Étude dune tpc à lecture micromegas pour le futur collisionneur linéaire p. colas, y. giomataris,...

Étude d’une TPC à lecture MICROMEGASpour le futur collisionneur linéaire

P. Colas, Y. Giomataris, J. Martin, A. Olivier (DAPNIA Saclay)J. Jeanjean, V. Lepeltier (LAL Orsay)

PlanPrésentation de l’étude

Contexte et enjeux

Propriétés des mélanges gazeux

Mesure des vitesses de dérive

Le retour des ions

Description d’une TPC à lecture Micromegas

Simulations Propriétés de dérive et d’amplification

Comparaison simulations/résultats expérimentaux Discussion sur les erreurs systématiques

Étude théorique Simulations Résultats expérimentaux

Les enjeux du futur collisionneur linéaire

Étude de la brisure de la symétrie électrofaible, origine des masses

Étude détaillée du boson de Higgs

Recherche de particules supersymétriques

Recherche de phénomènes au-delà du Modèle Standard : gravitation forte, dimensions supplémentaires …

Le projet TESLATera Electronvolt Superconducting Linear Accelerator

Collisionneur linéaire électron-positron

Autres projets : NLC, JLC

Projet de collaboration internationale piloté par DESY (Deutsches Elektronen Synchrotron)

33 km de long, 2 accélérateurs linéaires de 15 km chacun

Energie de collision de 500 à 800 GeV

Présentation de l’étudeLes détecteurs

Un détecteur de vertex

Une TPC

Un calorimètre électromagnétique

Un calorimètre hadronique

Essentiellement 4 types de détecteurs

TPC à lecture MicromegasLa chambre à projection temporelle (TPC)

Principe

Détecteur qui permet une mesure point par point tridimensionnelle de la trajectoire de la particule chargée

Avantages

Bonne résolution spatiale

Grand nombre de points de mesure par longueur de radiation reconstruction facilitée et bonne séparation des traces

La TPC peut couvrir un grand volume, bonne acceptance pour les V0

Trace d’une particule chargée

B

Dérive des électrons d ’ionisation

Système de lecture

E

TPC à lecture MicromegasMicromegas (MICRO MEsh GAseous Structure)

Principe

Propriétés et performances du détecteur

Uniformité du champ électrique dans l’espace d’amplification et faible gap stabilité du gain

La microgrille permet d’une part le passage de la totalité des électrons, crées dans l’espace de conversion par la particule incidente, vers l’espace d’amplification et d’autre part une collection rapide et efficace des ions qui remontent de l’anode

Faible effet EB

TPC à lecture MicromegasPrototype de TPC Micromegas en construction

Collaboration Berkeley Orsay Saclay

F. Bieser1, R. Cizeron2, P. Colas3, C. Coquelet3, A. Delbart3,E. Delagnes3, B. Genolini4, A. Giganon3, Y. Giomataris3, G. Guilhem2, S. Herlant3,

J. Jeanjean2, V. Lepeltier2, J. Martin3, A. Olivier3, J. Peyré4, J. Pouthas4, Ph. Rebourgeard3, M. Ronan1

1) LBL, 2) LAL Orsay, 3) DAPNIA Saclay, 4) IPN Orsay

Études préliminaires avant de tester ce prototype

TPC à lecture MicromegasCaractéristiques du couplage TPC/Micromegas

Ionisation primaire

Vitesse de dérive

Propriétés de l’espace de dérive

Création de paires électron-ion lors du passage d’une particule chargée dans le milieu gazeux

N0= 94 paires par cm pour Ar, 39 pour Ne, 8 pour He Dépend de E

Maximum de vitesse


Diffusion transverse

Diffusion longitudinale

Diffusion

l.Dσ ttt ~ 500 microns/(cm) dans l’espace de dérive

Effet de B

)²(1

)0()(

B

tBt B permet de réduire t

l.Dσ ll

l détermine la résolution en z


Propriétés de l’espace d’amplification

Avalanche et gain du détecteur

Processus d’avalanche : dans un champ électrique très intense, les électrons acquièrent suffisamment d’énergie entre deux chocs pour ioniser à leur tour d’autres molécules de gaz

Gain de multiplication : G=exp(.d) : coefficient de Townsend

Attachement

Capture d’un électron par une molécule de gaz

Perte par attachement : A=exp(-.x)


Propriétés du mélange gazeux

Mélange gazeux = gaz rare + quencher

Gaz rare : composant principal (généralement l’argon) mais émission de photons UV qui rend instable l’amplification

Quencher : gaz polyatomique qui possède de nombreux états excités non radiatifs et qui permet d’absorber les photons UV indésirables composant nécessaire en petite quantité CF4, CH4, isobutane, éthane …


Considérations électrostatiques

Lignes de champ suivies par les charges dans l’espace de dérive et dans l ’espace d’amplification

Transparence électronique : proportion des électrons crées dans l’espace de dérive qui traversent la grille

Taux de remontée d’ions : proportion des ions crées dans l’espace d’amplification qui remontent dans l’espace de dérive

TPC à lecture MicromegasContraintes liées au couplage TPC/Micromegas

Espace de dérive

Maximum de vitesse élevé à bas champ électrique

Faible diffusion transverse bonne résolution en (r,)

Faible diffusion longitudinale bonne résolution en z

Pas d’attachement

Espace de d’amplification

Mélange gazeux Même gaz pour les 2 espaces

Gaz non inflammable et sans composé hydrogéné

Gain souhaité (300 à 1000) : choix du gap et de la tension

Attachement négligeable

Remontée d’ions < 1% afin de limiter les effets de charge d’espace

Propriétés des mélanges gazeuxPrésentation des simulations

Magboltz

Programme écrit par Steve Biagi qui permet d’évaluer les coefficients de transport des électrons dans les gaz

Calcule : vitesse de dérive, coefficients de diffusion, de Townsend, d’attachement

Garfield Développé au CERN par Rob Veenhof

Chambre à dérive 2D, calculs 3D à partir de cartographies de champs importées

Calcule : cartes de champ, équipotentielles, lignes de dérive des ions et électrons, temps de dérive…

Propriétés des mélanges gazeuxPropriétés de dérive

Choix du gaz rare (gaz porteur)

L’argon est le plus intéressant (propriétés de vitesse de dérive + coût)


Vitesse de dérive

Maximum de vitesse élevé à bas champ

Ar + 2 ou 3% CF4


Diffusion transverse (sans B)

400 m à 1 m


Diffusion transverse (avec B)

Diffusion transverse divisée par 17 à 0.2 kV/cm

25 m à 1 m à 0.2 kV/cm


Diffusion longitudinale

Vd = 7.5 cm/s durée du pulse = 33 ns

2.5 mm à 1 m


Attachement

Attachement nul à 0.2 kV/cm


Influence de H2O

Effet sur la vitesse de dérive

H2O rabaisse le plateau de vitesse et le décale à haut champ


Influence de O2

Effet sur l’attachement

Moins de 10 ppm pour que les électrons de dérive ne soient pas perdus par attachement

N2 a le même effet que H2O mais n’est pas gênant sauf en forte proportion

Propriétés des mélanges gazeuxPropriétés d’amplification

Courbes de gain


Influence du gaz porteur


Influence du quencher


Étude du porteur Argon


Étude du système Ar-Ne-CF4

Propriétés des mélanges gazeuxConclusion

Choix du porteur : Argon Bonnes propriétés de dérive et d’amplification + coût

Piste à étudier : mélanges de gaz porteurs (ex : Ar-Ne)

Choix du quencher : CF4

Proportion : 2% Vd=7.5 cm/s à 0.2 kV/cm

Choix du gap : ~50 m

Maximum de la courbe de gain meilleure stabilité

Mesure des vitesses de dérivePrincipe des mesures

Schéma du dispositif expérimental

t

Temps (ns)

Signal de l’anode

Mesure des vitesses de dériveDispositif expérimental

LASER

Mesure des vitesses de dériveComparaison avec les simulations

Mesure des vitesses de dériveDiscussion sur les erreurs systématiques

Erreurs de simulation Données des gaz dans Magboltz (de l’ordre du %)

Erreurs expérimentales

Composition précise du gaz, présence d’impuretés, espacement entre les deux microgrilles, lecture des signaux…

Erreurs intrinsèques

Liées au parcours des électrons au dessus de la microgrille HV1

Mesure des vitesses de dériveDiscussion sur les erreurs systématiques

Erreurs intrinsèques

Temps de dérive supplémentaire qui dépend de la ddp entre HV1 et HV2

Résultat : + 4 à 8 ns suivant la ddp entre HV1 et HV2

Insuffisant pour expliquer les écarts expérimentaux

Mesure des vitesses de dériveConclusions

Les mesures sont bonnes avec une précision de quelques %

De nombreuses erreurs systématiques

D’après les simulations, la principale source d’erreur est la présence d’impuretés dans le gaz

Le retour des ionsÉtude théorique

Le phénomène « d’entonnoir »

Ea

Ed

x

y

S1

S2

La remontée des ions dépend de S1/S2~Ea/Ed

Quand S1/S2 est grand, les ions remontent vers la grille plutôt que dans l’espace de dérive. Les effets de charge des ions dans l ’espace de dérive sont supprimés


Hypothèses sur la création des ions

Struture périodique de la grille (période l)

l2*

Avalanche Diffusion

Diffusion de type gaussienne


Calculs Somme de toutes les contributions des gaussiennes

2D 3D


Résultats

Grille 500 lpi (t/l=0.25) 1000 lpi (t/l=0.5) 1500 lpi (t/l=0.75)

Distribution de création des ions

Retour des ions 52.

ofield_ratickion_feedba 03.1

__

ratiofieldfeedbackion 1

__

ratiofieldfeedbackion


Résultats

012345678

0,1 0,3 0,5 0,7 0,9

transverse diffusion/l

feed

back

/fie

ld r

atio

Bon retour des ions t/l > 0.5 feedback = field ratio

Le retour des ionsSimulations Garfield

Résultats (Ar + 10%isobutane, 1500 lpi, gap 100 microns)

Les simulations trouvent un retour des ions légèrement supérieur à la valeur théorique

Erreur intrinsèque au programme Garfield

Le retour des ionsÉtude expérimentale

Dispositif expérimental et méthode de mesure

Vmesh

Vdrift

I2 (mesh)

I1 (drift)

X-ray gun

Primaires + feedback

I1+I2 ~ G x primaires

On obtient l’ionisation primaire pour G=1 (Vmesh faible)

Feedback = (I1-I0)/(I1+I2)


Mesure en présence de champ magnétique


Résultats (Ar + 10% CH4, 500 lpi, gap 50 microns)

4.ED/EA

ED/EA

Retour des ions indépendant de B

Feedback=4.ED/EA

Valeurs théoriques : t=11.2 m l=50.8 m Feedback=3.2 ED/EA

Le retour des ionsConclusion

Au vu des résultats théoriques et expérimentaux, il semble établi que pour une valeur de t/l suffisante (> 0.5) le retour des ions est égal au rapport des champs ED/EA

Le phénomène de retour est compris

En choisissant une grille suffisamment serrée et en contrôlant le rapport des champs, on peut donc maîtriser ce phénomène

Le phénomène de retour est indépendant de B

Conclusion

Une bonne résolution spatiale et temporelle

La construction de Micromegas est facile et peu coûteuse

Une évacuation rapide et efficace des ions

Gains élevés

EB=0 presque partout

Une collection rapide du signal due au faible gap d’amplification (50 à 100 m)

Micromegas présente de nombreux avantages

Ceci en fait un excellent candidat pour la trajectographie centrale du collisionneur linéaire

Des progrès ont été réalisés récemment sur l’optimisation du mélange gazeux : Ar + 2 % CF4 semble être un bon compromis

Le retour des ions est bien compris. La théorie est en accord raisonnable avec l’expérience

Pour la première fois le fonctionnement de Micromegas et le retour des ions ont été testés en champ magnétique

Conclusion

Étude dune tpc à lecture micromegas pour le futur collisionneur linéaire p. colas, y. giomataris,...

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