liefern muss. Da im Detektor
teilweise mehrere Pixelmodule an einen Konverter angeschlossen werden, muss die elektronische
Last verwendet werden, um dies zu simulieren. Im LHC gibt es alle 89 µs einen Zeitraum von 3 µs
in dem keine Kollisionen stattnden. In diesem Zeitraum gelangen keine Teilchen in den Detektor.
Diesen Zeitraum nennt man Orbit Gap. Da das Pixelmodul in diesem Zeitraum keine Hits sieht
fällt sein der digitaler Strom, denn er ergibt sich zu I dig = 8 · (29, 9 + 0, 1 · R [ MHz/cm 2] mit der
Flussrate der Teilchen R. Dies wird während der dritten Messung mit einem Funktionsgenerator,
einem Hameg HMF2525 [23] simuliert. Dieser triggert die Last dazu mittels einer Rechteckfunktion
(f = 11, 23596 Hz, das ist die Frequenz, mit der die Teilchen durch den Beschleuniger iegen). In
der vierten Messung wird dieser Vorgang invertiert. Dies würde bedeuten, dass in einem Teilchenstrahl
nur ein einziger Bunch vorhanden ist, wie es beispielsweise bei einem Teststrahl vorkommt.
In einem Histogramm werden die Rauschwerte der einzelnen Pixel eingetragen. Die Mittelwerte
und deren Standardabweichung werden berechnet und zum Vergleich der verschiedenen Messungen
39

Kapitel 6. Systemtestmessungen mit DC-DC-Konvertern und einem Pixelmodul
Abbildung 6.5.: Referenzmessungen: links ohne und rechts mit DC-DC Konvertern. Gemessen
wurde ohne eine zusätzliche Last (schwarz), mit einer konstanten Last von 2 A
(rot), einer Last die die Orbit Gaps simuliert (blau) und einer Last Last die
invertierte Orbit Gaps simuliert (violett).
genutzt.
6.3. Referenzmessungen
Um Resultate der folgenden Messungen beurteilen zu können, wurden zunächst Referenzmessungen
(Abb. 6.5) gemacht. Bei der ersten wurden die Niederspannungen von dem Testboard
verwendet. In einer zweiten Messung wurde die Niederspannung des nicht mit dem Modikationskit
ausgestatteten PS4603 über einen Spanungsteilers an den Senseleitungen zunächst auf 10 V
erhöht und dann in der Konverterkiste mit PixV8A Konvertern auf die benötigten 3, 0 V, bzw.
2, 5 V gebracht. Die Hochspannung wurde in beiden Aufbauten von dem Keithley Sourcemeter
zur Verfügung gestellt. Typische Werte für das mittlere Rauschen sind damit 174 Elektronen und
für den RMS-Wert 21, 5Elektronen. Das höhere Rauschen für Messungen mit dynamischer Last
sind mit den Kondensatoren zu begründen, die sich auf den Konvertern benden und bei diesen
Messungen damit ebenfalls nicht verwendet werden.
6.4. Das modizierte A4603 mit alten V8A Konvertern
Nach den erfolgreichen Testmessungen mit dem modizierten PS A4603 kann auch das Pixelmodul
mit diesem betrieben werden. Dies ist aufgrund der erhöhten Ausgangsspannung nur mit Konvertern
möglich. Zunächst wurden hierzu die Pix-V8A-Konverter benutzt. Da noch nicht abzusehen
ist, welchen Einuss die Slow Control Funktion des Power Supplys hat, wird diese zunächst deaktiviert
und in einer weiteren Messung eingeschaltet.
Wie in Abb. 6.6 ersichtlich, betragen die Abweichungen beider Messungen im Rauschen unter
einem halben Elektron und gehen nicht in eine konstante Richtung; daher scheint diese Funktion
keinen Einuss auf das Rauschen zu haben. In den folgenden Messungen wird nur mit aktivem Slow
Control gearbeitet, da dieser Betriebsmodus die Eingangsspannung der Konverter auf konstante
10 V regelt. Auch für den Betrieb des Pixeldetektors im CMS-Experiment wird geplant, diese
Funktion zu aktivieren. Beide Messungen, sowohl ohne, als auch mit Slow Control, stellen keine
Verschechterung zu den Referenzmessungen mit dem unmodizierten Netzteil dar.
40

