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Julien Viret 26/11/2003 1 Caractérisation de matériaux avancés à faible permittivité par Spectroscopie Temporelle dAnnihilation de Positons (PALS) Encadrement.

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1 Julien Viret 26/11/2003 1 Caractérisation de matériaux avancés à faible permittivité par Spectroscopie Temporelle dAnnihilation de Positons (PALS) Encadrement : N.D. Alberola, C. Bas (LMOPS) D. Sillou (LAPP) Julien Viret

2 Julien Viret 26/11/2003 2 LMOPS Bourget du Lac _ LAPP Annecy le Vieux ETH Zurich _ INR Moscou _ CERI Orleans CEA/LETI de Grenoble Physique fondamentale : Extra dimension Mirror Universe Mirror Dark Matter Physique de lOrthopositronium Physique des matériaux : Caractérisation de Polymères et de matériaux Low-k Faisceau Pulsé Physique des matériaux : Caractérisation de Polymères et de matériaux Low-k Physique fondamentale : Extra dimension Mirror Universe Mirror Dark Matter

3 Julien Viret 26/11/2003 3 OM: Microscopie Optique nS: Diffusion de Neutrons TEM: Microscopie Electronique par Transmission STM: Microscopie par Effet Tunnel AFM: Microscope à Force Atomique XRS: Diffusion de Rayons X PAS: Spectroscopie dAnnihilation de Positons Taille des défauts accessibles par les différentes techniques en fonction de la profondeur accessible à lanalyse (issu du site du Lawrence Livermore Laboratory – University of California - USA) Région intéressante du point de vue de lindustrie des substrats semi-conducteurs et de linterconnexion des composants. Caractérisation de Polymères et de matériaux Low-k k => permittivité

4 Julien Viret 26/11/2003 4 Principe physique Positon Annihilation directe Mise au point et réalisation dun détecteur, PALS (Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy) permettant la caractérisation de matériaux nanoporeux. = 125 ps = 142000 ps Dans les matériaux t < 142000 ps Pick off OrthoPositronium ParaPositronium OrthoPositronium Positronium

5 Julien Viret 26/11/2003 5 Source 22 Na Échantillon Thermalisation Diffusion Positron = 1,28 Mev Annihilation = 511 Kev Principe de mesure du temps de vie e-e- e+e+ Oth Pick Off = 511 Kev e-e- e+e+ Oth e-e- e+e+ e-e- e+e+ e-e- e+e+ e-e- e+e+ e+e+ e-e- e+e+

6 Julien Viret 26/11/2003 6 Spectre de la mesure du temps de vie Nbre coups (log) t e + e - : annihilation directe e + e - : parapositronium => 125ps Composantes rapides Composante lente : orthoPositronium Composante orthopositronium max => 142ns time [ns] 1086420-2 Counts 450 000 300 000 150 000 Residuals pPs ( 1 )e+ ( 2 )oPs ( 3 ) Sumfiles 1 to 60 - film de kapton Besoin dun grand nombre dévènements : 1 000 000 => Déconvolution

7 Julien Viret 26/11/2003 7 Précision de la mesure avec : Le profil dimplantation des positons émis peut être décrit par : 22 Na d = 1,3 g/cm 3

8 Julien Viret 26/11/2003 8 Capacité de la mesure du PALS Détection de la taille des pores : Détecte jusquà une profondeur de 700µm pour une densité de 1,3 g/cm 3 Détecte des tailles de pores allant de 0,1nm à qqs nm. Tailles des pores : Modèle de Tao-Eldrup R oPs R Polymère Nuage électronique 1.1 Å [*] J. Chem. Phys.(1972) 56, 5499 Chem. Phys. (1981) 63, 51 en ns R en R = 1,66

9 Julien Viret 26/11/2003 9 BaF 2 Compton 5 0 4 3 2 1 0 N(t) 10 4 500 1000 Photo électrique 1,27MeV 0,511 MeV BC422 0 3 2,5 0,5 2 1 0 5001200 0,511 MeV 1,27MeV 1000 Principe du PALS InorganiqueOrganique BaF 2 BC 422 Temps de décroissance (ns) 0,71,6 Pic démission l (nm) 220370 Rendement lumineux (relatif au NaI) en % 525 Photo-fraction (%) 19 0 Photo-Multiplicateur Scintillateur Le Détecteur est formé par : Marque et référence Domaine spectral (nm) QE (%)Gain Temps de montée (ns) Temps de transit moyen (ns) TTS (ns) Philips XP2020Q 150 – 650 17 / 220nm 40.10 6 1,5280,25 Scintillateur + PM Nbr photons détectés Résolution en temps :

