Détecteurs de traces à Pixels Hybrides

Pierre Delebecque, Didier Laporte, Eric Vigeolas
Un peu d’histoire
• Les détecteurs de traces
a pixels Hybrides ont vu le
jour pour la première fois
en 1994 dans l’expérience
Dephi du LEP au CERN
Détecteurs à pixel hybrides
•
Comme beaucoup de détecteurs le
principe de fonctionnement est
relativement simple:
Création d’un champ électrique
dans un milieu semi conducteur
• Ionisation de ce milieu par les
particules a détecter
• Collection des électrons créés pour
un traitement électronique
(analogique puis numérique)
•
•
Le pixel est dit hybride car chaque
segment de Silicium (pixel) est relié
a son électronique de lecture
individuellement par une microbille
métallique à hybride, l’électronique
de lecture et le détecteur sont deux
éléments distincts
Contraintes de ce type
de détecteur
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L’avantage de ce type de détecteur est qu’il résiste assez bien aux
radiations, mais celles-ci ne sont pas sans effets négatifs
L’un des effets et la perte de la zone de déplétion (zone permettant la
détection des particules) nous obligeant a augmenter progressivement
la tension aux bornes du détecteur
Un autre effet est l’augmentation du courant de fuite lors des irradiation
La combinaison de ces deux effets conduit a l’apparition d’une
puissance dissipée dans le silicium qui a tendance a augmenter avec
les irradiation
Pour combiner le tout l’une des propriétés du Silicium est que sont
courant de fuite double tous les 8°C
La combinaison de tous ces effets conduit a une boucle fermée de la
puissance dissipée qui si nous ne refroidissons pas suffisamment peut
conduire à une divergence thermique à ce que nous appelons le
thermal runaway
Ceci explique que la durée de vie d’un détecteur sera déterminée par le
taux d’irradiation et la tension max que l’on peut atteindre
La limite à ne pas atteindre
Détecteur
Rth
Ou TFOM
Liquide de refroidissement
Le projet IBL
• En 2006 le détecteur pixel (80 millions de pixels 2m^2 de
Silicium) a été mis en route dans l’expérience ATLAS du
LHC
• Le projet IBL consiste a ajouter une couche supplémentaire
de pixel dans le détecteur actuel pour palier à la défaillance
de la couche interne (B_layer la plus irradiée)
Projet IBL
Contraintes de conception
• Premier détecteur traversé
par les particules ils doivent
être le plus transparents
possibleà un minimum de
matière la plus légère
possible
• Pour une durée de vie
maximale la température doit
être la plus basse possible
• Pour garantir une bonne
précision dans la mesures
des trajectoires ces
structures doivent être
stables
Des choix techniques
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•
Outre des performances d’échange
performantes (changement de phase), le
refroidissement diphasique permet de réduire la
quantité de matière présente au cœur du
détecteur (60% liquide/40% gazeux)
Des matériaux a base de carbone sont
sélectionnés pour leur bon compromis
conductivité thermique * Module d’Young/
densité
Un choix de matériaux ayant des coefficients de
dilatation thermique les plus proches de celui du
Silicium
Quelques résultats
Des performances améliorée depuis le
détecteur Pixel
• Plusieurs choix ont conduits a l’ amélioration des
performances des structures IBL par rapport a Pixel:
• Utilisation du Co2 a la place du C3f8 (moins de liquides
nécessaire pour être plus froid, tubes plus petits (facteur 2))
• Utilisation de la mousse de carbone a la place du carbonecarbone
• Utilisation de composites fibres de carbones résines
cyanates plus fin et avec de meilleures caractéristiques
mécaniques et thermiques
Lineique weight g/ mm
X/ X0 (%)
Thermal perf. (°Ccm^2/ w)
Thermal Bow ( µm)
Pixel Staves
0.067
1.8
19.6
30
IBL Ti-Stave
0.037
0.7
10
?
Profit
55%
38%
51%
Principales difficultés
pour les simulations
• Deux paramètres sont
prépondérant dans la
prédiction des
performances
thermomécaniques:
• La connaissance des
caractéristiques
matériaux à Ce n’est
pas évident pour les
matières composites
ou les mousses
• La maitrise des
interfaces (assemblage
collés avec parfois
absorption des colles)