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MPGD

Détecteurs Micro-motifs

(Micro-Pattern Gaseous Detectors)

 
Les Détecteurs Micro-motifs (MPGD) : un outil prometteur pour trajectographie
 
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Fig 1 : Schéma d’un détecteur Micromegas

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Fig 2 : Schema d’un détecteur GEM

La reconstruction de trajectoires de particules dans les futures expériences en Physique des Particules requiert des détecteurs de grandes dimensions capables de supporter des taux de comptage élevés tout en possédant d’excellentes résolutions spatiales et temporelles . En Physique Nucléaire, les MPGDs s’avèrent une solution adaptée pour les détecteurs dits "Cible Active" où le gaz est à la fois cible et milieu de détection.

Les détecteurs à Micro-motif (MPGD), tel que le GEM (Gas Electron Multiplier, développé par F. Sauli), et le Micromegas (MicroMesh Gaseous detector, développé par I. Giomataris), apparaissent ainsi comme des outils très prometteurs.

 Ces détecteurs MPGD démontrent en effet de meilleures performances que les Chambres Proportionnelles Multi-fils (MWPC), notamment en termes de localisation, taux de comptage et granularité.

 
Caractérisation expérimentale de détecteurs MPGDs dans un champ magnétique
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Fig 3 : Enceinte de la TPC. La longueur de dérive est de 26cm

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Fig 4 : Détecteur Micromegas pour la TPC

Le service RDD a participé à des tests de prototypes de Chambre à projection Temporelle (TPC) en collaboration avec le LAL (Laboratoire de l’Accélérateur Linéaire, France ), le CEA-Dapnia Saclay (France), l’Université Carleton (Ottawa, Canada) et le laboratoire KEK (Tsukuba, Japon).

Cette activité se place dans le cadre de la R&D pour le futur collisionneur linéaire ILC (International Linear Collider).

La caractérisation expérimentale d’une TPC, équipée d’un détecteur Micromegas, ont été réalisées avec des rayons cosmiques, pour différents mélanges gazeux à base d’argon et plusieurs quenchers (Isobutane, Méthane, CF4, CO2 ...) et des champs magnétiques jusqu’à 2T, fournis par un aimant installé au CEA/Saclay.

Une TPC, équipée avec deux Micromegas, avec anode non-résistive et résistive, a été testée sous faisceau de pions en juin et octobre 2005 à l’accélérateur PS de KEK avec des champs magnétique jusqu’à 1.5T et différents mélanges gazeux à base d’argon.

 
Un banc de test avec laser pour étudier résolutions spatiale et en énergie
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Fig 5 : Banc laser et son optique

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Fig 6 : Un détecteur Micromegas prêt à être testé

Les méthodes habituelles pour caractériser expérimentalement des détecteurs MPGD souffrent d’un certain nombre de lacunes. Une source radioactive comme le 55Fe, la particule (un rayon X ici) interagit à des positions différentes dans le gaz sans référence en temps. Des particules chargées produites par un accélérateur ou issus du rayonnement cosmique, au minimum d’ionisation, ne produisent que quelques dizaines d’électrons primaires par centimètre dans le gaz, ce qui limite les mesures de résolution spatiale et de résolution en énergie à un intervalle réduit du nombre d’électrons primaires.

Un banc de test a été développé au service RDD de l’IPN Orsay pour obtenir une source ponctuelle d’électrons en focalisant un laser de longueur d’onde 337nm sur une couche mince en nickel-chrome déposée sur une lame en quartz. Le nombre d’électrons primaires peut être ajusté de un à plusieurs milliers en variant l’intensité lumineuse du faisceau laser et la focalisation.

Le dispositif expérimental est constitué :

  • d’un banc optique constitué de plusieurs lentilles pour focaliser le faisceau laser.
  • d’un détecteur MPGD, fixé sur trois moteurs micrométriques pour etre déplacé dans les trois directions de l’espace.
  • d’une électronique de lecture et d’un système d’acquisition de données. Les données sont ensuite analysées hors-ligne à l’aide du logiciel ROOT.
 
