Cours3

Détection de traces, mesure de la position
Toutes les chambres
Jeudi 19 Nov 98
Rappel Compteur proportionnel
V 
U 0 ln r / ra CU 0

ln r / ra
ln ri / ra
2e 0
C : Capacité par unité de longueur
e0 : permittivité du vide = 8.85 pF/m
avec C 
2e 0
ln ri / ra
U0
CU 0 1
E( r ) 

r ln ra / ri 2e 0 r
Compteur proportionnel : Multiplication de la charge près de l’anode, proportionnel à U 0
M  K expCU0 
Avalanche après E critique Gain =
K=0.11 10-17 cm2 V-1 pour l’He
L’avalanche commence à une distance l de l’anode, l = nb de longueurs moyens nécessaires pour former l’avalanche
u   
ri  l

ri
u  
ra
(r  l )
Q dV
Q
dr  
ln i
lCU 0 dr
2e 0 l
ri
Q
 l lCU
ri 
0
r
dV
Q
dr 
ln a
dr
2e 0 l ri  l
( ri  l )
ri
l / ri
u



r
u
ln ra / ri
ln a
ri  l

ln
Le signal est dû aux ions qui dérivent !!! Ex ri=10mm,
l=1mm,ra=10mm, seulement 1% du signal dû aux électrons !!
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2
Multiplication et signal
Effets secondaires
Retour à l’état initial des atomes excités par émission de photons
Émission de photoélectrons par effet photoélectrique sur les métaux
de la cathode et l’anode: g probabilité de processus secondaire
Avalanches secondaires
 
M  ex  g ex
 ex  Si g < A
2


....  1  gex 
Décharge fatale




g 2ème coefficient de Townsend. Il vaut mieux qu’il soit faible
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3
t
Temps de formation du signal
Temps des ions entre le point de
formation de l’avalanche et la
cathode.
Temps total T de dérive pour
r(t)=ra.
Q
u( t )    du  
2e 0 l
0
w
ln r ( t ) / ri
dr
E mCU 0 1
m 
dt
P 2e 0 P r
r
 r dr 
ri
mCU 0 t
dt
2e 0 P 0
r ( t )  ri 
2
mCU 0
t
e 0 P


mCU 
Q
t
u( t )  
ln 1  2 0 t   
ln 1  
4e 0 l 
4e 0 l 
t0 
ri e 0 P 
Q
e 0 P(ra2  ri 2 )
T
mCU 0
r e 0 P
t0  i
mCU 0
2
Developement en temps
–