6.5. Messungen mit zusätzlicher Last an dem Netzteil
Abbildung 6.6.: Erste Messung mit dem modiziertem PS A4603: links ohne die SC-Funktion;
rechts mit aktivierter SC-Funktion.
6.5. Messungen mit zusätzlicher Last an dem Netzteil
Der nächste Test soll zeigen, ob sich das Rauschen durch eine höhere Last am Ausgang des Power
Supply ändert. Es wäre vorstellbar, dass dieses nahe der maximalen Last einen weniger konstanten
Strom liefert, der die Messungen negativ beeinussen könnte. Diese Messung wurde zunächst mit
Lasten parallel zur Konverterkiste durchgeführt:
ˆ
ˆ
7 A an LV0 parallel zu den Konvertern;
3 A an LV1 parallel zu den Konvertern.
In einer weiteren Messung wurden die sechs bis jetzt nicht verwendeten DC-DC-Konverter an
Lasten angeschlossen:
ˆ
ˆ
5 A parallel zu den Konvertern an LV0;
je 2 A bei den digitalen Konvertern mit der RWTH-Last;
ˆ
je 3 A bei den analogen Konvertern, die nicht das Pixelmodul versorgen, mit der Statron-Last
gezogen.
Parallel zur Konverterkiste an LV1 bendet sich keine Last, da sie hinter der Kiste eingebaut
wurde und keine weiteren geeigneten Lasten existierten. Der Aufbau entspricht dem in Abb. 6.9
links dagestellten, mit dem Unterschied, dass dort eine vierte Last genutzt wurde. Diese Messung
sollte zeigen, ob die Konverter auch unter groÿer Last einwandfrei arbeiten. In Abb. 6.7 ist zu
erkennen, dass beide Belastungen zu keinem erhöhten Rauschen führen.
6.6. Messungen mit den neueren V9A-Konvertern
Bis zu diesem Punkt wurden nur Konverter des Typs V8A verwendet. Im Folgenden sollen die
weiter entwickelten PixV9A Konverter mit den AMIS5-Chips verwendet werden. Im nächsten Test
wurden daher beide Konverter-Layouts einmal benutzt und verglichen.
Auch hier zeigen beide Messungen (Abb. 6.8) sehr ähnliche Werte. Es sind allerdings etwas
gröÿere Unterschiede von ca. zwei Elektronen im Vergleich zu den vorherigen Messungen
erkennbar. Dies kann damit begründet werden, dass einige Zeit zwischen den Messungen lag und
sich die äuÿeren Bedingungen geändert haben.
41

Kapitel 6. Systemtestmessungen mit DC-DC-Konvertern und einem Pixelmodul
Abbildung 6.7.: Neues A4603 mit maximaler Last: links parallel zur Konverterkiste, rechts soweit
möglich, hinter der Konverterkiste.
Abbildung 6.8.: Vergleich der Konverterlayouts: links ein älterer V8A, rechts die aktuellste Version
V9A.
42

6.7. Test mit Verwendung des Micro Twisted-pair Cable
Abbildung 6.9.: V9A Konverter: links Setup mit allen Lasten, rechts Messung mit maximaler Last.
Abbildung 6.10.: Das Micro Twisted-pair Cable welches im Detektor eingesetzt wird. Hier sind an
den Enden Dsub Stecker angebracht die nur zu Testzwecken dienen.
Auch mit den PixV9A-Konvertern wurden Messungen mit zusätzlichen Lasten gemacht. Für
die Messung wurden hierbei zusätzlich Lastwiderstände so kombiniert, dass an beiden Niederspannungskanälen
die volle Last gezogen werden konnte. In Abb. 6.9 ist neben dem Ergebnis auch der
Aufbau gezeigt, weil in diesem Teil sehr viele Geräte genutzt wurden. Das Rauschen bleibt auch
hier bei ungefähr 172 Elektronen.
6.7. Test mit Verwendung des Micro Twisted-pair Cable
Wie im Abschnitt über die Spannungsversorgung schon erklärt wurde, wird die Spannung zwischen
den DC-DC Konvertern und dem Pixelmodul unter anderem über ein sogenanntes Micro Twistedpair
Cable (MTP, Abb. 6.10) übertragen. Es handelt sich hierbei um 360 µm dünne Adern, auf
die eine Kupferschicht aufgetragen ist (ein sogenanntes Copper cladded Aluminium cable). Acht
dieser Adern für die Spannungsübertragung sowie weitere, dünnere für die Datenübertragung
sind miteinander verdrillt. Für die Spannungsübertragung stehen acht Adern für jedes Modul
zur Verfügung, zwei für die analoge und vier für die digitale Niederspannung, sowie zwei für die
Hochspannung. Alle Adern sind miteinander verdrillt. Eine Charakterisierung der Kabel wurde
durchgeführt; deren Ergebnisse sind in Tab. 6.1 zusammengefasst. Um dieses Kabel nutzen zu
können, wurde an beiden Seiten ein neunpoliger Dsub-Stecker (bzw. -Buchse) angebracht. Die
originalen Verbindungen stehen uns leider nicht zur Verfügung und können daher nicht getestet
werden. Um die Dsub-Verbindungen nutzen zu können, wurden Adapterstecker gebaut, die von
den entsprechenden Gegenstücken auf einzelne Adern mit Aderendhülsen gehen, die dann mittels
Schraubklemmen angeschlossen werden können. Das Micro Twisted-pair Cable selbst ist so dünn,
dass es bei einem Anschluss mittels Schraubklemme brechen würde. Um einen Einuss der nun
zusätzlich eingeführten Adapter auszuschlieÿen, wurde zunächst eine Testmessung (Abb. 6.11,
links) mit diesen, ohne das MTP und im Anschluss die gewünschte Messung (Abb. 6.11, rechts)
mit letzterem durchgeführt. Bei beiden Messungen unterscheidet sich das Rauschen nicht merklich
43

