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Journée thématique IPN Orsay - 08 octobre 2007 Ph.Rosier-IPNO-RDD

Les calorimètres électromagnétiques des expériences DVCS et PANDA

1ère partie

Calorimètre électromagnétique

CLAS-DVCS @ Jefferson Lab 2002-2005

Collaboration ITEP/JLAB/ORSAY/SACLAY


1- Le détecteur CLAS et son calorimètre interne

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

sans calorimètre


2- Le calorimètre électromagnétique

Calorimètrevue depuis

la cible

424 cristaux de tungstate de

plomb (PbWO4)

160mm160mm13.33mm13.33mm 16mm16mm

Résolution angulaire ~1.4°/cristalLongueur ~17 Xo

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

Géométrie tronco-pyramidale pour focalisation

à 10 cm de la cible (éviter zone morte entre cristaux)

cible


3- Intégration des composants

Cristal de PbWO4 enveloppé de VM2000

Interaction / absorption Particules / matière

Carte de connexion et écran thermique

Carte mère

Préamplificateur

Rails support de préamplificateur

Câble plat

Connecteur

Electronique interneAvalanche Photo Diode

Fils de l’APD

Détection de lumière

Connecteur de fibre optique

Calibration par injection de lumière

Cadre aluminium Lame d’acier

Support de cristaux


Cristaux « PWO » de tungstate de plomb (PbWO4)produit par BTCP

(Bogoroditsk Technical Chemical Plant, Russie) suivant spécifications CMS-ECAL

4- Ensemble cristal / APD / réflecteur

Photodiode par avalanche5x5mm²

Hamamatsu - S8664développé pour CMS-

ECAL

Les cristaux sont enveloppés de VM2000 (ESR-3M)

Polymère multicouche à 99% de réflexion65 µm épaisseur


5- Le support des cristaux

Distances entre cristaux

300 µm vertical

130 µm horizontal22 cadres supports

(cristaux non montés)

22 cristaux sur le plus grand cadre

Positionnement précisPas 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


6- Electronique

Taux comptage MHz => rapiditéPréamplificateur 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


7- Laser pour la calibration

Laser pulsélumière verte (532 nm)

480 fibres sélectionnées pour uniformité lumière

(±2%)

Technologie développée pour CMS-ECAL

Calibration des voies, Réglage APD (T°,rad…)

Vérif. linéarité du signal

APD

CALORIMETRE

Fibres optiques connectés en face avant

Boitier front-end

Boitediffusante


Entre cristaux et préamplis

Ecrans thermiques

simulation

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

Cristauxstabilisésà 17.6°C

Ecrans thermiques

Isolation 12 mm

polystyrène

Dissipation préamplificateurs

53 W (125 mW unit.)

Echange avec extérieur

34 W

Refroidisseur à circulation

d’eau

Sondes (Pt100) etacquisition de température

87 W transfert

total


Montage à JLab

Empilement des cadres avec cristaux

Branchement des APDs et tests électroniques

à chaque rangée

Assemblage du calorimètre

à l’aimant

9- Montage DVCS IC @ Jefferson Lab

Faisceau en mars 2005 après 3 ans d’études techniques …

Passage de câbles dans les bras supports


Les calorimètres électromagnétiques des expériences DVCS et PANDA

2ème partie

Spectromètre PANDA on FAIR @ GSI

~2016


Actuel GSI HESR

Central

Forwar

dCentral (Target Spectrometer)

2 Tesla Solenoid Magnet

FAIR : Future Facility at GSI Darmstadt, Germany

HESR : antiproton storage ring 1-15 GeV/c

PANDA : 4π internal target detector

1- Le détecteur PANDA@FAIR

Micro vertex Straw tubes (or TPC)

DIRC-like CerenkovElectromagnetic

Calorimeter

1.9

4 m


2- Le calorimètre électromagnétique

PWO, tungstate de plomb (PbWO4),

EnergieDe 10 MeV à 10 GeV

Champ magnétique 2T

Refroidi (-25°C)

