PIM : un détecteur à microstructure multi-étages pour la trajectographie sous un haut flux de particules Séminaire instrumentation IRFU – 03/06/2008 D.

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1 PIM : un détecteur à microstructure multi-étages pour la trajectographie sous un haut flux de particules Séminaire instrumentation IRFU – 03/06/2008 D. THERS, E. MORTEAU, S. LUPONE, P. LERAY (SUBATECH, Nantes) V. LEPELTIER † (LAL, Orsay, France) J. BEUCHER jerome.beucher@cea.fr I3HP-JRA4

2 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher 2 Sommaire Introduction La problématique des décharges Le détecteur multi-étages PIM Caractérisation systématique Tests faisceau La remontée des ions Conclusion

3 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher 3 Les détecteurs de traces gazeux Les détecteurs de traces permettent de : Intérêts des détecteurs gazeux  Reconstruction de la trajectoire Plans de détection Positions mesurées Trajectoire reconstruite B  Mesurer l’impulsion des particules 1 cm de Ne Exemple : Proton @ 10 GeV 1,7 keV Faible longueur de radiation (X 0 ) Résistance aux radiations Conservation de l’information (trajectoire et énergie)

4 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher 4 1- Conversion de l’énergie déposée en paires électron-ion N p ~ 47 paires 2- Migration des charges primaires 3- Amplification proportionnelle (qq milliers) 4- Lecture signal Les chambres multi-fils : MWPCs >1mm 5 mm MWPC (G.Charpak 1968) 1 cm de Ne - + E p @ 10 GeV

5 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher 5 Les chambres multi-fils : MWPCs (suite) Performance : - Gain élevé - Efficacité proche 100% pour des MIP’s - Peu de matière - Large surface - Résolution spatiale <100 µm (CPC) ALICE @ LHC Les limites : Cern GDD Granularité limitée par la répulsion coulombienne entre les fils  Flux incident limité  Charge d’espace !

6 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher 6 MSGC : Le premier détecteur à microstructure Cern GDD Micro-Strip Gaseous Chamber (A. Oed 1988) Progrès dans le domaine de la photolithographie 1) Densité des électrodes sensibles élevée  Excellente granularité 2) Distance entre les électrodes réduite : Collection des ions issu de l’amplification très rapide  Haut flux >10 6 part./mm²/s

7 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher 7 Une grande famille … MSGC GEM MICROMEGAS … MGWC µ-PIC MGC µ-dot µ-wire, WELL, µ-groove, µ-CAT 1988 1993 1995 1996 1997 1999 2001 2003 PIM 2004 2006 ThickGEM BULK-MICROMEGAS RETGEM La grande famille des MPGD’s (Micro-Pattern Gas Detectors): 2008 : MoU de la collaboration RD51 (~50 instituts) * Liste non exhaustive

8 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher 8 MICROMEGAS (MICRO-MEsh GAseous Structure) Ionisation primaire Dérive des charges primaires Passage de la microgrille pour les e- Multiplication : avalanche électronique Induction du signal Grille 500 LPI (Line Per Inch) nickel (e = 3 à 6 µm) 50 µm Ø=39µm (I. GIOMMATARIS 1996)

9 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher 9 MICROMEGAS (suite) Caractéristiques : - Gain élevé - Efficacité proche 100 % -  x < 50 µm -  t < 10 ns - Résol. en énergie ~15-20% FWHM @ 5,9 keV - Capacité à supporter flux - Simple - Peu de matière - Surface ~ 40x40 cm² 40 cm COMPASS COMPASS, NA48/2

10 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher 10 GEM “Gas Electron Multiplier” Feuille kapton : 50 µm Dépôt de Cu (5 µm) de chaque côté Trous réalisés par attaque chimique 140 µm 70 µm Chaque trou se comporte comme un amplificateur proportionnel individuel Densité de trous élevée Possibilité d’avoir plusieurs GEM en cascade : gain élevé (F. SAULI 1997)