10 Julien Viret 26/11/2003 10 Exemple de detecteurs Classique PALS à deux détecteurs : Lifetime To T1 t t PM Start 1,28 MeV PM Stop 0,511 MeV Sandwich source e + 22 Na entre deux échantillons. Discriminateur A fraction Cst ToT1 Discriminateur A fraction Cst Nbr dimpulsions Numéro de canal (énergie cedée) 22 Na Scintillateur Plastique Ref : Mesure faite à Orleans

11 Julien Viret 26/11/2003 11 PALS au LAPP Ordinateur Energie T 1 -T 0 T 2 -T 0 12 Discri 1Discri 2 Temps Coïncidence T0T0 T1T1 T2T2 T0T0 Discri 1 Discri 2 t t t T1T1 T2T2 t t 1) Acquisitions des évènements sur disque 3) Définition dun trigger en coïncidence Taux comptage X2 (1 000 000 évènements) 2) Mesure des temps et des énergies Seuil, Stabilité => Off Line Déclenchement sur nimporte quel détecteur

12 Julien Viret 26/11/2003 12 Système dacquisition

13 Julien Viret 26/11/2003 13 Amélioration de la quantité de lumière collectée : Contact optique et enrobage du cristal Scintillateur + PM Nbr photons détectés Si N alors la résolution saméliore Matière enrobante Mylar Aluminé Millipore Tedlar blanc Tedlar noir Tavek Teflon

14 Julien Viret 26/11/2003 14 Mesure de la résolution avec du 60 Co Seuil 60 Co Resolution avec du 60 Co FWHM = 170ps = 72ps

15 Julien Viret 26/11/2003 15 Résolution mesurée sur 60 Co annéeAuteur FWHM avec du 60 Co Type de cristal Taille des cristaux 1999 Becvar, Cizek 235psBaF2 Diam 25 mm, haut 10 mm 2000Cizek220psBaF2 Diam 25 mm, haut 12 mm => start Diam 25mm 40mm,haut 25 mm => stop 2001 H.Saito (digital) 140 _ 170psBaF2 Diam 28 mm, haut 20 mm Diam 28 mm, haut 10 mm 2003Barthe218ps Plastique BC422 Diam 40 mm, haut 30 mm Diam 30 mm, haut 20 mm 2003Viret et al170psBaF2Cube 15 mm par 15 mm, haut 20mm

16 Julien Viret 26/11/2003 16 Conclusions Notre PALSPALS classique Détecteurs doubles (à la fois Start et Stop) => Angle solide X2 détecteurs dédiés (un Start et un Stop) Enregistrement des évènements sur disque => Analyse off line Tracé direct du temps de vie => Histogramme 1 Seuil minimum, ajustement en software => Analyse off line Seuils fixes en énergie => Encadrement 511 keV et 1,28MeV Mesure de lénergie => Analyse off line Bruit de fond diminué (coïncidence) Beaucoup de temps morts => Start sans Stop

17 Julien Viret 26/11/2003 17 Ajout du faisceau de positon pulsé. Améliorer la collection de lumière => améliorera la résolution en temps. Ajout dun contrôle des gains de PM. Possibilité de saffranchir du CFD grâce à lanalyse off line ? Possibilité dajouter des détecteurs pour améliorer le taux de comptage. Perspectives Ajout du faisceau de positon pulsé. Améliorer la collection de lumière => améliorera la résolution en temps. Ajout dun contrôle des gains de PM. Possibilité de saffranchir du CFD grâce à lanalyse off line ? Possibilité dajouter des détecteurs pour améliorer le taux de comptage. Validation du banc : _ Étude croisée avec dautres Laboratoires. _ Comparaison avec dautres techniques. Validation du banc : _ Étude croisée avec dautres Laboratoires. _ Comparaison avec dautres techniques.

