journée thématique ipn orsay - 08 octobre 2007 ph.rosier-ipno-rdd les calorimètres...
Post on 03-Apr-2015
108 Views
Preview:
TRANSCRIPT
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
Journée thématique IPN Orsay - 08 octobre 2007 Ph.Rosier-IPNO-RDD
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
Journée thématique IPN Orsay - 08 octobre 2007 Ph.Rosier-IPNO-RDD
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
Journée thématique IPN Orsay - 08 octobre 2007 Ph.Rosier-IPNO-RDD
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
Journée thématique IPN Orsay - 08 octobre 2007 Ph.Rosier-IPNO-RDD
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
Journée thématique IPN Orsay - 08 octobre 2007 Ph.Rosier-IPNO-RDD
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
Journée thématique IPN Orsay - 08 octobre 2007 Ph.Rosier-IPNO-RDD
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
Journée thématique IPN Orsay - 08 octobre 2007 Ph.Rosier-IPNO-RDD
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
Journée thématique IPN Orsay - 08 octobre 2007 Ph.Rosier-IPNO-RDD
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
Journée thématique IPN Orsay - 08 octobre 2007 Ph.Rosier-IPNO-RDD
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
Journée thématique IPN Orsay - 08 octobre 2007 Ph.Rosier-IPNO-RDD
Les calorimètres électromagnétiques des expériences DVCS et PANDA
2ème partie
Spectromètre PANDA on FAIR @ GSI
~2016
Journée thématique IPN Orsay - 08 octobre 2007 Ph.Rosier-IPNO-RDD
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
Journée thématique IPN Orsay - 08 octobre 2007 Ph.Rosier-IPNO-RDD
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
Journée thématique IPN Orsay - 08 octobre 2007 Ph.Rosier-IPNO-RDD
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°)
Journée thématique IPN Orsay - 08 octobre 2007 Ph.Rosier-IPNO-RDD
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
Journée thématique IPN Orsay - 08 octobre 2007 Ph.Rosier-IPNO-RDD
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
Journée thématique IPN Orsay - 08 octobre 2007 Ph.Rosier-IPNO-RDD
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
Journée thématique IPN Orsay - 08 octobre 2007 Ph.Rosier-IPNO-RDD
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)
Journée thématique IPN Orsay - 08 octobre 2007 Ph.Rosier-IPNO-RDD
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
Journée thématique IPN Orsay - 08 octobre 2007 Ph.Rosier-IPNO-RDD
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
Journée thématique IPN Orsay - 08 octobre 2007 Ph.Rosier-IPNO-RDD
Transparents supplémentaires
T. ZerguerrasSimulation avec Geant 4
4
Prototype DVCS
Test CEMPréampli+back PCB
top related