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Étude dune TPC à lecture MICROMEGAS pour le futur collisionneur linéaire P. Colas, Y. Giomataris, J. Martin, A. Olivier (DAPNIA Saclay) J. Jeanjean, V.

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1 Étude dune TPC à lecture MICROMEGAS pour le futur collisionneur linéaire P. Colas, Y. Giomataris, J. Martin, A. Olivier (DAPNIA Saclay) J. Jeanjean, V. Lepeltier (LAL Orsay)

2 Plan Présentation de létude Contexte et enjeux Propriétés des mélanges gazeux Mesure des vitesses de dérive Le retour des ions Description dune TPC à lecture Micromegas Simulations Propriétés de dérive et damplification Comparaison simulations/résultats expérimentaux Discussion sur les erreurs systématiques Étude théorique Simulations Résultats expérimentaux

3 Les enjeux du futur collisionneur linéaire Étude de la brisure de la symétrie électrofaible, origine des masses Étude détaillée du boson de Higgs Recherche de particules supersymétriques Recherche de phénomènes au-delà du Modèle Standard : gravitation forte, dimensions supplémentaires …

4 Le projet TESLA Tera Electronvolt Superconducting Linear Accelerator Collisionneur linéaire électron-positron Autres projets : NLC, JLC Projet de collaboration internationale piloté par DESY (Deutsches Elektronen Synchrotron) 33 km de long, 2 accélérateurs linéaires de 15 km chacun Energie de collision de 500 à 800 GeV

5 Présentation de létude Les détecteurs Un détecteur de vertex Une TPC Un calorimètre électromagnétique Un calorimètre hadronique Essentiellement 4 types de détecteurs

6 TPC à lecture Micromegas La chambre à projection temporelle (TPC) Principe Détecteur qui permet une mesure point par point tridimensionnelle de la trajectoire de la particule chargée Avantages Bonne résolution spatiale Grand nombre de points de mesure par longueur de radiation reconstruction facilitée et bonne séparation des traces La TPC peut couvrir un grand volume, bonne acceptance pour les V0 Trace dune particule chargée B Dérive des électrons d ionisation Système de lecture E

7 TPC à lecture Micromegas Micromegas (MICRO MEsh GAseous Structure) Principe Propriétés et performances du détecteur Uniformité du champ électrique dans lespace damplification et faible gap stabilité du gain La microgrille permet dune part le passage de la totalité des électrons, crées dans lespace de conversion par la particule incidente, vers lespace damplification et dautre part une collection rapide et efficace des ions qui remontent de lanode Faible effet E B

8 TPC à lecture Micromegas Prototype de TPC Micromegas en construction Collaboration Berkeley Orsay Saclay F. Bieser 1, R. Cizeron 2, P. Colas 3, C. Coquelet 3, A. Delbart 3,E. Delagnes 3, B. Genolini 4, A. Giganon 3, Y. Giomataris 3, G. Guilhem 2, S. Herlant 3, J. Jeanjean 2, V. Lepeltier 2, J. Martin 3, A. Olivier 3, J. Peyré 4, J. Pouthas 4, Ph. Rebourgeard 3, M. Ronan 1 1) LBL, 2) LAL Orsay, 3) DAPNIA Saclay, 4) IPN Orsay Études préliminaires avant de tester ce prototype

9 TPC à lecture Micromegas Caractéristiques du couplage TPC/Micromegas Ionisation primaire Vitesse de dérive Propriétés de lespace de dérive Création de paires électron-ion lors du passage dune particule chargée dans le milieu gazeux N0= 94 paires par cm pour Ar, 39 pour Ne, 8 pour He Dépend de E Maximum de vitesse

10 TPC à lecture Micromegas Caractéristiques du couplage TPC/Micromegas Diffusion transverse Diffusion longitudinale Diffusion t ~ 500 microns/ (cm) dans lespace de dérive Effet de B B permet de réduire t l détermine la résolution en z

11 TPC à lecture Micromegas Caractéristiques du couplage TPC/Micromegas Propriétés de lespace damplification Avalanche et gain du détecteur Processus davalanche : dans un champ électrique très intense, les électrons acquièrent suffisamment dénergie entre deux chocs pour ioniser à leur tour dautres molécules de gaz Gain de multiplication : G=exp(.d) : coefficient de Townsend Attachement Capture dun électron par une molécule de gaz Perte par attachement : A=exp(-.x)

12 TPC à lecture Micromegas Caractéristiques du couplage TPC/Micromegas Propriétés du mélange gazeux Mélange gazeux = gaz rare + quencher Gaz rare : composant principal (généralement largon) mais émission de photons UV qui rend instable lamplification Quencher : gaz polyatomique qui possède de nombreux états excités non radiatifs et qui permet dabsorber les photons UV indésirables composant nécessaire en petite quantité CF4, CH4, isobutane, éthane …

13 TPC à lecture Micromegas Caractéristiques du couplage TPC/Micromegas Considérations électrostatiques Lignes de champ suivies par les charges dans lespace de dérive et dans l espace damplification Transparence électronique : proportion des électrons crées dans lespace de dérive qui traversent la grille Taux de remontée dions : proportion des ions crées dans lespace damplification qui remontent dans lespace de dérive

14 TPC à lecture Micromegas Contraintes liées au couplage TPC/Micromegas Espace de dérive Maximum de vitesse élevé à bas champ électrique Faible diffusion transverse bonne résolution en (r, ) Faible diffusion longitudinale bonne résolution en z Pas dattachement Espace de damplification Mélange gazeux Même gaz pour les 2 espaces Gaz non inflammable et sans composé hydrogéné Gain souhaité (300 à 1000) : choix du gap et de la tension Attachement négligeable Remontée dions < 1% afin de limiter les effets de charge despace

15 Propriétés des mélanges gazeux Présentation des simulations Magboltz Programme écrit par Steve Biagi qui permet dévaluer les coefficients de transport des électrons dans les gaz Calcule : vitesse de dérive, coefficients de diffusion, de Townsend, dattachement Garfield Développé au CERN par Rob Veenhof Chambre à dérive 2D, calculs 3D à partir de cartographies de champs importées Calcule : cartes de champ, équipotentielles, lignes de dérive des ions et électrons, temps de dérive…

16 Propriétés des mélanges gazeux Propriétés de dérive Choix du gaz rare (gaz porteur) Largon est le plus intéressant (propriétés de vitesse de dérive + coût)

17 Propriétés des mélanges gazeux Propriétés de dérive Vitesse de dérive Maximum de vitesse élevé à bas champ Ar + 2 ou 3% CF4

18 Propriétés des mélanges gazeux Propriétés de dérive Diffusion transverse (sans B) 400 m à 1 m

19 Propriétés des mélanges gazeux Propriétés de dérive Diffusion transverse (avec B) Diffusion transverse divisée par 17 à 0.2 kV/cm 25 m à 1 m à 0.2 kV/cm

20 Propriétés des mélanges gazeux Propriétés de dérive Diffusion longitudinale Vd = 7.5 cm/ s durée du pulse = 33 ns 2.5 mm à 1 m

21 Propriétés des mélanges gazeux Propriétés de dérive Attachement Attachement nul à 0.2 kV/cm

22 Propriétés des mélanges gazeux Propriétés de dérive Influence de H 2 O Effet sur la vitesse de dérive H 2 O rabaisse le plateau de vitesse et le décale à haut champ

23 Propriétés des mélanges gazeux Propriétés de dérive Influence de O 2 Effet sur lattachement Moins de 10 ppm pour que les électrons de dérive ne soient pas perdus par attachement N 2 a le même effet que H 2 O mais nest pas gênant sauf en forte proportion

24 Propriétés des mélanges gazeux Propriétés damplification Courbes de gain

25 Propriétés des mélanges gazeux Propriétés damplification Influence du gaz porteur

26 Propriétés des mélanges gazeux Propriétés damplification Influence du quencher

27 Propriétés des mélanges gazeux Propriétés damplification Étude du porteur Argon

28 Propriétés des mélanges gazeux Propriétés damplification Étude du système Ar-Ne-CF4

29 Propriétés des mélanges gazeux Conclusion Choix du porteur : Argon Bonnes propriétés de dérive et damplification + coût Piste à étudier : mélanges de gaz porteurs (ex : Ar-Ne) Choix du quencher : CF 4 Proportion : 2% Vd=7.5 cm/ s à 0.2 kV/cm Choix du gap : ~50 m Maximum de la courbe de gain meilleure stabilité

30 Mesure des vitesses de dérive Principe des mesures Schéma du dispositif expérimental t Temps (ns) Signal de lanode

31 Mesure des vitesses de dérive Dispositif expérimental LASER

32 Mesure des vitesses de dérive Comparaison avec les simulations

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35 Mesure des vitesses de dérive Discussion sur les erreurs systématiques Erreurs de simulation Données des gaz dans Magboltz (de lordre du %) Erreurs expérimentales Composition précise du gaz, présence dimpuretés, espacement entre les deux microgrilles, lecture des signaux… Erreurs intrinsèques Liées au parcours des électrons au dessus de la microgrille HV1

36 Mesure des vitesses de dérive Discussion sur les erreurs systématiques Erreurs intrinsèques Temps de dérive supplémentaire qui dépend de la ddp entre HV1 et HV2 Résultat : + 4 à 8 ns suivant la ddp entre HV1 et HV2 Insuffisant pour expliquer les écarts expérimentaux

37 Mesure des vitesses de dérive Conclusions Les mesures sont bonnes avec une précision de quelques % De nombreuses erreurs systématiques Daprès les simulations, la principale source derreur est la présence dimpuretés dans le gaz

38 Le retour des ions Étude théorique Le phénomène « dentonnoir » Ea Ed x y S1 S2 La remontée des ions dépend de S1/S2~Ea/Ed Quand S1/S2 est grand, les ions remontent vers la grille plutôt que dans lespace de dérive. Les effets de charge des ions dans l espace de dérive sont supprimés

39 Le retour des ions Étude théorique Hypothèses sur la création des ions Struture périodique de la grille (période l) l 2* AvalancheDiffusion Diffusion de type gaussienne

40 Le retour des ions Étude théorique Calculs Somme de toutes les contributions des gaussiennes 2D3D

41 Le retour des ions Étude théorique Résultats Grille 500 lpi ( t /l=0.25) 1000 lpi ( t /l=0.5) 1500 lpi ( t /l=0.75) Distribution de création des ions Retour des ions

42 Le retour des ions Étude théorique Résultats Bon retour des ions t /l > 0.5 feedback = field ratio

43 Le retour des ions Simulations Garfield Résultats (Ar + 10%isobutane, 1500 lpi, gap 100 microns) Les simulations trouvent un retour des ions légèrement supérieur à la valeur théorique Erreur intrinsèque au programme Garfield

44 Le retour des ions Étude expérimentale Dispositif expérimental et méthode de mesure V mesh V drift I 2 (mesh) I 1 (drift) X-ray gun Primaires + feedback I 1 +I 2 ~ G x primaires On obtient lionisation primaire pour G=1 (V mesh faible) Feedback = (I 1 -I 0 )/(I 1 +I 2 )

45 Le retour des ions Étude expérimentale Mesure en présence de champ magnétique

46 Le retour des ions Étude expérimentale Résultats (Ar + 10% CH4, 500 lpi, gap 50 microns) 4.E D /E A E D /E A Retour des ions indépendant de B Feedback=4.E D /E A Valeurs théoriques : t=11.2 m l=50.8 m Feedback=3.2 E D /E A

47 Le retour des ions Conclusion Au vu des résultats théoriques et expérimentaux, il semble établi que pour une valeur de t /l suffisante (> 0.5) le retour des ions est égal au rapport des champs E D /E A Le phénomène de retour est compris En choisissant une grille suffisamment serrée et en contrôlant le rapport des champs, on peut donc maîtriser ce phénomène Le phénomène de retour est indépendant de B

48 Conclusion Une bonne résolution spatiale et temporelle La construction de Micromegas est facile et peu coûteuse Une évacuation rapide et efficace des ions Gains élevés E B=0 presque partout Une collection rapide du signal due au faible gap damplification (50 à 100 m) Micromegas présente de nombreux avantages Ceci en fait un excellent candidat pour la trajectographie centrale du collisionneur linéaire

49 Des progrès ont été réalisés récemment sur loptimisation du mélange gazeux : Ar + 2 % CF4 semble être un bon compromis Le retour des ions est bien compris. La théorie est en accord raisonnable avec lexpérience Pour la première fois le fonctionnement de Micromegas et le retour des ions ont été testés en champ magnétique Conclusion


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