Kapitel 6. Systemtestmessungen mit DC-DC-Konvertern und einem Pixelmodul
Abbildung 6.11.: Messung ohne (links) und mit (rechts) Micro Twisted-pair Cable.
R [mΩ] L [nH]
Vd+ 158 1287
Vd- 135 1259
Va+ 304 1495
Va- 322 1451
HV+ 299 1539
HV- 254 1526
Tabelle 6.1.: Charakterisierung des MTP bei 11, 24 kHz.
voneinander.
6.8. HV Board
Im CMS-Experiment wird die Hochspannung mit einem HV-Board, welches am I. Physikalischen
Institut der RWTH entwickelt wird (Abb. 6.12, Schaltplan in Anhang C), zu dem MTP-Kabel
gebracht, . Das Board bendet sich im äuÿeren Teil der Supply Tube unter den Bus Boards.
Es besteht aus zwei Kupferlagen, welche jeweils 70 µm dünn sind. Es besitzt vier Hochspannungskanäle,
die aus jeweils vier Leitungen und einer Masse bestehen. Durch die dünne Bauweise
ist es extrem exibel; es wird daher auch Flexboard genannt. Ein solches HV-Board steht uns zur
Verfügung und wurde mit einer Platine mit Schraubklemmen am Ausgang und einem Stecker mit
Aderendhülsen am Eingang versehen. So kann das Board zwischen das MSC und das MTP gebaut
werden, um auch dessen Einuss untersuchen zu können. Die Messung wurde mit dem Kanal L4
V1 gemacht. Die am Ausgang verwendete Platine legt durch eine aufgelötete Brücke fest, welche
Leitung verwendet werden kann.
Auch in diesem Test (Abb. 6.13) steigt das Rauschen nicht über gut 174 Elektronen, d.h. die
zusätzliche Komponente beeinusst die Ausleselektronik nicht maÿgeblich. Der gleiche Test wurde
Abbildung 6.12.: HV-Board, über das die Hochspannung über den äuÿeren Teil der Supply-Tube
gebracht wird. Diese Boards verlaufen unter den Bus Boards für die DC-DC-
Konverter.
44

