Les calorimètres électromagnétiques des expériences DVCS et PANDA

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1 Les calorimètres électromagnétiques des expériences DVCS et PANDA
1ère partie Calorimètre électromagnétique Jefferson Lab Collaboration ITEP/JLAB/ORSAY/SACLAY

2 DVCS 1- Le détecteur CLAS et son calorimètre interne
sans calorimètre Calorimètre interne pour la détection des photons à petits angles (4°-15°; 1-5 GeV) Aimant pour la réjection des électrons Möller Simulation physique Le calorimètre interne Chambres à fils de CLAS

3 2- Le calorimètre électromagnétique
DVCS Scintillateur dense, rapide, résistant aux radiations Détection de la lumière par photodiode APD Utilisation des technologies développées pour CMS-ECAL Cristaux PWO Champ magnétique 4.9T Calorimètre vue depuis la cible 160mm 13.33mm 16mm Résolution angulaire ~1.4°/cristal Longueur ~17 Xo Géométrie tronco-pyramidale pour focalisation à 10 cm de la cible (éviter zone morte entre cristaux) cible 424 cristaux de tungstate de plomb (PbWO4)

4 3- Intégration des composants
DVCS Cadre aluminium Lame d’acier Support de cristaux Avalanche Photo Diode Fils de l’APD Détection de lumière Connecteur de fibre optique Calibration par injection de lumière Carte de connexion et écran thermique Carte mère Préamplificateur Rails support de préamplificateur Câble plat Connecteur Electronique interne Cristal de PbWO4 enveloppé de VM2000 Interaction / absorption Particules / matière

5 4- Ensemble cristal / APD / réflecteur
DVCS Cristaux « PWO » de tungstate de plomb (PbWO4) produit par BTCP (Bogoroditsk Technical Chemical Plant, Russie) suivant spécifications CMS-ECAL Les cristaux sont enveloppés de VM2000 (ESR-3M) Polymère multicouche à 99% de réflexion 65 µm épaisseur Photodiode par avalanche 5x5mm² Hamamatsu - S8664 développé pour CMS-ECAL

6 5- Le support des cristaux
DVCS Positionnement précis Pas d’empilement direct de PWO (fragile) Espace minimisé entre cristaux Démontage possible Différentes solutions possibles… Cadre support Masse d’un cristal 280 g Lames d’acier inoxydable de 120µm d’épaisseur Support sur lames d’acier collés sur des cadres aluminium 22 cristaux sur le plus grand cadre 22 cadres supports (cristaux non montés) Distances entre cristaux 300 µm vertical 130 µm horizontal

7 DVCS 6- Electronique Taux comptage MHz => rapidité
Préamplificateur de courant Implantation dans l’ombre du cristal en technologie CMS (diaphonie et CEM) Câble kapton blindé pour connexion Cristal APD de lecture Préamplificateur Carte mère multicouches pour : la sortie des signaux de lecture les alim. haute tension (APD 400V) les alim. basse tension (préamplis) Sorties et passage de câbles dans l’ombre des bobines de l’aimant de Clas

8 DVCS 7- Laser pour la calibration Calibration des voies,
Réglage APD (T°,rad…) Vérif. linéarité du signal Laser pulsé lumière verte (532 nm) 480 fibres sélectionnées pour uniformité lumière (±2%) Technologie développée pour CMS-ECAL Fibres optiques connectés en face avant Boitier front-end Boite diffusante APD CALORIMETRE

9 DVCS 8- Stabilisation thermique
APD (∆gain=-2,2%/°C) – Cristaux (∆ Light Yield=-1,9%/°C) Performances constantes dans le temps Stabilisation obligatoire à ±0,1°C Dissipation préamplificateurs 53 W (125 mW unit.) Ecrans thermiques simulation Entre cristaux et préamplis Ecrans thermiques Cristaux stabilisés à 17.6°C Echange avec extérieur 34 W Isolation 12 mm polystyrène Refroidisseur à circulation d’eau Sondes (Pt100) et acquisition de température 87 W transfert total

10 9- Montage DVCS IC @ Jefferson Lab
Montage à JLab Empilement des cadres avec cristaux Branchement des APDs et tests électroniques à chaque rangée Assemblage du calorimètre à l’aimant Faisceau en mars 2005 après 3 ans d’études techniques … Passage de câbles dans les bras supports

