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Accueil du site > Activités scientifiques et techniques > Division Instrumentation et Informatique > R&D Détecteurs > Projets du service RDD > PANDA

 

PANDA

R&D thermo-mécanique sur le calorimètre en tungstate de plomb

 

Le projet PANDA

L’expérience PANDA

Le faisceau d’antiprotons à haute luminosité qui sera délivré par FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) à GSI (Darmstadt, , Allemagne) va ouvrir un large éventail de mesures pour la physique hadronique. Le détecteur PANDA (Antiprotons Annihilation at Darmstadt) est un détecteur à cible interne qui permet une spectroscopie à haute résolution de particules neutres et chargées sur une couverture proche de 4π. Il est composé de deux spectromètres : un autour de la cible entourant la région d’interaction et d’un autre avec un second aimant pour la couverture des angles les plus avants.
 
Définition du calorimètre électromagnétique

Le calorimètre PANDA

Le détecteur PANDA est composé d’un calorimètre électromagnétique constitué de 3 parties : Le “tonneau” (longueur 2.5 m, rayon 0.57 m, 11 520 cristaux), et des endcaps avant et arrière (816 et 6864 cristaux). Les cristaux sont en tungstate de plomb (PbWO4) taillés en forme de pyramides tronquées (face avant 21×21 mm2, longueur 200 mm, environ 1 kg par cristal). Chaque cristal est enveloppé par un film polymère multicouche réflecteur (ESR). Les photons sont détectés avec une large photodiode à avalanche (APD de 1 cm2 de Hamamatsu), collés sur la face arrière du cristal et connecté au préamplificateur de charge. Le service R&D Détecteurs (RDD) a pris en charge la R&D thermique et mécanique pour la conception du calorimètre et de son intégration. Les concepts préliminaires sont détaillés dans le technical proposal report et le détail de la conception est décrit dans le Technical Design Report auxquels nous avons participé à la rédaction en 2005 et 2008.
 
Etude mécanique des supports de cristaux faits d’alvéoles en fibre de carbone

Prototype d’un pack d’alvéoles (16 cristaux)

Le principe de support des cristaux est basé sur les expériences CMS et Babar. Les cristaux sont insérés par paquets de 4 dans des alvéoles de fibre de carbone de 180 µm d’épaisseur pour une distance totale entre cristaux de 600 µm. Les alvéoles trapézoïdales sont formés dans un moule en aluminium avec précision (tolérance 20 µm). Leur grande rigidité permet de les maintenir par l’arrière avec un insert en aluminium et ainsi éviter d’avoir de la matière en face avant des cristaux. La conception a été validée par des simulations mécaniques menées avec le logiciel SAMCEF et vérifiées par des prototypes. Les préamplificateurs électroniques sont intégrés dans les inserts vissés sur la plaque arrière refroidie.


Simulation de la déformation

 
Refroidissement thermique stabilisé

Simulation de flux thermique

Carte de température simulée d’un préamplificateur

Dans le but d’atteindre les performances requises pour PANDA, les cristaux de PbWO4 et les APDs doivent être refroidis à -25°C et stabilisé à une précision de +/-0.1°C. Ces contraintes mènent à une conception mécanique proche de celle d’un cryostat sur les points suivants :
- Prise en compte de la dilatation thermique.
- Recherche sur des écrans thermiques de faible épaisseur (écran sous vide).
- Optimisation de l’intégration de l’électronique et des sections de câbles.
- Fonctionnement sous gaz sec pour éviter toute condensation.

Durant la phase de R&D, un banc de test thermique a été développé pour valider les modèles analytiques et les modélisations fluido-dynamiques (faites avec le logiciel Flotherm). Le refroidissement est fait par des serpentins placés autour du dispositif. Ils sont alimentés en liquide de refroidissement par un cryostat de 500 W. Les températures sont mesurées à l’aide d’un système d’acquisition de données Agilent équipé de thermocouples et de sondes Pt100.

 
Construction d’un prototype de 60 cristaux

Un paquet de 4 cristaux enveloppés et équipés de leurs APDs


Vue arrière du prototype de 60 cristaux

Dans le but d’évaluer le fonctionnement du tonneau du calorimètre et de valider les principes développés durant la phase de R&D, une partie représentative du tonneau composé de 60 cristaux a été conçue en 2006 et réalisée en 2007.

Ce système a été fait en collaboration entre l’IPN Orsay pour la conception et la réalisation mécanique, l’intégration et le refroidissement, l’université de Giessen pour les APDs et les cristaux, l’université de Basel pour les préamplificateurs électroniques, et le laboratoire de KVI (Groningen, Pays-Bas) pour le système de calibration par fibre optique.

La conception faite sous CAO CATIA comporte tous les principes présentés précédemment. Les cristaux sont enveloppés dans une chaussette d’ESR réflecteur puis insérés dans les alvéoles de carbone. Ils reposent à l’horizontal sur une plaque aluminium pour permettre un accès plus facile par l’arrière du calorimètre en cas d’intervention sur les éléments de détection. Les préamplificateurs sont connectés aux APDs et reliés à l’extérieur par un circuit imprimé qui véhicule les signaux et les alimentations électriques. Les fibres optiques sont insérées à l’arrière à travers les inserts. Tous ces équipements sont entourés par des écrans thermiques refroidis par du liquide Syltherm à -25°C et ensuite par une boite isolante faite de 40 mm de mousse et de 5 mm de plastique pour faire l’étanchéité à l’azote (pour éviter l’humidité). Ce dispositif est connecté à de nombreux systèmes tels que le refroidisseur Julabo, une centrale haute tension easytech, et un système d’acquisition de données.

Ce prototype est tout d’abord testé à l’aide de rayons cosmiques à l’IPN d’Orsay puis devrait fonctionner sous faisceau à Mayence (Allemagne) durant l’année 2008.

 
Construction d’un prototype de 120 cristaux


CAO du Proto 120


Photo Proto 120

Dans le but de continuer l’évaluation des concepts techniques et électroniques, un prototype de 120 cristaux est cours de fabrication.

Nous utilisons les mêmes données techniques que pour le proto 60 concernant les cristaux, les APD.

De nouveaux circuits électroniques ont été développés par le groupe électronique du GSI et par le laboratoire de KVI (Groningen, Pays-Bas)

Ce prototype a tout d’abord testé à l’aide de rayons cosmiques à Giessen (Allemagne) durant l’année 2013.

 

Contact  :  B. Génolini

Publications et rapports :
Liens :
La collaboration PANDA : http://www-panda.gsi.de/

  


 

IPN

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

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