6.9. Variation der digitalen Modulspannung
Abbildung 6.13.: Messung mit HV-Board und MTP-Kabel.
auch mit Kanal L4 V2 gemacht, um eventuelle Dierenzen zwischen verschiedenen Kanälen zu
nden. Diese konnten nicht festgestellt werden, bei der Messung mit dem zweiten Kanal konnte
das gleiche Rauschen beobachtet werden.
Mit dem Board, das im Detektor die LV-Kanäle des Bus-Boards mit dem MTP-Kabel verbinden
wird, können hier leider keine Systemtests vorgenommen werden, da das entsprechende Bauteil
noch nicht zur Verfügung stand.
6.9. Variation der digitalen Modulspannung
Es ist nicht auszuschlieÿen, dass die Ergebnisse der S-Kurvenmessung durch die Höhe der digitalen
Eingangsspannung (Vd) beeinusst werden. Um herauszunden, ob und ab welcher Spannung das
Rauschen sich verändert und in welchem Bereich es konstant ist, wurde ein Setup aufgebaut, um
die Vd-Abhängigkeit des Rauschens zu messen.
Hierzu wurde das vorab von CAEN modizierte A4603 verwendet. Dieses liefert auf LV0 Ausgangsspannungen
zwischen 1, 8 V und 3, 0 V [8], die mit 0, 05 V Genauigkeit eingestellt werden
können. An das Power Supply ist das MSC und das 1 m lange Splitkabel angeschlossen. Dieses
ist mit der Adapterkarte des Testboards verbunden. Die HV wird durch das Keithley-Netzteil
zur Verfügung gestellt. Die Fast-Remote-Control-Funktion des A4603 lässt sich nicht deaktivieren
und regelt die Spannung an den Schraubklemmen der Adapterkarte auf die V set -Werte. V analog ist
konstant 2, 3 V (höhere Spannugnen sind nicht möglich) und V digital wurde zwischen 2, 2 V und
3, 0 V variiert. Es wurde jeweils nur eine Messung ohne zusätzliche Lasten gemacht.
In Abb. 6.14 sieht man, dass das Rauschen bei geringen Spannungen deutlich zunimmt. Es ist
daher notwendig, dass die Eingangsspannung der Module nicht zu gering ausfällt. Der den Berechnungen
der Konverterspannung zugrundeliegende Wert ist 2, 2 V als minimale Spannung. Dazu
wurde die Ausgangsspannung der Konverter aus der minimalen Eingangsspannung V digital für das
Pixelmodul und den Spannungsabfällen auf der Supply Tube berechnet. Bei dieser Spannung liegt
das Rauschen noch unter 178 Elektronen. Geringere Werte sollte die Spannung jedoch nicht annehmen,
da das Rauschen sehr schnell ansteigt. Bei allen zuvor durchgeführten Rauschmessungen
lag Vd über 2, 6 V und damit im Bereich des konstanten Rauschens.
45

Kapitel 6. Systemtestmessungen mit DC-DC-Konvertern und einem Pixelmodul
Abbildung 6.14.: S-Kurven-Rauschen in Abhängigkeit von der digitalen Spannung.
46

Kapitel 7.
Zusammenfassung
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein CAEN A4603-Netzteil, welches mit einem neuen Modi-
kationskit ausgestattet wurde, das für den Betrieb am CMS-Experiment unerläÿlich ist, umfassend
charakterisiert. Auÿerdem wurden Systemtestmessungen mit Pixelmodulen und DC-DC-
Konvertern gemacht. Diese Tests sind wichtig, um zu zeigen, dass die Spannungsversorgung
geeignet ist und am CMS-Experiment funktionieren wird.
Um diese Tests durchzuführen wurde ein umfangreicher Teststand aufgebaut. Mit dem aufgebauten
Teststand konnten alle zur Charakterisierung notwendigen Messungen gemacht werden. Es
wurden das Leistungsvermögen des Netzteils, dessen Genauigkeit beim Messen der Werte, sowie
die Welligkeit gemessen. Auÿerdem wurden Tests gemacht, welche die neue Slow Control-Funktion
des Netzgerätes untersuchten. Auch die Ein- und Ausschaltvorgänge wurden mit Hilfe eines Oszilloskopes
analysiert. Diese Tests wurden für die Niederspannung ebenso wie für die Hochspannung
durchgeführt. Für Letztere war es dabei notwendig, eine HV-Box zu bauen, um eine Last, die
für hohe Spannungen und geringe Ströme geeeignet ist, zu erhalten und AC und DC Signale zu
entkoppeln. Fast alle durchgeführten Tests zeigten, dass das Modikationskit für den Betrieb im
Experiment hervorrangend geeignet ist. Nur die Welligkeit ist etwas zu hoch gemessen worden,
weitere Messungen mit einem Netzteil ohne Modikationskit zeigten aber, dass dies auch hier
schon der Fall war.
Mit weiteren Komponenten des Teststandes konnten auch DC-DC-Konverter und ein Pixelmodul
betrieben werden. Es wurden Tests mit verschiedenen Spannungsversorgungen gemacht, um Unterschiede
herauszunden. Insbesondere wurden Stück für Stück immer mehr Komponenten der
Supply Tubes in den Teststand integriert und beobachtet, ob sich das S-Kurvenrauschen ändert.
Dies war nicht der Fall (Abb. 7.1). Inbesondere die Verwendung des Modikationskits zeigte keine
Erhöhung des Rauschens. Auch durch die weiteren eingefügten Komponenten wurden keine negativen
Einüsse beobachtet. Weitere Tests, bei denen das Netzteil während Rauschmessungen an
der Leistungsgrenze betrieben wurde, zeigten, dass auch dies einwandfrei funktioniert. Während
dieser S-Kurvenmessungen wurden auch im LHC-Betrieb zu erwartende Orbit Gaps simuliert, um
die Schwankungen der Spannung Vdig des Pixelmoduls zu simulieren.
Diese Beobachtungen sprechen dafür, dass das Modikationskit in der getesteten Form im CMS-
Experiment Anwendung nden kann und sollte, und keine weitere Überarbeitung notwendig ist.
Dazu müssen weitere Modikationskits bei CAEN bestellt und im Anschluss eingebaut werden.
Auch die derzeitigen Konverter sind gut für den Einsatz im Detektor geeignet. Einige weitere
Veränderungen stehen noch aus. Mit den nalen Konvertern sollten auch Systemtests durchgeführt
werden; ein höheres Rauschen ist aber derzeit nicht zu erwarten.
47

