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2007, Clermont-Ferrand – 18-29 novembre 20071 TimePix à Saclay : réalisations et perspectives David Attié, Maximilien Chefdeville,

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1 2007, Clermont-Ferrand – novembre TimePix à Saclay : réalisations et perspectives David Attié, Maximilien Chefdeville, Paul Colas, Eric Delagnes, Marc Riallot, Arnaud Giganon SOCLE 2007, Clermont-Ferrand novembre 2007

2 2007, Clermont-Ferrand – novembre Sommaire SiTPC : proposition dune lecture pixélisée pour une TPC Description de la puce TimePix Activités liées à SiTPC Premières lumières dune chambre TimePix/Micromegas Grand prototype de TPC digitale Conclusion & perspectives

3 2007, Clermont-Ferrand – novembre SiTPC : proposition dune lecture pixélisée pour une TPC Caractéristiques nécessaires pour la TPC de lILC : Résolution spatiale (<100 μm) : –σ xy limité par la largeur du pad (pas/12) –distribution de charge étroite (RMS ~15 μm) Granularité importante : –détection/suppression des δ-ray –directionnalité –mesure du dE/dx par comptage des clusters Utilisation dune lecture digitale pour la TPC en combinant : une puce CMOS pixélisée un détecteur gazeux GEM ou Micromegas Autres avantages : –sensibilité à lélectron unique –énergie + directionnalité permettent lobservation : électrons de faible énergie pour la polarimétrie X reculs des noyaux issus des interactions WIMP ou neutrinos 2 e- de la désintégration beta (ββ2ν) SiTPC

4 2007, Clermont-Ferrand – novembre Principe de la TPC digitale Puce TimePix Particule ionisante Volume de gaz Système damplification (MPGD) Cathode ~50 µm 80 kV/cm Micromegas

5 2007, Clermont-Ferrand – novembre Puce (CMOS ASIC) améliorée dans le cadre dEUDET à partir de la puce Medipix dabord développée pour des applications médicales Technologie IBM 0.25 µm Caractéristiques: –surface : 1.4 x 1.6 cm 2 –matrice de 256 x 256 –pixel de 55 x 55 µm 2 Chaque pixel contient: –Préamplificateur + shaper –discriminateur de seuil –registre de configuration –logique de synchronisation (TSL) –compteur 14-bit Seuil ~ 700 e- 55 m Description de la puce TimePix Plan dun pixel Préamplificateur Discriminateur Registre de configuration Interface Compteur Logique de synchronisation

6 2007, Clermont-Ferrand – novembre Mode MedipixMode TOTMode Timepix TimePix Synchronization Logic (TSL) MaskP1P0Mode 000Masked Medipix 101TOT 110Timepix-1hit 111Timepix Chaque pixel peut être configuré en 5 modes Horloge interne jusquà 160 MHz Charge sommée non detecté detecté 100 MHz Signal analogique Shutter interne Shutter Horloge interne Signal digital

7 2007, Clermont-Ferrand – novembre Ingrid ou Micromegas intégré par photolithographie 1.Le substrat peut être : –wafer de Si avec une simple anode –puce de lecture type TimePix 2.Application et exposition dun photorésist –définition de lespace damplification (qqs 10 μm) –définition des supports (piliers/murs) 3.Déposition dun film métallique avec motifs –définition de la géométrie de la grille 4.Développement par dissolution des zones non exposées + nettoyage substrat photo-resist pas de 20 μm pas de 50 μm MESA+ Univ. Twente

8 2007, Clermont-Ferrand – novembre Ingrid : résolution en énergie Amélioration du process : grille beaucoup plus plate –très bonne résolution en énergie : 13.6 % FWHM avec 55 Fe dans le P10 –suppression de la raie K β à 6.5 keV : keV dans le P10 –avec F = 0.14 & N e = 229 fluctuation du gain ~ 0.7 Nouveau masque photolithographique : - pas des trous jusquà 20 μm - avec différents géométries Augmentation en épaisseur de la grille : de 1 μm dAl à 5 μm par électrolyse plus robuste Échappement K α Echappement K β 13.6 % FWHM K β filtré en utilisant une feuille de Cr 11.7 % FWHM Max Chefdeville (NIKHEF/Saclay) + Twente Univ. Gap : 50 μm; Trou, pas : 32 μm, Ø : 14 μm