ra=8mm
C=8 pF/m
m = 1.7 cm2sec-1 V-1 atm-1
U0=3000V
T = 436 ms !!!! et t0 = 0.68 ns
Il faut différencier le signal avec RC,
pour limiter le temps mort. La
charge mesurée est < charge des ions
-V(t)
– ri=10mm
0
-1
-2
-3
-4
-5
-6
-7
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4
287
261
235
209
183
157
131
105
79
53
1
Compteur à Argon avec
27
Tem ps (ns)
Multiplication et signal
1ns
t
1. L ’électron dérive vers l ’anode
2. Formation de l ’avalanche
3. Électrons et ions crées à la même place ( L ’avalanche s’arrête quand la charge
d’ espace des ions réduit le champ)
4. Le nuage des électrons dérive vers l’anode d ’un coté
5. Les ions partent à la cathode lentement
Les électrons sont collectés rapidement par l’anode
Le nuage d’ions va dériver lentement vers la cathode :
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5
Multiplication et signal
•Proportionnel A~103 - 105
100ns
– Quencher
•Semi proport. A~104 - 106
~ms
– Plus de quencher
•Saturé
qqs ms
Q~107 e-
– Gaz quenché
10 ms
•Streamer limité Q~108 e– Gaz très quenché gros fil
•Geiger limité Q~109 e•Geiger
Q~1010 e•Etincelles
qqs 100 ms
qqs 10 ms
– N’importe quel gaz
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6
Choix du gaz
A priori n’importe quel gaz peut être utilisé
Le choix est contraint par la situation expérimentale
Taux de comptage élevé, temps de vie, haut gain, longueur d'interaction etc.....
Recette : prendre un gaz noble et le mélanger avec une molécule
polyatomique
Gaz
I0
(eV)
W
(eV)i
dE/dx
MeV/grcm-2
nT
Formation d’atomes excités et émission de
He 24.6
41
1.94
7.8
photons d’énergie (ex 11.6 keV pour l’Ar) >
que le potentiel d’ionisation de métaux
Ar 15.8
26
1.47
94
(7.7keV pour le Cu)
Kr 14.0
24
4.60
192
Avalanche secondaire
Il faut arrêter les photons
Xe 12.1
22
1.23
307
Gaz polyatomiques (n>4) ont de nombreux
états de rotation, et vibration. Désexcitation
sans rayonnement
ex : CH4 absorbe 7.9 keV < Eg < 14.5 keV
Absorbeurs de photons !
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7
Choix du gaz et vieillissement
L’excès d’énergie est dissipé par collisions successives ou dissociation
en radicaux plus simples
Neutralisation à la cathode : polymérisation et la cathode est
enveloppé par un isolant mince.
Si le flux de particules à travers le détecteur est grand, un nuage
d’ions est formé à la cathode, et des électrons sont arrachés à la
cathode !!!
Avalanches !!!
Destruction du détecteur !!!
D’autres contaminants : ex silicium dans les bulleurs, les vannes ou
les tuyaux. Se fixe sur l’anode ou la cathode
Le système de gaz doit être construit avec grand soin
Tuyaux en inox, vannes sans graisse .....
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8
Le système de gaz
Craintes et tabous
• Fonctionnement à gaz perdu
– Tout le gaz à l'entrée est
évacué ! coût parfois très élevé
– Pression stabilisée par un
bulleur à la sortie
• Recyclage. Le gaz est
recirculé avec l’aide de
compresseurs peu ou pas de
gaz perdu.
– Renouvellement du gaz rapide,
1 volume / shift
– Purification
– Elimination des contaminants
– Pression régulée
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Chambres proportionnelles
Cathode
Ensemble de compteurs
proportionnels sans murs
Fils de tungstène doré entre 10 et 30m
tous les 2mm. Distance anode cathode
10mm. La cathode peut être une feuille
métallique ou une série de fils.
Gain ~ 105 avec Ar-CO2 ou Arisobutane etc…
Généralement mesure de la position
seulement et à une dimension
Résolution   d
s
l
Fils d ’Anode
12
Les fils se repoussent par la force
électrostatique et il faut une tension
suffisante pour éviter les oscillations ~
50 gr.V  s 4e0T0 T tension (N)
LC
Il faut aussi tenir compte parfois de la
flèche due à la gravité
Mesure de 2 coordonnées par plusieurs
plans ou lecture de la cathode
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Limitations de chambres à fils
•La résolution est dominée par
l’espacement entre fils.
Difficile de faire s < 2mm
CU  2l
x
y   
 