Kapitel 7. Zusammenfassung
Abbildung 7.1.: Vergleich des Rauschens verschiedener Setups. Die weiÿen Balken stellen die Standardabweichungen
der Mittelwerte dar.
48

Abbildungsverzeichnis
2.1. Die Lage des LHC Beschleunigerringes und der vier Experimente [2]. . . . . . . . . 4
2.2. Schnitt des CMS-Detektors, der einzelne Detektorelemente zeigt [4]. . . . . . . . . 4
2.3. Schematische Darstellung des Trackers [4]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.4. Aufbau der BPix Module (rechts ein vollständiges Modul, links ein Halbes, wie es
an den Rändern der Halbzylinder verwendet wird) [4]. . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.5. Schematische Darstellung des Ausleseverfahrens [5]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3.1. Vergleich zwischen altem und neuem Pixeldetektor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4.1. Schaltbild eines Abwärtswandlers, bzw. Buckkonverters. . . . . . . . . . . . . . . . 12
4.2. AC_PIX_V8A Konverter (links) und die Abdeckung für die Spule (rechts). . . . . 12
4.3. CAD Modell des neuen Pixeldetektors [7]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
5.1. Rack mit allen Komponenten der Spannungsversorgung. . . . . . . . . . . . . . . . 17
5.2. Versuchsaufbau, um Leistungsmessungen durchzuführen. . . . . . . . . . . . . . . . 19
5.3. Leistungsmessung der Niederspannung an der Last bei 12 V ohne Slow Control mit
sichtbarer Leitungsgrenze. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
5.4. Leistungsmessung der Niederspannung an der Last bei 11 V ohne Slow Control; auf
beiden Kanälen kann gleichzeitig der maximale Strom gezogen werden. . . . . . . . 21
5.5. Berechnete Ausgangsleistung der Niederspannung bei 12 V ohne Slow-Control. Die
Leistung unterscheidet sich deutlich von der an der Last gemessenen. . . . . . . . . 22
5.6. Berechnete Ausgangsleistung der Niederspannung bei 12 V ohne Slow-Control unter
realistischen Temperaturbedingungen: Die verfügbare Leistung ist durch das Kühlen
um 15 W gestiegen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
5.7. Diagramme für die Anpassung der Spannungen: V set (links) und V mon (rechts) sind
jeweils über V out aufgetragen und eine Regressionsgerade wurde angepasst. . . . . . 24
5.8. Anpassung der Stromabweichung (hier als Beispiel für I set gegen I out an LV0; Ergebnisse
aus fünf dieser Plots werden jeweils gemittelt). . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
5.9. Darstellung der Welligkeit für den Niederspannungskanal LV0 auf dem Oszilloskop.
Neben dem pp-Wert wurde manuell auch die Spannungsbreite des Kerns bestimmt. 26
5.10. LV-Ripple mit verschiedenen Bandbreiten gemessen. Die Fehlerbalken stellen die
Standardabweichung der Mittelwertberechnung dar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
5.11. Leistungsmessung für die Niederspannung an der Last mit Slow-Control für verschiedene
Spannungen: 10 V (links oben), 11, 5 V (rechts oben), 12 V (links unten),
12, 5 V (rechts unten). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
5.12. Spannungsverlauf beim Einschalten (oben) und Ausschalten (unten) der Last an
LV0. Man sieht die einzelnen Schritte in dem Regelprozess sehr gut. . . . . . . . . 29
5.13. Darstellung der Stromabhängigkeit der Slow-Control Funktion. Oben Dauer (links)
und Spannungsdierenz (rechts) eines Schrittes; unten die Gesamtdauer (links) bis
10 V Ausgangsspannung wieder erreicht sind, und die gesamte Spannungsdierenz
(rechts). Die Aussagen Ein- und Ausschalten in den Legenden beziehen sich
jeweils auf die elektronischen Lasten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
5.14. Zeit zum Ein- und Ausschalten der Spannung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
49

