TimePix à Saclay : réalisations et perspectives

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1 TimePix à Saclay : réalisations et perspectives
David Attié, Maximilien Chefdeville, Paul Colas, Eric Delagnes, Marc Riallot, Arnaud Giganon SOCLE 2007, Clermont-Ferrand 18-19 novembre 2007 SOCLE 2007, Clermont-Ferrand – novembre 2007

2 SOCLE 2007, Clermont-Ferrand – 18-29 novembre 2007
Sommaire SiTPC : proposition d’une lecture pixélisée pour une TPC Description de la puce TimePix Activités liées à SiTPC Premières lumières d’une chambre TimePix/Micromegas Grand prototype de TPC digitale Conclusion & perspectives SOCLE 2007, Clermont-Ferrand – novembre 2007

3 SiTPC : proposition d’une lecture pixélisée pour une TPC
Caractéristiques nécessaires pour la TPC de l’ILC : Résolution spatiale (<100 μm) : σxy limité par la largeur du pad (pas/√12) distribution de charge étroite (RMS ~15 μm) Granularité importante : détection/suppression des δ-ray directionnalité mesure du dE/dx par comptage des clusters Utilisation d’une lecture digitale pour la TPC en combinant : une puce CMOS pixélisée un détecteur gazeux GEM ou Micromegas Autres avantages : sensibilité à l’électron unique énergie + directionnalité permettent l’observation : électrons de faible énergie pour la polarimétrie X reculs des noyaux issus des interactions WIMP ou neutrinos 2 e- de la désintégration beta (ββ2ν) SiTPC SOCLE 2007, Clermont-Ferrand – novembre 2007

4 Principe de la TPC digitale
Micromegas Cathode ~50 µm 80 kV/cm + - Particule ionisante Volume de gaz Système d’amplification (MPGD) Puce TimePix SOCLE 2007, Clermont-Ferrand – novembre 2007

5 Description de la puce TimePix
Puce (CMOS ASIC) améliorée dans le cadre d’EUDET à partir de la puce Medipix d’abord développée pour des applications médicales Technologie IBM 0.25 µm Caractéristiques: surface : 1.4 x 1.6 cm2 matrice de 256 x 256 pixel de 55 x 55 µm2 Chaque pixel contient: Préamplificateur + shaper discriminateur de seuil registre de configuration logique de synchronisation (TSL) compteur 14-bit  Seuil ~ 700 e- Plan d’un pixel synchronisation Logique de 55 mm Interface Registre de configuration Discriminateur Préamplificateur Compteur SOCLE 2007, Clermont-Ferrand – novembre 2007

6 TimePix Synchronization Logic (TSL)
Mode Timepix Mode TOT Mode Medipix Chaque pixel peut être configuré en 5 modes Horloge interne jusqu’à 160 MHz 100 MHz Shutter interne Shutter Mask P1 P0 Mode Masked 1 Medipix TOT Timepix-1hit Timepix Horloge interne non detecté detecté Signal digital Signal analogique Charge sommée SOCLE 2007, Clermont-Ferrand – novembre 2007

7 Ingrid ou Micromegas intégré par photolithographie
Le substrat peut être : wafer de Si avec une simple anode puce de lecture type TimePix Application et exposition d’un photorésist définition de l’espace d’amplification (qqs 10 μm) définition des supports (piliers/murs) Déposition d’un film métallique avec motifs définition de la géométrie de la grille Développement par dissolution des zones non exposées + nettoyage photo-resist MESA+ Univ. Twente substrat pas de 20 μm pas de 50 μm SOCLE 2007, Clermont-Ferrand – novembre 2007

8 Ingrid : résolution en énergie
Amélioration du process :  grille beaucoup plus plate très bonne résolution en énergie : 13.6 % FWHM avec 55Fe dans le P10 suppression de la raie Kβ à 6.5 keV : keV dans le P10 avec F = 0.14 & Ne = 229  fluctuation du gain ~ 0.7 Nouveau masque photolithographique : - pas des trous jusqu’à 20 μm - avec différents géométries Augmentation en épaisseur de la grille : de 1 μm d’Al à 5 μm par électrolyse  plus robuste Échappement Kα Echappement Kβ 13.6 % FWHM Gap : 50 μm; Trou, pas : 32 μm, Ø : 14 μm Kβ filtré en utilisant une feuille de Cr 11.7 % FWHM Max Chefdeville (NIKHEF/Saclay) + Twente Univ. SOCLE 2007, Clermont-Ferrand – novembre 2007

