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ALINEAMIENTO DEL
ESPECTRÓMETRO DE
MUONES DE CMS.
RESULTADOS DE LAS
PRUEBAS DEL IMAN DE CMS
XXXI Reunión Bienal de Física
10-14 Septiembre 2007, Granada
Mar Sobrón Sañudo
1
Índice




El Detector CMS
El Sistema de Alineamiento Óptico
El Magnet Test & Cosmic Challenge de CMS.
Estudios del Alineamiento en el MTCC
 Validación del sistema óptico y resultados
 Validación y alineamiento con cósmicos

Conclusiones
2
Mar Sobrón Sañudo
RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física
13 Septiembre 2007
El Detector CMS
Weight: 12.500 t
Diameter: 15.0 m
Length: 21.6 m
B Field:
4T






4T MAGNET
Criterios de diseño
Excelente identificación de
leptones (electrones y muones)
Un preciso sistema de tracking
en Si bajo un campo magnético
de 4T para la medida del
momento de las trazas
Detectores capaces de operar
con niveles altos de radiación
(hasta 1MGy en 10 años)
Uso de tecnologías de respuesta
rápida (intervalo de cruce de
haces de 25 ns)
Muy buena hermeticidad
ELECTROMAGNETIC
CALORIMETER
RETURN YOKE
SILICON
TRACKER
MUON BARREL
20 m
100 m
Precisiones Espaciales Requeridas
Mar Sobrón Sañudo
HADRONIC
CALORIMETER
RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física
MUON ENDCAPS
75-100 m 3
13 Septiembre 2007
El Sistema de Alineamiento de CMS
Link
Ali. Interno Barrel
Ali. Interno EndCap
Propósito: Alineamiento interno del tracker y monitoreo de
la posición relativa de las cámaras de muones (barrel y
endcap) con respecto al tracker.
Requerimientos físicos:
Error global de alineamiento ~100-200 m
Restricciones en el diseño:
 Hermeticidad (el sistema debe adaptarse a la
geometría del detector y a las restricciones de
espacio)
Ali. Interno Tracker
 Rango dinámico (varios cm)
 Resistencia a la radiación
 Inmunidad de los componentes a B y DB
4
Mar Sobrón Sañudo
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13 Septiembre 2007
Sistema de Alineamiento Barrel
Provee información de la orientación y posición
relativa de las cámaras del Barrel
MAB (36)
Plano Activo (6)
Plano Pasivo (6)
La posición relativa de las cámaras es
calculada por triangulación.
Video-cámaras situadas en estructuras
rígidas externas (MABs) observan los
puntos de referencia de las cámaras
de muones (instrumentados con
LEDs)
Línea Óptica
Cámara Muones
(8 lineas)
Puntos de Referencia
5
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13 Septiembre 2007
eadout
Sistema de Alineamiento EndCap
Orientación y Posición relativa de las cámaras del EndCap y
alineamiento relativo de los diferentes discos.

Líneas láser: interceptadas por cámaras CCD (DCOPs).
 Seis Transfer Lines miden la posición relativa entre las estaciones de CSCs.
 Tres straight lines (SLM) Para el alineamiento interno de las cámaras en cada estación.

Sensores de proximidad: complementan la medida de los laseres.
 Distancias radiales entre inner rings y outer rings y entre outer rings y transfer lines.
 Medida de distancias azimutales en la primera estación.
Straight Line
DCOPs
Transfer Line
6
Mar Sobrón Sañudo
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13 Septiembre 2007
Sistema de Alineamiento Link
Relaciona los subsistemas barrel y endcap con respecto al tracker generando
una referencia interna común a todos los sistemas de trazas y se encarga
Beam
del alineamiento de las cámaras de la primera estación del endcap.
Laser
MAB
ME/1/3
Laser
Source
MAB Zone
Seis planos activos
ME1/2 Zone
ME/1/2
ME1/1
Transfer
ME/1/1
Distance
tube
Laser
Source

Zona ME1/1

YN1 Zone
 =3 Zone
Tracker Zone
Líneas Láser: Líneas laseres interceptadas por
sensores semitransparentes (ASPDs)
Sensores de proximidad y de inclinación:

Link
Complementan y añaden redundancia.
Estructuras rígidas: Alignment
Ring (AR) & Link Disk (LD)
son usadas como referencia
Laser
source
Link
Disk Distance tube
Mar Sobrón Sañudo
Alignment
Ring
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

Del AR (tracker) al LD (YE+1):
Conexión Tracker-Endcap
Del LD a los MABs: Conexión
Endcap-Barrel
7
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Instrumentación del sistema de
Alineamiento en el MTCC
75º
Link



Barrel
Link: Tres líneas láser (75, 255 y 315o)
Endcap: Parte positiva prácticamente
completa.
Barrel: Sectores 10 y 11
implementados en todas las ruedas
(255 – 315o)
Axial Transfer line
255º

315º
Numero de componentes usados en el test ( ~ ¼ del sistema total):
- 275 Sensores analógicos (sensores de distancia e inclinómetros)
- 125 Foto-sensores (DCOPS + ASPDs) y 100 video cámaras.
- 500 + 34 Fuentes de luz (LEDs + laseres semiconductores)
- Sondas de Temperatura, humedad y campo magnético
Calibración previa de todos los componentes (estructuras de FC y sensores) en
bancos de calibración específicos con precisiones ~m (rad)
 Survey y Fotogrametría de los componentes durante la instalación
(precisiones ~ 50-300 m)

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8
CMS-MTCC
ASPDs
LD y AR
TP
MABs en YB0
Link Line en YE+1
SLM en YE+2
9
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Objetivos del MTCC
Tuvo lugar durante el verano (Fase I) y otoño (Fase II) del 2006
Objetivos del Magnet Test:

Comisioning del imán por primera vez a 4T (19.14 KA) y mapa del campo:
 Barrel: 0.62T-1.97T con un campo central de 4.0124 T
 EndCap: 1.66T-2.62T. La precisión de la medida se espera del poco por ciento.
 Dentro del solenoide se ha medido la densidad de flujo magnético, con un
campo central de 4T, con una precisión de 0.7 por mil.


Establecer y entender el procedimiento y tolerancias en el cerrado del
detector
Validación del sistema de Alineamiento de Muones.
Objetivos del Cosmic Challenge:



Fase II sin Tracker:
Mapa del Campo Magnético
Operación por primera vez de toda la cadena de sub-detectores
(2 sectores)
Comportamiento de los sub-detectores ante campo magnético y la
sincronización entre ellos.
Desarrollo y test de algoritmos para el alineamiento con trazas (cósmicos)
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10
Objetivos de Alineamiento en el MTCC
Validación del sistema de alineamiento de muones durante el MTCC:

Funcionalidad del sistema: Hardware & Electrónica de readout, DAQ, y
software de reconstrucción.

Primeras pruebas de las tolerancias en el ensamblado y cierre del
detector y efectos de campo frente a los rangos dinámicos del sistema.

Deformaciones del hierro de retorno.
Geometría inicial de los detectores a B=0T y B=4T



Test de los algoritmos de alineamiento con trazas de cósmicos
Cross-check y compatibilidad de las diferentes medidas:
survey/Fotogrametría inicial (B=0T), medidas ópticas, información de
cósmicos
11
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Primer Cierre de CMS (julio 2006)
12
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Resultados del MTCC
Movimiento de las estructuras debido a las fuerzas magnéticas:
Comprensión (en Z) de los discos hacia el IP, dos tipos de movimientos
con campo: elásticos y “permanentes”

Movimientos “permanentes”: No recuperación de la posición
inicial de las estructuras a 0T tras los primeros ciclos de
energización del imán. “Cerrado final” del detector.
Movimientos elásticos: Desplazamientos entre campo
magnético on/off. Recuperación de la posición.
Estabilidad (en rf ) de los detectores durante operación
 Repetitividad de los efectos de campo, observados entre las dos fases
del test .
 Primera geometría de CMS con campo magnético:

COCOA: reconstrucción geométrica a partir de la información óptica del
sistema de alineamiento.
 Algoritmos de Alineamiento con trazas (cósmicos)

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13
Desplazamientos y deformaciones del Barrel:
Compresión de las cámaras del Barrel hacia el IP.
Permanente: No recuperación a 0T.
Deformación elástica: Con B.
Field on
2.4 mm
2.7mm
Field off
time
14
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Desplazamientos y deformaciones del EndCap:
ME+1 Station (Z1 sensors)
7
y = 0.0307x 2 + 0.0309x - 0.0007
Point 2
y = 0.2806x 2 + 0.1414x - 0.0081
6
Displacement, mm,
Barrel
El fuerte campo magnético cerca del extremo del
solenoide atrae la parte central del endcap hacia el.
Point 5
5
y = 0.2646x 2 - 0.1985x + 0.0057
Point 6
4
3
Outer ring se mueven aprox. 26 mm
( top/bottom asimetría)1
Poly.
(Point 2)
Poly.
(Point 5)
Poly.
(Point 6)
0
0
Nariz de YE+1 se mueve 16mm
1
2
3
Magnetic field, Tesla
4
5
Dependencia cuadrática del
movimiento con el campo
Permanente
16mm
La mecánica de sujeción
(los Z-stop) hace al EndCap
curvarse en forma de cono
Mar Sobrón Sañudo
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Estabilidades en r:
Efectos de Temperatura:

Los movimientos de las cámaras
correlacionan con la diferencia
de temperatura día/noche
 60m
 20m
Efecto de campo:
 1.5o
Noche


Pequeños movimientos por debajo de 60
m.
Estructura del movimiento correlacionada
con B.
16
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Repetitividad de las medidas entre Fases y
Tolerancias en el Cerrado
Comportamiento similar con el campo en ambas fases
 Entre Fases el detector se abrió y cerro de nuevo. Posicionamientos ~ mm

Diferentes pasos entre Fase I y II
B=3.8T
Phase I
Dr
Dr
Dr
Dr ~3mm
PhaseII
B=3.8T
B=0T
B=0T Dr ~ 2.7 mm
Dr ~ 2.6 mm
Entre 0T y 3.8T
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Reconstrucción de la Geometría: COCOA
(CMS Object-oriented Code for Optical Alignment)
Es un sofware de reconstrucción a través de aproximaciones geométricas basado en un ajuste no
lineal por mínimos cuadrados.
Permite la reconstrucción de la posición y la orientación angular de los objetos del Sistema óptico
así como la determinación de los parámetros ópticos internos y la propagación de errores.
numero de grados de libertad de todo el sistema 30000 parámetros
Input:
 Geometría completa (para MTCC) del sistema link en su geometría inicial: Geometría nominal
+ Survey.
 Calibraciones de los sensores y las estructuras + Medidas 2D y 3D .
 Medidas ópticas y Medidas de los sensores analógicos
Output:
Cocoa nos da las coordenadas (6 grados de libertad) de todas las estructuras y los
componentes a campo 0T y a diferentes campos magnéticos hasta un campo de 4T. Estas
coordenadas se pueden introducir directamente en la DB para la reconstrucción offline de muones
Por primera vez:
 se ha implementado una descripción realista del sistema link de alineamiento y se ha
obtenido una reconstrucción completa del sistema a diferentes valores de campo.
 se ha establecido y validado una estrategia de ajuste (grados de libertad / medidas)
 una primera estimación de la precisión del sistema (en base al estudio de los residuos del
18
ajuste) es del orden de 200-300 m.
Alineamiento con Trazas:
Alineamiento Interno de Cámaras
DT Cámaras: alineamiento Interno de layers
Propósito: Geometría interna de las cámaras DT.
Cada Cámara tiene tres Superlayers (dos miden  y
uno q)
Desplazamientos en r

El algoritmo de alineamiento (Método Blobel)
usa información de cósmicos junto con
medidas de survey y medidas de calidad de
fabricación, como información adicional.
Before Alignment
After Alignment
 Alineamiento de 8 -layers
 Se han encontrado desviaciones de 80 m en
desplazamientos y 20 rad en ángulos
 Gran acuerdo entre medidas (survey,
información de fabricación)
Residual distribution
(measured – fitted)
Residuos del ajuste de las trazas
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Alineamiento con Trazas:
Geometría del Detector (Barrel) de Muones

Partiendo de la geometría “ideal” del detector, medidas
de survey y fotogrametría de las cámaras DT permiten
definir una primera geometría “real” de detector. (Estas
medidas tienen en cuentan principalmente efectos de
gravedad de las estructuras de hasta 6 mm).

Con los datos de cósmicos, se aplican los
algoritmos de Alineamiento con Trazas (Metodo
Blobel) a los diferentes sectores y estructuras
hasta obtener la geometría completa del
espectrómetro (del barrel).





Desplazamientos r-
Desplazamientos r-
Cada sector separadamente.
La geometría del MTCC muestra desplazamientos
del orden de 1 mm
Después de las correcciones de survey los
desplazamientos llegan al nivel de 250 m.
Finalmente el alineamiento con trazas los reduce a
100 m.
Mar Sobrón Sañudo
Targets de Fotogrametría en
Las cámaras de Muones
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Residuos del ajuste por
trazas de las 4 camaras.
13 Septiembre 2007
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Conclusiones:

Se ha completado el desarrollo del sistema óptico de alineamiento: hardware,
electrónica, DAQ, reconstrucción e implementado por primera vez en el detector

Se ha validado el sistema de alineamiento, por primera vez con campo magnético
(validación dinámica)

Se han desarrollado y validado algoritmos de alineamiento con trazas utilizando
datos de cósmicos (commissioning de las cámaras y geometría del MTCC)

Se pudieron medir los efectos de campo magnético en la geometría del detector.

