Photomultiplicateurs de grande surface

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1 Photomultiplicateurs de grande surface
Photodétecteurs Grande surface Photomultiplicateurs de grande surface en physique expérimentale Dispositifs expérimentaux Rayons cosmiques de haute énergie Neutrinos. Télescopes "sous marins" Grands "Cerenkov" compacts Futures expériences et R&D associée Collaboration en cours avec PHOTONIS Projets Joël Pouthas IPN Orsay

2 Dispositifs expérimentaux
Photodétecteurs Grande surface Dispositifs expérimentaux Rayons cosmiques (Observatoire Pierre Auger) 3 Photomultiplicateurs 5000 Photomultiplicateurs Photonis XP 1805 9 " , Gain : 2.105 Grande dynamique Très bonne linéarité Joël Pouthas IPN Orsay

3 Dispositifs expérimentaux
Photodétecteurs Grande surface Dispositifs expérimentaux Neutrinos. Télescopes "sous marins" Dumand (Hawaï) Lac Baïkal (Russie) Amanda / Ice Cube (Pôle Sud) Antares (Méditerranée, France) Nestor (Méditerranée, Grèce) Baikal Antares Grandes surfaces et efficacités Faibles signaux Bonne SER Bonne caractéristiques temporelles Amanda / Ice Cube Joël Pouthas IPN Orsay

4 Dispositifs expérimentaux Neutrinos. Télescopes "sous marins"
Photodétecteurs Grande surface Dispositifs expérimentaux Neutrinos. Télescopes "sous marins" Dumand Philips XP2600 15" hybride Baïkal Quasar-370 /Ugon Amanda Hamamatsu R 8" , Gain : 109 Ice Cube Hamamatsu R 10" , Gain : 107 Antares Hamamatsu R 10" , Gain : 108 Nestor Hamamatsu R8055 13" , Gain : 107 Baïkal Amanda Joël Pouthas IPN Orsay

5 Dispositifs expérimentaux Neutrinos. Grands "Cerenkov" compacts
Photodétecteurs Grande surface Dispositifs expérimentaux Neutrinos. Grands "Cerenkov" compacts Kamiokande Super Kamiokande Kamland (Japon) SNO (USA) MiniBoone (USA) Borexino (Italie) Grandes surfaces et efficacités Faibles signaux Bonne SER Bonne caractéristiques temporelles Faible radioactivité Verre bas bruit Super Kamiokande Joël Pouthas IPN Orsay

6 Dispositifs expérimentaux Neutrinos. Grands "Cerenkov" compacts
Photodétecteurs Grande surface Dispositifs expérimentaux Neutrinos. Grands "Cerenkov" compacts SNO Hamamatsu R1408 8" , Gain : 107 Borexino ETL 9351 MiniBooNe Hamamatsu R5912 Kamiokande Hamamatsu R3600 Super Kamio. Hamamatsu R 20" , Gain : 107 Kamland Hamamatsu R7250 17" , Gain : 107 Super Kamiokande Joël Pouthas IPN Orsay

7 Futures expériences Rayons cosmiques Auger Nord (USA)
Photodétecteurs Grande surface Futures expériences Rayons cosmiques Auger Nord (USA) Télescopes sous-marins Nemo, Km3 (Méditerranée) (Very Large Volume Neutrino Telescope) Grands Cerenkov compacts Hyper Kamiokande (Japon) UNO (USA) Megatonne (Europe) Hyper Kamiokande Joël Pouthas IPN Orsay

8 ? inch PMT? : KM3 EXPERIMENT
Photodétecteurs Grande surface 8 inch 10 inch 13 inch 20 inch 8 inch R1408 : SNO / CANADA, LSND / LANL R5912 : MILAGRO / LANL, mini-Boone / FNAL R : AMANDA / South-Pole 10 inch R : ANTARES (0.1km2) / Marseille R : ICECUBE / South-Pole ? inch PMT? : KM3 EXPERIMENT 13 inch R8055 : NESTOR 17 inch R7250 : KamLAND / Japan 20 inch R : SUPER-KAMIOKANDE / Japan Yuji Yoshizawa , Octobre 2003 Joël Pouthas IPN Orsay

9 Arrêt du projet PM de 40 pouces Orientation : 20 pouces Max
Photodétecteurs Grande surface Arrêt du projet PM de 40 pouces Orientation : 20 pouces Max HPD (PM hybride) Fabrication PM 20" Prototype : HPD 5" 8 kV et APD 3mm Photocathode APD Design possible : HPD 20" double Joël Pouthas IPN Orsay

10 Localisation si PM multi-anode
Photodétecteurs Grande surface Quelques R&D en cours R PM standard : pas de localisation Adjonction de guides de lumière Localisation si PM multi-anode Essais en cours avec des matériaux faible de coût (aluminised PETG) Andrea Bersani , NEMO-ANTARES group, VLVvT Conference, Octobre 2003 Joël Pouthas IPN Orsay

11 Quelques R&D en cours Quasar370 was developed for Baïkal
Photodétecteurs Grande surface Quelques R&D en cours Référence (premier HPD) Quasar370 (Philips XP 2600) Quasar370 was developed for Baïkal Large sensitive area (14.5”dia.) HV to accelerate photoelectrons A second scintillator to reconvert primary photoelectrons into photons A commercial, small-diameter PMT for final reading It needs HV (20 to 30 KV) inside the OM TTS can be strongly reduced It has an astonishing resolution Andrea Bersani , NEMO-ANTARES group, VLVvT Conference, Octobre 2003 Joël Pouthas IPN Orsay

12 Quelques R&D en cours Take a Quasar370 and: Simplify the geometry
Photodétecteurs Grande surface Quelques R&D en cours YAP inorganic scintillator layer 4 Hamamatsu R7899 1” PMTs Take a Quasar370 and: Simplify the geometry Optimize TTS Create a segmented reading 12/24V to 20/30KV converter Andrea Bersani , NEMO-ANTARES group, VLVvT Conference, Octobre 2003 Joël Pouthas IPN Orsay

13 Cadre : Expérience CLUE
Photodétecteurs Grande surface Quelques R&D en cours Cadre : Expérience CLUE Tom Project (2001) Prototype 5’’ Final 10’’ Photocathode Bi-alcaline ou Rb2Te 20/30 kV Diode Si pixélisée Dispositif pour évaporation (INFN Pisa et CERN) Michele Giunta, INFN Pisa, VLVvT Conference, Octobre 2003 Joël Pouthas IPN Orsay

14 Synthèse PM classiques Renouveau des HPD (PM hybrides)
Photodétecteurs Grande surface Synthèse PM classiques Taille de 8 à 15 pouces, jusqu’à 20 ? Grandes surfaces et efficacités Bonne SER Bonne caractéristiques temporelles Avec aussi Verre bas bruit Bonne linéarité Renouveau des HPD (PM hybrides) Localisation possible Excellente SER + Possibilité de collection de lumière extérieure au PM ? Joël Pouthas IPN Orsay

15 PHOTONIS 1980 – 1990 R&D sur tubes avec diode PIN (Collaboration CERN)
Photodétecteurs Grande surface PHOTONIS 1980 – 1990 R&D sur tubes avec diode PIN (Collaboration CERN) 1990 – 2000 Tubes (base vision nocturne) avec APD Tubes boules pour SNO (XP1802, 9’’) Proposition BOREXINO (idem) Développement pour ANTARES (XP1804, 10,4’’) Essais au Lac Baïkal (Philips XP2600) Depuis 2OOO Adaptation du XP1802 à AUGER Réduction du gain (XP1805) Chaîne de production des tubes de 9 pouces Collaboration PHOTONIS / IPN Orsay Joël Pouthas IPN Orsay

16 Collaboration avec PHOTONIS
Photodétecteurs Grande surface Collaboration avec PHOTONIS Laboratoires : IPN Orsay, LAL Orsay et INFN Torino Cadre : Bourse BdI (50% Auger) , Oct 2003 – Oct 2006 Programme CNRS Astroparticules , Eté 2004 Objectifs : Développement de grands PM Electronique (FE) associée Joël Pouthas IPN Orsay