11 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher 11 Triple-GEM Caractéristiques : - Gain élevé - Efficacité proche 100 % -  x < 60 µm -  t < 10 ns - Résolution en énergie < 20 % FWHM @ 5,9 keV - Capacité à supporter flux - Peu de matière - Surface ~ 30x30 cm² COMPASS, TOTEM, LHCb … 30 cm TOTEM COMPASS

12 12 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher http://www.eurosport.fr/athletisme Les décharges

13 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher 13 Problématique en présence de hadrons 1.Interaction hadrons / gaz ou électrodes 2.Fragments de fission, HIP 3.Plusieurs dizaine de milliers de primaires 4.Multiplication  densité électronique critique 5.Formation d’un plasma  Canal conducteur dans le gaz 6.Court circuit  Décharge des électrodes Haut flux de hadrons = nombre important d’interaction forte dans le détecteur Simultanéménent et très proches les unes des autres Interaction forte : qq MeV Interaction electromagnetique : qq centaines de eV à qq keV Proximité des électrodes  Limite phénoménologique de Raether 10 7 -10 8 e-ion

14 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher 14 MICROMEGAS et les décharges D. Thers et al. NIM A469(2001) p.133-146  / p @ 15 GeV/c  robustesse des micro-grilles  Optimisation schéma de polarisation (réduire temps mort et protection électronique) COMPASS Plusieurs années de fonctionnement en présence de hadrons  Aucun dommage lié aux décharges

15 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher 15 Triple-GEM Explications possible : - Diminution du champ électrique dans chaque étages d’amplification pour un gain total donné - étalement (spatial et temporel) de la charge entre chaque étage d’amplification A. Alfonsi et al. NIM A525(2004) p.17  @ 350 MeV/c  Multi-étages = moins de décharges

16 16 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher Le détecteur PIM

17 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher 17 Drift electrode Micromesh 3 Micromesh 2 Micromesh 1 PIM « Parallel Ionization Multiplier » 10 cm PIM : un détecteur MICROMEGAS multi étages. Spacer en Kapton usiné au laser 50 µm 3 mm Drift

18 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher 18 Transparence électronique Transparence électronique ( T e ) = entrant Quantité d’e - entrant dans l’étage d’amplification e-e-e-e- étage de conversion étage d’amplification TeTe

19 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher 19 Coefficient d’extraction e-e-e-e- étage de transfert étage d’amplification C ext Coefficient d’extraction électronique ( C ext ) = sortant Quantité d’e - sortant de l’étage d’amplification et arrivant dans la zone de transfert Situation défavorable au passage des e -

20 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher 20 Gain total du détecteur PIM T e : transparence électronique C ext : coefficient d’extraction G A2 : gain étage de pré-ampli. A2 G A1 : gain étage d’amplification A1

21 21 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher 55 Fe X @ 5,9 keV Etude systématique

22 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher 22 Mesures de la transparence électronique  Dépend fortement de la géométrie de la grille  Légère dépendance avec le mélange gazeux Te ~ 100 % pour un rapport de champ approprié Electronic transparency (%) Grille 500 LPI (gap 125 µm) Grille CERN avec plots (50 µm) Grille CERN 500 LPI

23 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher 23 200 LPI 500 LPI 1000 LPI 670 LPI E T /E A2 Extraction efficiency C ext (PIM 50-125 µm) E T /E A2 50-125 µm 50-200 µm 50-220 µm (670 LPI) Extraction efficiency C ext Mesures du coefficient d’extraction Le choix de la géométrie de la grille et du gap sont déterminant C ext ~ 25 % avec un gap de 220 µm et une grille de 670 LPI

24 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher 24 Gain total (Ne+10%CO 2 ) PIM 50-125 µm (CERN, 670LPI, 500LPI) A1 = 50 µm A2 = 125 µm MM 125 µm MM 50 µm 3 mm, E T ~1 kV/cm 3 mm, E c =1 kV/cm anode Gain maximum : dernier point avant l’apparition de décharges avec la source de 55 Fe  Gain maximum très élevé qq 10 5 (compatible avec la limite de Raether)  Champ électrique locaux modéré Résolution en énergie ~20% (FWHM) @ 5.9 keV Total gain CERN mesh 670 LPI 500 LPI

