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Etude et optimisation de la voie ionisation dans lexpérience EDELWEISS Benjamin Censier Responsable de thèse: Alexandre Broniatowski IPN Orsay, 15 Février.

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1 Etude et optimisation de la voie ionisation dans lexpérience EDELWEISS Benjamin Censier Responsable de thèse: Alexandre Broniatowski IPN Orsay, 15 Février 2006 Laboratoire daccueil Financement Université

2 Matière noire ? M L : Masse estimée via relations masse/luminosité –Étoiles dans le visible, amas de galaxies dans les X.. M C : Masse estimée via la cinématique observée –Vitesse de rotation des galaxies, Théorème du viriel appliqué aux amas.. + Fond diffus cosmologique – 5% matière «lumineuse» – 25% matière «noire» – 70% énergie «noire» (Supernovae Ia) + Nucléosynthèse primordiale –La matière noire est essentiellement non-baryonique Hypothèse WIMPs: Weakly Interactive Massive ParticlesHypothèse WIMPs: Weakly Interactive Massive Particles M C >M L F. Zwicky

3 Halo galactique Courbe de rotation des galaxies –Plate jusquaux limites observationnelles –Force centrifuge trop grande –Effet systématique Modèle de halo –Halo de WIMPs –Supposé sphérique, gaz parfait isotherme 1/r², M(

4 Méthodes de détection directe WIMP Chaleur Ionisation Luminescence quelques % 20 % 100% absorbeur Ge NaI, Xe Al 2 O 3,LiF DAMA (Italie) IGEX(US/Russ) HDMS(All/Russ) Liquid Xe Ge, Si CaWO4, BGO EDELWEISS (Fr/All) CDMS (US) CRESST(Ger) Rosebud(Esp/Fr) ZEPLIN (GB) XENON (US) XMASS (Jap)

5 Contraintes de la détection directe Diffusion élastique des WIMPs sur des noyaux cibles –Energie déposée: de lordre de 10 keV Evènements rares (<0.1 /kg/jour) –Laboratoire souterrain + Blindage –Basse radioactivité –Masse exposée –Mesure stable sur temps longs (>année) Signature expérimentale –Modulation annuelle, journalière –Comparaison entre absorbeurs –Discrimination du fond événement par évènement Maîtriser le fond

6 Détecteurs EDELWEISS Thermomètre NTD Voie chaleur Voie ionisation « Centre » Ionisation Ionisation: quelques milliers de charges collectées en quelques centaines de nanosecondes électrodes Al + sous couche amorphe Chaleur Chaleur: quelques µK en quelques ms Neutron Transmutation Doped thermistor (NTD) Détecteurs 320g Ge ultra-pur Voie ionisation « garde » Particule incidente electrons trous Ge monocristallin E

7 Discrimination événement par évènement 73 Ge(n,n, ) Seuil ionisation Neutrons, WIMPs Reculs nucléaires Rapport ionisation/chaleur différent pour reculs nucléaires et électroniques Rejet de plus de 99.9% des reculs électroniques pour E recul >15keV Gammas, electrons Reculs électroniques Q Calibration: neutrons+gammas Calibration: gammas seuls

8 Où en est-on ? Fin première génération ( -n >10 -6 pb ): 0.1 évènements/kg/jour pour détecteurs cryogéniques Début dexploration des modèles supersymétriques CDMS-II, CRESST-II, EDELWEISS-II, XENON, XMASS sensitivity goals (~a few events/ton/day) 1 Ton sensitivity goal (optimistic) (~a few events/ton/year) CDMS, CRESST EDELWEISS-I present (~0.1 event/kg/day) L. Rozkowski et al., hep-ph/ Début deuxième génération ( -n >10 -8 pb ): But: amélioration dun facteur 100 Cœur de lespace des paramètres Troisième génération ( -n > pb ): 1 tonne de détecteur Quelques évènements/t/an !

9 Les leçons dEDELWEISS-I EDELWEISS-II: 2 améliorations principales: EDELWEISS-I: 2 limitations principales: Fond neutrons (1 coïncidence n-n sur 62 kg.jour) Evènements proches des électrodes mal collectés Amélioration blindage + veto muons Identification des évènements proches des électrodes

10 Les leçons dEDELWEISS-I Données EDELWEISS-I, run de fond

11 Évènements mal collectés proches des électrodes Méthode passive: sous-couches amorphes (Ge ou Si hydrogéné) Méthode active: localisation des évènements dans le détecteur identifier ces évènements Calibration gamma Run de fond avec et sans coïncidences améliorer notre compréhension de la collecte de charges « Final results of EDELWEISS-I » V. Sanglard et al. (2005)

