Étude d’une 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)

Plan Présentation de l’étude Propriétés des mélanges gazeux  Contexte et enjeux  Description d’une TPC à lecture Micromegas Propriétés des mélanges gazeux  Simulations  Propriétés de dérive et d’amplification Mesure des vitesses de dérive  Comparaison simulations/résultats expérimentaux  Discussion sur les erreurs systématiques Le retour des ions  Étude théorique  Simulations  Résultats expérimentaux

collisionneur linéaire 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 …

Tera Electronvolt Superconducting Linear Accelerator Le projet TESLA Tera Electronvolt Superconducting Linear Accelerator Collisionneur linéaire électron-positron  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 Autres projets : NLC, JLC

Présentation de l’étude Les détecteurs Essentiellement 4 types de détecteurs  Un détecteur de vertex  Une TPC  Un calorimètre électromagnétique  Un calorimètre hadronique

Trace d’une particule chargée TPC à lecture Micromegas La chambre à projection temporelle (TPC) Principe Trace d’une particule chargée B Dérive des électrons d ’ionisation Système de lecture E  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

TPC à lecture Micromegas Micromegas (MICRO MEsh GAseous Structure) Principe Propriétés et performances du détecteur  Uniformité du champ électrique dans l’espace d’amplification et faible gap  stabilité du gain  La microgrille permet d’une part le passage de la totalité des électrons, crées dans l’espace de conversion par la particule incidente, vers l’espace d’amplification et d’autre part une collection rapide et efficace des ions qui remontent de l’anode  Faible effet EB

TPC à lecture Micromegas Prototype de TPC Micromegas en construction Collaboration Berkeley Orsay Saclay F. Bieser1, R. Cizeron2, P. Colas3, C. Coquelet3, A. Delbart3,E. Delagnes3, B. Genolini4, A. Giganon3, Y. Giomataris3, G. Guilhem2, S. Herlant3, J. Jeanjean2, V. Lepeltier2, J. Martin3, A. Olivier3, J. Peyré4, J. Pouthas4, Ph. Rebourgeard3, M. Ronan1 1) LBL, 2) LAL Orsay, 3) DAPNIA Saclay, 4) IPN Orsay  Études préliminaires avant de tester ce prototype

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

TPC à lecture Micromegas Caractéristiques du couplage TPC/Micromegas Diffusion Diffusion transverse t ~ 500 microns/(cm) dans l’espace de dérive Effet de B  B permet de réduire t Diffusion longitudinale l détermine la résolution en z

TPC à lecture Micromegas Caractéristiques du couplage TPC/Micromegas Propriétés de l’espace d’amplification Avalanche et gain du détecteur Processus d’avalanche : dans un champ électrique très intense, les électrons acquièrent suffisamment d’énergie entre deux chocs pour ioniser à leur tour d’autres molécules de gaz Gain de multiplication : G=exp(.d)  : coefficient de Townsend Attachement Capture d’un électron par une molécule de gaz Perte par attachement : A=exp(-.x)

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

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

TPC à lecture Micromegas Contraintes liées au couplage TPC/Micromegas Mélange gazeux  Même gaz pour les 2 espaces  Gaz non inflammable et sans composé hydrogéné 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 d’attachement Espace de d’amplification  Gain souhaité (300 à 1000) : choix du gap et de la tension  Attachement négligeable  Remontée d’ions < 1% afin de limiter les effets de charge d’espace

Propriétés des mélanges gazeux Présentation des simulations 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… Magboltz  Programme écrit par Steve Biagi qui permet d’évaluer les coefficients de transport des électrons dans les gaz  Calcule : vitesse de dérive, coefficients de diffusion, de Townsend, d’attachement

Propriétés des mélanges gazeux Propriétés de dérive Choix du gaz rare (gaz porteur)  L’argon est le plus intéressant (propriétés de vitesse de dérive + coût)

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

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

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

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

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

Propriétés des mélanges gazeux Propriétés de dérive Influence de H2O  Effet sur la vitesse de dérive H2O rabaisse le plateau de vitesse et le décale à haut champ

Propriétés des mélanges gazeux Propriétés de dérive Influence de O2  Effet sur l’attachement  Moins de 10 ppm pour que les électrons de dérive ne soient pas perdus par attachement  N2 a le même effet que H2O mais n’est pas gênant sauf en forte proportion

Propriétés des mélanges gazeux Propriétés d’amplification Courbes de gain

Propriétés des mélanges gazeux Propriétés d’amplification Influence du gaz porteur

Propriétés des mélanges gazeux Propriétés d’amplification Influence du quencher

Propriétés des mélanges gazeux Propriétés d’amplification Étude du porteur Argon

Propriétés des mélanges gazeux Propriétés d’amplification Étude du système Ar-Ne-CF4

Propriétés des mélanges gazeux Conclusion Choix du porteur : Argon  Bonnes propriétés de dérive et d’amplification + coût  Piste à étudier : mélanges de gaz porteurs (ex : Ar-Ne) Choix du quencher : CF4  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

Mesure des vitesses de dérive Principe des mesures Schéma du dispositif expérimental Dt Temps (ns) Signal de l’anode

Mesure des vitesses de dérive Dispositif expérimental LASER

Mesure des vitesses de dérive Comparaison avec les simulations

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

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

Mesure des vitesses de dérive Conclusions Les mesures sont bonnes avec une précision de quelques % De nombreuses erreurs systématiques D’après les simulations, la principale source d’erreur est la présence d’impuretés dans le gaz

Le retour des ions Étude théorique Le phénomène « d’entonnoir » S1 S2 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 l’espace de dérive. Les effets de charge des ions dans l ’espace de dérive sont supprimés

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

Le retour des ions Étude théorique Calculs 2D 3D  Somme de toutes les contributions des gaussiennes 2D 3D

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

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

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

Le retour des ions Étude expérimentale Dispositif expérimental et méthode de mesure Vmesh Vdrift I2 (mesh) I1 (drift) X-ray gun Primaires + feedback I1+I2 ~ G x primaires  On obtient l’ionisation primaire pour G=1 (Vmesh faible)  Feedback = (I1-I0)/(I1+I2)

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

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

Le retour des ions Conclusion Le phénomène de retour est compris 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 ED/EA Le phénomène de retour est indépendant de B En choisissant une grille suffisamment serrée et en contrôlant le rapport des champs, on peut donc maîtriser ce phénomène

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

Conclusion Des progrès ont été réalisés récemment sur l’optimisation 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 l’expérience Pour la première fois le fonctionnement de Micromegas et le retour des ions ont été testés en champ magnétique