11 Les calorimètres électromagnétiques des expériences DVCS et PANDA
2ème partie Spectromètre PANDA on GSI ~2016

12 Central Forward Central (Target Spectrometer) Micro vertex
1- Le détecteur Actuel GSI HESR FAIR : Future Facility at GSI Darmstadt, Germany HESR : antiproton storage ring 1-15 GeV/c PANDA : 4π internal target detector Central Forward Micro vertex Straw tubes (or TPC) DIRC-like Cerenkov Electromagnetic Calorimeter 1.94 m Central (Target Spectrometer) 2 Tesla Solenoid Magnet

13 2- Le calorimètre électromagnétique
Géométrie Compacte, 4π Tonneau cristaux Bouchon avant 6864 cristaux Bouchon arrière 816 cristaux ~20000 cristaux Faisceau PWO, tungstate de plomb (PbWO4), Energie De 10 MeV à 10 GeV Champ magnétique 2T Refroidi (-25°C) Scintillateur Faible longueur de radiation Faible rayon de Molière Photodiode APD Principe proche du calorimètre de CMS (et DVCS) … à part que l’on doit refroidir à -25°C R&D sur une large APD R&D sur une électronique à bas niveau de bruit et faible dissipation thermique Améliorer le rendement lumineux du cristal et la tenue au radiation => R&D sur le PWO-II R&D sur la conception mécanique et le refroidissement

14 3- Un aperçu de la R&D sur les cristaux et APD
PWO-II produit par BTCP (Bogoroditsk Technical Chemical Plant, Russie) Dopage modifié et réduction des défauts de concentration Mais encore plus quand on refroidi !! +80% à T° ambiante Plus de lumière que le PWO Et une meilleure tenue au radiation (temps de résurgence à -25°C) LAAPD S3590 (Large Area Avalanche Photo Diode) en collaboration avec Hamamatsu Photonics CMS 5x5mm2 10x10mm2 New Des études approfondies en cours à basse énergie (Na22) avec de petits cristaux de BGO Gain=f(V,T°)

15 4- Définition du tonneau
Longueur 2.5 m Rayon 0.57 m Une tranche du tonneau (1/16) 720 cristaux Préamplificateur de charge 4 voies Cartes électroniques Poutre support Ecrans thermiques à -25°C Isolant mince en face avant Isolant Cristaux PWO-II Face d’entrée 21x21mm² 200 mm long Forme pyramidale Réflecteur ESR (VM2000) Alvéoles en fibre de carbone 200 µm d’épaisseur collées sur des inserts aluminium Cristaux à -25°C

16 Transparence aux particules entre cristaux
5- R&D composites Transparence aux particules entre cristaux Rapport (épaisseur / rigidité / formage) intéressant Alvéoles en fibre de carbone Alvéoles Insert aluminium Cristaux Moulage d’alvéoles en fibres de carbone Simulation => ~10 % différence Test chargement 4 alvéoles (16 cristaux de 1 Kg) 0.19 mm déformation

17 Conception mécanique sans pont thermique
6- R&D thermique Dilatation matériau Atmosphère sec (risque de glace) Electronique peu dissipatrice (50 mW) Ecran thermique frontal faible épaisseur et transparent (particules) Conception mécanique sans pont thermique Refroidissement à -25° stabilisé à ±0,1°C +20°C -25°C Analyse par simulation thermique Quad Preamp 50 mW /ch APDs Ecran à -25°C 4 cristaux Panneau sous vide isolant en face avant Carbone à -25°C Aluminium à 20°C Rohacell Super-isolant R&D isolants Zoom temperature preamp Cristal R1 T2 T1 Face froide APD R2 R3 Cable T4 T3 APD connection preampli : Δ+4°C Face avant température: Δ+0°C Définition analytique de la température de l’APD

18 7- CAO d’un module d’une tranche
Les cristaux dans leur boite et tenus sur la poutre support Alveoles en fibre de carbone Conception d’une liaison réduisant les ponts thermiques Préamplificateur « quad » Fibres de lumière pour la calibration Prototype 60 cristaux Réponse du calorimètre Intégration (mécanique, APD, préampli, refroidissement)

19 8- Prototypes 25 et 60 cristaux
« Matrice 25 » 25 cristaux droits (22x22mm2, 200mm) Test sous faisceau à Mainz en 2006 et 2007 Montage avec PMT (réponse des cristaux) Puis avec APD+Préampli « Prototype 60 cristaux type 6 » Cristaux par 4 Préampli

20 9- Premiers tests en rayons cosmiques du proto 60
Mesure d’un rayon cosmique Signal 636 mV à Refroidisseur Banc d’acquisition Alimentation haute-tension Test sous faisceau en 2008 Injection d’azote : Réalisation d’une tranche entière

21 Transparents supplémentaires
DVCS 4 T. Zerguerras Simulation avec Geant 4 Prototype DVCS Test CEM Préampli+back PCB