1 Groupe VII Réflexions sur l’électronique et l’instrumentation Détection Branville, 23 mai 2006, Veronique Puill

2  Introduction : Les Photodétecteurs pour la Physique L’évolution des photodétecteurs Les caractéristiques à améliorer  Les domaines d’expertise du LAL en instrumentation  Les projets pour l’avenir : Super LHC Radiodétection large bande Instrumentation ββ au LAL Les grands détecteurs Water Cherenkov PLIC Les détecteurs semi-conducteurs pixélisés en mode Geiger TPC  Conclusion : Le LAL et la R&D en instrumentation Journées de Branville, 23 mai 2006 Les perspectives de la Détection et instrumentation associée au LAL

3 Les Photodétecteurs pour la Physique Leurs utilisations :  Détection et identification de particules : trajectographie et calorimétrie  Imagerie astrophysique  Spectroscopie Leurs gammes spectrales : Bolomètres Antennes Semi-conducteurs Détecteur à photocathode- semi-conducteurs Journées de Branville, 23 mai 2006

4 Au PointR&DAmélioration PMT PIN HPD APD MCP CdTe GasDet PIXELLISATIONPIXELLISATION CCD CMOS 2005 SiPM L’évolution des photodétecteurs Journées de Branville, 23 mai 2006

5  Dynamique du signal  Sensibilité spectrale  Résolution spatiale D’après K. Arisaka Journées de Branville, 23 mai 2006 Caractéristiques à améliorer Résolution en énergie Tenue aux radiations Surface sensible et pixellisation Réduction de la puissance consommée

6  Capacité de traitement des hauts flux de données  Augmentation de la fiabilité  Diminution du coût Association au plus près du capteur, l’électronique de lecture et de traitement Caractéristiques à améliorer Le LAL acteur incontournable (voir Présentation de François Wicek) D’après K. Arisaka Journées de Branville, 23 mai 2006

7  développement de prototypes  réalisations mécaniques  évaluation des détecteurs  qualification des détecteurs et de leur électronique  conception d’électronique de lecture et de traitement du signal  contrôle-commande Journées de Branville, 23 mai 2006 Les domaines d’expertise du LAL en instrumentation

8 Lecture du calorimètre pour SLHC : 2 options : I. version actuelle tient peut être les radiations : on change rien II. On change tout : - préamplificateur (intégré) - nouveau amplificateur formeur - pipeline (en SiGe ou 130 nm DSM dynamique possible ?) ou numérisation à 80 MHz ? (14 MHz existe) - Somme numérique pour le trigger / analogique ? tout en gardant les contraintes extérieures (châssis, puissance…) distribution des basses tensions. Probablement nécessité de refaire aussi les autres cartes (calibration / contrôleur) Super LHC-ATLAS d’après L. Serin Journées de Branville, 23 mai 2006

9 Radio detection large bande : nouvel axe d’étude pour l’Astronomie Radio et l’Astroparticule Antennes large bande Plusieurs polarisations signal de gerbe polarisé linéairement bruit anthropomorphique polarisé circulairement (Station Radio, TV,Radar ) Journées de Branville, 23 mai 2006 Signal : wide band, during few ns Background: one frequency Long duration. D’après S. Dagoret-Campagne

10 Implication du LAL dans la radio détection large bande : Auto déclenchement par un système de filtrage multibandes en fréquence Mémoire analogique rapide et bas bruit couplée à un ADC Flash (le LAL expert dans ce domaine) Implication possible du labo pour de grands réseaux d’antennes (10. N km 2) Journées de Branville, 23 mai 2006 Radio detection large bande Codalema dipole ( Nancay ) Codalema log periodic Antenna (Nancay) Lopes V antenna (KSCADE) AMBER Horn (Hawai)

11 R&D SuperNEMO pour les 2 années à venir au LAL : Détecteur BiPo : détecteur planaire dédié à la mesure de ultra haute puretés des feuilles sources  en 208 Tl et 214 Bi scintillateur ultra ultra basse radioactivité Electronique: Flash ADC 12 bits, slow contrôle Autres voies possibles :  Tracking: TPC a dérive d’ions (faible taux de comptage, grand volume de dérive) Discrimination alpha/électron Pulse shape analysis en Geiger Combiner proportionnel/Geiger  Calorimètrie: Silicium basse radioactivité (géométrie piégeage d’électron…) pour améliorer la résolution en énergie, mais backscattering ???.... Instrumentation  D’après X. Sarazin Journées de Branville, 23 mai 2006