12 Identification des évènements proches des électrodes Tirer le maximum dinformations de chaque évènement Voie chaleur: –Mesure des phonons athermiques (Couches minces NbSi) R&D Voie ionisation: –Mesures résolues en temps des signaux ionisation –Simulation du transport et des signaux associés Signal (mV) Time (ns) event 122keV Experimental signal Best fit by simulation Electrons collected Holes collected Induced charge(A.U) Time (ns) Broniatowski et al., 2001 Travail de thèse: Utilisation conjointedes expériences et des simulations pour étudier la physique de la mesure dionisationTravail de thèse: Utilisation conjointe des expériences et des simulations pour étudier la physique de la mesure dionisation

13 Physique de la mesure dionisation Spécificités: –Très basses températures ( 20mK) –Faibles champs de collecte ( V/cm) Régime non-ohmique 1 ère conséquence: Régime non-ohmique Porteurs «chauds» hors équilibre thermique (T e >T absorbeur ) Vitesse proportionnelle au champ électrique Mesure des lois de vitesse électrons à 8K (Jacoboni et al., 1981)

14 Physique de la mesure dionisation Accumulation charge piégée 2 ème conséquence: Accumulation charge piégée Faible densité de pièges (10 10 /cm 3, sauf surfaces...) Mais faible champ de collecte Et réémission négligeable Constitution progressive dune charge despace Constitution progressive dune charge despace Contre-champ induit suffisant pour perturber le champ appliqué ( 10 5 charges/cm 3 1 V/cm) Contre-champ induit suffisant pour perturber le champ appliqué ( 10 5 charges/cm 3 1 V/cm) Bande de conduction Bande de valence Energie e - e - piégé e - réémis 0.7eV 0.01eV (kT eV)

15 Régénération, dégradation 2 questions liées: régénérationQuelle est lefficacité de la méthode de neutralisation des pièges ? étude de la régénération du détecteur dégradationQuelle est linfluence du piégeage sur la qualité de la collecte ? étude de la dégradation du détecteur 3 expériences: dégradationen surfaceDistribution de charge et dégradation due au piégeage en surface en volumerégénéréCaractérisation du piégeage en volume dans létat régénéré dégradationen volumeDistribution de charge et dégradation due au piégeage en volume 2 outils: Utilisation croisée des simulations et des mesures résolues en temps –Amplitude des signaux ionisation: géométrie des lignes de champs –Temps de montée des signaux: valeur moyenne du champ électrique

16 Simulation du transport & Synthèse des signaux ionisation Calcul du champ électrique –Géométrie du détecteur + tension appliquée –Charge despace –Interaction coulombienne entre porteurs + Lois de vitesse –Mesures à 8K (Jacoboni et al., 1981) Trajectoires des porteurs Trajectoires des porteurs Théorème de Ramo Signaux induits sur les électrodes Signaux induits sur les électrodes électrons trous Voie centre Voie garde Simulation 122 keV 50 paquets de charge

17 Dispositifs expérimentaux Cryogénie: cryostat à dilution 3 He/ 4 He, T 20mK Électronique: amplificateur de charge bas bruit –Temps de montée 10%-90% de lordre de 100 ns Détecteurs: À Orsay Au laboratoire souterrain de Modane

18 I - Dégradation due au piégeage en surface

19 Piégeage en surface densité de pièges > /cm 2Surfaces libres: densité de pièges > /cm 2 détecteurs testsMise à profit des détecteurs tests (grandes surfaces libres) Méthode de création/caractérisation de charge surfacique dégradation contrôlée du détecteur 3 étapes: –Irradiation gamma 22Na + acheminement des porteurs aux surfaces –Collecte des gammas 57Co sous leffet de la charge piégée –Modélisation/simulation Boîtier Cu doré 1cm 57 Co 1cm Tension centre signal centre Tension garde signal garde Tension référence

20 -6V Polarisation du détecteur Boîtier Cu Toutes les électrodes à la même tension + boîtier à la masse Toutes les électrodes à la même tension + boîtier à la masse toutes les lignes de champs passent par une surface libre

21 -6V Etape I – Dégradation Porteurs amenés aux surfaces libres 22 Na ~500 keV Irradiation gamma par source 22 Na Irradiation gamma par source 22 Na génération de porteurs, conduits aux surfaces (trous ou électrons suivant le signe de la tension)

22 Suivi de la dégradation Etat stationnaire dégradé Le rendement de collecte diminue La collecte se ralentit Amplitude centre (V) vs. Temps (s) Temps de montée garde (ns) vs. Temps (s) Dans létat dégradé stationnaire, champ électrique faible Dans létat dégradé stationnaire, champ électrique faible Le contre-champ induit par la charge piégée soppose au champ appliqué Le contre-champ induit par la charge piégée soppose au champ appliqué

23 Etape II - Sondage de létat dégradé 122 keV 57 Co Charge surfacique négative Électrodes à la masse, source 22 Na éloignée Électrodes à la masse, source 22 Na éloignée seul subsiste le champ induit par la charge surfacique

24 Scatter-plot amplitude centre vs. amplitude garde Run 57 Co Surfaces chargées négativement Toutes les électrodes à la masse Run 57 Co Détecteur régénéré Toutes les électrodes à V<0

25 Etape III - Modélisation E int =0 -6V Charge surfacique négative -6V État dégradé stationnaire Charge surfacique négative Détecteur équipotentiel Métallisation des surfaces Portées à –6V Détecteur équipotentiel E ext E int =0 E ext

26 Distribution de charge calculée Charge surfacique (10 7 e - /cm²) Distribution de charge surfacique annulant le champ appliqué lorsque toutes les électrodes sont à –6V

27 Scatter-plot simulé Scatter-plot experimental : détecteur dégradé sous –6V électrodes à la masse Scatter-plot simulé: électrodes à la masse + charge surfacique calculée + diffusion compton

28 Identification des populations e - collectés par lélectrode centre e - collectés par lélectrode référence Division des charges réf/centre Division des charges centre/garde e - collectés par lélectrode garde

29 En résumé Méthodologie: –Validation de la méthode de création/sondage de charge despace Résultats: –Mise en évidence piégeage en surface –Influence dune charge surfacique sur la collecte

30 II - Etude du piégeage en volume dans létat régénéré

31 Principe de létude Détecteurs EDELWEISS longueurs de piégeageMesure des longueurs de piégeage : 1)Déterminées par mesure du rendement de collecte -Position en énergie de la raie 122keV (amplitudes des signaux) 2)Déterminées par étude de la corrélation rendement de collecte/ position dans le détecteur -Corrélation amplitude/ temps de montée des signaux 122 keV Tension de collecte 57 Co position A 57 Co position B N i : densité de pièges de type i i : section efficace de piégeage e : électrons h : trous

32 Spectre ionisation en fonction de la tension de collecte Raie 122 keV Raie 136 keV Rendement de collecte diminue à basse tension Dégradation de la résolution à basse tension

33 Rendement de collecte en fonction de la tension de collecte Tension de collecte négative: les électrons parcourent lessentiel du détecteur V>0 57 Co h + V<0 57 Co e - Mesures de rendement de collecte, calibrées par rapport à +4V Tension de collecte positive: les trous parcourent lessentiel du détecteur

34 Rendement de collecte et longueurs de piégeage (d=2 cm) Asymétrie par rapport au signe de la tension et aux 2 positions de sources piégeage plus efficace des électrons piégeage plus efficace des électrons h e Modèle 1D:

35 Corrélation rendement de collecte/temps de montée -1V 57 Co position A e- e- Contribue à la dégradation de la résolution en énergie à basse tension Raie 122keV +1V Raie 122keV –1V Raie 136 keV +1V h +

36 Modélisation 1D: rendement de collecte vs. position z V e - h + z

37 Modélisation 1D: temps de collecte vs. position z (T=20mK, E=0.5 V/cm)

38 Modélisation 1D: temps de collecte vs. rendement Rendement vs. z Temps de collecte vs. z

39 Comparaison qualitative aux expériences +1V, position A -1V, position A Modèle 1D e =21cm, h =71cm (valeurs déterminées par mesure du rendement de collecte)

40 Détermination de Détermination de Ajustement du modèle 1D rendement=f(z) aux données expérimentales Détermination de e et h Utilisation des données de localisation par la voie ionisation -Disponibles pour une tension de collecte de 1V

41 Détermination de Détermination de e =21 4 cm h =71 50 cm Compatible avec mesures de rendement de collecte:

42 Résumé des mesures Mesuré par rendement de collecte Mesuré par ajustement sur la corrélation rendement de collecte/position

43 Nature des pièges ? Peu de données sur le contenu en impuretés: –Dopage net: |N a -N d | qques10 9 /cm 3 N a, N d de lordre de /cm 3 Données de la littérature: –Peu de données sections efficaces à très basse température –Données disponibles: porteurs thermalisés Bande de valence Bande de conduction Niveaux donneurs, densité N d Niveaux accepteurs, densité N a e - h +

44 Sections efficaces de piégeage sur impuretés ionisées Section efficace de piégeage des trous sur accepteurs ionisés - (Abakumov, 1991) Section efficace (cm²) Température (K) 1/T 3

45 Sections efficaces de piégeage sur impuretés neutres Température (K) (Abakumov, 1991) Section efficace (cm²) Électrons sur accepteurs neutres Trous sur donneurs neutres neutre << ionisé neutre << ionisé (3 à 4 ordres de grandeurs) 1/T 2

46 Nature des pièges de 10 cm à 100cm, =1/(N ): –Avec N=10 10 /cm 3, de à cm² – ionisé (T) T 3 à 10 K, cohérent avec 5 à 25K Si piégeage sur impuretés neutres: – neutre cm 2 N à /cm 3 Proportion significative des impuretés dopantes ionisée

47 Etat de charge du détecteur Bande de valence Bande de conduction Bande de valence Bande de conduction Après mise en froid Après régénération incomplète + donneur ionisé + donneur neutre - accepteur ionisé accepteur neutre -

48 Etat de charge du détecteur Neutralité électrique globale Neutralité électrique globale Champ électrique local Champ électrique local

49 En résumé Méthodologie –Exploitation des mesures résolues en temps Résultats: –Asymétrie trous/électrons –Longueurs de piégeage impuretés dopantes chargées

50 III – Dégradation due au piégeage en volume

51 Dégradation due au piégeage en volume Détecteur EDELWEISS Quelle type de distribution de charge due au piégeage en volume sous irradiation uniforme ? Utilisation de la méthode de caractérisation de la charge despace: 1)Dégradation contrôlée par 60 Co jusquà lobservation dun état stationnaire (effets marqués de la charge piégée + reproductibilité) 2)Sondage de la distribution de charge piégée avec 57 Co et sans tension appliquée

52 I – Dégradation contrôlée Source 60 Co en dehors du cryostat – paires électron-trou /cm 3 /s (40MeV/s dans le détecteur) –Irradiation sous tension appliquée 1V Suivi amplitude et temps de montée en cours de dégradation 1V 57 Co (sonde) 60 Co (dégradation)

53 I – Dégradation contrôlée Suivi des temps de montée en cours de dégradation (10 4 s) 1V 60 Co

54 I – Dégradation contrôlée Suivi de lévolution du rendement de collecte Calibrations intermittentes avec 57 Co

55 II – Caractérisation de létat dégradé: temps de montée Toutes les électrodes à la masse, source 57 Co Distribution des temps de montée Contre-champ de lordre du champ appliqué 57 Co

56 II – Caractérisation de létat dégradé: Scatter-plot centre vs. garde Contre-champ opposé au champ appliqué lors de la dégradation Scatter-plot sans tension appliquée, après dégradation sous +1V Scatter-plot avec tension –1V, détecteur régénéré Raie 122 keV, évènements centre pur

57 II – Caractérisation de létat dégradé: Scatter-plot centre vs. garde Rendement de collecte important ( 80%) –Les charges parcourent lessentiel de lépaisseur du détecteur –Pas de dépendance à la position de source Rendement de collecte limité par la géométrie du champ électrique Scatter-plot sans tension appliquée, après dégradation sous +1V Histogramme amplitudes des évènements centre pur Rendement de collecte 80%

58 Distribution de charge piégée (1D) E 80% 100% Flux de porteurs inhomogènes Croissance de charge plus rapide sous les électrodes Nécessité dune distribution piquée vers les électrodes 100% 80%

59 Simulation 2D Modèle simplifié

60 Scatter-plot simulé Modèle simplifié Position et énergie des évènements fournis par GEANT (Gérard Nollez, IAP)

61 Collimateur collecte Ge Expérience complémentaire Sondage de létat de charge sous les électrodes par rayonnement peu pénétrant 60 Co Détecteur test 241 Am

62 Expérience complémentaire Vcollecte=+49VVcollecte=- 49V Alpha 5.5 MeV ( 241 Am) Raie 1333 keV ( 60 Co)

63 En résumé Méthodologie: –Méthode de création/sondage de charge despace –Exploitation des mesures résolues en temps Résultats: –Développement de charge sous les électrodes –Efficacité régénération sous les électrodes?

64 Conclusions et perspectives Piégeage en surface/ piégeage en volume –Charge surfacique: Importance de la géométrie –Piégeage en volume: relativement faible aux tensions de collecte utilisée dans EDELWEISS (rendement >99% à 4V) –Piégeage près des électrodes zone morte Régénération –État de charge du détecteur –Efficacité près des électrodes ? Conception des détecteurs –Technologie des contacts électrode/Ge –Optimisation de la géométrie des électrodes –R&D électrodes segmentées (interdigitées)


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