25 25 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher Test faisceau

26 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher 26 Mesures de la probabilité de décharge Faisceau PM “XY” motorisés Prototypes PM flux   @ 10 ou 150 GeV/c Haut flux de hadrons p/  + : 10 GeV/c, qq 10 5 /spill (T9) PS @ CERN 150 GeV/c, 6.10 7 /spill (H6) SPS @ CERN

27 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher 27 Etiquetage des décharges Décharge « vue » à travers une capacité Typiquement 1V Objectif : Mesurer P dech en fonction du gain  Nécessité de s’affranchir du gain variable après 1 décharge Véto (qq secondes)

28 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher 28 Mesures P dech VS gap Probabilités de décharge avec un détecteur MICROMEGAS :  G A1 > 1000 P dech dépend fortement de la hauteur avec le gap  G A1 < 1000 P dech quasi-indépendante du gap   /p @ 10 GeV/c (ligne T9 PS) Caractérisation de la probabilité de décharge pour différents gaps d’amplification Gain total

29 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher 29 Influence de G A2 (pré-amplification) Probabilités de décharge avec un détecteur PIM 125-125 µm :  Minimiser le gain dans chaque étage d’amplification 125 µm A1 A2 Gain total G A2 ~ 4000 MICROMEGAS 125 µm Gain total G A2 ~ 4000 G A2 ~ 2000 MICROMEGAS 125 µm P dech @ G =4000 P dech @ G=2000 Gain total G A2 ~ 200 MICROMEGAS 125 µm Gain total G A2 ~ G A1 G A2 ~ 200 MICROMEGAS 125 µm

30 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher 30 Influence du gap d’amplification(A1) Favoriser un petit gap d’amplification au contact de l’anode (Collection rapide des ions) 125 µm 50 µm A1 A2 3 mm 125 µm A1 A2 3 mm G A2 ~200

31 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher 31 Probabilité de décharge inférieure à 10 -9 par hadron incident (G~5000) avec PIM à deux étages d’amplification 125 µm 50 µm A1 A2 3 mm Total gain 200 µm 50 µm A1 A2 3 mm PIM « Standard » PIM : coefficient d’extraction optimisé Influence du coeff. d’extraction C ext ~15% C ext ~25%

32 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher 32 Prototypes 1D 2 prototypes montés dos à dos Anode segmentée : 512 strips (Largeur=150 µm, pas=195 µm) 1024 voies GASSIPLEX PIM_01 PIM_02 Surface active 10x10 cm² Nid d’abeille (5mm) Front-end (GASSIPLEX + ADC 12 bits) Source 55 Fe sur pivot

33 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher 33 95 % G A2 ~ 100 G A2 ~ 200 Gain total Efficacité [%] Résolution spatiale PIM 50-125 Résolution spatiale pour un plan  x ~51 µm au début du plateau d’efficacité (G~5000)  +,p Faisceau (<10 4 /spill) P1 P2 PIM_0 G A2 ~ 100 G A2 ~ 200 PIM_1 Bruit électronique non négligeable Gain total

34 34 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher Remontée des ions

35 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher 35 Remontée des ions (IBF)  Limitation due à la remontée des ions  Photomultiplicateur gazeux (GPM) - Avalanches secondaires - Limitation du gain - Vieillissement de la photocathode  Chambre projection temporelle (TPC) - Modification local du champ de dérive  Distorsion dynamique des traces

36 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher 36 Suppression IBF dans PIM + + Cathode A2 A1 Anode 1 ere « filtration » des ions 2 eme « filtration » des ions Pas de suppression des ions car les lignes de champs de l’espace de transfert sont focalisées dans l’espace de pré-amplification Utilisation de la propriété de suppression intrinsèque des ions dans MICROMEGAS

