I 3 HPJRA 4 PIM un dtecteur microstructure

I 3 HP-JRA 4 PIM : un détecteur à microstructure multi-étages pour la trajectographie sous un multi-étages pour la trajectographie haut flux de particules sous un haut flux de particules J. BEUCHER jerome. beucher@cea. fr D. THERS, E. MORTEAU, S. LUPONE, P. LERAY (SUBATECH, Nantes) V. LEPELTIER † (LAL, Orsay, France) Séminaire instrumentation IRFU – 03/06/2008

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

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

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

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

MSGC : Le premier détecteur à microstructure 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 Cern GDD J. Beucher Haut flux >106 part. /mm²/s Séminaire IRFU, 03/06/2008 6

Une grande famille … La grande famille des MPGD’s (Micro-Pattern Gas Detectors): µ-wire, WELL, µ-groove, µ-CAT Thick. GEM MSGC 1988 µ-dot 1993 GEM 1995 1996 1997 µ-PIC 1999 2001 2003 2004 2006 MGWC MGC RETGEM MICROMEGAS … PIM BULK-MICROMEGAS * Liste non exhaustive 2008 : Mo. U de la collaboration RD 51 (~50 instituts) J. Beucher Séminaire IRFU, 03/06/2008 7

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

MICROMEGAS (suite) c 40 - Gain élevé - Efficacité proche 100 % - x < 50 µm - t < 10 ns - Résol. en énergie ~15 -20% FWHM @ 5, 9 ke. V - Capacité à supporter flux - Simple - Peu de matière - Surface ~ 40 x 40 cm² m Caractéristiques : 40 c m COMPASS, NA 48/2 J. Beucher Séminaire IRFU, 03/06/2008 9

GEM “Gas Electron Multiplier” (F. SAULI 1997) 14 µm 0 70 µm Feuille kapton : 50 µm Dépôt de Cu (5 µm) de chaque côté Trous réalisés par attaque chimique Densité de trous élevée Chaque trou se comporte comme un amplificateur proportionnel individuel J. Beucher Possibilité d’avoir plusieurs GEM en cascade : gain élevé Séminaire IRFU, 03/06/2008 10

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

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

Problématique en présence de hadrons 1. Interaction hadrons / gaz ou électrodes Interaction electromagnetique : qq centaines de e. V à qq ke. V 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 Interaction forte : qq Me. V Simultanéménent et très proches les unes des autres Proximité des électrodes Limite phénoménologique de Raether 107 -108 e-ion Haut flux de hadrons = nombre important d’interaction forte dans le détecteur J. Beucher Séminaire IRFU, 03/06/2008 13

MICROMEGAS et les décharges COMPASS Plusieurs années de fonctionnement en présence de hadrons Aucun dommage lié aux décharges /p @ 15 Ge. V/c robustesse des micro-grilles Optimisation schéma de polarisation (réduire temps mort et protection électronique) D. Thers et al. NIM A 469(2001) p. 133 -146 J. Beucher Séminaire IRFU, 03/06/2008 14

Triple-GEM A. Alfonsi et al. NIM A 525(2004) p. 17 @ 350 Me. V/c Multi-étages = moins de décharges 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 J. Beucher Séminaire IRFU, 03/06/2008 15

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

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

Transparence électronique étage de conversion Te e- étage d’amplification Transparence électronique ( Te ) = Quantité d’e- entrant dans l’étage entrant d’amplification J. Beucher Séminaire IRFU, 03/06/2008 18

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

Gain total du détecteur PIM Te : transparence électronique Cext : coefficient d’extraction GA 2 : gain étage de pré-ampli. A 2 GA 1 : gain étage d’amplification A 1 J. Beucher Séminaire IRFU, 03/06/2008 20

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

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

Mesures du coefficient d’extraction Extraction efficiency Cext 50 -125 µm 50 -200 µm 50 -220 µm (670 LPI) 200 LPI 670 LPI (PIM 50 -125 µm) 500 LPI 1000 LPI ET/EA 2 Le choix de la géométrie de la grille et du gap sont déterminant Cext~ 25 % avec un gap de 220 µm et une grille de 670 LPI ET/EA 2 J. Beucher Séminaire IRFU, 03/06/2008 23

Gain total (Ne+10%CO 2) Gain maximum : dernier point avant l’apparition de décharges avec la source de 55 Fe 3 mm, Ec =1 k. V/cm 500 LPI 3 mm, ET ~1 k. V/cm A 2 = 125 µm 670 LPI Total gain CERN mesh PIM 50 -125 µm (CERN, 670 LPI, 500 LPI) anode A 1 = 50 µm 12 5 µ m Gain maximum très élevé qq 105 (compatible avec la limite de Raether) MM m M M µ 0 5 Champ électrique locaux modéré Résolution en énergie ~20% (FWHM) @ 5. 9 ke. V J. Beucher Séminaire IRFU, 03/06/2008 24

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

Mesures de la probabilité de décharge Haut flux de hadrons p/p+ : 10 Ge. V/c, qq 105/spill (T 9) PS @ CERN • 150 Ge. V/c, 6. 107/spill (H 6) SPS @ CERN + @ 10 ou 150 Ge. V/c PM “XY” motorisés J. Beucher Prototypes • Faisceau PM flux Séminaire IRFU, 03/06/2008 26

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

Mesures Pdech VS gap Probabilités de décharge avec un détecteur MICROMEGAS : p+/p @ 10 Ge. V/c (ligne T 9 PS) Caractérisation de la probabilité de décharge pour différents gaps d’amplification Ø GA 1 > 1000 Pdech dépend fortement de la hauteur avec le gap Ø GA 1 < 1000 Pdech quasi-indépendante du gap Gain total J. Beucher Séminaire IRFU, 03/06/2008 28

Influence de GA 2 (pré-amplification) Probabilités de décharge avec un détecteur PIM 125 -125 µm : Pdech @ G =4000 A 2 125 µm A 1 125 µm Pdech @ G=2000 GA 2 ~ 4000 ~ 200 A 2 GG ~ 200 A 2 ~ 4000 MICROMEGAS 125 µm ~ GA 1 G MICROMEGAS 125 µm A 2 ~ 2000 MICROMEGAS 125 µm Gain total Minimiser le gain dans chaque étage d’amplification J. Beucher Séminaire IRFU, 03/06/2008 29

Influence du gap d’amplification (A 1) A 2 3 mm 125 µm A 1 125 µm A 2 125 µm 3 mm A 1 GA 2~200 50 µm Favoriser un petit gap d’amplification au contact de l’anode (Collection rapide des ions) J. Beucher Séminaire IRFU, 03/06/2008 30

Influence du coeff. d’extraction PIM « Standard » A 2 A 1 3 mm 125 µm 50 µm Cext~15% PIM : coefficient d’extraction optimisé Cext~25% 200 µm A 2 A 1 3 mm 50 µm Total gain Probabilité de décharge inférieure à 10 -9 par hadron incident (G~5000) avec PIM à deux étages d’amplification J. Beucher Séminaire IRFU, 03/06/2008 31

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

Résolution spatiale PIM 50 -125 Faisceau (<104/spill) PIM_0 95 % PIM_1 Efficacité [%] P 1 P 2 p+, p Résolution spatiale pour un plan GA 2 ~ 100 GA 2 ~ 200 Bruit électronique non négligeable Gain total x~51 µm au début du plateau d’efficacité (G~5000) GA 2 ~ 100 GA 2 ~ 200 Gain total J. Beucher Séminaire IRFU, 03/06/2008 33

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

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

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

Dispositif expérimental (PIM 50 -125) source intense ( ~1 Me. V) 90 Sr Ion Back Flow p. A Icathode , Iprimaire 125 µm 50 µm 3 mm 500 lpi 3 mm Grille CERN anode p. A N. B : Pas d’alignement Ianode J. Beucher Séminaire IRFU, 03/06/2008 37

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

Conclusion Ø Les détecteurs à microstructure réalisant la multiplication des charges par étapes permettent d’obtenir des gains très élevés (>105) tout en conservant des électriques locaux modérés. Ø 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. Ø Pdech ~ 10 -10 hadron-1 (@ G~5000) Ø x ~ 50 µm Excellentes caractéristiques pour la trajectographie de hadrons Ø 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 Très encourageant pour les TPC de haut flux J. Beucher Séminaire IRFU, 03/06/2008 39

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

Cluster multiplicity Charge spreading 50 µm Cosmics + 3 mm transfert stage X 1. 5 Large transfert thickness gap could be used to spread charge cloud J. Beucher Séminaire IRFU, 03/06/2008 41

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

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

Back-up Gain VS Et Cext augmente Te diminue plus Cext Te diminue vite que Cext augmente n’augmente Te ~ 100 % J. Beucher Séminaire IRFU, 03/06/2008 44

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

Mesures de Cext : le dispositif Détermination du coefficient d’extraction = mesures de Gtot, GA 1, GA 2 Position du préamplificateur et polarisation du détecteur : Ec et EA 2 = 0 A 2 Et et EA 1 = 0 A 1 Gtot J. Beucher A 2 PA A 1 PA GA 2 Séminaire IRFU, 03/06/2008 GA 1 PA 46

Mesures de Te : le dispositif Hyp. 1 : nombre de primaires arrivant à la grille constant Mesure du gain en fonction de Ec : 55 Fe Ne+10%CO 2 0, 2 < Ec(k. V/cm) < 3 Attachement, recombinaison, amplification négligeables Ec Hyp. 2 : Gmax 100 % des e- arrivent dans la zone d’amplification EA 1 fixe Gain qq milliers PA J. Beucher Séminaire IRFU, 03/06/2008 47

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

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

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

Influence du gap de transfert A 2 1 et 3 mm 3 et 6 mm A 1 125 µm 50 µm Indépendant de la hauteur de l’espace de transfert J. Beucher Séminaire IRFU, 03/06/2008 51

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