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DVCS

Conception et construction d’un calorimètre en tungstate de plomb


 
Un calorimètre électromagnétique pour l’expérience DVCS auprès du détecteur CLAS


Principe de l’expérience

La diffusion Compton profonde virtuelle (DVCS, pour Deep Virtual Compton Scattering) va être étudiée à Jefferson Lab (JLAB -Newport News, VA, USA) avec le faisceau d’électrons polarisé de 6 GeV de JLAB et le détecteur CLAS. Un des objectifs de l’expérience est la mesure de l’asymétrie en spin du faisceau lors de la réaction ep->ep γ. Cela requiert la détection de photons dans un calorimètre compact possédant une haute résolution en énergie et en position. La responsabilité du service R&D Détecteurs porte sur les aspects mécaniques comme la conception, la fabrication avec en outre l’intégration de l’électronique et de l’équipement optique
 
Définition du calorimètre : la physique et les choix techniques

Assemblage des cristaux

Simulation d’une gerbe γ dans un cristal

Le calorimètre sera composé de 424 barres fuselées de cristal de tungstate (13 × 16 × 160 mm). Il sera positionné dans le détecteur CLAS à 80 cm de la cible. La forme fuselée des cristaux permet une focalisation en aval du faisceau.
Différentes configurations ont été discutées et des simulations de physiques ont été faites au RDD avec GEANT 4. Elles ont contribué au choix de la structure de support en montrant l’influence des éléments mécaniques sur la résolution en énergie.

La lecture est faite par une photodiode à avalanche (Si APD S8664-55 de Hamamatsu), collée à l’arrière du cristal et connectée à un préamplificateur.
Chaque cristal est enveloppé avec un miroir en film en polymère multicouche (VM2000). Une fibre optique est placée à l’avant pour la calibration.

Un prototype (100 crystaux) a été construit en 2002 pour valider ces principes et a été testé sur faisceau en octobre 2003.

 

Etudes mécaniques : un support pour des cristaux fragiles

 

Outillage pour la production d’alvéoles

Pour le support des cristaux, différentes options ont été étudiées, en évitant surtout l’empilage direct. Une possibilité était de construire une matrice faite d’alveoles en fibre de carbone de 200 µm d’épaisseur. La seconde possibilité, finalement utilisé et validé par un prototype, était d’utiliser des cadres aluminium empilés les uns sur les autres. Chaque cadre était chargé d’une rangée de cristaux reposant sur deux feuilles d’acier inoxydable (120 µm d’épaisseur) tendues entre les deux cotés du cadre.

 

Une couche de cristaux de scintillateurs habillés

 
Refroidissement thermique stabilisé à 0.1°C

Tests thermiques

Dans le but de garder les mêmes performances au cours du temps, les cristaux de PbWO4 et les APDs doivent fonctionner à une température stabilisée à une précision de 0,1°C. La puissance thermique à évacuer est de 120 W. Le calorimètre est équipé d’écrans thermiques en cuivre refroidis par des serpentins dans lesquels circule de l’eau refroidie à 17,6 °C. L’isolation est faite de mousse polystyrène de 12 mm d épaisseur recouvert de feuilles de mylar aluminisé. Un refroidisseur alimente le circuit de refroidissement à un débit de 2 litres/min. La mesure des températures est lue grâce à 20 sondes platines Pt100 enregistrées sur un système d’acquisition de données National Instruments. La stabilisation thermique mesurée a montré une variation de seulement 0,05 °C pour 0,5 °C de variation extérieure.

 
Assemblage au Jefferson Laboratory


Assemblage sur site

L’assemblage du calorimètre aux USA a été exécuté en collaboration avec les équipes russes et américaines et a duré un mois. Les cristaux sont d’abord installés sur leurs cadres support. Durant l’empilage des cadres, chaque rangée de préamplis est testée. Le calorimètre est alors installé en face de l’aimant solénoïde et connecté au détecteur CLAS. Sa position est alignée et mesurée très précisément par le service de métrologie à l’aide d’un faisceau laser.

 
Expérience sur le faisceau de CEBAF

 


 

Le premier prototype a été testé avec succès sur le faisceau de CEBAF en 2003. L’expérience quant à elle, a démarré en mars 2005 et a duré 2 mois. Bien qu’il n’y ait pas de mesure de résolution avec une seule particule, une estimation peut être faite à partir de la masse invariante de 2 photons provenant de l’annihilation d’un pion. A 1 GeV, la résolution est légèrement meilleure que 5%.

 

Contact  : B. Génolini

 
Publications et rapports :
 
  • P. Rosier Mechanical finite element analysis of the Preshower Calorimeter of the 12 GeV CLASupgradeNote RDD 2007-01, Detector Department of IPN (2007)
  • P. Rosier Thermal Design for the CLAS-DVCS Calorimeter Note RDD 2004-02, Detector Department of IPN (2004)
  • T. Zerguerras Simulation of the DVCS calorimeter with the GEANT4 toolkit CLAS-NOTE 2003-015, JLAB (2003)
  • Liens :

    HALL B à Jefferson Lab
    Physique hadronique à l’IPN d’Orsay


     

    IPN

    Institut de Physique Nucléaire Orsay - 15 rue Georges CLEMENCEAU - 91406 ORSAY (FRANCE)
    UMR 8608 - CNRS/IN2P3

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