37 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher 37 Dispositif expérimental (PIM 50-125) N.B : Pas d’alignement Ion Back Flow 3 mm anode pA 500 lpi Grille CERN 500 lpi source intense 90 Sr (  ~1 MeV) pA I anode I cathode, I primaire 125 µm 50 µm

38 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher 38 Fractional Ion Feedback B=0T IBF

39 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher 39  Un prototype modulaire et une étude systématique nous ont permis d’optimiser la géométrie d’un détecteur PIM à deux étages d’amplification et de réduire fortement la probabilité de décharge.  P dech ~ 10 -10 hadron -1 (@ G~5000)   x ~ 50 µm  Excellentes caractéristiques pour la trajectographie de hadrons Conclusion  L’utilisation de plusieurs microgrilles permettent de filtrer les ions issu de l’amplification avant qu’ils ne remontent dans le volume actif. IBF inférieur à 10 -4 avec les microgrilles appropriées  Les détecteurs à microstructure réalisant la multiplication des charges par étapes permettent d’obtenir des gains très élevés (>10 5 ) tout en conservant des électriques locaux modérés.  Très encourageant pour les TPC de haut flux

40 40 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher Back-up

41 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher 41 Charge spreading Large transfert thickness gap  could be used to spread charge cloud Cosmics Cluster multiplicity 50 µm X 1.5 + 3 mm transfert stage

42 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher 42 Caractérisation de l’électronique (2/3) Système de déclenchement des GASSIPLEX ( 55 Fe) Comparaison mesures du gain avec ORTEC 142IH et GASSIPLEX  Mesures reproductibles  Excellente linéarité électronique (saturation GASSIPLEX G~30000) PIM 50-125 µm (670 LPI)

43 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher 43 Pic photoélectrique 5.9 keV Mesures du gain : le dispositif Exemple spectre d’une source de 55 Fe Résolution en énergie ~ 20% pour la plupart des configurations du détecteur PIM avec du Ne+10%CO 2 5x5 cm² Source de 55 Fe (X @ 5,9 keV) ~ 164 paires Avec Ne+10%CO2 Effet photo-électrique  Dépôt d’énergie quasi-constant

44 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher 44 Back-up Gain VS E t C ext augmente T e ~ 100 % C ext augmente T e diminue T e diminue plus vite que Cext n’augmente

45 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher 45 C ext VS gas

46 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher 46 Mesures de C ext : le dispositif G tot PA G A1 PA G A2 PA Détermination du coefficient d’extraction = mesures de G tot, G A1, G A2 Position du préamplificateur et polarisation du détecteur : E t et E A1 = 0 E c et E A2 = 0 A1 A2 A1 A2 A1 A2

47 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher 47 Mesures de T e : le dispositif PA 55 Fe EcEc E A1 E A1 fixe  Gain qq milliers Hyp. 1 : nombre de primaires arrivant à la grille constant Hyp. 2 : G max  100 % des e - arrivent dans la zone d’amplification Mesure du gain en fonction de Ec : Ne+10%CO 2 0,2 < E c (kV/cm) < 3 Attachement, recombinaison, amplification négligeables

48 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher 48 Back-up

49 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher 49 Back-up GEM + MICROMEGAS µ-grille GEM Drift

50 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher 50 Back-up Influence du champ de transfert (E t ) Augmentation de E t = extraction plus importante  Diminution de P dech pour un gain donné

51 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher 51 Influence du gap de transfert Indépendant de la hauteur de l’espace de transfert 125 µm A1 A2 1 et 3 mm 50 µm A1 A2 3 et 6 mm

52 Séminaire IRFU, 03/06/2008 J. Beucher 52 1- Large choix de grilles:  Grilles électroformées  Grilles formées chimiquement avec plots intégrés (CERN) Prototype modulaire (e = 5µm, h pillars = 25 ou 50 µm) 1 mm - 60 µm Ø holes =30µm 2- Large choix du gap : 25, or 50 µm  plots 50, 75,125 et 220 µm  feuille Kapton 3- Structure mécanique modulaire (S. Lupone) : (µm) Def : LPI = Line Per Inch