Abbildungsverzeichnis
5.15. Ein Blick in die HV-Box, an der schon das Oszilloskop angeschlossen ist. . . . . . . 32
5.16. HV-Ripple ohne Kabel, ohne Kondensator parallel zum Messwiderstand. . . . . . . 33
5.17. HV-Ripple mit Kondensator parallel zum Messwiderstand. . . . . . . . . . . . . . . 34
6.1. Box, in der die Pixelmodule betrieben werden können. . . . . . . . . . . . . . . . . 36
6.2. Testboard, um das Modul zu steuern; die Adapterkarte für den LV Input ist optional
und wird weggelassen, wenn die Niederspannung aus dem Testboard verwendet
werden soll. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
6.3. Die Konverterkiste mit dem Bus-Board, auf das hier nur ein Konverter jedes Typs
gesteckt wurde. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
6.4. Systemtest-Aufbau für den nalen Test mit HV-Board und MTP-Kabel. . . . . . . 39
6.5. Referenzmessungen: links ohne und rechts mit DC-DC Konvertern. Gemessen wurde
ohne eine zusätzliche Last (schwarz), mit einer konstanten Last von 2 A (rot), einer
Last die die Orbit Gaps simuliert (blau) und einer Last Last die invertierte Orbit
Gaps simuliert (violett). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
6.6. Erste Messung mit dem modiziertem PS A4603: links ohne die SC-Funktion; rechts
mit aktivierter SC-Funktion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
6.7. Neues A4603 mit maximaler Last: links parallel zur Konverterkiste, rechts soweit
möglich, hinter der Konverterkiste. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
6.8. Vergleich der Konverterlayouts: links ein älterer V8A, rechts die aktuellste Version
V9A. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
6.9. V9A Konverter: links Setup mit allen Lasten, rechts Messung mit maximaler Last. 43
6.10. Das Micro Twisted-pair Cable welches im Detektor eingesetzt wird. Hier sind an
den Enden Dsub Stecker angebracht die nur zu Testzwecken dienen. . . . . . . . . . 43
6.11. Messung ohne (links) und mit (rechts) Micro Twisted-pair Cable. . . . . . . . . . . 44
6.12. HV-Board, über das die Hochspannung über den äuÿeren Teil der Supply-Tube gebracht
wird. Diese Boards verlaufen unter den Bus Boards für die DC-DC-Konverter. 44
6.13. Messung mit HV-Board und MTP-Kabel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
6.14. S-Kurven-Rauschen in Abhängigkeit von der digitalen Spannung. . . . . . . . . . . 46
7.1. Vergleich des Rauschens verschiedener Setups. Die weiÿen Balken stellen die Standardabweichungen
der Mittelwerte dar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
A.1. Schaltplan der HV-Box, welche an der RWTH gebaut wurde. . . . . . . . . . . . . 53
B.1. Schaltplan der Lastbox, die an der RWTH gebaut wurde. . . . . . . . . . . . . . . 55
C.1. Schaltplan des HV-Board, welches am I. Physikalischen Institut entwickelt wurde
und so im CMS-Experiment eingebaut wird. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
50

Literaturverzeichnis
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http://iopscience.iop.org/1748-0221/3/08/S08001/pdf/1748-0221_3_08_S08001.pdf
[2] CERN, The Four Main LHC Experiments (Juni 1999).
http://cds.cern.ch/record/40525
[3] CERN press release, The rst LHC protons run ends with new milestone, Genf, Schweiz
(17.12.2012).
[4] The CMS Collaboration, S. Chatrchyan et al., The CMS experiment at the CERN LHC,
JINST 3 (2008) S08004.
http://iopscience.iop.org/1748-0221/3/08/S08004/pdf/1748-0221_3_08_S08004.pdf
[5] C. Eggel, CMS Pixel Module Qualication and Search for B0 s → µ + µ - , Doktorarbeit, ETH
Zürich, Schweiz (2009).
[6] Edward Bartz, The Token Bit Manager Chip for the CMS Pixel
Readout, http://lhc-electronics-workshop.web.cern.ch/lhc-electronicsworkshop/2003/sessionsPDF/Electrac/BARTZ.PDF
[7] The CMS Collaboration, S. Chatrchyan et al., CMS Technical Design Report for the pixel
detector upgrade, CERN-LHCC-2012-016 (2012).
http://cds.cern.ch/record/1481838/les/CMS-TDR-011.pdf?version=3
[8] CAEN S.p.A., PS A4603, Viareggio Lucca, Italien.
[9] S. Michelis et al., DC-DC converters in 0.35µm CMOS technology, JINST 7 (2012) C01072
[10] CAEN S.p.A., G. Esposito: Getting Started with EASY Power Supply, Viareggio Lucca, Italien.
http://www.CAEN.it/servlet/checkCAENManualFile?Id=5197
[11] CAEN S.p.A., SY2527, Viareggio Lucca, Italien.
http://www.CAEN.it/servlet /checkCAENManualFile?Id=8225
[12] CAEN S.p.A., A1676A, Viareggio Lucca, Italien.
http://www.CAEN.it/servlet /checkCAENManualFile?Id=8294
[13] CAEN S.p.A., A3486, Viareggio Lucca, Italien.
http://web.physik.rwth-aachen.de/service/wiki/pub/Feld/DC-DCxConversion/A3486.pdf
[14] Delta Elektronika B.V., SM 52-30, Zierikzee, Niederlande.
http://www.delta-elektronika.nl/en/products/sm1500-series.html
[15] B&K Precision Corporation, Model 8500,Yorba Linda ,USA.
http://www.bkprecision.com/downloads/manuals/en/85xx_manual.pdf
51

