Presentation2 - TEL (Thèses-en
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Laboratoire d’accueil Université Financement Etude et optimisation de la voie ionisation dans l’expérience EDELWEISS Benjamin Censier Responsable de thèse: Alexandre Broniatowski IPN Orsay, 15 Février 2006 Matière noire ? • ML: Masse estimée via relations masse/luminosité – Étoiles dans le visible, amas de galaxies dans les X.. • MC: Masse estimée via la cinématique observée – Vitesse de rotation des galaxies, Théorème du viriel appliqué aux amas.. MC>ML • + Fond diffus cosmologique – 5% matière «lumineuse» – 25% matière «noire» – 70% énergie «noire» (Supernovae Ia) • + Nucléosynthèse primordiale – La matière noire est essentiellement non-baryonique F. Zwicky • Hypothèse WIMPs: Weakly Interactive Massive Particles Halo galactique • Courbe de rotation des galaxies – Plate jusqu’aux limites observationnelles – Force centrifuge trop grande – Effet systématique • Modèle de halo – Halo de WIMPs – Supposé sphérique, gaz parfait isotherme 1/r², M(<r) r, v(r)=cte sauf près du centre Halo distribution Maxwellienne • locale=0.3-0.5 GeV/cm3 • vRMS = 230 50 km/s • Vesc 650km/s Vous êtes ici 50kpc 500kpc Méthodes de détection directe Ge IGEX(US/Russ) HDMS(All/Russ) WIMP EDELWEISS (Fr/All) CDMS (US) Ionisation ≈ 20 % Liquid Xe ZEPLIN (GB) XENON (US) XMASS (Jap) Ge, Si ≈ quelques % absorbeur ≈ 100% Chaleur Al2O3,LiF Luminescence NaI, Xe CaWO4, BGO DAMA (Italie) CRESST(Ger) Rosebud(Esp/Fr) Contraintes de la détection directe • Diffusion élastique des WIMPs sur des noyaux cibles – Energie déposée: de l’ordre de 10 keV • Evènements rares (<0.1 /kg/jour) – – – – Laboratoire souterrain + Blindage Maîtriser le fond Basse radioactivité Masse exposée Mesure stable sur temps longs (>année) • Signature expérimentale – Modulation annuelle, journalière – Comparaison entre absorbeurs – Discrimination du fond événement par évènement Détecteurs EDELWEISS Voie ionisation « Centre » Ge electrons monocristallin Détecteurs 320g Ge ultra-pur Voie ionisation « garde » E Voie chaleur trous Thermomètre NTD • Ionisation: quelques milliers de charges collectées en quelques centaines de nanosecondes • électrodes Al + sous couche amorphe • Chaleur: quelques µK en quelques ms • Neutron Transmutation Doped thermistor (NTD) Discrimination événement par évènement Calibration: neutrons+gammas Calibration: gammas seuls Gammas, electrons Reculs électroniques 73Ge(n,n’,) Seuil ionisation Neutrons, WIMPs Reculs nucléaires • Rapport ionisation/chaleur différent pour reculs nucléaires et électroniques • Rejet de plus de 99.9% des reculs électroniques pour Erecul>15keV Où en est-on ? Fin première génération (-n >10-6pb ): • 0.1 évènements/kg/jour pour détecteurs cryogéniques • Début d’exploration des modèles supersymétriques Début deuxième génération (-n >10-8pb ): • But: amélioration d’un facteur 100 • Cœur de l’espace des paramètres CDMS, CRESST EDELWEISS-I present (~0.1 event/kg/day) CDMS-II, CRESST-II, EDELWEISS-II, XENON, XMASS sensitivity goals (~a few events/ton/day) 1 Ton sensitivity goal (optimistic) (~a few events/ton/year) >10-10pb Troisième génération (-n • 1 tonne de détecteur • Quelques évènements/t/an ! ): L. Rozkowski et al., hep-ph/0208069 Les leçons d’EDELWEISS-I EDELWEISS-I: 2 limitations principales: EDELWEISS-II: 2 améliorations principales: Fond neutrons (1 coïncidence n-n sur 62 kg.jour) Amélioration blindage + veto muons Evènements proches des électrodes mal collectés Identification des évènements proches des électrodes Les leçons d’EDELWEISS-I Données EDELWEISS-I, run de fond Évènements mal collectés proches des électrodes • Méthode passive: sous-couches amorphes (Ge ou Si hydrogéné) Run de fond Calibration gamma avec et sans coïncidences • Méthode active: localisation des évènements dans le détecteur identifier ces évènements améliorer notre compréhension de la collecte de charges « Final results of EDELWEISS-I » Sanglard et al. (2005) Identification des évènements proches des électrodes Tirer le maximum d’informations de chaque évènement •Voie chaleur: •R&D Voie ionisation: – Mesures résolues en temps des signaux ionisation – Simulation du transport et des signaux associés charge(A.U) Induced (mV) Signal – Mesure des phonons athermiques (Couches minces NbSi) Broniatowski et al., 2001 10 event 122keV 8 Experimental signal 6 Holes collected Best fit by simulation 4 2 Electrons collected 0 - 800 - 400 Time (ns) 0 400 Time (ns) •Travail de thèse: Utilisation conjointe des expériences et des simulations pour étudier la physique de la mesure d’ionisation 800 Physique de la mesure d’ionisation Spécificités: – Très basses températures (20mK) – Faibles champs de collecte (V/cm) 1ère conséquence: Régime non-ohmique Porteurs «chauds» hors équilibre thermique (Te>Tabsorbeur) Vitesse proportionnelle au champ électrique Mesure des lois de vitesse électrons à 8K (Jacoboni et al., 1981) Physique de la mesure d’ionisation Faible densité de pièges (1010/cm3, sauf surfaces...) Mais faible champ de collecte Et réémission négligeable Constitution progressive d’une charge d’espace Contre-champ induit suffisant pour perturber le champ appliqué (105 charges/cm31 V/cm) e-piégé Bande de valence 0.01eV e-réémis 0.7eV 2ème conséquence: Accumulation charge piégée Bande de e conduction (kT10-6eV) Régénération, dégradation 2 questions liées: • Quelle est l’efficacité de la méthode de neutralisation des pièges ? étude de la régénération du détecteur • Quelle est l’influence du piégeage sur la qualité de la collecte ? étude de la dégradation du détecteur 3 expériences: • Distribution de charge et dégradation due au piégeage en surface • Caractérisation du piégeage en volume dans l’état régénéré • Distribution de charge et dégradation due au piégeage en volume 2 outils: • Utilisation croisée des simulations et des mesures résolues en temps – Amplitude des signaux ionisation: géométrie des lignes de champs – Temps de montée des signaux: valeur moyenne du champ électrique Simulation du transport & Synthèse des signaux ionisation • Calcul du champ électrique – Géométrie du détecteur + tension appliquée – Charge d’espace – Interaction coulombienne entre porteurs + Lois de vitesse – Mesures à 8K (Jacoboni et al., 1981) électrons trous Simulation 122 keV 50 paquets de charge Trajectoires des porteurs Voie centre • Théorème de Ramo Signaux induits sur les électrodes Voie garde Dispositifs expérimentaux • Cryogénie: cryostat à dilution 3He/4He, T20mK • Électronique: amplificateur de charge bas bruit – Temps de montée 10%-90% de l’ordre de 100 ns • Détecteurs: À Orsay Au laboratoire souterrain de Modane I - Dégradation due au piégeage en surface Piégeage en surface • Surfaces libres: densité de pièges > 1011/cm2 • Mise à profit des détecteurs tests (grandes surfaces libres) • Méthode de création/caractérisation de charge surfacique dégradation contrôlée du détecteur Tension centre signal centre Tension garde 57Co signal garde • 3 étapes: – Irradiation gamma 22Na + acheminement des porteurs aux surfaces – Collecte des gammas 57Co sous l’effet de la charge piégée – Modélisation/simulation 1cm Tension référence Boîtier Cu doré Polarisation du détecteur Toutes les électrodes à la même tension + boîtier à la masse toutes les lignes de champs passent par une surface libre -6V Boîtier Cu -6V Etape I – Dégradation Porteurs amenés aux surfaces libres Irradiation gamma par source 22Na génération de porteurs, conduits aux surfaces (trous ou électrons suivant le signe de la tension) -6V ~500 keV 22Na -6V Suivi de la dégradation Etat stationnaire dégradé Amplitude centre (V) vs. Temps (s) Le rendement de collecte diminue Temps de montée garde (ns) vs. Temps (s) La collecte se ralentit Dans l’état dégradé stationnaire, champ électrique faible Le contre-champ induit par la charge piégée s’oppose au champ appliqué Etape II - Sondage de l’état dégradé Électrodes à la masse, source 22Na éloignée seul subsiste le champ induit par la charge surfacique 57Co 122 keV Charge surfacique négative Scatter-plot amplitude centre vs. amplitude garde Run 57Co Surfaces chargées négativement Toutes les électrodes à la masse Run 57Co Détecteur régénéré Toutes les électrodes à V<0 Etape III - Modélisation État dégradé stationnaire Charge surfacique négative Détecteur équipotentiel -6V Eint=0 -6V Métallisation des surfaces Portées à –6V Détecteur équipotentiel Charge surfacique négative Eext -6V Eint=0 Eext Distribution de charge calculée Distribution de charge surfacique annulant le champ appliqué lorsque toutes les électrodes sont à –6V Charge surfacique (107e-/cm²) Scatter-plot simulé • Scatter-plot experimental : détecteur dégradé sous –6V électrodes à la masse • Scatter-plot simulé: électrodes à la masse + charge surfacique calculée + diffusion compton Identification des populations Division des charges centre/garde e- collectés par l’électrode e- collectés par garde l’électrode centre Division des charges réf/centre e- collectés par l’électrode référence En résumé • Méthodologie: – Validation de la méthode de création/sondage de charge d’espace • Résultats: – Mise en évidence piégeage en surface – Influence d’une charge surfacique sur la collecte II - Etude du piégeage en volume dans l’état régénéré Principe de l’étude • • Détecteurs EDELWEISS Mesure des longueurs de piégeage : 1 i N i i Ni: densité de pièges de type i i: section efficace de piégeage Tension de collecte 57Co position A h: trous e: électrons 57Co position B 1) Déterminées par mesure du rendement de collecte - Position en énergie de la raie 122keV (amplitudes des signaux) 2) Déterminées par étude de la corrélation rendement de collecte/ position dans le détecteur - Corrélation amplitude/ temps de montée des signaux 122 keV Spectre ionisation en fonction de la tension de collecte Raie 122 keV Raie 136 keV • Rendement de collecte diminue à basse tension • Dégradation de la résolution à basse tension Rendement de collecte en fonction de la tension de collecte Mesures de rendement de collecte, calibrées par rapport à +4V V>0 V<0 57Co 57Co e- Tension de collecte négative: les électrons parcourent l’essentiel du détecteur h+ Tension de collecte positive: les trous parcourent l’essentiel du détecteur Rendement de collecte et longueurs de piégeage Modèle 1D: Rendement d (1 e d e ) (d=2 cm) h • Asymétrie par rapport au signe de la tension et aux 2 positions de sources piégeage plus efficace des électrons Corrélation rendement de collecte/temps de montée -1V 57Co +1V position A e- h+ Raie 122keV +1V Raie 122keV –1V Raie 136 keV Contribue à la dégradation de la résolution en énergie à basse tension Modélisation 1D: rendement de collecte vs. position z R(z) V z eh+ e d (1 e d z e ) h d (1 e z h ) Modélisation 1D: temps de collecte vs. position z (T=20mK, E=0.5 V/cm) Modélisation 1D: temps de collecte vs. rendement Rendement vs. z Temps de collecte vs. z Comparaison qualitative aux expériences +1V, position A -1V, position A Modèle 1D e=21cm, h=71cm (valeurs déterminées par mesure du rendement de collecte) Détermination de • Ajustement du modèle 1D rendement=f(z) aux données expérimentales Détermination de e et h • Utilisation des données de localisation par la voie ionisation - Disponibles pour une tension de collecte de 1V Détermination de Compatible avec mesures de rendement de collecte: e=214 cm h=71 50 cm Résumé des mesures Tension de collecte 4V 1V 0.5V 0.3V 0.25 V/cm 0.15 V/cm 110 cm 21 cm 10 cm 18 cm 6 cm 71 cm 29 cm 109 cm Champ de 0.5 2 V/cm collecte V/cm e h Mesuré par rendement de collecte Mesuré par ajustement sur la corrélation rendement de collecte/position Nature des pièges ? • Peu de données sur le contenu en impuretés: – Dopage net: |Na-Nd|qques109/cm3 Na, Nd de l’ordre de 1010/cm3 e- Bande de conduction Niveaux donneurs, densité Nd • Données de la littérature: – Peu de données sections efficaces à très basse température – Données disponibles: porteurs thermalisés Niveaux accepteurs, densité Na Bande de valence h+ Sections efficaces de piégeage sur impuretés ionisées Section efficace de piégeage des trous sur accepteurs ionisés - 1/T3 (Abakumov, 1991) Sections efficaces de piégeage sur impuretés neutres 1/T2 neutre<< ionisé (3 à 4 ordres de grandeurs) Trous sur