ETUDE EN COSMIQUES D’UNE TPC A LECTURE

MICROMEGAS POUR LE FUTUR COLLISIONNEUR

LINEAIRE

Maximilien ChefdevilleStage effectué au CEA / DAPNIA

Plan• Introduction

– Contexte– Le projet TESLA– La technologie Micromegas

• Etude en cosmiques de la TPC Micromegas– Présentation du prototype– Optimisation des performances de l’acquisition et étude du

rayonnement cosmique au sol– Influence du champ magnétique– Optimisation du mélange gazeux– Comparaison aux données– Conclusion

• Contribution au développement d’une TPC digitale– Présentation– Optimisation du mélange gazeux– Calibration du dispositif– Simulation de la longueur projetée– Conclusion

Contexte• Le modèle standard

– Théorie électrofaible + QCD– Testé à un haut degré de précision– Nombreux paramètres libres : masses et constantes de couplage

• Questions ouvertes– Origine des masses et brisure de la symétrie électrofaible par le mécanisme de

Higgs ?– Nature de matière noire ?– Unification des quatre forces ?

• Thèmes de recherche– Découverte du boson de Higgs et étude détaillée de ses propriétés– Recherche de particules supersymétriques– Recherche de phénomènes au-delà du modèle standard

SUGRA, supercordes …

• Prochains Collisionneurs– Le Large Hadron Collider (proton / proton, 14 TeV dans le centre de masse)– Le futur collisionneur linéaire (projets NLC, JLC, TESLA)

• Chambre à projection temporelle– Reconstruit les trajectoires de

particules chargées– Calcul du dE/dx– Systèmes d’amplification et de lecture

• association fils et damiers• Micro Pattern Gaseous Detector

Le projet TESLA• Collisionneur e+/e- supraconducteur

– Piloté par DESY– 33 km – Energie de 500 à 800 GeV– Luminosité de 3,4.1034 cm-2 s-1

• Détecteurs– Détecteur de vertex– Trajectographe– Calorimètre électromagnétique– Calorimètre hadronique

Micromegas• Principe

– Micro grille séparant les 2 zones– ‘Boost’ de champ à la traversée de

la grille– Multiplication après la grille– Collection sur des damiers, des

pistes ou des pixels

• Performances– Collection rapide du signal– Transparence aux électrons– Retour des ions négligeable– Dispositif peu coûteux

Focalisation des électrons

Capture des ions

Avalanche

Prototype de TPC Micromegas– Cage de dérive

• 50 cm de long• 53 cm de diamètre

– Grille• pas de 50 microns• gap de 50 microns

– 1024 damiers de lecture– 1024 voies d’électronique– Aimant supraconducteur de 2T

2x10 mm² pads

1x10 mm² pads

Optimisation des performances de l’acquisition

• Dispositif de l’acquisition– Scintillateurs– Coïncidence (déclenchement)– Carte de déclenchement– Cartes de lecture– Processeur d’acquisition – PC

• Problématique– Beaucoup de déclenchements inutiles– Proposer de nouvelles configurations

Simulation du rayonnement cosmique

• Configuration initialeC1 = Sc#2(40x40cm, h=220)

+ TPC(49x19cm,h=0)+ Sc#3(78x85cm,h=-75)

• Calcul Monte Carlo des efficacités– Configuration des scintillateurs– Distribution angulaire des cosmiques

• Distribution en cos3θ.sinθ

• Configurations optimiséesC2 = Sc#4(53x30cm,h=115) + TPC +Sc#1(57x29cm,h=-73) + Sc#3

C3 = Sc#4(53x30cm,h=115) + TPC + Sc#3

Configuration Efficacité

C1 25%

C2 75%

C3 35%

Optimisation des taux de déclenchement

Config. Taux simulé Taux mesuré

C1 0,7 Hz 0,3 Hz

C2 0,5 Hz 0,6 Hz

C3 1,8 Hz 3,5 Hz

• Taux de déclenchement– Taux cosmique à travers le

scintillateur le plus haut de 18 Hz– Déduction du taux de

déclenchement par calcul Monte Carlo

• Temps de lecture– Réduction de 20 à 3 s– Calcul Monte Carlo des taux de

déclenchements lus– Calcul Monte Carlo des taux de

bons déclenchements lus

Config. Taux lus Taux bons lus

C1 0,05 Hz 0,01 Hz

C2 0,2 Hz 0,15 Hz

C3 0,3 Hz 0,1 Hz

Influence du champ magnétique

• Plage de 0 à 2 T accessible• On mesure le rayon de courbure

des traces• Spectre en impulsion des muons

Config. B (T) Taux lus (Hz)

C2 0.1 0.31

0.3 0.32

0.5 0.31

0.7 0.30

C3 1.0 0.45

1.5 0.48

2.0 0.46

• Perte de statistique dans les basses impulsions

• Taux lus constants

Temps mort domine toujours

Optimisation du mélange gazeux• Contraintes sur le mélange

gazeux– Faible temps d’occupation

de la chambre– Insensibilité aux fluctuations

de champ électrique– Précision optimale sur les

coordonnées– Pas de capture d’électrons

primaires

• 4 Mélanges sélectionnés– Porteur : argon– Quenchers : CF4, CO2, CH4,

iC4H10

• Choix du champ de dérive– Ar + 3% CF4 8,57 cm/μs @ 220 V/cm

– Ar + 5% iC4H10 4,18 cm/μs @ 210 V/cm

– Ar + 10% CH4 (P10) 5,48 cm/μs @ 150 V/cm

– Ar + 5% CH4 + 3% CO2 (TDR) 4,56 cm/μs @ 230 V/cm

Diffusion transverse & facteur ωτ

• Réduction par le champ magnétique caractérisée par le facteur ωτ

• On vérifie ωτ ~ vd.B / E

B (T) Dt simulé

(μm / cm1/2)