Literaturverzeichnis
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http://www.statron.de/pdfdownload/327
[17] Stefano Petrucci, CAEN Marketing Manager, persönliche Mitteilung
[18] Teledyne LeCroy, WaveRunner 6050, Chestnut Ridge, USA.
/home/christian/Dropbox/ASV/AG4 Malta http://teledynelecroy.com/support/techlib/registerpdf.aspx?do
[19] Teledyne LeCroy: WaveSurfer 44MXs-A, Chestnut Ridge, USA.
http://teledynelecroy.com/japan/pdf/cata/wavesurfer_xs-a-spec.pdf
[20] Jan Sammet, Doktorarbeit, RWTH Aachen, in Vorbereitung.
[21] Huber Kältemaschinenbau GmbH, CC 505, Oenburg, Deutschland.
http://www.huber-online.com/download/pdf_datasheets/deutsch/2018.0003.01.PDF
[22] Keithley Instruments Inc.: 2410 Sourcemeter, Cleveland, USA.
http://www.keithley.com/data?asset=56890
[23] HAMEG Instruments GmbH, Funktionsgenerator HMF2525, Mainhausen, Deutschland.
http://www.hameg.com/manuals.0.html?&no_cache=1&L=1&tx_hmdownloads_pi1[mode]=download&tx
[24] Agilent Technologies, E4980A Precision LCR Meter, Böblingen, Deutschland.
http://www.home.agilent.com/agilent/redirector.jspx?action=ref&cname=AGILENT_EDITORIAL&ckey
1-eng&lc=ger&cc=DE&nfr=-34124.536908436.00
52

Anhang A.
HV-Box
SUBD-17_A4_Male
A1
SUBD-17_A4_Female
A1
A2
A2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
10
11
12
13
14
15
16
17
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
2
3
4
5
6
7
8
9
A3
A3
A4
A4
1
1
2
100k
2
100k
1M
3
3W
1u
400V
3
3W
10nF/3kV
1/4W
Lemo
15k
15k
2W
2W
Lemo
100k
100k
10nF/3kV
1/4W
1/4W
15k
15k
2W
2W
1
Buchse_4mm_ red
1
Buchse_4mm_ red
Buchse_4mm_black
Buchse_4mm_black
1
BIAS 1
1
BIAS 2
RWTH Physik 1b
HV-BOX
Abbildung A.1.: Schaltplan der HV-Box, welche an der RWTH gebaut wurde.
53