Il faut tenir la charge par unité de
V ( x, y) 
 ln 4 sin
 sinh
 



4e  s
s
s


longueur CU0 constante pour
x
y
1  tg
tgh
obtenir le même gain M  K expCU 
CU
CU 1
s
s
E ( x, y) 
E ( X , y) 
y  s
Si s décroît, et par conséquent C,
2e s
2e r
x
y
tg
 tgh
s
s
il faut augmenter U0. Le champ
2e
E est aussi augmenté, et risque
C
2r
l
 ln
de décharges.
s
s
Il faut aussi une tension sur les
fils plus grande, et diminution
du diamètre du fil !
Pour l=8mm, diamètre du fil=30mm, et
espacement entre fils de 2mm (1mm) C = 3.56pF Segmentation et lecture de 2
cathodes
(2.02pF)
Le champ électrique dépend de la
capacité par unité de longueur.
2
0
2
0
2
2
0
0
0
2
0
2
0
0
i
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Chambres à dérive
Mesurer le temps entre le passage d’une
particule et l’arrivée des électrons sur
l’anode
x   w (t )dt
La résolution est nettement améliorée,
moins de fils à tisser
ex : w-=5cm/ms et t=1ns x=50m
Ambiguïtés gauche droite !
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Chambres à dérive
•Chambres planes
–Relation linéaire entre le temps et la
distance. Introduction d ’un fil au potentiel
-HV1 entre anodes. Champ électrique
constant dans tout l ’espace de dérive.
• Chambres cylindriques
–Détecteurs centrales pour les expériences
sur colisioneurs, avec un solénoïde.
–Juxtaposition de cellules cylindriques, fils
parallèles au champ magnétique.
Organisation en couches et super couches à
symétrie circulaire.
–Mesure de la coordonnée sur r-f
–Mesure de z par de fils à angle g ( fils
stéréo) par rapport à z
 r ,
z 
sin g
ou par division de charge, z=(I1-I2)/(I1+I2)
Cellules ouvertes et fermées pour un
meilleur champ E. Cellules hexagonales
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La chambre de BaBar
•Rayon externe de 809mm, interne
236mm
•End plates en aluminium de 24mm et
(24+12)mm
•Cylindre interne en Be 1mm, cylindre
externe fibre de carbone 2x1.5mm sur
du nomex
•40 couches de fils, formant de cellules,
7104 cellules hexagonales de dérive.
Fils de cathode de 80 et 120 mm, en
aluminium dore. Cathode tungstène de
20 mm. ~28000 fils au total.
•Gaz 80%He et 20 Isobutane. Minimiser
la diffusion multiple.
•Angle de Lorentz petit
•Résolution en masse pour B0  
~22 MeV/c2
•Résolution dE/dx = 6.8%
Une cellule de dérive de BaBar
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Les 10 super layers de BaBar
14
La chambre de BaBar
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Time projection chamber
C’est l’optimum pour détecter les traces
dans un volume cylindrique.
Les particules ne voient que du gaz
•Diffusion multiple réduite
•Peu de conversions de photons
•dE/dx
Électrode centrale à ~-qqkV, end plates
à la masse, champ électrique // au champ
magnétique. Diffusion transverse réduite.
Le électrons dérivent sur des longues
distances. ALEPH 45ms de temps de drift
Gaz ultra pur, pas d'oxygène !.
Coordonnées x,y mesurées par plans de
fils et cathodes segmentés
z : mesure du temps de dérive
Fils et damiers mesurent x,y
Pb : Grand nombre d’ions positifs produits
sur les end plates doivent revenir au centre !
Collectés par une grille devant le plan de fils
qui ne s’ouvre que pour un bon trigger
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TPC d’ALEPH
• Diamètre 3.6m et longueur 4.4m
• Gaz 91% Ar+ 9%CH4 1 atm
• Électrode centrale à -27kV
• 41004 damiers et 6336 fils de
signaux
 rf=170mm et z=740mm
 pt/pt = 0.1%pt + 0.3% (GeV/c)
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Comment faire une chambre rapide, d’excellente résolution, de gain
élevé, stable, résistante au haut flux, qui ne vieillit pas, facile à
construire et pas chère ????
Les chambres modernes
Miniaturiser les chambres à fils
•
•
•
Éliminer les fils qui flottent dans le gaz
Réduire l’espace anode cathode et collecter les ions le plus vite
Réduire l’espace entre les anodes
