TPC - CEA-Irfu

R&D sur la TPC à lecture Micromegas
pour le futur collisionneur ILC
Vincent Lepeltier, LAL,
Université de Paris-XI et IN2P3, Orsay, France
plan de la présentation:
•
•
•
•
•
•
l’ILC: la physique, la machine, le détecteur.
la résolution spatiale d’une TPC: quelles limitations?
comment s’en affranchir ?
principe de la lecture avec feuille résistive.
résultats expérimentaux (cosmiques, faisceau)
perspectives et conclusions.
1
Vincent Lepeltier LAL Orsay journée détecteur, DAPNIA, 7 déc. 2005
le projet ILC : collisionneur linéaire e+e- hautes L et E
L ~ 3-4x1034 cm-2xs-1
pre-accelerator
few GeV
source
KeV
damping
ring
few GeV
> 1000xLEP (CERN)
RAPPEL: technologie FROIDE choisie en 2004
few GeV
bunch
compressor
E~0,5-1TeV
~5xLEP
250-500 GeV
main linac
extraction
& dump
final focus
IP
collimation
demi-longueur: 15km-20km
solenoid
calorimeters
TPC
vertex
detector
2
les trois (4) concepts de détecteurs
résultent des études menées antérieurement dans les 3 régions
SiD
S compact US
B=5T
tracker=silicium
LDC
L large européen
B=4T type CMS
TPC
ambiguités?
pas de dE/dx
GLD
ont en commun d’avoir la
calorimétrie DANS la bobine supra
XL Asie
B=3T
Tracker=TPC
3
quelle physique à l’ILC ?
l’ILC est destiné à effectuer des mesures de grande
précision, en particulier sur
• le boson de Higgs
• les particules supersymétriques
dans un domaine d’énergie de 500 GeV (CM) puis au-delà.
La physique se traduit par des jets de particules très
resserrés.
Le trajectomètre en particulier, doit permettre de
déterminer avec précision la quantité de mouvement des
particules chargées, et de bien séparer leurs trajectoires.
4
quelles contraintes sur la TPC du futur collisionneur?
le trajectomètre du détecteur de l’ILC doit répondre aux contraintes
suivantes:
- excellente séparation entre 2 traces (<3mm in r-Φ),
- résolution en quantité de mouvement 10x meilleure qu’au LEP,
- très faible remontée des ions,
- possibilité de fonctionner avec un gaz (presque) sans H
- un champ magnétiaue B élevé (~4T) pour éliminer un
important bruit de fond présent.
 une TPC à lecture Micromegas a été proposée en 1999
par le DAPNIA-LAL pour répondre à ces contraintes.
5
AVANTAGES DE MICROMEGAS POUR UNE TPC
MICROMEGAS = MICRO MEsh GASeous detector (*)
●une très fine grille métallique (3 à 5 μm, Ni ou Cu), au pas de 20 à 100 μm
disposée à une très petite distance du plan d’anode (50-100 μm)
● le très fort champ électrique appliqué (40-80kV/cm) crée par avalanche la
multiplication des électrons venant de l’espace de dérive.
avantages:
 pas d’effect ExB: excellent pour la séparation
entre 2 traces et la résolution spatiale
 gain élevé
 signal trés rapide sur le plan d’anode
 très faible remontée d’ions
dans l’espace de dérive
 bon marché, robuste et facile à monter
(*) I.Giomataris et al.
Nucl. Instr. Meth.A376(1996)29
Cu mesh CERN
6
R&D MICROMEGAS POUR LA TPC DE L’ILC 1999-2005
DAPNIA-SPP SEDI SACM
D.Burke, P.Colas, X.Coppolani, C. Coquelet, E. Delagnes, A. Giganon,
I. Giomataris, J.-P. Robert
+ nombreux laboratoires autour du DAPNIA:
LAL (V.Lepeltier) IPN LBL Ottawa Montréal MPI-Munich KEK Japon
• 1999-2003: phase de prospective,
avec des études très diverses au DAPNIA avec le LAL sur:
le mélange gazeux (vitesse de dérive, gain, attachement)
la remontée des ions, le comportement en champ magnétique, etc.
avec des petits détecteurs, et des sources d’électrons très variées:
source et canon X, β, laser.