Dt mesuré

(μm / cm1/2)

0,3 324 214

0,5 240 209

0,7 201 197

1,0 151 141

1,5 110 113

2,0 87 93

La simulation sur estime les mesures et converge vers elles à haut champ

Influence de B dans le mélange Argon/10%CH4

Gaz σ(0T) / σ(2T)

TDR 3,3

P10 6,5

Ar+3% CF4 7,3

Ar+5%iC4H10 4,5

Vitesse de dérive et distribution en temps

• Utilisation de traces sortant par le fond de la chambre

• Distribution homogène des temps de dérive

Gaz E (V/cm) V simulée (cm/μs)

V mesurée (cm/μs)

Ar+5% iC4H10 210 4,18 4,24 +/- 0.08

Ar+10% CH4 66 4,38 4,43 +/- 0,07

• Distribution des temps de dérive

Bon accord avec l’expérience

• Prise de données terminée– Calcul des vitesses de dérive

– Distribution des temps de dérive

– Ecarts dans les calculs de diffusion transverse

Conclusion• Acquisition optimisée

– Taux de déclenchement

– Temps de lecture

Taux de bons événements lus par le PC multiplié au minimum par 10

• Mélange gazeux optimisé

• Influence du champ magnétique– Suppression des traces de faibles impulsions

– Réduction de la diffusion transverse

Diffusion transverse réduite d’un facteur 3 à 7 selon le gaz

TPC fonctionne correctement

Analyse à approfondir

Temps mort domine toujours

Contribution au développement d’une TPC digitale

• Collaboration MediPix2– 13 pays européens (NIKHEF)

– Transfert technologie de hep au médical

• Technologie MediPix2– Puce électronique pixélisée combinée

à un convertisseur photon/électron – Destinée à l’imagerie– Sensible au photon unique

• Caractéristiques– Matrice de 256x256 pixels (64k voies électroniques)– Pixel de 55x55 μm² (~500 transistors / pixel)– Fenêtre en énergie (2 discriminateurs / pixel)

• Association avec Micromegas– Suppression du convertisseur– Collecte des e- de l’avalanche sur les pixels

• But– Détecter des électrons uniques pour observer des

particules au minimum d’ionisation.

Dispositif et contraintes expérimentals

• Détecteur– Chambre de 10x10x15 mm3

– Grille Micromegas– Gap de 50 μm– MediPix2

• Contraintes– Précision transverse optimale– Pas de capture d’e- primaire– Sortir du bruit et voir e- unique– Pas d’étincelles– Clusters suffisamment espacés

• Mélanges gazeux sélectionnés– Porteurs : hélium & argon– Quenchers : CF4 & iC4H10

MediPix2

Micromegas

Cathode

Optimisation du mélange gazeux

• Attachement – négligeable dans l’espace de conversion

– dominé par le coefficient de Townsend dans l’espace de multiplication

• Diffusion transverse constante sur une large plage de champ

– He +20% CF4 128 m/cm1/2@1 kV/cm

– He +20% iC4H10 189 m/cm1/2@1 kV/cm

– Ar +20% iC4H10 249 m/cm1/2@1 kV/cm

Champ de dérive ~ 1 kV/cm

• Claquage– Tensions de claquage des grilles connues

– Forte proportion de quencher réduit le risque

Champ de multiplication ~ 70-90 kV/cm

• Description– Détermine G=f(Vgrille)– Source de fer 55– 2 types de MediPix2

• Non modifiés (20% surface métallisée)• Modifiés (80% surface métallisée)

Calibration du dispositif

• Gains maximums– He + 20% iC4H10 29000 @ 96 kV/cm (modif)

8200 @ 96 kV/cm (unmodif)

– He + 20% CF4 5500 @ 98 kV/cm (unmodif)

G(modif.) ~ 3,8 . G(unmodif.)

Observation de particules au minimum d’ionisation

• Sources– Cosmique– Radioactive

• Observation– Électron unique– Clusters

Rayonnement delta ?

Source d’américium

MediPix2 + Micromegas fonctionne

Simulation de la longueur projetée

• Calcul Monte Carlo

– Distribution en cos3θ.sinθ des muons– Calcul de la longueur projetée (en mm)

sur le plan de pixels (10x10 mm²)

Monte Carlo

Simulation NIKHEF

Analyse NIKHEF

6,6 mm 6,0 mm 6,5 mm

• Analyse en cours

– Longueur moyenne projetée sur le plan de pixels– Nombre moyen de clusters attendus dans le gaz

• Comparaison avec les données de NIKHEF

– Simulation– Analyse

Accord satisfaisant

Conclusion• Fonctionnement MediPix2+Micromegas pour l’observation de MIP

est validé : prise de données très encourageante

• Prochains développements

– Remplacer les compteurs de chaque pixels par un compteur de temps (Time Digital Converter)

– Intégrer un dispositif MPGD

TimePix1

TimePixGrid

• Applications en TPC– Très bonne résolution spatiale

• Très bonne résolution en impulsion

• Séparation des traces en milieu de haute multiplicité

– Perte d’énergie est donnée par le nombre de clusters– Manque l’information sur la 3eme coordonnée