9 Ingrid : étude du retour des ions
Dépendance du phénomène : le gaz (Townsend, σt) la géométrie de la grille (gap, pas et taille des trous, taille de l’entonnoir et de l’avalanche) 3 géométries différentes : gap à 45, 58 et 70 μm opérant à 325, 350 et 370 V Ea de 72, 60 et 53 kV/cm (G~200, 550 et 150) coef. diffusion de 142, 152 et 160 μm/√cm largeur d’avalanche de 9.5, 11.6 et 13.4 μm Le retour des ions atteint un minimum prédit par la simulation à σt/p = 0.5 45 μm 70 μm 58 μm SOCLE 2007, Clermont-Ferrand – novembre 2007

10 Chambre TimePix/Micromegas
Fenêtre pour sources X Plans : Capot Fenêtre pour source b Cage de champ Mesh Micromegas M. RIALLOT (DAPNIA/SEDI) Puce Medipix2/TimePix SOCLE 2007, Clermont-Ferrand – novembre 2007

11 Chambre TimePix/Micromegas
6 cm SOCLE 2007, Clermont-Ferrand – novembre 2007

12 SOCLE 2007, Clermont-Ferrand – 18-29 novembre 2007
Source 55Fe Puce Timepix + mesh Micromegas : Effet de Moiré CERN Puce Timepix + SiProt 20 μm + Ingrid: MESA+ Uniforme IMT Neuchatel Medipix mode SOCLE 2007, Clermont-Ferrand – novembre 2007

13 Chambre TimePix/Micromegas : mode TOT
- Timepix chip + SiProt 20 μm + Micromegas 55Fe Ar/Iso (95:5) Mode TOT z = 60 mm SOCLE 2007, Clermont-Ferrand – novembre 2007

14 Chambre TimePix/Micromegas : mode Time
Timepix chip + SiProt 20 μm + Micromegas 55Fe Ar/Iso (95:5) Mode Time z = 25 mm Vmesh = -340 V SOCLE 2007, Clermont-Ferrand – novembre 2007

15 Chambre TimePix/Micromegas : mode Time
Timepix chip + SiProt 20 μm + Micromegas 109Cd Ar/Iso (95:5) Mode Time z = 60 mm Vmesh = -340 V SOCLE 2007, Clermont-Ferrand – novembre 2007

16 Protection contre les étincelles
Provoquer des étincelles en introduisant un peu de Thorium dans le gaz Timepix chip + SiProt 20 μm + Micromegas 228Th220Rn Ar/Iso (80:20) Mode TOT z = 10 mm Vmesh = -420 V NIKHEF 2.5×105 e- 6.3 MeV 6.8 MeV 2.7×105 e- ~3 jours, alpha dont 1% de … SOCLE 2007, Clermont-Ferrand – novembre 2007

17 Observations des étincelles
Timepix chip + SiProt 20 μm + Micromegas 228Th220Rn Ar/Iso (80:20) Mode TOT z = 10 mm Vmesh = -420 V NIKHEF La puce fonctionne toujours !!! SOCLE 2007, Clermont-Ferrand – novembre 2007

18 Large Prototype ø = 80cm Technologie bulk Micromegas Interchangable
D. Peterson, Cornell SOCLE 2007, Clermont-Ferrand – novembre 2007

19 SOCLE 2007, Clermont-Ferrand – 18-29 novembre 2007
Panneau avec TimePix Matrice 2x4 SiProt+Ingrid 1 MUROS Pad ~ 2,8 x 6, 8 mm² SOCLE 2007, Clermont-Ferrand – novembre 2007

20 SOCLE 2007, Clermont-Ferrand – 18-29 novembre 2007
Perspectives Micro TPC + TimePix : outil inégalable sensible à l’électron unique maintenant disponible pour l’étude et la caractérisation des gaz Observation de rayons cosmiques et mesures en faisceau polarisé La conception d’un PCB contenant une matrice de 2x4 TimePix a commencé et pourra utiliser la technologie InGrid Construction d’une boite pour des tests préalables au Grand Prototype (Large Prototype) SOCLE 2007, Clermont-Ferrand – novembre 2007

21 SOCLE 2007, Clermont-Ferrand – 18-29 novembre 2007
Perspectives Résolution ultime de la TPC digitale pour l’ILC Ouverture sur de très nombreuses applications : Polarimétrie X Etude des propriétés des gaz (statistique primaire, diffusion, fluctuations de gain, etc…) Matière noire directionnelle … Collaboration Saclay David Attié Max Chefdeville Paul Colas Esther Ferrer-Ribas Arnaud Giganon Ioannis Giomataris Marc Riallot Stephen Turnbull CERN Michael Campbell Xavier Llopart NIKHEF Yevgen Bilevych Marten Bosma Max Chefdeville Martin Fransen Fred Hartjes Jan Timmermans Harry van der Graaf Jan Visschers SOCLE 2007, Clermont-Ferrand – novembre 2007