• 2003-2005: études en cosmiques avec un prototype de TPC
DAPNIA+LAL-Orsay+LBL-Berkeley
• juin & octobre 2005: micromegas+ feuille résistive +B+ faisceau au KEK
DAPNIA+LAL+IPN+KEK+JAPAN+MUNICH+OTTAWA+MONTREAL
2 TPCs dans un aimant et sur un faisceau de pions.
7
importance du choix du gaz dans une TPC
le choix du mélange gazeux d’une TPC est un compromis très
difficile pour une TPC performante:
• ionisation importante: gaz dominant = gaz rare et lourd  en pratique argon
• dérive: les électrons doivent dériver sur plus de 2m
- sans perte notable (pas d’O2 ni H2O, pas d’attachement)
résolution
- en diffusant peu (diffusion)
spatiale
- assez rapidement (vitesse de dérive)
● multiplication
gain suffisant (quelques milliers)
présence d’un «quencher» (« mange » lesphotons de désexcitation)
● bruit de fond: mélange SANS H (présence de nombreux neutrons)
●
faible remontée des ions (distorsion du champ électrique de dérive)
● mécanique: gaz à pression atmosphérique (diffusion sur les parois)
 l’argon additionné de quelques % de CF4 est très prometteur!
8
schéma du plan de lecture de la TPC
micro-grille ~ -500V
cathode HT -50kV
anode
2mm
6mm
Ed~200V/cm
½ longueur ~ 250cm
vue transverse:
des damiers partout
150 à 200 rangées
total de ~ 1,5x106 voies
chacune reliée à une
électronique de lecture
(ADC, TPC)
damier de lecture
particule ionisante
objectif:résolution meilleure que 100μm
par rangée de damiers
9
lecture de la TPC
recherche du maximum X0 par
comparaison des 3 amplitudes
1
2
3
quelle limite sur la résolution spatiale?
x
σX = Dt x √ld /√ne
ne ≈ nombre effectif d’électrons
contribuant au signal ~20-30
Dt coefficient de diffusion transverse
ld distance de dérive
Dt est très réduit par le champ magnétique:
Dt(B) = Dt(B=0)/(1+ω2τ2)
ionisation
après diffusion et
multiplication
ωτ ≈(vd/E)xB
vd est la vitesse de dérive,
E le champ électrique
10
importance du choix du gaz dans une TPC
drift velocity vs electric field
exemple du mélange Ar-CF4
Dt ~ 40Oμm√cm
ne ~ 25
à B=0T, pour ld=100cm résolution σX= 800μm
à B=4T:
ωτ ≈(vd/E)xB = 20,
la diffusion est seulement de 2Oμm/√cm,
soit 200μm pour 100cm
la résolution est meilleure d’un facteur 2O:
σX= 40μm pour 100cm, 64μm pour 250cm
cependant la largeur des damiers (2mm)
est beaucoup trop petite!
transv. diff. vs electric field
B= 0T
11
remontée des ions dans Micromegas
S1/S2 ~ Eamp/Edrift
S1
mesh pitch l
dérive
multiplication
2 σ
S2
 les electrons diffusent, pas les ions!
transparence
totale de la grille
σ ≈ 10-15μm
ion backflow vs field ratio
mesh pitch 17μm
X-ray gun measurements
 seuls les ions créés dans le petit
entonnoir (rayon de 1-2 μm) remontent
dans l’espace de dérive.
