Michael Lupberger Séminaire Orienté vers une Contribution au Linéaire à Electron 9 et 10 novembre à l'INSTN (CEA Saclay) Séminaire Orienté vers une Contribution au Linéaire à Electron 9 et 10 novembre à l'INSTN (CEA Saclay)

SOCLE 10/11/2009 Saclay Michael Lupberger 2 Sommaire Détecteur gazeux pixélisé - Les puces Medipix et Timepix - Micromegas + puce Timepix - GridPix Physique étudiée - Amplification par le gaz - Fluctuations de gain

SOCLE 10/11/2009 Saclay Michael Lupberger 3 La puce MediPix La puce comme plan d’anode 55  m Développée par la collaboration Medipix: principalement pour les applications médicale. Caractéristiques : - 1,4 x 1,6 cm² - matrice 256 x 256 pixels (CMOS, IBM) - 55 x 55 μm² par pixel Seuil sur chaque pixel: ~1000 e -

SOCLE 10/11/2009 Saclay Michael Lupberger 4 La puce MediPix Pour chaque pixel : - Préamplificateur/shaper (t montée ~150 ns) - 2 discriminateurs (seuil bas & seuil haut) - Compteur 14-bit

SOCLE 10/11/2009 Saclay Michael Lupberger 5 La puce TimePix Une modification de MediPix2 pour des applications de TPC -> Motivation: savoir le temps d’arrivée des avalanches sur les pixels => utiliser les 14bits pour compter les cycles d’une horloge au lieu des #hits - seuil bas uniquement - horloge jusqu’à 100 MHz par pixel - seuil du bruit ~ 500 e- - [entrée] analogique  [sortie] digitale - 4 différents modes possibles Signal de discriminateur Mode Medipix Mode TOT Mode 1Hit Fenêtre du shutter Mode TIME

SOCLE 10/11/2009 Saclay Michael Lupberger 6 TimePix + Micromegas Un détecteur à gaz: remplace les pads par une puce TimePix comme anode => détecteur à haute segmentation  haute résolution => possibilité de contrôler l’anode depuis un PC => majorité de l’électronique intégrée dans la puce ~50 µm 80 kV/cm Micromegas Avalanche MICROMEsh GAseous Structure (Y. Giomataris et al., 1996) Plans parallèles à deux étages (mesh + anode) Mesh en cuivre polarisée à ~50 μm au-dessus du plan d’anode ! Attention aux décharges  mettre une couche supplémentaire : SiProt

SOCLE 10/11/2009 Saclay Michael Lupberger 7 La puce TimePix Système de lecture MUROSv2.1 : –lecture en série –cable VHDCI de longueur <3m –fréquence ajustable [30-200MHz] –compatible avec Timepix USB1.1/2.1 : –lecture en série –~5 –compatible avec Timepix (seul 2.1) Futur : nouveau système nécessaire

SOCLE 10/11/2009 Saclay Michael Lupberger 8 TimePix + Micromegas Images 2D Détecteur: Puce Timepix+SiProt 20 μm+Micromegas Source: 55 Fe Gaz: Ar/Iso (95:5) Mode Time; z = 25 mm; V mesh = -340 V Détecteur: Puce Timepix+SiProt 20 μm+Micromegas Source: 90 Sr Gaz: Ar/Iso (95:5) Mode Time; z ~ 40 mm; V mesh = -340 V

SOCLE 10/11/2009 Saclay Michael Lupberger 9 TimePix + Micromegas Possibilité de reconstruction 3D (Images de NIKHEF) Détecteur: Puce Timepix+SiProt 20 μm+InGrid Source: 90 Sr Champ magnétique : 0,2 T Mode Time; z = 0-3 cm; TPC à NIKHEF

SOCLE 10/11/2009 Saclay Michael Lupberger 10 La puce GridPix Problème avec TimePix+Micromegas: - Pas d’alignement entre pixel et trous de grille - piliers visibles - variation de distance entre anode et grille - structure irrégulière =>inhomogénéité de gain, effet de Moiré Solution: GridPix: puce TimePix avec structure Micromegas dans une postproduction - alignement de grille - surface plane - structure régulière -Possibilité des variations lors du post-processing