18 Julien Viret 26/11/2003 18 22 Na (90,4%) 22 Ne * + e + + ν 22 Ne * 22 Ne + γ(1,28Mev) 22 Na 2,602 a 22 Ne + (1,27 MeV) Source 22 Na

19 Julien Viret 26/11/2003 19 Radioisotope Fraction de positon (%) Temps Emax des positons émis E (MeV) C119920 mois0,977 Na22902,7 ans0,541,28 TI448847 ans1,471,16 NI574636 heures0,41,4 CO581571 jours0,480,81 CU641912,8 heures0,66 Zn651,7245 jours0,33 Ga6888275 jours0,98 Choix des Isotopes

20 Julien Viret 26/11/2003 20 Effet photo- électrique Effet Compton Effet de pair Énergie (MV) Probabilité Participation des divers effets

21 Julien Viret 26/11/2003 21 Électron éjecté (=photo-électron) 1- Expulsion dun électron Photon incident 2- Comblement de lorbitale 3- émission dun photon de fluorescence Effet Photo électrique

22 Julien Viret 26/11/2003 22 Énergie transmise : Photon incident Photon dévié Projection dun électron h h T T=E c (1-cos ) Effet Compton

23 Julien Viret 26/11/2003 23 Energie keV Intensité relative 300511 Un Photo-électrique : Un Compton : Deux Compton : Intensité relative 300511 Energie keV Simple Compton Double Compton BaF 2 Compton 5 4 3 2 1 0 N(t) 10 4 05001000 Photo électrique 1,27MeV 0,511 MeV Double Compton

24 Julien Viret 26/11/2003 24 Ske en mA/W en nm 30 80 220400 A 400nm => QE=24,8% A 220nm => QE=17% Rendement quantique pour le XP 2020Q

25 Julien Viret 26/11/2003 25 changement de discriminateur à fraction constante => meilleur walk donc meilleure résolution. Réglage du Walk Seuil à fraction C st t Nbr dimpulsions Sélection de la voie stop Sélection de la voie start Numéro de canal (énergie cédée) CFD

26 Julien Viret 26/11/2003 26 temps Amplitude Signaux à lentrée 1 temps Amplitude Atténuation dune partie du signal Fraction constante 2 temps Amplitude Inversion et retard de lautre partie du signal 3 retard temps Amplitude Sommation 4 Retard Atténuateur Inverseur + Discrimination lors du passage a zéro Réglage du WALK : temps Amplitude Tension de walk Discriminateur à fraction Constante

27 Julien Viret 26/11/2003 27 P(t)dt = e t => Nbr événements Temps de vie => Calcul de la résolution en temps

28 Julien Viret 26/11/2003 28 Energie de thermalisation = KT Calcul thermalisation

29 Julien Viret 26/11/2003 29 Marque et référence Domaine spectral (nm) QE (%)Gain Temps de montée (ns) Temps de transit moyen (ns) TTS (ns) Hamamatsu R7400U 06 160 – 650 11 / 220nm0,7.10 6 0,785,40,23 Hamamatsu R5900U 06 160 – 650 11 / 220nm2.10 6 1,48?0,26 Hamamatsu R2083Q 160 – 650 15 / 220nm2,5.10 6 0,7160,37 Philips XP2020Q 150 – 650 17 / 220nm40.10 6 1,5280,25 t Temps de transit moyen T moyen TTS Anode Signal Dynodes multiplicatrices Photocathode Photons lumineux Choix des PM

30 Julien Viret 26/11/2003 30 La situation expérimentale nest pas très claire. La précision de la mesure est de 200 ppm alors que la précision théorique est de 2 ppm Le but est donc daméliorer QED: Durée de vie de lOrthoPositronium

31 Julien Viret 26/11/2003 31 Théorie : Une particule neutre peut disparaître dans une extra dimension. => lOrthoPositronium est donc un bon candidat besoin de mesurer 10 -8... 10 -9 positons Actuellement les mesures se font sur une source avec environ 10 -6 positons sous gaz. Thèse de Paolo Crivelli : cherche à atteindre les 10 -8... 10 -9 Contact : crivelli@cern.chcrivelli@cern.ch Thèse encadrée par : A.Roubia (ETH Zurich) et S.Gnenenko Extra dimension

32 Julien Viret 26/11/2003 32 Univers Miroir A.Roubia (ETH Zurich), S.Gnenenko (INR Moscou) Modèle expliquant la dissymétrie de lunivers (parité) : Le complément de la parité violée serait dans un monde miroir où lOrthoPositronium peut aussi disparaître. Ceci est dû au fait que le monde miroir et le notre seraient couplés par la gravité mais également par un faible couplage électromagnétique qui subsiste. e+e+ e-e- e+e+ e-e- Mécanisme doscillation Besoin dun Faisceau Besoin du vide


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