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Journée thématique IPN Orsay - 08 octobre 2007 Ph.Rosier-IPNO-RDD Les calorimètres électromagnétiques des expériences DVCS et PANDA 1 ère partie Calorimètre.

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1 Journée thématique IPN Orsay - 08 octobre 2007 Ph.Rosier-IPNO-RDD Les calorimètres électromagnétiques des expériences DVCS et PANDA 1 ère partie Calorimètre électromagnétique Jefferson Lab Collaboration ITEP/JLAB/ORSAY/SACLAY

2 Journée thématique IPN Orsay - 08 octobre 2007 Ph.Rosier-IPNO-RDD 1- Le détecteur CLAS et son calorimètre interne Calorimètre interne pour la détection des photons à petits angles (4 ° -15 ° ; 1-5 GeV) Aimant pour la réjection des électrons Möller Simulation physique Le calorimètre interne Chambres à fils de CLAS sans calorimètre

3 Journée thématique IPN Orsay - 08 octobre 2007 Ph.Rosier-IPNO-RDD 2- Le calorimètre électromagnétique Calorimètre vue depuis la cible 424 cristaux de tungstate de plomb (PbWO4) 160mm 13.33mm16mm Résolution angulaire ~1.4°/cristal Longueur ~17 Xo Scintillateur dense, rapide, résistant aux radiations Détection de la lumière par photodiode APD Utilisation des technologies développées pour CMS-ECAL Cristaux PWO Champ magnétique 4.9T Géométrie tronco-pyramidale pour focalisation à 10 cm de la cible (éviter zone morte entre cristaux) cible

4 Journée thématique IPN Orsay - 08 octobre 2007 Ph.Rosier-IPNO-RDD 3- Intégration des composants Cristal de PbWO4 enveloppé de VM2000 Interaction / absorption Particules / matière Carte de connexion et écran thermique Carte mère Préamplificateur Rails support de préamplificateur Câble plat Connecteur Electronique interne Avalanche Photo Diode Fils de lAPD Détection de lumière Connecteur de fibre optique Calibration par injection de lumière Cadre aluminium Lame dacier Support de cristaux

5 Journée thématique IPN Orsay - 08 octobre 2007 Ph.Rosier-IPNO-RDD Cristaux « PWO » de tungstate de plomb (PbWO4) produit par BTCP (Bogoroditsk Technical Chemical Plant, Russie) suivant spécifications CMS-ECAL 4- Ensemble cristal / APD / réflecteur Photodiode par avalanche 5x5mm² Hamamatsu - S8664 développé pour CMS-ECAL Les cristaux sont enveloppés de VM2000 (ESR-3M) Polymère multicouche à 99% de réflexion 65 µm épaisseur

6 Journée thématique IPN Orsay - 08 octobre 2007 Ph.Rosier-IPNO-RDD 5- Le support des cristaux Distances entre cristaux 300 µm vertical 130 µm horizontal 22 cadres supports (cristaux non montés) 22 cristaux sur le plus grand cadre Positionnement précis Pas dempilement direct de PWO (fragile) Espace minimisé entre cristaux Démontage possible Différentes solutions possibles… Cadre support Masse dun cristal 280 g Lames dacier inoxydable de 120µm dépaisseur Support sur lames dacier collés sur des cadres aluminium

7 Journée thématique IPN Orsay - 08 octobre 2007 Ph.Rosier-IPNO-RDD 6- Electronique Taux comptage MHz => rapidité Préamplificateur de courant Implantation dans lombre du cristal en technologie CMS (diaphonie et CEM) Câble kapton blindé pour connexion Cristal APD de lecture Préamplificateur Carte mère multicouches pour : - la sortie des signaux de lecture - les alim. haute tension (APD 400V) - les alim. basse tension (préamplis) Sorties et passage de câbles dans lombre des bobines de laimant de Clas

8 Journée thématique IPN Orsay - 08 octobre 2007 Ph.Rosier-IPNO-RDD 7- Laser pour la calibration Laser pulsé lumière verte (532 nm) 480 fibres sélectionnées pour uniformité lumière (±2%) Technologie développée pour CMS-ECAL Calibration des voies, Réglage APD (T°,rad…) Vérif. linéarité du signal APD CALORIMETRE Fibres optiques connectés en face avant Boitier front- end Boite diffusante

9 Journée thématique IPN Orsay - 08 octobre 2007 Ph.Rosier-IPNO-RDD Entre cristaux et préamplis Ecrans thermiques simulation 8- Stabilisation thermique APD (gain=-2,2%/°C) – Cristaux ( Light Yield=-1,9%/°C) Performances constantes dans le tempsStabilisation obligatoire à ±0,1°C Cristaux stabilisés à 17.6°C Ecrans thermiques Isolation 12 mm polystyrène Dissipation préamplificateurs 53 W (125 mW unit.) Echange avec extérieur 34 W Refroidisseur à circulation deau Sondes (Pt100) et acquisition de température 87 W transfert total

10 Journée thématique IPN Orsay - 08 octobre 2007 Ph.Rosier-IPNO-RDD Montage à JLab Empilement des cadres avec cristaux Branchement des APDs et tests électroniques à chaque rangée Assemblage du calorimètre à laimant 9- Montage DVCS Jefferson Lab Faisceau en mars 2005 après 3 ans détudes techniques … Passage de câbles dans les bras supports

11 Journée thématique IPN Orsay - 08 octobre 2007 Ph.Rosier-IPNO-RDD Les calorimètres électromagnétiques des expériences DVCS et PANDA 2 ème partie Spectromètre PANDA on GSI ~2016

