Étude dune tpc à lecture micromegas pour le futur collisionneur linéaire p. colas, y. giomataris,...
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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
TPC à lecture MicromegasCaractéristiques du couplage TPC/Micromegas
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
TPC à lecture MicromegasCaractéristiques du couplage TPC/Micromegas
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)
TPC à lecture MicromegasCaractéristiques du couplage TPC/Micromegas
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 …
TPC à lecture MicromegasCaractéristiques du couplage TPC/Micromegas
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)
Propriétés des mélanges gazeuxPropriétés de dérive
Vitesse de dérive
Maximum de vitesse élevé à bas champ
Ar + 2 ou 3% CF4
Propriétés des mélanges gazeuxPropriétés de dérive
Diffusion transverse (sans B)
400 m à 1 m
Propriétés des mélanges gazeuxPropriétés de dérive
Diffusion transverse (avec B)
Diffusion transverse divisée par 17 à 0.2 kV/cm
25 m à 1 m à 0.2 kV/cm
Propriétés des mélanges gazeuxPropriétés de dérive
Diffusion longitudinale
Vd = 7.5 cm/s durée du pulse = 33 ns
2.5 mm à 1 m
Propriétés des mélanges gazeuxPropriétés de dérive
Attachement
Attachement nul à 0.2 kV/cm
Propriétés des mélanges gazeuxPropriétés de dérive
Influence de H2O
Effet sur la vitesse de dérive
H2O rabaisse le plateau de vitesse et le décale à haut champ
Propriétés des mélanges gazeuxPropriétés de dérive
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
Propriétés des mélanges gazeuxPropriétés d’amplification
Influence du gaz porteur
Propriétés des mélanges gazeuxPropriétés d’amplification
Influence du quencher
Propriétés des mélanges gazeuxPropriétés d’amplification
Étude du porteur Argon
Propriétés des mélanges gazeuxPropriétés d’amplification
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
Le retour des ionsÉtude théorique
Hypothèses sur la création des ions
Struture périodique de la grille (période l)
l2*
Avalanche Diffusion
Diffusion de type gaussienne
Le retour des ionsÉtude théorique
Calculs Somme de toutes les contributions des gaussiennes
2D 3D
Le retour des ionsÉtude théorique
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
Le retour des ionsÉtude théorique
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)
Le retour des ionsÉtude expérimentale
Mesure en présence de champ magnétique
Le retour des ionsÉtude expérimentale
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