backflow =
field ratio
 on peut monter que:
2-3 x 10-3
working point
la remontée des ions = rapport de champ
12
études de gain dans Micromegas
Micromegas gain vs mesh voltage
55Fe
55Fe
peak amplitude vs magnetic field
peak width (σ) vs magnetic field
no effect of the magnetic field
on the gain and the transparency
13
Results from a Micromegas TPC Cosmic Ray Test
Paul Colas
Berkeley-Orsay-Saclay Progress Report
présentation à la conférence
LCWS 2005,
18-22 mars, Stanford, USA
Berkeley
P. Colas5, I. Giomataris5, V. Lepeltier4, M. Ronan1, K. Sachs2, T. Zerguerras3
1) LBNL Berkeley, 2) Carleton Univ., 3) IPN Orsay, 4) LAL Orsay, 5) DAPNIA Saclay
Saclay
LAL-Orsay
diamètre 50 cm
longueur 50 cm
Cu mesh CERN
readout anode pad plane
1024 pads
ten rows
2x10 mm2pads
1x10 mm2pads
50 m pitch 50 m gap
14
prises de données cosmiques 2004
TPC construite en 2003
acquisition de données principalement
en avril-mai 04:
≈ 150 k traces cosmiques enregistrées
online event display
B= 0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 1, 1.5 & 2 Tesla
mélanges azeux: Ar + CF4 / CH4/ iso-C4H10
3% 10% 5%
time distribution of the pad amplitude at 20 kHz
software from D. Karlen, adapted by M. Ronan
15
résultats préliminaires sur la résolution
Argon-CH4
Argon-isoC4H10
σ0 data = 126+/- 41 μm
σ0 MC = 123+/-9 μm
σ0 data = 99+/-15 μm
σ0 MC = 91 +/-5 μm
16
résultats préliminaires sur la résolution
Argon-CF4
σ0 data = 225+/-26 μm
σ0 MC = 104+/-5 μm
investigation en cours
perte d’électrons?
mauvais quenching?
17
pourquoi une couche résistive?
simulation de la résolution transverse pour une TPC Micromegas (par Khalil
Boudjemline, Carleton, Ottawa), avec les caractéristiques suivantes:
damiers 2.3x6.3 mm2, Ar-iC4H10: 95-5%, B = 1T, E=200V/cm, gain moyen= 10000
la résolution transverse résulte de 3 contributions:
- un terme constant σ0 principalement du à l’électronique, au bruit, …
- un terme provenant de la largeur finie des damiers s (s/√12≈664μm)
- un terme de diffusion  √l (and  1/√Ne)
et si on extrapole à:
une TPC longue de 250cm avec
un mélange à faible diffusion ??
on sera très pénalisé par la
largeur des damiers sur une
longueur de dérive d’au moins
50 à 100 cm
664 m
CD=193μm/√cm
Neeff
=28
=28(fitted)
σ0
18
comment réduire (supprimer) la contribution
de la largeur des damiers?
1. diminuer d’un grand facteur (>5?) la largeur des damiers
 107 canaux irréaliste (perte de résolution avec l’angle Φ)
mais cela conduit à un nouveau concept très prometteur de TPC digitale :
minipads (1mm2), avec détection d’électron unique.
(voir présentation de Paul Colas)
2. faire diffuser les électrons APRES multiplication
(proposé par VL)
«impossible» avec Micromegas
difficile avec des GEM: pour des damiers de 2mm, il faut créer une diffusion
σdiff≈ 700-800μm, cela nécessite typiquement une défocalisation sur ~3cm à
un champ de 2-3 kV/cm.
3. disposer une feuille résistive sur le plan d’anode
proposé par Madhu Dixit (Carleton, Ottawa) vers 2000
19
idée:
un dépot uniforme de très grande résistivité (1 M/ Al-Si
Cermet) est collé sur le plan d’anode
dérive
grille
Al-Si Cermet
mylar 50μm
amplification
espaceurs
50 m
20
comment est réalisé le détecteur?
micro-grille
espaceur
espaceur
anode
feuille résistive
colle
anode
21
dispersion de charge avec une anode résistive
• Micromegas anode with a highly
50μm resistive film bonded to a
readout plane with an insulating
spacer.
• 2-dimensional continuous
RC network defined by material
properties(R) & geometry (C).
• point charge at r = 0 & t = 0
disperses with time.
• time dependent anode charge density
Q
sampled by readout pads.
drifting
electron
micromegas
3
2
1
(r)
the charge evolution in r and t is
the ”telegraph” equation,
equation governed by
the RC time constant parameter:
 1 2  1  

 2 

t RC r
r r 
 (r,t) 
RC
2t
e
r 2 RC
4t
(r,t) integral
over pads
mm
r / mm
ns
22
PRF (pad response function) Micromegas
Ar:CO2 (90:10)@0T
2x6 mm2 pads
la PRF permet de partager le signal
sur au moins trois damiers adjacents
La largeur de la distribution dépend
assez peu de la distance de dérive.
23
installation à KEK (juin et octobre 2005)
TPC in JACEE
magnet
4 GeV/c beam
JACEE supraconducting magnet
inner diameter : 850 mm
effective length:
1 m
4 GeV/c
Π
Pb
Sc
Č
Č
Sc
TPC1
magnet
TPC2
24
introduction de la TPC
dans l’aimant à KEK
Canada, France, Germany, Japan, Philippines collaboration
KEK, TUAT Tokyo Univ., Hiroshima Univ., Kogakuin Univ., Kinki Univ.,
Saga Univ., Tsukuba Univ., Japan
MSU, Philippines, Carleton Univ.of Ottawa,Univ. de Montréal, Canada,
MPI, Germany, DAPNIA-CEA, Saclay, IN2P3-LAL and IPN, Orsay, France
T. Araki, D. C. Arogancia, A.M. Bacala, A. Bellerive, K. Boudjemline, D. Burke,
P. Colas, M. Dixit, H. Fujishima, K. Fujii, A. Giganon, I.Giomataris, H. C. Gooc,
M. Habu, T. Higashi, Y. Kato, M. Kobayashi, K. Kodomatsu, H. Kuroiwa, V. Lepeltier,
J.Miyamato, J.-P. Martin, T. Matsuda, S. Matsushita, K. Nakamura, E. Neuheimer,
O. Nitoh, J. Pouthas, R. L. Reserva, E. Rollin, Ph. Rosier, K. Sachs, R. Settles,
25
Y. Shin, A. Sugiyama, T. Takahashi, Y. Tanaka, T. Watanabe, A. Yamaguchi,
T. Yamamoto, H. Yamaoka, Th. Zerguerras
tests sur faisceau à KEK: les 2 TPC
MPI+Saclay-Orsay TPC
Carleton Ottawa-Saclay TPC
- Micromegas mesh 10x10 cm2
- drift distance: 16 cm
- 126 2.3 x 6.3 mm2 pads in 7 rows
- ALEPH preamps + 25MHz Montréal FADC
- gas mixtures:
Ar-5%isoC4 H10 B=1T,80kevts@220&80V/cm
Ar-10%CO2
B =0T,80kevts
- evt rate ~3Hz (2.5 Gb/hr).
- beam π+/π-/e
- Micromegas mesh 10x10 cm2
- drift distance 26cm
- 512 2x6.3 mm2 pads in 16 rows
- ALEPH preamps + 11MHz FADC
- gas mixtures:
Ar-5%isoC4H10 B=1T,19kevts@220V/cm
“
B=1T,20kevts@80V/cm
“
B=1T,11kevts@Φ=10°
Ar-10%CO2
B=0T,14 kevts
- evt rate ~0.3Hz
26
+
- beam π /π /e
controle du détecteur
55Fe
source Ar+5%iso-C4H10
MPI TPC
Resolution microMegas w/ Resistive Foil
ArIso - KEK October 16th, 2005
Gain microMegas w/ Resistive Foil
ArIso - KEK October 16th, 2005
0,3
10000000
0,25
1000000
100000
Gain
Resolution
0,2
0,15
0,1
σ=7%
1000
0,05
0
240
0,0366x
y = 0,029e
R2 = 0,9989
10000
260
280
300
320
340
360
Vme sh (V)
resolution en énergie (σ) vs Vmesh
380
100
200
250
300
350
400
450
Vmesh (V)
gain vs mesh HV
27
event display
MPI TPC
event display
Carleton Ottawa TPC
l’étalement des charge par la feuille résistive est visible
sur plus de 4 damiers.
amplitude vs time distributions
28
event display
MPI TPC
funny event!
particle de faible quantité de mouvement
(r=3,5cm at 1T)
29
resultats: PRF
(fonction de réponse des pads)
Z =1 cm
Z =2 cm
Z = 4cm
Z =5 cm
Z = 6cm
Z = 8cm
Z =9 cm
Z =7 cm
width2 (mm2)
vs Z
Z = 3cm
FWHM≈2.6mm
FWHM≈2mm
Ar/iC4H10:95/05@1T
Carleton Ottawa TPC
30
results: resolution vs Z
Ar/iC4H10:95/05@1T
σ(mm)
Carleton Ottawa TPC
π+ beam E=80V/cm
MPI TPC π+ beam E=220V/cm
σ0 = 83 ± 22 µm
CD/√Neff = 57 ± 3 µm/√cm
VERY preliminary!!
analysis program not
optimised for PRF
31
premiers tests d’un prototype de TPC Micromegas
pour l’expérience T2K
With M. Zito, A. Delbart, E. Radicioni, F. Pierre, P. Colas and many others
Micromegas est une option pour la TPC du detecteur “proche” (280m) de
l’expérience neutrino entre Tokay and SuperKamiokande.