17 Collaboration avec IPN Orsay
Photodétecteurs Grande surface PHOTONIS Collaboration avec IPN Orsay Etude des expériences en cours et futures Compréhension des caractéristiques des PM Caractérisation de nouveaux PM Sensibilité de photocathode PHOTONIS Gain en mode DC PHOTONIS Courant d’obscurité PHOTONIS Réponse en électron unique (SER) et bruit PHOTONIS et IPNO Uniformité de réponse PHOTONIS et IPNO Linéarité PHOTONIS et INFN Torino Post-impulsions IPNO Efficacité de détection (relative) IPNO Sensibilité au champ magnétique terrestre IPNO Evolution du bruit avec la température IPNO Fluctuations temporelles IPNO + Electronique (exposé de Christophe) Joël Pouthas IPN Orsay

18 Bancs de tests IPN Orsay
Photodétecteurs Grande surface Bancs de tests IPN Orsay Banc de test 1 Chariot mobile Réponse en électron unique (gain, amplitude, P/V) Caractéristiques temporelles Uniformité de photocathode Efficacité de détection (relative) PM XP2020 Source de lumière : Am + NE111 - Diode Joël Pouthas IPN Orsay

19 Bancs de tests IPN Orsay
Photodétecteurs Grande surface Bancs de tests IPN Orsay Banc de test 2 Bruit Variation avec la température la HT Post impulsions Enceinte climatique (Voestch VC4034) + Boite noire Al (-40° à +50° ) Boite noire (bois) Effet du champ magnétique Joël Pouthas IPN Orsay

20 Quelques résultats SER et Temps XP 1806, 8 pouces, type ANTARES
Photodétecteurs Grande surface Quelques résultats SER et Temps XP 1806, 8 pouces, type ANTARES SER P/V = 3 Température Temps (Limite:2 ns) « Bursts » Joël Pouthas IPN Orsay

21 (Mesures à l’oscilloscope numérique)
Photodétecteurs Grande surface Quelques résultats Post impulsions (Mesures à l’oscilloscope numérique) XP 1806, 8 pouces, type ANTARES Taux de comptage différentiel Distribution en temps Distribution en amplitude Joël Pouthas IPN Orsay

22 Limite actuelle en taille (PHOTONIS et IPNO) 15 pouces
Photodétecteurs Grande surface Progamme Année 1 (Sept 03-Sept 04) Mise au point des méthodes et bancs de tests Caractérisation sur des PM de référence Année 2 (Sept 04-Sept 05) Fabrication et mesures de différents PM classiques (8’’ à 12’’) Etudes de verrerie Etudes sur des HPD Année 3 (Sept 05-Sept 06) Fin des mesures en PM classique… jusqu’à 15 pouces ? Comparaison PM classique HPD de 2 types (PM et APD) (Taille 12’’ ou 13’’) Remarque Limite actuelle en taille (PHOTONIS et IPNO) 15 pouces Joël Pouthas IPN Orsay

23 Participants PHOTONIS Pascal Lavoute, Cyril Moussant IPN Orsay
Photodétecteurs Grande surface Participants PHOTONIS Pascal Lavoute, Cyril Moussant Secteur Développement + Fabrication PM IPN Orsay R&D Détecteurs : Joël Pouthas, Bernard Genolini, Thi Nguyen Trung Etudiant BdI (50%) : Damien Dornic Stagiaires DUT (et vacataires ?) pour les séries de mesures + Collaboration INFN Torino Joël Pouthas IPN Orsay

24 Demande financement CNRS / IN2P3
Photodétecteurs Grande surface Demande financement CNRS / IN2P3 Appel d’offres CNRS en Astroparticules « R&D sur les photomultiplicateurs et l’électronique associée » (IPN Orsay, LAL Orsay et PHOTONIS) Demandé en 2004 : 44 kE HT (dont 23 pour les PM) Obtenu (Sept 04) : 35 kE HT En 2005 : Annoncé 35 kE HT (dont 13 pour les PM) + Manque 2004 (11 kE) ? En 2006 : ??? Demande IN2P3 en Equipement de Laboratoire « Equipements pour les études et tests de détecteurs » Demandé en kE HT Obtenu : 0 Demande 2005 : 35 kE HT + Vacations ? Joël Pouthas IPN Orsay