1 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Journée détecteurs 2005 Concept Micromegas Micromegas bulk Exemple d’expériences Micromegas.

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1 1 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Journée détecteurs 2005 Concept Micromegas Micromegas bulk Exemple d’expériences Micromegas

2 2 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Micromegas concept

3 3 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Micro Mesh Gaseous Structure Micromegas (Voltaire TR ) Micro Mesh Gaseous Structure I. Giomataris & G. Charpak, invention en 94 (détecteur fils des chambres à fils) Détecteur de particule: Structure a micro grille et gaz. Ionisation gaz Particule Electrons Potentiel HT1: Dérive. Electrons Potentiel HT2: Mesh. Avalanches d’électrons Anode de lecture: PCB signal

4 4 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Schéma de principe ~100  m thin gap Fast ions collection

5 5 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Ionisation; mélanges gazeux Plusieurs type de mélanges de gaz peuvent être utilisés suivant le besoin. La pression est généralement de l’ordre de l’atmosphère. Mélange principalement (90 % ) à base d’un de gaz noble (Ar) et d’un quencheur (isobutane). Ajouts de gaz différents pour modifier le comportement du détecteur –Ex: CF4, Ne,… Nécessite des chambres semi-scellé avec renouvellement du gaz. Fenêtres étanches, ligne de gaz et contrôle du débit et de la pression –Si chambres scellé alors utilisation des matériaux non dégazant

6 6 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Potentiel HT1: champs de dérive La dérive est un plan métallique porté un à potentiel électrique qui délimite avec la mesh la zone de conversion. Le champs de dérive est généralement de 1 kV / cm Ce plan est généralement constitué de film mylar aluminisé tendue sur cadre. La distance de conversion varie suivant les manips –Du millimètre au mètre (Time Projection Chambers) –Un dégradeur de champs peut être ajouté CLAS12 Dérive mylar aluminisé

7 7 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Mesh: micro grille La mesh est une micro grille métallique porté un à potentiel électrique qui délimite avec l’anode de lecture la zone d’amplification. Le champs d’amplification est généralement de 50 kV / cm Paramètres de la mesh –Épaisseur mini requise: de 5 à 20 microns –Mesh de quelque 500 lpi (line per inch): pas de 50 µm –Métaux privilégiés suivant manip (Cu, Ni, inox, Or,…) Mesh de CAST Matière: Cuivre Éppaiseur: 5 µm Trous de 25 µm avec un pas de 50 µm

8 8 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Mesh: transparence de la micro grille Un ratio ad hoc entre le champs de dérive et le champs d ’amplification permet une transparence de la mesh via un effet entonnoir La taille avalanche sur le pcb est d’une centaine de microns Amplification gap Drift gap EaEaEaEa EdEdEdEd E a /E d > 10

9 9 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Mesh: gain du détecteur Le gain du détecteur est proportionnel au potentiel d’amplification.

10 10 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Atmospheric pressure, theoretical curve Ref: Y. Giomataris, NIM A419, p239 (1998) pd/T Mesh: distance d’amplification vs gain Outre la limite de tension avant claquage il y à un gap d’amplification optimal pour le gain

11 11 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Anode de lecture: Printed Circuit Board Le plancher de lecture est généralement constitué d’un circuit imprimé (PCB) sur lequel est gravé des anodes. Les anodes peuvent être des pistes des pixels, des pistes X et Y,… Le PCB constitue la structure sur lequel est assemblé les éléments du détecteur (mesh, dérive, fenêtre gaz, connecteurs signal et HT,…) Plancher CAST

12 12 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Readout Circuits @ CERN 1 Direction 2 Directions 3 Directions “3D” Pixel

13 13 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Anode de lecture: plots d’amplification La tolérance sur la distance d’amplification est cruciale pour l’homogénéité du gain et la résolution en énergie. Un Micromegas classique a une mesh collée sur un cadre. Le cadre est vissé sur un plancher de lecture (PCB). L’espace d’amplification est définie par des plots montés soit sur la mesh soit sur le plancher. La mesh est plaqué sur les plots lors de la monté en tension du détecteur. L’espacement des plots est de l’ordre de 2 mm. Les plots sont généralement faits de photoresist pour les planchers et de kapton pour les « meshs plotées » CERN La mise en œuvre est délicate. Mesh Cu sur bride (CERN) Détail des plots Kapton

14 14 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Ar + 6% Isobutane 20 years of LHC G. Puill, et al., IEEE Trans. Nucl. Sci. NS-46 (6) (1999)1894. Gain =3000 Accumulated dose: NA48 4 mC/mm 2, COMPASS 2 mC/mm 2 New tests are under way in NikhefH.V Graaf, J. Timmermans et al. Tenue aux radiation