ScintillateurFaible longueur de

radiationFaible rayon de Molière

Photodiode APD

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

GéométrieCompacte, 4π

Tonneau 11520 cristaux Bouchon avant6864

cristaux

Bouchon arrière 816

cristaux

~20000 cristaux

Faisceau

Principe proche du calorimètre de CMS (et DVCS) … à part que l’on doit refroidir à -25°C


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

Et une meilleure tenue au radiation

(temps de résurgence à -

25°C)

+80% à T° ambiante

Plus de lumière que le PWO

0 200 400 600 800 10000

20

40

60

80

100

LY

/ p

.e./M

eV

integration gate / ns

-25oC

-10oC

-0oC+10oC+25oC

Mais encore plus quand on refroidi !!

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

bias voltage / V

amp

lifi

cati

on g

ain

-25oC-25oC -10oC

0oC

+10oC+20oC

Gain=f(V,T°)


4- Définition du tonneau

Longueur 2.5 mRayon 0.57 m

Une tranche du tonneau (1/16)

720 cristaux

Cristaux PWO-II Face d’entrée 21x21mm²

200 mm longForme pyramidale

Réflecteur ESR (VM2000)

Alvéoles en fibre de carbone200 µm d’épaisseur

collées sur des inserts aluminium

Cristaux à -25°C

Préamplificateurde charge

4 voies

Cartes électroniques

Poutre support

Ecrans thermiques

à -25°C

Isolant mince en face avant

Isolant


5- R&D composites

Moulage d’alvéoles en fibres de carbone

Alvéoles

Insert aluminiumCristaux

Alvéoles en fibre de carbone Transparence aux particules entre cristauxRapport (épaisseur / rigidité / formage) intéressant

Simulation => ~10 % différence

Test chargement 4 alvéoles

(16 cristaux de 1 Kg)

0.19 mm déformatio

n


6- R&D thermique

Refroidissement à -25°stabilisé à ±0,1°C

Dilatation matériauAtmosphère sec (risque de glace)

Electronique peu dissipatrice (50 mW)Ecran thermique frontal faible épaisseur et transparent (particules)

Conception mécanique sans pont thermique

QuadPreamp

50 mW /ch

APDs

Ecran à -25°C

4cristaux

4cristaux

Cri

stal

R1

T2

T1

Face froide

AP

DR2

R3

Cab

le

T4

T3

APD connection preampli : Δ+4°C

Face avant température:

Δ+0°C

Définition analytique

de la température

de l’APD

+20°C

-25°C

Analyse par simulation

thermique

Zoom temperature preamp

Panneau sous vide isolanten face avant

Carbone à -25°C

Aluminium à 20°C

Rohacell

Super-isolant

R&Disolants


Les cristaux dans leur boite et tenus

sur la poutre support

7- CAO d’un module d’une tranche

Conception d’une liaison réduisant les

ponts thermiques

Alveoles en fibre de carbone

Préamplificateur« quad »

Fibres de lumièrepour la calibration

Prototype 60 cristaux

Réponse du calorimètreIntégration (mécanique,

APD, préampli, refroidissement)


8- Prototypes 25 et 60 cristaux

« Matrice 25 » 25 cristaux droits

(22x22mm2, 200mm)

Test sous faisceau à Mainz en 2006 et 2007Montage avec PMT

(réponse des cristaux)

Puis avec APD+Préampli

« Prototype 60 cristaux type 6 »

September 2007 Werner Erni, Physics Uni Basel 4

Quad-Pramp SP883b1

46mm

Low noise/low power charge preamplifier

Cristaux par 4

Préampli


9- Premiers tests en rayons cosmiques du proto 60

2009-2010: Réalisation d’une tranche entière

RefroidisseurBanc d’acquisition

Alimentationhaute-tension

Test sous faisceau en 2008

Injection d’azote

Mesure d’un rayon cosmiqueSignal 636 mV à -24.4°C @391V


Transparents supplémentaires

T. ZerguerrasSimulation avec Geant 4

4

Prototype DVCS

Test CEMPréampli+back PCB

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