12 Journée thématique IPN Orsay - 08 octobre 2007 Ph.Rosier-IPNO-RDD Actuel GSIHESR Central Forward Central (Target Spectrometer) 2 Tesla Solenoid Magnet FAIR : Future Facility at GSI Darmstadt, Germany HESR : antiproton storage ring 1-15 GeV/c PANDA : 4π internal target detector 1- Le détecteur Micro vertex Straw tubes (or TPC) DIRC-like Cerenkov Electromagnetic Calorimeter 1.94 m

13 Journée thématique IPN Orsay - 08 octobre 2007 Ph.Rosier-IPNO-RDD 2- Le calorimètre électromagnétique PWO, tungstate de plomb (PbWO 4 ), Energie De 10 MeV à 10 GeV Champ magnétique 2T Refroidi (-25°C) Scintillateur Faible longueur de radiation Faible rayon de Molière Photodiode APD R&D sur une large APD R&D sur une électronique à bas niveau de bruit et faible dissipation thermique Améliorer le rendement lumineux du cristal et la tenue au radiation => R&D sur le PWO-II R&D sur la conception mécanique et le refroidissement Géométrie Compacte, 4π Tonneau cristauxBouchon avant 6864 cristaux Bouchon arrière 816 cristaux ~20000 cristaux Faisceau Principe proche du calorimètre de CMS (et DVCS) … à part que lon doit refroidir à -25°C

14 Journée thématique IPN Orsay - 08 octobre 2007 Ph.Rosier-IPNO-RDD 3- Un aperçu de la R&D sur les cristaux et APD PWO-II produit par BTCP (Bogoroditsk Technical Chemical Plant, Russie) Dopage modifié et réduction des défauts de concentration Et une meilleure tenue au radiation (temps de résurgence à -25°C) +80% à T° ambiante Plus de lumière que le PWO Mais encore plus quand on refroidi !! LAAPD S3590 (Large Area Avalanche Photo Diode) en collaboration avec Hamamatsu Photonics CMS 5x5mm 2 10x10mm 2 New Des études approfondies en cours à basse énergie (Na 22 ) avec de petits cristaux de BGO Gain=f(V,T°)

15 Journée thématique IPN Orsay - 08 octobre 2007 Ph.Rosier-IPNO-RDD 4- Définition du tonneau Longueur 2.5 m Rayon 0.57 m Une tranche du tonneau (1/16) 720 cristaux Cristaux PWO-II Face dentrée 21x21mm² 200 mm long Forme pyramidale Réflecteur ESR (VM2000) Alvéoles en fibre de carbone 200 µm dépaisseur collées sur des inserts aluminium Cristaux à -25°C Préamplificateur de charge 4 voies Cartes électroniques Poutre support Ecrans thermiques à -25°C Isolant mince en face avant Isolant

16 Journée thématique IPN Orsay - 08 octobre 2007 Ph.Rosier-IPNO-RDD 5- R&D composites Moulage dalvéoles en fibres de carbone Alvéoles Insert aluminium Cristaux Alvéoles en fibre de carbone Transparence aux particules entre cristaux Rapport (épaisseur / rigidité / formage) intéressant Simulation => ~10 % différence Test chargement 4 alvéoles (16 cristaux de 1 Kg) 0.19 mm déformation

17 Journée thématique IPN Orsay - 08 octobre 2007 Ph.Rosier-IPNO-RDD 6- R&D thermique Refroidissement à -25° stabilisé à ±0,1°C Dilatation matériau Atmosphère sec (risque de glace) Electronique peu dissipatrice (50 mW) Ecran thermique frontal faible épaisseur et transparent (particules) Conception mécanique sans pont thermique Quad Preamp 50 mW /ch APDs Ecran à -25°C 4 cristaux 4 cristaux Cristal R1 T2 T1 Face froide APD R2 R3 Cable T4 T3 APD connection preampli : Δ+4°C Face avant température: Δ+0°C Définition analytique de la température de lAPD +20°C -25°C Analyse par simulation thermique Zoom temperature preamp Panneau sous vide isolant en face avant Carbone à -25°C Aluminium à 20°CRohacell Super- isolant R&D isolants

18 Journée thématique IPN Orsay - 08 octobre 2007 Ph.Rosier-IPNO-RDD Les cristaux dans leur boite et tenus sur la poutre support 7- CAO dun module dune tranche Conception dune liaison réduisant les ponts thermiques Alveoles en fibre de carbone Préamplificateur « quad » Fibres de lumière pour la calibration Prototype 60 cristaux Réponse du calorimètre Intégration (mécanique, APD, préampli, refroidissement)

19 Journée thématique IPN Orsay - 08 octobre 2007 Ph.Rosier-IPNO-RDD 8- Prototypes 25 et 60 cristaux « Matrice 25 » 25 cristaux droits (22x22mm 2, 200mm) Test sous faisceau à Mainz en 2006 et 2007 Montage avec PMT (réponse des cristaux) Puis avec APD+Préampli « Prototype 60 cristaux type 6 » Cristaux par 4 Préampli

20 Journée thématique IPN Orsay - 08 octobre 2007 Ph.Rosier-IPNO-RDD 9- Premiers tests en rayons cosmiques du proto : Réalisation dune tranche entière RefroidisseurBanc dacquisition Alimentation haute-tension Test sous faisceau en 2008 Injection dazote Mesure dun rayon cosmique Signal 636 mV à

21 Journée thématique IPN Orsay - 08 octobre 2007 Ph.Rosier-IPNO-RDD Transparents supplémentaires T. ZerguerrasSimulation avec Geant 4 4 Prototype DVCS Test CEM Préampli+back PCB


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