Premiers tests avec un détecteur Micromegas

Des mesures de la résolution spatiale et de la résolution en énergie ont été réalisées avec un détecteur Micromegas (zone de dérive de 3mm, zone d’amplification de 125µm, surface active de 44x44mm2). L’anode est segmentée en 128 pistes en or avec un pas de 338µm. Le mélange gazeux est Ne 90% Isobutane 10%. Grace à la source laser, le nombre d’électrons primaires générés varient entre 60 et 2000, le gain du détecteur est ajusté entre 103 et 2.104 . Le diamètre de la source est inférieur à 100µm. Une résolution spatiale de 5µm est obtenu pour 2000 électrons primaires. La variance en gain est estimé inférieur à 0.2. Voir l’ article par T. Zerguerras et al. pour plus de détails.

 
Le projet de détecteur cible active ACTAR
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Fig 7 : Un prototype ACTAR monté sur le banc laser modifié

Le service RDD de l’IPN Orsay participe à la R&D pour le projet de détecteur cible active ACTAR (ACtive TARget), en collaboration avec le GANIL et le CEA/IRFU. Ce détecteur utilise le gaz à la fois comme cible et milieu de détection pour des ions de faible énergie, produits par des réactions nucléaires induites par des faisceaux de type SPIRAL. Un premier prototype a été construit et monté sur le banc de test laser , modifié pour tenir compte des contraintes mécaniques. Le détecteur Micromegas comporte une zone de dérive de 1.6mm et une zone d’amplification de 160µm. Les tests sont réalisés avec un mélange gazeux Ne 95% Isobutane 5% à pression atmosphérique avec le laser de longueur d’onde 337nm pour mesurer la réponse en électron unique (SER) qui permet de quantifier les fluctuations en gain du détecteur, ainsi que le facteur de Fano, associé aux processus d’interaction du laser avec la couche mince métallique constituant l’électrode de dérive. Plus de détails sur la méthode expérimentale et les résultats peuvent etre trouvés dans la publication associée.

 
Participation à la collaboration RD51

Depuis mai 2010, le service RDD de l’IPN Orsay a rejoint la collaboration RD51qui rassemble 75 Universités et Laboratoires de Recherche à travers 25 pays. Le principal objectif de cette collaboration est de faire progresser les connaissances et le savoir-faire sur les technologies et applications relatives aux détecteurs MPGD, ainsi que sur leurs possibles applications dans le domaine de l’imagerie médicale ou l’industrie. Les principaux thèmes de recherche sont la caractérisation physique de ces détecteurs, le développement de logiciels de simulation et d’analyse de données dédiés, les études sous faisceaux de particules, la recherche de nouvelles techniques de production. Le service RDD est plus particulièrement impliqué dans les deux premières activités citées.

 
Contact : B. Génolini

Publications et rapports :

  • T. Zerguerras et al., Understanding avalanches in a Micromegas from single-electron response measurement, Nucl. Instr. and Meth. A 772(2015), 76-82, dx.doi.org/10.1016/j.nima.2014.11.014
  • Single electron response and energy resolution of a Micromegas detector , Nucl. Inst. Meth. A 608 (2009) 397-402, dx.doi.org/10.1016/j.nima.2009.07.015
  • T. Zerguerras, B. Genolini, J. Peyré, J. Pouthas, V. Lepeltier MPGD’s spatial and energy resolution studies with an adjustable point-like electron source , Nucl. Inst. Meth. A 581 (2007) 258-260, dx.doi.org/10.1016/j.nima.2007.07.100
  • M. Kobayashi et al. Performance of MPGD-based TPC prototypes for the linear collider experiment , Nucl. Inst. Meth. A 581 (2007) 265-270, dx.doi.org/10.1016/j.nima.2007.07.102
  • Liens :

     

    IPN

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

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