Saclay, 7 décembre 2005P. Colas - Micropixels+gaz1 Les TPC à Micropixels Micromégas lues par des circuits CMOS VLSI Motivation Réalisation Premiers résultats.

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2 Saclay, 7 décembre 2005P. Colas - Micropixels+gaz1 Les TPC à Micropixels Micromégas lues par des circuits CMOS VLSI Motivation Réalisation Premiers résultats Applications possibles Le projet SiTPC dans EUDET

3 Saclay, 7 décembre 2005P. Colas - Micropixels+gaz2 Principe : Micromegas + pixels MICROMEsh GASeous detector : Région d’amplification : gap 50-100  m E(amplification) >> E(dérive) => collecte des électrons efficace (entonnoir) gap étroit => signaux rapides On pourrait avoir : pas des pads anode = pas des trous de la grille -> électronique VLSI (CMOS) (Medipix2) 65000 pixels sur 2cm 2 S1 S2 Collaboration NIKHEF-Saclay CERN Twente depuis début 2004 M. Campbell c), M. Chefdeville a, P. Colas b, Y. Giomataris b, H. van der Graaf a, E.H.M.Heijne c, X. Lloppart c),S.van der Putten a, C. Salm d, J. Schmitz d, S. Smits d, J. Timmermans a, J.L. Visschers a a) NIKHEF Amsterdam, b) DAPNIA Saclay, c) CERN, d) Twente University/MESA+

4 Saclay, 7 décembre 2005P. Colas - Micropixels+gaz3

5 Saclay, 7 décembre 2005P. Colas - Micropixels+gaz4 Février et avril 2004: tests d’un détecteur Micromegas + pixels P. Colas et al., NIM A535 (2004) 506 500  55 Fe

6 Saclay, 7 décembre 2005P. Colas - Micropixels+gaz5 Présenté à la même conférence, VCI 2004, Vienne, par R. Bellazzini: Résultats similaires avec GEMs Simulation de Polarimétrie X

7 Saclay, 7 décembre 2005P. Colas - Micropixels+gaz6 He/Isobutane 80/20 MediPix modifiés (80% du pixel est conducteur, au lieu de 20%) Détection des minimum ionisants électron par électron électron δ? Très beau, mais…

8 Saclay, 7 décembre 2005P. Colas - Micropixels+gaz7 GEM Micromegas M. Hauschild Simulation : muons de 100 GeV

9 Saclay, 7 décembre 2005P. Colas - Micropixels+gaz8 Non Modified Modified Effet de Moiré : le pas de Micromegas=60 μm, celui des pixels MediPix=55 μm Alignement périodique trous – pixels tous les 12 pixels Epaisseur du cadre Difficulté de plaquer la grille (force électrostatique prop. à la surface) Mais…

10 Saclay, 7 décembre 2005P. Colas - Micropixels+gaz9 Intégrer Micromegas au senseur à pixels par post- processing des wafers : finesse et robustesse de la grille précision et uniformité du gap (excellentes résolution et uniformité) pas de cadre (pas de perte de surface active) pilliers petits et parfaitement positionnés (pas d’inefficacité) possibilité de fragmenter la grille (réduction du bruit et localisation utilisable pour la suppression de zéro) Première étape : tester the procédé sur des wafers nus (sans circuit CMOS) InGrid La solution :

11 Saclay, 7 décembre 2005P. Colas - Micropixels+gaz10 1)Oxyder le wafer, pour faire une couche isolante (SiO 2 ) 2)Dépôt de 0.2  m d’Al pour l’anode, et traçage des pistes et des pads 3)Dépôt de 50  m de photoresist et insolation 4)Dépôt et traçage de la grille: 0.8  m d’Al pur 5)Elimination du photoresist exposé RESULTAT : une grille fine (0.8  m au lieu de 3-5  m avec les meilleures techniques standard), soutenue à précisément 50  m de l’anode. Processus InGrid

12 Saclay, 7 décembre 2005P. Colas - Micropixels+gaz11 INGRID: premiers essais Pas et forme des trous variés

13 Saclay, 7 décembre 2005P. Colas - Micropixels+gaz12 Détecteur pour les tests Source 55 Fe 740 MBq Collimée sur  =1mm Cathode de dérive Wafer InGrid connecteurs HV pour les mesures de courants et signaux

14 Saclay, 7 décembre 2005P. Colas - Micropixels+gaz13 Resultats du processus Après un an d’essais et d’amélioration, une InGrid tient la tension. Le pas est de 60  m Plots de  40  m Pas d’inefficacité Grille d’Al Wafer 4’’ avec 19 InGrids

15 Saclay, 7 décembre 2005P. Colas - Micropixels+gaz14 Juillet 2005, premiers résultats Premier signal de 55 Fe dans un détecteur InGrid en He+20%isobutane. HV=400V E drift ~1kV/cm No collimation

16 Saclay, 7 décembre 2005P. Colas - Micropixels+gaz15 Résultats en argon + 20% isobutane La raie du 55 Fe à 5.9 keV et la raie d’échappement dans l’argon ressortent très clairement. Résolution exceptionnelle:  E /E = 6.5%. (FWHM=15.3%) Les raies K  et K  (6.5 keV) sont séparées par le fit. Ar escape 55 Fe K  55 Fe K 

17 Saclay, 7 décembre 2005P. Colas - Micropixels+gaz16 Applications possibles Gaz : permet de garder la direction des photo-électrons de basse énergie. Recherche d’Axions solaires (CAST) convertis en rayons X de quelques keV dans le champ d’un aimant de LHC au plan focal d’un telescope X. (Rem: ces X sont polarisés) Polarimétrie X (R. Belazzini) : détecter la direction commune du photoélectron et de l’électron Auger dans l’interaction d’un rayon X avec un gaz. Etude de la désintégration double-  sans neutrino: Mesurer deux électrons d’un MeV dans du xénon sous pression. Etude d’æuvres d’art : résolution à la fois en position et en énergie: capacité d’imagerie de raies de fluorescence ou d’isotopes de 0.5 à quelques dizaines de keV. Quelques rangées de CMOS VLSI sur l’endplate d’une TPC permettent une amélioration de 50% de la résolution (‘gaseous club sandwich’)

18 Saclay, 7 décembre 2005P. Colas - Micropixels+gaz17 Futur Essais de plusieurs formes, pas et gap de grilles. Etude de la résolution en fonction de ces paramètres. En parallèle développement de la puce pour la munir d’une mesure de temps (TimePix, Si TPC) Etude de la robustesse aux étincelles, revêtement résistif. Financé par la communauté européenne (dans le projet EUDET). ~700 k€, plus un engagement de ~1300 k€ de NIKHEF, CERN, Saclay et Freiburg en 2006-2009.

19 Saclay, 7 décembre 2005P. Colas - Micropixels+gaz18 Conclusion Un Timepix post-processé en InGrid permet d’intégrer un détecteur Micromégas sur son système de lecture avec Une excellente résolution en énergie Pas de cadre: la grille est soutenue partout Grille facile à segmenter (capacité réduite donc bruit réduit) et à aligner sur les pads Ceci permettra: - de mieux comprendre l’ionisation des gaz et d’étudier le fonctionnement de Micromegas - de réaliser une TPC digitale