15 15 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE In high energy hadron beam discharges could occur Induced by heavy ion recoils Deterioration in heavier gases Dependence with distance from mesh Décharges

16 16 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Rate capabilities with soft X-rays 8 keV X-rays Maximum gain before breakdown Flux density (Hz/mm 2 ) Flux density at LHC 10 3 gain at 10 MHz/mm 2 Ref: G. Puill et al., IEEE 46, n°6, p1894 (1999) Drop of the maximum Achievable Gain beore breakdown beore breakdown with increasing flux

17 17 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Résolution en énergie 109 Cd Good energy resolution for a gaseous detector Ref: A. Delbart et al, NIM A461, p84 (2001)

18 18 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Electron drift velocities measurements tt 337 nm UV Laser Ref: P. Colas et al, NIM A478, p215 (2002)

19 19 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Micromegas bulk

20 20 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Micromegas bulk Le micromegas Bulk est une co-invention du CERN et de Saclay (2003). L’idée est d’utiliser les technique de fabrication de PCB pour emprisonner la mesh entre deux couches de films dont on ne garderas que des plots. La mesh étant soumise à des contrainte lors de la réalisation des mesh plus robuste, en fils métallique tissé, sont actuellement utilisé L’espace d’amplification est définie à la fabrication et reste immuable.

21 21 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Bulk: concept de réalisation PCB Photoresist 1 Photoresist 2 Mesh UV 1) PCB nettoyé (strips, pixels,…) 2) Laminage du photoresist (50 à 150 microns ) 3) Dépose d’une mesh (tissu inox de 19 microns, 500 LPI) 4) Laminage du photoresist (50 à 500 microns) 5) Insolation UV au travers un masque 6) Développement (solution de carbonate de soude) 7) Durcissement (UV et four) Masque 2 à 4 mm 50 à 100  m Plots:  200 à 400 micron Mini: 4 mm

22 22 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Bulk: les avantages Gain d’un bulk par rapport à un Micromegas classique: Mesh emprisonnée entre des plots. –Fiabilité, robustesse –Protection de la mesh (vs outils, doigts,...) –Protection de la zone d’amplification (vs poussières) –Facilité de mise en œuvre –Coût modéré –Disparition du cadre mesh: mosaïque de bulk Flexibilité (au propre et au figuré) Processus de fabrication « industrialisable »: gd série

23 23 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Labo R&D bulk: Laminage But : faire un sandwich avec la mesh entre deux couches de photoresist sur un PCB 1. Laminage de la 1 er couche de photoresist sur le PCB. 2. Pose de la mesh. (avec un cadre de transfert) 3. Laminage de la 2 nde couche de photoresist sur la mesh laminateur1 er couche

24 24 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Labo R&D bulk: Insolation But: polymérisation du photoresist selon le schéma souhaité.  insolateur UV avec masque (bordure, plots, …) (donnée Vacrel: = 350 à 450 nm, 0.2 J/cm 2 sur 30 s)  manque de puissance: insolation entre les laminages: bonne idée ! insolateur sandwich de photoresist sous masque

25 25 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Labo R&D bulk: Développement et durcissement But: dissoudre le photoresist non insolé.  fait dans développeur avec une solution de 1 % carbonate de soude (T = 40 °C, application sous jet)  durcissement: complète la polymérisation (four: 1 heure à 150 °C, UV : 5 J/cm2 ) Unité de développementBulk avant développement

26 26 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Résultats classiques, Photos Bulk avec une anode centrale équipé d’une couche résistive Plots de 300 microns au pas de 1 mm

27 27 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Résultat: bulk mince et flexible Bulk sur Mylar (50  m) stripé Résistance infinie anode/mesh Réalisation de bulks sur des supports minces. Bulk courbe (exemple d’application :TPC cylindrique) Bulk mince (« low budget material »: concurrence le silicium ?) Bulk sur Kapton (200  m) cuivré testé courbé à 650 V (air)

28 28 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Micromegas dans les expériences

29 29 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE axions Transverse magnetic field (B) X ray detector L CAST

30 30 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE L’aimant CAST

31 31 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Micromegas pour CAST Détecteur 2D (Pistes X et Y) Pas des pistes = 350 micron Nombres de pistes: 200 en X et en Y

32 32 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE La grille (the mesh) Matière: Cuivre Trous de 25  m avec un pas de 50  m Avec des plots en kapton de 50  m de hauteur avec un pas de 1 mm.