Anhang B.
RWTH-Lastbox
+5V
-5V
+5V
-5V
-5V
+5V
+5V
+5V
-5V
-5V
+5V
+5V
-5V
-5V
+3.3V
GND
+5V -5V
Current - Sink
Release 1.09
21-Aug-2009
Page 1 of 1
J1
J2
J3
J6
J7
J5
J4
AD8010
2
3
6
7
4
U6
AD8010
2
3
6
7
4
U5
AD8010
2
3
6
7
4
U4
U1
74AC14
3 4
U1
74AC14
U1
74AC14
74AC14
8
9
U1
6
74AC10
5
4
3
U2
8
9
10
11
74AC10
U2
11
U1
10
74AC14
74AC14
13 12
U1
GND
12
13
2
1
U2
74AC10
GND
GND
GND
ADG719
U3
5
2
3
1
4
6
GND
VDD
S1/S2
D
S1
S2
2
3
1
2k
R8
2
3
1
2k
R20
2
3
1
2k
R16
R11
1
Q1
Si1450DH
D1
D2
G
S
D3
D4
R10
490
1k
R6
1k
R7
1k
R5
1k
R4
100n
C16
100n
C17
GND
10p
C13
0.5
R12
GND
GND
100k
R9
X2
GND
1k
R17
1k
R19
R151k
1k
R13
100k
R14
100k
R18
GND
GND
22u
C14
22u
C15
GND
GND
C4
100n
10u
C1
10u
C2
1u
C5
1u
C7
1u
C9
1u
C11
C6
1u
C8
1u
1u
C10
GND
R1
1k
1k R2
1k R3
GND
GND
GND
C12
1n
GND
GND
GND
GND
J8
GND
1
2
3
X1
100n
C3
VCC
Rx1
0
Abbildung B.1.: Schaltplan der Lastbox, die an der RWTH gebaut wurde.
55

Anhang C.
HV-Board
X3
X4
X5
L3-HV4
23
21
L2-HV4
49
47
L4-HV4
23
21
20
20
18
L3-HV3
44
42
L2-HV3
18
L4-HV3
13
13
L3-HV2
11
L2-HV2
37
35
L4-HV2
11
8
8
3
6
L3-HV1
32
30
L2-HV1
3
6
L4-HV1
1
L2L3-GND
Molex-Plug-55560-0247-L3L4
L3 (600V)
L2L3-GND
L1L4-GND
25
23
21
19
1
L1L4-GND
Molex-Plug-55560-0247-L3L4
L4 (600V)
16
14
L1-HV3
9
L1-HV2
7
THREADED INSERT MUST BE
COVERED WITH CAPTON !
4
2
L1-HV1
Molex-Plug-55560-0507-L1L2
THREADED INSERT MUST BE
COVERED WITH CAPTON !
L1L4-GND
X1
L1L4-GND
L1+L2 (1000V)
L2L3-GND
X2
L2L3-GND
20 19
20 19
L4-HV1
L4-HV3
L1-HV1
L1-HV3
16
12
8
4
13
9
5
1
L4-HV2
L4-HV4
L1-HV2
L2-HV1
L2-HV3
L3-HV1
L3-HV3
16
12
8
4
13
9
5
1
L2-HV2
L2-HV4
L3-HV2
L3-HV4
M80-5022042P-HV
CABLE1 (L1+L4)
LOWER CONNECTOR
M80-5022042P-HV
CABLE2 (L2+L3)
UPPER CONNECTOR
HV Bus
Release 1.0
21-Nov-2012
Page 1 of 1
Connectors
Abbildung C.1.: Schaltplan des HV-Board, welches am I. Physikalischen Institut entwickelt wurde
und so im CMS-Experiment eingebaut wird.
57

Danksagung
Zunächst möchte ich mich bei Herrn Prof. Dr. Lutz Feld dafür bedanken, dass er mir die Möglichkeit
gegeben hat, in seiner Arbeitsgruppe diese Bachelorarbeit zu erstellen. Herrn Prof. Dr. Stefan
Schael danke ich für die Zweitkorrektur dieser Arbeit.
Ein weiterer Dank richtet sich an meine gesamte Arbeitsgruppe, die mich immer wieder unterstützte.
Besonderer Dank gilt hierbei meiner Betreuerin Frau Dr. Katja Klein, die mir während des
Entstehungsprozesses dieser Arbeit immer hilfreich zur Seite stand. Auÿerdem ist an dieser Stelle
Jan Sammet hervorzuheben, auf dessen Versuchsaufbauten und Erfahrungen mit Systemtestmessungen
ich zurückgreifen konnte.
Bei der elektrischen Werkstatt, insbesondere bei Herrn Waclaw Karpinski, und bei der mechanischen
Werkstatt des I. Physikalischen Institutes der RWTH Aachen möchte ich mich für die
schnelle Hilfe bedanken, die ich stets erhielt.
Auÿerdem gilt meiner Mutter, Henny Fimmers, ein Dank für die Korrektur der Sprache dieser
Arbeit.
59

Erklärung
Hiermit erkläre ich, Christian Fimmers, dass ich die vorliegende Arbeit selbständig erarbeitet und
ausschlieÿlich die aufgeführten Quellen und Hilfsmittel verwendet habe. Alle Quellen und Zitate
sind als solche kenntlich gemacht, und die Literaturangaben sind nach meinem besten Wissen und
Gewissen korrekt und vollständig wiedergegeben.
Aachen, den 21.10.2013
61