12 65m 80m MEMPHYS Les grands Détecteurs Water Cherenkov  PMTs et Electronique (ANR 2006, projet PMm2) Démonstrateur d’une unité de détection autonome ~1m 2 : une matrice de 4x4 PMs (8’’ PHOTONIS) immergé dans l’eau (IPNO) avec ASIC de lecture (LAL) allant du correcteur de Gain jusqu’à la digitization Charge et Temps, et l’unité de réseau WiFi (LAPP). => 1k€/voie tout compris  Besoin de tagger certains canaux de physique émettant des neutrons  Gadolinium Faire une cuve de 1m 3 -Différents liners -Eau pure + GdCl 3 (acide) -3 PMs Taille 65m diam. 65m de haut: 220kT d’eau (rappel SuperK 50kT) ~81,000 12’’ PMTs MEMPHYS : 3 puits => 440kT fiduciel Coût: 300 M€ (cavités) k€ PMTs et électronique, HT k€ usines radon– pour l’air et l’eau D’après J.E Campagne Journées de Branville, 23 mai 2006

13 PLIC Pulse Laser Injected Cavity Cavité Fabry-Perot en régime pulsée : - 2 à 4 miroirs - Étude pour une source de positrons polarisés + le polarimètre de l’ILC R&D pour les années à venir : Développement d’un banc optique : Mécanique : cavité permettant l’accroissement en énergie d’un laser pulsé Electronique : stabilisation du laser Mesure rapide et précise de la polarisation du laser intra-cavité Journées de Branville, 23 mai 2006

14 Les détecteur Si pixélisés en mode Geiger SiPM (B. Dolgoshein, MEPHI) Vbias = V Gain = 10 6 Surface active =1 à 10 mm 2 Bruit = MHz/mm 2 Applications :  profileur de faisceau  tracker à fibres scintillantes  calorimétrie hadronique (HCAL sur l’ILC)  télescope Cherenkov (CTA)  fluorescence atmosphérique (EUSO)  PET  détection de neutrinos, RICH Journées de Branville, 23 mai 2006

15 La R&D du LAL sur les SiPMs (ANR 2006, projet AppliSPAD)  Caractérisation des détecteurs (LAAS, JINR ?, ITC ?)  Mise en œuvre pour les applications tracker, calorimètre, imagerie …  Etude sous irradiation  Développement d’un ASIC 64 canaux de lecture : Discriminateur ultra-rapide Logique de coïncidence Digitisation de la charge sur 12 bits Digitisation du temps sur 12 bits Gain variable Hold signal Photomultipli cer 64 channels Photo ns Variabl e Gain Preamp. Variable Slow Shaper ns S& H Bipolar Fast Shaper Unipolar Fast Shaper Gain correction 64*6bits 3 discriminator thresholds (3*12 bits) Multiplexed Analog charge output LUCID S& H 3 DACs 12 bits 80 MHz encoder 64 Wilkinson 12 bit ADC 64 trigger outputs Multiplexed Digital charge output Journées de Branville, 23 mai 2006

16 Cosmologie (voir présentation R. Ansari) Domaine visible et IR (relevés de galaxies) - Imagerie grand champ - Spectroscopie multi-objets  Développement grandes caméras dans le domaine visible et proche IR Besoin de compétences  Mécanique (mécanique de précision, cryostat)  Optique  Electronique  Contrôle-commande Journées de Branville, 23 mai 2006 détecteur IR Rockwell NIR détecteur pour SNAP Plan focal camera IR VISTA

17 la TPC du futur d’après Vincent Lepeltier z x E B dérive particule chargée chambre à fils proportionnelle volume gazeux avec E//B -HV la TPC originelle proposée par D. Nygren à Berkeley en 1974, réalisée en 1978 «the equivalent of going from the Spirit of St. Louis to a 747 jet » Ray Marx ALEPH et DELPHI dans les années 80, STAR 1990, ALICE 2000 le passé… Journées de Branville, 23 mai 2006

18 les technologies MPGD GEM & Micromegas - rapide - pas d’ effet ExB - peu de remontée d’ions - couverture anode 100%  2x10 6 canaux - résolution ~100  m x 200 points mesuré en cosmiques! le futur… diameter 50 cm length 50 cm LBL Saclay LAL-Orsay prototype de TPC à lecture Micromegas pour l’ILC cm variante 2: MPGD + lecture résistive objectif: bénéficier de la très faible diffusion des électrons à 4T pour la résolution, tout en gardant un nombre raisonnable de voies ( ~10 6 ) moyen: dépôt d’un film hautement résistif sur l’anode : ça marche! les TPC à ions négatifs idée: bénéficier de la très faible diffusion des ions inconvénient: les ions sont TRES lents, convient aux exp. souterraines moyen: gaz très electro-négatif, l’électron est capturé, et restitué dans la région à haut champ (multiplication) ça marche! idéal pour très grands volumes (neutrino, double β,.) variante 1: MPGD + lecture digitale mini-damiers sub-millimétriques (ici 50  m) pour détecter les électrons uniques  meilleures résolution spatiale et en dE/dx ça marche!

19 Jusqu’à présent : Le LAL : maître d’œuvre pour la construction des détecteurs Et maintenant ? pas de grosses réalisations à court terme mais de nombreuses compétences Conclusion Journées de Branville, 23 mai 2006 R&D détecteurs + instrumentation Collaboration avec le monde industriel Valorisation des résultats de R&D (brevet, transfert de savoir faire, prestations …)