9 2007, Clermont-Ferrand – novembre μm 45 μm 58 μm Ingrid : étude du retour des ions Dépendance du phénomène : –le gaz (Townsend, σ t ) –la géométrie de la grille (gap, pas et taille des trous, taille de lentonnoir et de lavalanche) 3 géométries différentes : –gap à 45, 58 et 70 μm –opérant à 325, 350 et 370 V –E a de 72, 60 et 53 kV/cm (G~200, 550 et 150) -coef. diffusion de 142, 152 et 160 μm/cm -largeur davalanche de 9.5, 11.6 et 13.4 μm Le retour des ions atteint un minimum –prédit par la simulation à σ t /p = 0.5

10 2007, Clermont-Ferrand – novembre Chambre TimePix/Micromegas Cage de champ Capot Mesh Micromegas Puce Medipix2/TimePix M. RIALLOT (DAPNIA/SEDI) Fenêtre pour sources X Fenêtre pour source Plans :

11 2007, Clermont-Ferrand – novembre Chambre TimePix/Micromegas 6 cm

12 2007, Clermont-Ferrand – novembre Source 55 Fe Puce Timepix + mesh Micromegas : Puce Timepix + SiProt 20 μm + Ingrid: Effet de Moiré Uniforme MESA+ IMT Neuchatel CERN Medipix mode

13 2007, Clermont-Ferrand – novembre Chambre TimePix/Micromegas : mode TOT Timepix chip + SiProt 20 μm + Micromegas 55 Fe Ar/Iso (95:5) Mode TOT z = 60 mm -

14 2007, Clermont-Ferrand – novembre Chambre TimePix/Micromegas : mode Time Timepix chip + SiProt 20 μm + Micromegas 55 Fe Ar/Iso (95:5) Mode Time z = 25 mm V mesh = -340 V

15 2007, Clermont-Ferrand – novembre Chambre TimePix/Micromegas : mode Time Timepix chip + SiProt 20 μm + Micromegas 109 Cd Ar/Iso (95:5) Mode Time z = 60 mm V mesh = -340 V

16 2007, Clermont-Ferrand – novembre Protection contre les étincelles Timepix chip + SiProt 20 μm + Micromegas 228 Th 220 Rn Ar/Iso (80:20) Mode TOT z = 10 mm V mesh = -420 V ~3 jours, alpha dont 1% de … Provoquer des étincelles en introduisant un peu de Thorium dans le gaz 2.5×10 5 e- 2.7×10 5 e- 6.3 MeV 6.8 MeV NIKHEF

17 2007, Clermont-Ferrand – novembre Observations des étincelles Timepix chip + SiProt 20 μm + Micromegas 228 Th 220 Rn Ar/Iso (80:20) Mode TOT z = 10 mm V mesh = -420 V La puce fonctionne toujours !!! NIKHEF

18 2007, Clermont-Ferrand – novembre Large Prototype Interchangable Technologie bulk Micromegas ø = 80cm D. Peterson, Cornell

19 2007, Clermont-Ferrand – novembre Panneau avec TimePix Matrice 2x4 SiProt+Ingrid 1 MUROS Pad ~ 2,8 x 6, 8 mm²

20 2007, Clermont-Ferrand – novembre Perspectives Micro TPC + TimePix : outil inégalable sensible à lélectron unique maintenant disponible pour létude et la caractérisation des gaz Observation de rayons cosmiques et mesures en faisceau polarisé La conception dun PCB contenant une matrice de 2x4 TimePix a commencé et pourra utiliser la technologie InGrid Construction dune boite pour des tests préalables au Grand Prototype (Large Prototype)

21 2007, Clermont-Ferrand – novembre Perspectives Saclay –David Attié –Max Chefdeville –Paul Colas –Esther Ferrer-Ribas –Arnaud Giganon –Ioannis Giomataris –Marc Riallot –Stephen Turnbull Résolution ultime de la TPC digitale pour lILC Ouverture sur de très nombreuses applications : - Polarimétrie X - Etude des propriétés des gaz (statistique primaire, diffusion, fluctuations de gain, etc…) - Matière noire directionnelle - … CERN –Michael Campbell –Xavier Llopart NIKHEF –Yevgen Bilevych –Marten Bosma –Max Chefdeville –Martin Fransen –Fred Hartjes –Jan Timmermans –Harry van der Graaf –Jan Visschers Collaboration


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