SOCLE 10/11/2009 Saclay Michael Lupberger 11 InGrid - Production NIKHEF (MESA+, Univ. Twente ) substrat photo-résist Pas de 20 μm Pas de 50 μm Intégré un détecteur GEM/Micromegas directement sur une puce de lecture… … par wafer post-processing : 1.Le substrat peut être : – Wafer de Si nu ou avec motif – puce de lecture -> TimePix avec SiProt 2.Recouvrement de photo-résist & exposition – définition du gap d’amplification (dizaines de μm) – définition du support (piliers/murs) 3.Déposition de la couche métallique & motif – définition de la géométrie de la grille 4.Dissolution du photo-résist non exposé – nettoyage SiProt

SOCLE 10/11/2009 Saclay Michael Lupberger 12 InGrid InGrid au dessus des pixels pilliers pixels Trou de grille centré entre 4 pixels 15/10/2009: 11 GridPix sont arrivées à Saclay 23/10/2009: première puce bondée au CERN 06/11/2009: Puce 2 et 3 bondées au CERN

SOCLE 10/11/2009 Saclay Michael Lupberger 13 Le détecteur GridPix But: panneau avec 8 GridPix pour le Grand Prototype de TPC pour l'ILC à Hambourg - les GridPix sont prêts - le PCB est en production - Problèmes à résoudre le prochaine année: - wire-bonding: connexion haute tension - manipulation des puces sans toucher la surface - comprendre le détecteur

SOCLE 10/11/2009 Saclay Michael Lupberger 14 Le détecteur GridPix Pour comprendre le détecteur Boite au gaz avec seulement une puce Puce fonctionne Photons du 55 Fe et cosmiques vues Fil de cablage s'est dessoudé 

SOCLE 10/11/2009 Saclay Michael Lupberger 15 Physique de gaz Objective: comprendre mieux le processus d’amplification dans le gaz - Certaines théories:Wejsman 1949, Legler 1955, Alkhazov 1970, Riegler Amplification des electrons dans le gaz est un processus stochastique - Distribution de l’amplitude d'avalanche?  Mesures donnent une distribution Polya (prédit par la théorie) = b, variance relative de gain Distribution Polya paramétrée par gain de gaz G et m obtenu avec les détecteurs Micromegas/PPC/MCP/single GEM GEM stacks  distribution exponentielle (cas limite de Polya) Micromegas T. Zerguerras et al. publié à NIMA

SOCLE 10/11/2009 Saclay Michael Lupberger 16 Mesure de gain Calibration de TOT Pour chaque pixel : utilisation d’un condensateur pour simuler la charge Thèse de Diplom, M. Ummenhofer, Bonn, 2008 Premier test à Saclay En accord compris Q/e- Impulsions test 0 V 0,8 V UU THL 0 V Signal à disc. Compteur TOT

SOCLE 10/11/2009 Saclay Michael Lupberger 17 Mesure de gain Perspective Image de Pixelman, puce en mode TIME Pour la mesure du gain : mode TOT Cluster de 220 électrons primaires du 55 Fe, diffusés dans le gaz (Ar/CO 2 ) Avalanche influence les pixels voisins à cause du SiProt (10 à 20  m) - TOT pour chaque pixel - Chaque électron primaire donne un cluster d’avalanche - Somme des TOT  nombre d’électrons arrivé  (?) gain Problèmes: - étalement de la charge - THL - dispersion Cluster en TOT

Conclusions La puce TimePix, développée pour des applications de TPC, et équipée avec un grille en post-processing (InGrid) est un composant prometteur pour arriver à la résolution ultime. (Timepix2 en conception) Avec le détecteur GridPix, le processus d’amplification dans le gaz peut être étudié en détail. Comme GridPix est composant tout nouveau il y a déjà quelques difficultés. (manipulation, cablage, protection, …) Un panneau avec une matrice de 8 GridPix pour le grand prototype de TPC pour ILC est en production et devra être testé à DESY l’année prochaine. D. ATTIÉ 1), Y. BILEVYCH 3), M. CAMPBELL 2 ), M. CHEFDEVILLE 4), P. COLAS 1), E. DELAGNES 1), K. FUJII 3), Y.GIOMATARIS 1), H. VAN DER GRAAF 4), X. LLOPART 2), I.MCGILL 2), U. RENZ 6), J. SCHMITZ 5), M. SCHUMACHER 6), J. TIMMERMANS 4) 1) Irfu,CEA Saclay; 2) CERN ; 3) KEK, 4) Nikhef; 5) Twente; 6) Freiburg Merci à: