Dimensional tolerance analysis and quality assurance of a particle tracker’s support structure

Abstract

Particle detectors are some of the largest and most complicated devices ever built, that are used to study the smallest building blocks of our universe. Design and construction can take years and engineers and physicists have to guarantee that the detectors finally operate as required. The Large Hadron Collider (LHC) at CERN is being updated to operate at higher luminosities. Consequently, many of the detectors that study the collisions produced by the LHC are being upgraded. In this thesis, an abstracted feature based model is presented for allocating geometric tolerances for a novel support structure of the future tracking detector of the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment. This new tracking detector will have a unique section where silicon sensors are mounted in different angular orientations, providing unparalleled track reconstruction efficiency while lowering costs tremendously. The tolerance analysis is based on the functional requirement of hermeticity in the CMS tracker: silicon sensors within each of the tracker’s layers must overlap slightly so that particles cannot traverse a layer without hitting at least one active sensor surface. Imprecisions in the tracker’s real construction geometry cause the sensors to deviate from their nominal positions. This may generate gaps through which particles can traverse without hitting a sensor. Because the CMS tracker is a first-time-right production, with limited or even no possibilities for corrections in the mechanical construction, the composed model of the tolerances is based on worst-case analysis.

The second part of this thesis is dedicated to quality assurance; the simulated geometric tolerances are utilized to develop accuracy requirements for dimensional measurements. Dimensional measurement plans are presented for the various assembly stages of the studied sub-detector. The chosen measurement methods utilize either a coordinate measurement machine (CMM) when the geometry and dimensions allow it, or photogrammetry. In case of photogrammetry, detailed descriptions are provided as where to position photogrammetric targets to achieve the required measurement accuracies.

As a result, it is shown that an abstracted feature based model is suitable for synthesizing tolerances of the CMS trackers support structures. Such model can also be integrated into existing software at CERN, to allocate tolerances for other support structures. Additionally, comprehensive dimensional measurement plans have been developed for the quality assurance of the sub-detector.

Hiukkasilmaisimet ovat yksiä suurimmista ja monimutkaisimmista laitteista joita on koskaan rakennettu. Niitä käytetään tutkimaan universumimme pienimpiä ja perustavanlaatuisimpia palasia. Hiukkasilmaisimien rakentaminen vie usein vuosia, ja niinpä niitä rakentavien insinöörien ja fyysikoiden tulee olla varmoja, että ne toimivat ennalta määritetyllä tavalla valmistuttuaan. CERN:issä sijaitsevaa suurta hadronitörmäytintä valmistellaan uudistukseen, jonka jälkeen se toimii korkeammalla luminositeetillä. Tästä johtuen useat ilmaisimet jotka tutkivat törmäyttimen tuottamia törmäyksiä uudistetaan myös. Tässä työssä esitellään abstrakteihin piirteisiin perustuva malli, jonka avulla asetetaan toleransseja kompaktin myonisolenoidin uuden jäljittimen tukirakenteisiin. Mallin toleranssianalyysi pohjautuu jäljittimen hermeettisyyteen liittyvään toiminnalliseen vaatimukseen: jäljittimen kerroksissa olevien piisensoreiden tulee limittyä hieman päällekkäin, jotta partikkelit eivät pääse kulkeutumaan kerroksen läpi osumatta ainakin yhden piisensorin aktiiviseen pintaan. Tukirakenteen toleranssit aiheuttavat näiden sensoreiden paikaan poikkeavuutta niiden nominaalisesta sijainnista, jolloin kerroksiin voi syntyä rakoja joista partikkelit pääsevät läpi. Koska uusi jäljitin rakennetaan vain kerran, toleranssianalyysimalli ratkaisee toleranssit pahimman mahdollisen skenaarion menetelmällä.

Työn toisessa osassa hyödynnetään laskettuja toleransseja määrittelemällä niiden perusteella tarkkuusvaatimukset tukirakenteen dimensionaaliselle mittaukselle. Dimensionaalisen mittauksen suunnitelmat esitellään jäljittimelle sen kokoamisen eri vaiheissa. Valitut mittaustavat käyttävät hyödyksi joko koordinaattimittauskonetta, tai fotogrammetriaa. Fotogrammetrian tapauksessa keskitytään fotogrammetristen maalien paikkoihin, jotta mittauksen tarkkuusvaatimukset toteutuisivat.

Työn tuloksena näytetään, että esitelty abstrakteihin piirteisiin perustuva malli soveltuu kompaktin myonisolenoidin jäljittimen tukirakenteiden toleranssisynteesiin. Malli voidaan myös integroida jo CERN:issä käytössä oleviin ohjelmiin, jolloin toleranssit voi asetta muillekin tukirakenteille kuin tässä työssä tutkitulle. Tukirakenteelle lasketut toleranssit esitellään taulukkomuodossa. Lisäksi, työssä suunniteltiin kattavat dimensionaalisen mittauksen menetelmät tutkittavan tukirakenteen laadun varmistamiseksi.