donneurs neutres Électrons sur accepteurs neutres (Abakumov, 1991) Nature des pièges • de 10 cm à 100cm, =1/(N): – Avec N=1010/cm3, de 10-11 à 10-12 cm² 1 mv² – ionisé(T) T 3 à 10 K, cohérent avec 2 5 à 25K k • Si piégeage sur impuretés neutres: – neutre 10-15cm2 N 1013 à 1014/cm3 Proportion significative des impuretés dopantes ionisée Etat de charge du détecteur Bande de conduction Bande de conduction + + + + + + + + + + + + + + + + + donneur ionisé + donneur neutre - accepteur ionisé - accepteur neutre - - - - - - Bande de valence Après mise en froid - - - - - - Bande de valence Après régénération incomplète Etat de charge du détecteur + +- + + + + + - + - - + + • Neutralité électrique globale + + • Champ électrique local - + - + En résumé • Méthodologie – Exploitation des mesures résolues en temps • Résultats: – Asymétrie trous/électrons – Longueurs de piégeage impuretés dopantes chargées III – Dégradation due au piégeage en volume Dégradation due au piégeage en volume • Détecteur EDELWEISS • Quelle type de distribution de charge due au piégeage en volume sous irradiation uniforme ? • Utilisation de la méthode de caractérisation de la charge d’espace: 1) Dégradation contrôlée par 60Co jusqu’à l’observation d’un état stationnaire (effets marqués de la charge piégée + reproductibilité) 2) Sondage de la distribution de charge piégée avec 57Co et sans tension appliquée I – Dégradation contrôlée • Source 60Co en dehors du cryostat – 2.2105 paires électron-trou /cm3/s (40MeV/s dans le détecteur) – Irradiation sous tension appliquée 1V • Suivi amplitude et temps de montée en cours de dégradation 60Co (dégradation) 1V 57Co (sonde) I – Dégradation contrôlée 1V 60Co Suivi des temps de montée en cours de dégradation (104 s) I – Dégradation contrôlée Suivi de l’évolution du rendement de collecte Calibrations intermittentes avec 57Co II – Caractérisation de l’état dégradé: temps de montée • Toutes les électrodes à la masse, source 57Co • Distribution des temps de montée Contre-champ de l’ordre du champ appliqué 57Co II – Caractérisation de l’état dégradé: Scatter-plot centre vs. garde • Contre-champ opposé au champ appliqué lors de la dégradation Scatter-plot sans tension appliquée, après dégradation sous +1V Scatter-plot avec tension –1V, détecteur régénéré Raie 122 keV, évènements centre pur II – Caractérisation de l’état dégradé: Scatter-plot centre vs. garde • Rendement de collecte important (80%) – Les charges parcourent l’essentiel de l’épaisseur du détecteur – Pas de dépendance à la position de source Rendement de collecte limité par la géométrie du champ électrique Scatter-plot sans tension appliquée, après dégradation sous +1V Histogramme amplitudes des évènements centre pur Rendement de collecte80% Distribution de charge piégée (1D) 100% 80% • Flux de porteurs inhomogènes • Croissance de charge plus rapide sous les électrodes • Nécessité d’une distribution piquée vers les électrodes 100% 80% E Simulation 2D Modèle simplifié Scatter-plot simulé • Modèle simplifié • Position et énergie des évènements fournis par GEANT (Gérard Nollez, IAP) Expérience complémentaire Sondage de l’état de charge sous les électrodes par rayonnement peu pénétrant Détecteur test 60Co collecte Ge Collimateur 241Am Expérience complémentaire Vcollecte=- 49V Alpha 5.5 MeV (241Am) Raie 1333 keV (60Co) Vcollecte=+49V En résumé • Méthodologie: – Méthode de création/sondage de charge d’espace – Exploitation des mesures résolues en temps • Résultats: – Développement de charge sous les électrodes – Efficacité régénération sous les électrodes? Conclusions et perspectives • Piégeage en surface/ piégeage en volume – Charge surfacique: Importance de la géométrie – Piégeage en volume: relativement faible aux tensions de collecte utilisée dans EDELWEISS (rendement >99% à 4V) – Piégeage près des électrodes zone morte • Régénération – État de charge du détecteur – Efficacité près des électrodes ? • Conception des détecteurs – Technologie des contacts électrode/Ge – Optimisation de la géométrie des électrodes – R&D électrodes segmentées (interdigitées)