33 33 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Transmission des fenêtre mince

34 34 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Fenêtre de dérive Polypropylène de 4 microns avec un dépôt de 0,2 micron d’aluminium. Bride en inox alvéolé par électroérosion (opacité de 6%) Cohabitation d’un détecteur gazeux avec le vide: Pour CAST la dérive est collé sur une structure alvéolée

35 35 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Support Plexiglas Raquette (1110) Support zone active (1300) Cadre support fenêtre (1400) Fenêtre d'entrée + connecteur (1410) Entretoise pour pompage (2200) Tube court (2310) Fenêtre tube aimant (2331) Dessins d’ensemble

36 36 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Électronique de lecture Utilisation de 4 cartes Gassiplex à 96 voies

37 37 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Acquisition X-rays Preamp

38 38 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Intégration sur site

39 39 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Tests Munich

40 40 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Tests Munich Resolution en énergie : 18% @ 6 keV Réjetion du bruit de fond : 3 × 10 -6 coups/keV/cm 2 /s pour une efficacité de 47% Faisceau  avec énergies 0.6-8 keV Limite de détection : 0.6 keV 6.5 keV 

41 41 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE NA48/KABES : KAon BEam Spectrometer KABES Spectrometer  2 Kabes stations on the NA48 60 GeV/c charged kaon beam  30 Mhz beam in ~8 cm 2  Measure of the momentum of individual tracks with  p/p< 1%  nanosecond time resolution required  250  m spatial resolution needed in y direction  X/Xo < 10 -3 per station (dominated by gas)  Fast and low sparking gas mixture  Field cage to minimize time jitter (E field distorsions)  Fast and low noise current preamplification Kabes group (DAPNIA-Saclay/Dubna)

42 42 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Large plateau and high efficiency Kabes: SPS beam test results 80  m spatial resolution No space charge effect at 20 MHz beam rate  Excellent 2D high rate beam profiler  ~60  m resolution in drift direction Operating voltage

43 43 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE 420 V operating point ~3-4.10 3 Gain Large efficiency plateau > 40 V = 9 ns Time resolution : 9 ns Excellent S/N separation =70 µ Spatial resolution < 70 µm Micromegas COMPASS Group (DAPNIA-Saclay) COMPASS

44 44 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE 27 cm -2 détecteurs « bulk » Micromegas de 1024 pads de 8x8 mm 2 chacun - détecteurs collés sur support mécanique et insérés dans la bride avec un joint d’étanchéité pour montage- démontage des détecteurs - 75% de ces pads équipés d’électronique de lecture (1536 voies) - Electronique de lecture Front-End à base de circuits ALTRO utilisés pour la lecture des chambres d’ALICE 8 mm 6 mm UP 350 V DOWN 350 V Guard ring 350 V Prise de données (4/11-30/11) Plan de lecture PadsMontage sur la cage Transparents T2K: A. DELBART T2K: Tests cosmiques sur HARP/TPC

45 45 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE T2K:un des premiers événements (9/11/2005) - Gaz : Ar + 2% isobutane + 3% CF4 - Champ électrique de dérive = 160 V/cm  ve - ~ 6 cm/  s, diffusion transverse ~250  m/cm 1/2 - Gain Micromegas ~ 5000 (Vmeh=350 V) - Champ magnétique : B=0.2 Tesla Analyse des événements en cours : résolution spatiale, homogénéité de réponse, effet de bord, etc … Détecteur UP Détecteur Down 256 pads du détecteur non équipés d’électronique 128 voies non lues Raw Data !!! (très préliminaire) 256 pads du détecteur non équipés d’électronique

46 46 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE T2K: Des photos du détecteur

47 47 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE 27 cm

48 48 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Tomographie 2D, détecteur Le détecteur CAST: –Micromégas 2D avec une mesh plotée –2x 192 pistes avec un pas de 350 microns –zone de conversion de 300  m (résolution spatiale) –zone d’amplification de 50  m –Gaz: Ar (ou He) + 5% d’isobutane Le Détecteur CAST mesh Convertisseur déposé sur la dérive

49 49 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Tomographie 2D, source de neutrons Source neutronique Le réacteur Orphée, –puissance thermique est de 14 MW. –Le flux de neutrons thermiques délivré est de l'ordre de 10 6 n.cm -2.s -1 et leur énergie moyenne d'environ 0,025 eV. Photo du guide G5.6 à Orphée

50 50 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Tomographie 2D, image d’un trous Image des trous de 0,6 mm obtenue sur l'ensemble du détecteur

51 51 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Tomographie 2D, résultat Résultats pour la résolution 2D: –160  m avec préamplification –180  m sans préamplification