Nouvelles techniques empreintées à la micro-électronique
•
Introduire deux cathodes :
– Un espace de dérive pour l’ionisation primaire de qq mm ~3mm
– Un espace le plus court possible entre anode-cathode
•
Dépôt d’anodes cathodes par des techniques de lithographie
Pbs : Obtenir des gains élevés et contrôler le fonctionnement
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Resistive plate counters
Comment obtenir un signal rapide ??
Trigger Tracking
Deux électrodes de 2mm de Bakélite (
résistivité = 1011Ohms) paint avec du
graphite, séparés d’un gap de gaz (Ar +
C4H10 + Freon) de 2mm.
10kV entre les 2 couches de graphite.
Production d’une étincelle, t=~10 ns, au
passage d’une particule.
Etincelle quenchée par : 1) absorption
de gammas 2) Capture des électrons
par du Freon, 3) Neutralisation du
champ électrique très localement(
0.1cm2)
Lecture sur des strips d’aluminium par
effet capacitif. Signal de 100pC, pas
besoin de pre-ampli, temps de montée
2ns et durée 10ns
Résolution en temps de 1ns !
2500 m2 de chambres
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Microstrip gas chambers (MSGC)
Flux de particules et taux d’interactions très élevés
MWPC ne fonctionnent plus
MSGC : Chambre à fils miniature,
sans fils à tendre réduction d’échelle
de 10 ou 100 fois !
Les fils sont remplacés par des pistes
de 10mm, anodes, et 100 mm cathodes
sur un substrat isolant. Plan de dérive
à quelques millimètres du substrat.
Pistes déposées par lithographie sur
un substrat de verre de 500mm
Distance entre anodes 200mm, 10 fois
mieux qu’une MWPC.
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Microstrip gas chambers (MSGC)
•
•
•
•
•
•
Tension des cathodes ~-500 V
Tension plan de dérive ~-3.5kV
Gaz Ar-DME (Dimethyléther
CH3OCH3) ou Ne-DME. (40% 60%)
Évacuation très rapide des ions, ils
parcourent une plus petite distance
que dans les MWPC.
Formation du signal en 100ns
Résolution 30 à à 50mm
Problèmes
• Gain faible < 104
• Instabilités pour opérer la
chambre dues à l’accumulation
d’ions sur le substrat
• Vieillissement ???
E
Substrat
Détecteur central de CMS, couches
externes
• 10000 détecteurs de 25 ( 5) cm x 10cm
• 0.1 à 1 Mrad / an
Détecteur central de CMS, couches
externes
10000 détecteurs de 25 ( 5) cm x 10cmY.Karyotakis
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Micro-gap chamber
• Dépôt d’une cathode d’aluminium de
1mm sur un substrat de quartz
• Dépôt de strips isolantes de 2mm, sur
une largeur 17mm
• Distance anode cathode de 2mm !
• Sur les strips isolantes dépôt de l’anode
en aluminium de 9mm
• 3mm d’espace de dérive
Presque tous les ions sont collectés
sur la cathode proche en temps record
MGC 10000 plus rapides que MWPC
Après 20ns la charge collectée est de :
– 25 % pour les MWPC
– 55% pour les MSGC
– 95% pour les MGC
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Microgap wire chamber
Alternative pour les MSGS
• Des fils de Tungstène doré de 5 à 10 mm
tendus tous les 200 mm au dessus d’une
cathode.
• Distance anode - cathode 40 mm,
d’isolant déposé par photolithographie.
• Plan de cathode en or portée à ~-600V.
• Plan de dérive à qqs mm
•Gain ~105
•Temps de formation du signal < 40
ns
•Cathode évacue les ions et n’est
plus chargée
•Vraie chambre à fils miniature
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Micromegas
Espace de dérive et espace d’amplification
séparés par une grille
Grille métallique de 3mm d'épaisseur,
trous de 37mm tous les 50mm, à 100 mm au
dessus de l’anode. -350 à -450 V sur la
grille.
Stripes d’anodes de cuivre doré 317 mm de
large sont déposées sur du kapton tous les
70 mm, et mises à la masse.
Les électrons primaires dérivent dans
l’espace de conversion et sont multipliés
au passage de la grille. Les ions sont
collectés sur la grille.
Résolution spatiale ~50mm et
opération à flux élevé 2 x 109 / mm2 s
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