Se ha podido establecer una geometría para las condiciones de operación de CMS.
(a distintos valores de campo, donde se observa el comportamiento esperado)

Los datos presentan una buena consistencia entre las diferentes medidas
(distintos subsistemas de alineamiento, fases, valores de campo, datos de cósmicos)

En general se ha encontrado un buen acuerdo entre las medidas realizadas
y lo esperado por las simulaciones de elementos finitos (FEA)
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21
Backup
22
CMS Muon system layout
Barrel: 0 < | | < 1.2
Up to  = 2.4
5 wheels / 4 stations
instrumented with DTs
and RPCs
MB4
MB3
MB2
MB1
Endcap: 0.9 < | | < 2.4
3 disc/4 stations instrumented
with CSCs and RPCs
ME1
ME2 ME3 ME4
Task:
- Muon identification
- Muon momentum and charge measurement
- Muon trigger (fast response RPCs with more precise
Spatial precision
of 100 m
position resolution DTs and CSCs).
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Geometría del sistema de Muones
Estructura soporte Barrel
(~12 m  15 m)

Estructuras mecánicas grandes, no son
suficientemente rígidas para los
requerimientos.
Deformaciones máximas esperadas
(confirmadas por survey y MTCC)
 ~1-3 cm B on/off
 5-15 mm gravedad
 < 500 μm operación (Temp. y humedad)

misalignment máximo permitido (no
degradación de la medida de momento)
Estructura Soporte EndCap
 R 200 m Para Barrel y EndCap
 ~ mm en Z
Alineamiento Preciso!
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Endcap
Disc 13 Septiembre 2007
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Reconstrucción de la Geometría: COCOA
Estrategia en la reconstrucción:
 Ajuste a 0T: Ajuste de las diferentes estructuras a 0T utilizando las medidas
dadas por fotogrametría y las medidas del sistema link (sensores analógicos y
ópticos)
 Ajuste a diferentes valores de Campo Magnético: Partiendo de la geometría
reconstruida a campo 0T y las medidas del sistema, se reconstruye la
geometría a diferentes valores de campo.
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Alineamiento con Trazas (I)
Los Residuos son la diferencia entre la posición medida (real) y la extrapolada o
esperada (nominal, survey, alineamiento)
La traza de un muon ( r) se puede definir como:
r=f (parámetros de trazas, parámetros de alineamiento)
r (s) = r (s, p, delta) s es la distancia recorrida (el tiempo), p son los parámetros
de trazas y delta los parámetros de desalineamiento
Puesto que se esperan pequeños desalineamientos la expresión se puede desarrollar en
serie
Construimos el 2 para una proyección como:
2 = i j[ (Rxij (p, delta)-Jxj (p0)*Δpj -Jxj(deltai)*deltai)2/ ij2]
Donde i es la suma a las cámaras y j la suma a las trazas.
Este 2 contiene las variables siguientes:
• deltai: (numero de grados de libertad que queremos medir) x (numero de cámaras diferentes)
• Δpj: (numero de parámetros de una traza) x (numero de trazas)
27
Alineamiento con Trazas (II)
Para encontrar el minimo del 2 hay que resolver el sistema: M*B=s
Siendo M una matriz nxn donde n es el numero de variables del 2
B es un vector de los deltai y Δpj y s es un vector de estas dimensiones y
es una combinación de residuos.
M*B=s
B=( delta, Δp)
Ponemos primero las variables de Ali. y luego las de trazas.
s= (b, )
M se puede dividir en cuatro matrices, una con los elementos del desalineamiento y otra con los de las trazas.
Queda al final un sistema por partes que se reduce a invertir N (numero de trazas) matrices 5x5 y una matriz
(n_Ali.)x(n_Ali). Esta ultima no es invertible, pero introduciendo datos de survey en el chi2 se puede hacer
invertible y el sistema se puede resolver.
2

 DSurvey
 DSLj1  DSLj3
j
2
2
   0   
 survey
j 
j
Original chi2
Survey:j is running over degrees of freedom.SLj means
the mean value of that degree of freedom of the
layers in superlayer j
 


2
SL1
 QC 
k  








i
i
SLk
4 

k

  
   j  Di j
QC

i
k
i
j
i




QC measurements:
k runs over layers.
i runs over superlayers (1 and 2)
Lagrange constrains to fix floating
degrees of freedom in the
mean value of the layers
28
29
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Before Alignment
After Alignment
Residual distribution (measured –
fitted)
30
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