52 52 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE DEMIN, détecteur Le détecteur DEMIN: –Micromégas 1D avec une mesh plotée –32 pistes de 2 mm avec un pas de 500  m –zone de conversion de 500  m (tension de 1000 V) avec préamplification –zone d’amplification de 100  m (tension de 250 V) –Gaz: He + 10% d’isobutane + 10% CF4 –convertisseur plastique en polypropylène de 2 mm d’épaisseur

53 53 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE DEMIN : PULSE SHAPE AND EFFICIENCIES Transparents:Michaël HOURY

54 54 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE DEMIN, plancher bulk Plancher DEMIN Zoom sur le bulk

55 55 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Piccolo-Micromégas, Environnement Piscine réacteur Assemblage réacteur

56 56 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Piccolo-Micromégas, détecteur Le détecteur Piccolo-Micromégas: –Micromégas avec une mesh tendue –4 pads de lecture de 5 mm 2 –zone de conversion de 1 mm –zone d’amplification de 100  m à 400  m –Gaz: Ar + 2% d’isobutane: détecteur scellé –Matériaux non activables (inox, alumine) –Tenue à Tmax =300°C –Convertisseur: 4 dépôts de U235, U238, Th232, Li6 –Détecteur de petite dimension (  30 mm, L = 30 mm)

57 Piccolo, dessin 3D Pastilles dépôts céramique dérive Ensemble mesh Pads de lecture Céramique lecture Connecteurs et passages étanches 35 mm Capsule

58 58 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Piccolo, photos détecteur n°1

59 Micromegas Bulk for CLAS12 vertex tracker

60 60 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Less material (~.0015 L R ) Larger ΔR → same intrinsic momentum and angle resolution for less channels smaller dead zones Cheaper Resistant: “immortal while breathing” Clas12 why gazeous rather than solid (Si)

61 61 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Mixed solution: Silicium + Micromegas bulk Central detector –2 planes of Silicium (X,Y) –3 cylindrical bulks (XY): 3m 2, pitch 0.6 mm,10k channels. Forward detector –4 plane bulks (XY): 1 m 2, 3k channels. 600 mm for  500 mm FVT Silicium target Cylindrical bulks beam Bulk tracker Project for CLAS12 at Jlab

62 62 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE PCB: 100 µm FR4 with 5 µm thick Cu strip 100 µm amplification gap Woven Mesh Gantois non stretched bulk with an array of 400 µm pillar every 2 mm Dimension: 180 mm x 60 mm First curved bulk (09-2006) Picture: bulk curved, 100 mm radius

63 63 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Thin bulk micromegas Prototype made at CERN (2008) Thin bulk (15 x 10-4 LR), long (600 mm) detector with a remote (800 mm) ASIC (AFTER)

64 64 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE PLV1 curved tests One prototype was curved on a Y structure. We obtained a good gain homogeneity and E resolution degrade to 40%. Before drift integration Under test Drift integration

65 65 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Curved bulk integration

66 66 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Gain on curved bulk First test under way, similar gain behavior with small increases depending of curvature.

67 Before curvature energy calibration Energy resolution

68 68 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Energy resolution degraded due to in-homogeneity in the amplification gap. 38.8 % FWHM versus 20% flat Possible solution: Nylon/metal mesh Curved process Small pillars pcb mesh Curved bulk energy resolution

69 69 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Flexible cable measurement Different flex PCB cable were realise at CIRE/SPCI:  Strip cables (40cm, 80cm et 80cm U-shaped)  Wire cables (40 cm, 80cm et 80 cm U-shaped) Noise and crosstalk measurement test were conclusive for 800 mm. Flex PCB cable, 80 cm U-shaped Acquisition made with T2K Labview DAQ Software

70 70 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Magnetic environment to deal with : 5 T orthogonal to the detector ! e-e- tanθ = v x B / E Standard conditions : E= 1 kV/cm, v= 8 cm/μsec θ = 75 ° Adapted conditions: E= 10 kV/cm, v= 5 cm/μsec θ = 14° Gaseous detector in 5T field ?

71 71 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Lorentz angle behaviour with the magnetic field Lorentz angle mesured from the deviation of the B=0T peak Drift distance: 2.25mm The signal spreads out with the Lorentz deviation → increase the resolution B = 0T B = 1.5T Labview DAQ

72 72 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Lorentz angle behaviour with the drift HV

73 73 Ecole d'hiver 2008 du GDR Nucléon IRFU/SEDI, Stéphan AUNE Y cylinder X tile Y connector Y HT cable Y joint Interface attachment to handcart Length: 600 mm Diameter: 180 / 220 mm 1728 Channels Magnet interface (3 Teflon pads) Cylindrical prototype Curved bulk demonstrator