Un détecteur a été construit à Saclay avec une nouvelle technique (“bulk”)
permettant une plus grande robustesse et des zones mortes plus petites entre les
chassis.
(voir présentation de Stefan Aune)
2040 pads,
8mm x 8mm
32
premiers cosmiques events observés au CERN
dans l’aimant et la TPC de HARP, avec une
électronique de lecture ALTRO (ALICE)
On November 9th, 2005, gas=Ar+2%isobutane+3%CF4:
des dizaines de milliers de traces de cosmiques avec 48 rangées actives de
damiers ont été enregistrées.
33
quelques TPC Micromegas en operation
Collaboration Npads
Type and
pad pitch
Ldrift
Readout
Particles
electronic
Magnet
LBL-OrsaySaclay
Standard
50 cm
STAR
Cosmic
rays
Saclay
2T
16 cm
ALEPH
preamps,
Montreal
digitizers
Cosmic
rays and
KEK
beam
None and
JACEE
26 cm
ALEPH
KEK
beam
JACEE
1T
26 cm
ALEPH
KEK
beam
JACEE
1T
155
cm
ALICE
Cosmics
HARP
Medipix2
Cosmics,
Fe, Am…
None
1024
1 and 2 x10
mm
Asia Europe- 128
America
Carleton-TPC
Resistive
anode
Asia-Europe
MPI-TPC
Standard
384
2.3 x 6.3 mm
2.3 x 6.3 mm
Asia-Europe- 384
America
MPI-TPC
Resistive
anode
2.3 x 6.3 mm
T2K Europe
2048 Non-R
Bulk
Si TPC
6500
0
8 x 8 mm
0.055 x
0.055mm
1.5 cm
34
KABES (KAon Beam Spectrometer) Precise measurement of
incident track
Mini TPC for High Energy
in high intensity beam flux ( 20 MHz )
High Rate Track Detection
collaboration NA48
with low material budget
→
gaseous detector in TPC mode
with Micromegas amplification (NO sparks)
35
KABES principle: TPC + micromegas
6 cm
E drift
Tdrift2
225 el
4 cm
Micromegas
Gap 50 μm
Micromegas
Gain ≈1000
Operated @ Edrift=0.83kV/cm
Tdrift1
Tdrift1 + Tdrift2 = 750ns
E drift
48 strips with 0.8 mm pitch
Very low discharge probability
36
‹ 10
-9
conclusion
• une résolution spatiale transverse meilleure que 50μm a été
atteinte, bien mieux que l’objectif requis pour la TPC de l’ILC.
• l’utilisation d’une feuille résistive a permis de s’affranchir de la
limitation sur la résolution due à la largeur des damiers.
• avec une feuille résistive, et un gaz à faible diffusion, la PRF est ~
indépendante de la distance de dérive.
• il reste encore du travail d’analyse sur les données en cosmiques et
sur faisceau
• les tests avec Micromégas ont montré une grande fiabilité de ce
détecteur, c’est un bon candidat pour les TPC du futur.
• les développements (« bulk » et pixels) permettent d’envisager de
nouvelles applications.
• nouvelles mesures dans le futur?
- DESY ou CERN? avec l’aimant JACEE de KEK?
- nouvelles mesures en cosmiques à Saclay?
(avec la TPC Saclay-Orsay-Berkeley?)
• Micromegas est en concurrence pour la TPC de l’ILC avec les GEM
• un prototype international de TPC de grande dimension est en cours
37
de préparation
TPC milestones
2005
Continue testing small prototypes, start organization
for Large Prototype
2006-2009
Test Large Prototype, decide technology
2010
Final design of LC TPC
2014
Four years construction
2015
Commission/Install TPC in LC Detector
38