Les tests décrits dans ce chapitre ont permis de mettre en évidence une limitation de la tenue en tension des LEMs, qui a été prise en compte pour la réalisation du modèle CFR-35 utilisé par le 6 × 6 × 6 m3. Des zones mortes plus grandes permettent une meilleure tenue en tension, permettant d’atteindre les gains requis pour DUνE. Cependant, comme l’ont montré les simulations décrites en
section 4.3, ceci implique une perte de zone active. Certains canaux de lecture des anodes ne recevront qu’une fraction de la charge, ce qui peut être pris en compte maintenant que cette fraction a été simulée, mais d’autres ne verront pas du tout de charge. Des vertex ou des topologies compliquées se trouvant sous ces canaux seront mal ou pas reconstruits, pouvant entraîner une perte d’efficacité de reconstruction. Ce phénomène reste à étudier avec un logiciel adapté afin d’optimiser les algorithmes de reconstruction.
En parallèle, une solution permettant à la fois de réduire les zones mortes tout en prévenant les décharges est envisagée. Il s’agit de recouvrir les bords des LEMs avec de l’isolant. En effet, des simulations faites avec COMSOL Multiphysics ont montré que des champs électriques très intenses (de l’ordre de la centaine de millier de volt par centimètre) peuvent se trouver à la limite du cuivre et du FR-4, sur les bords. Recouvrir ces zones d’isolant permettra de prévenir les décharges. Des tests préliminaires vont être réalisés avec des LEMs du modèle CFR-35 et du Kapton, une technique de production utilisant un isolant adapté à la taille des bords du modèle CFR-34 est en cours de développement.
La simulations faites avec ANSYS et Garfield a permis de mettre en évidence le faite que l’efficacité de collection du LEM décroît avec le champ présent dans le gaz entre l’interface liquide-gaz et le LEM. Ceci se traduit par la présence d’un plateau d’efficacité une fois prise en compte l’efficacité d’extraction liquide-gaz. Ce plateau, bien qu’inférieur à 1, se situe à des tensions comprises entre 2 kV et 3 kV pour les CRPs du 6×6×6 m3, tensions qui ont été atteintes dans la boîte cryogénique. De fait, les variations de la planéité de ces CRPs, inférieures à 1,75 mm, auront un impact négligeable sur l’efficacité combinée d’extraction et de collection quand bien même elles modifieraient un peu les champs électriques.
La simulation de l’efficacité de collection de l’anode en fonction du champ d’induction a été faite pour un LEM avantcharging up et a été comparée au comportement du gain en fonction du champ
d’induction avec un LEM aprèscharging up, les mesures pouvant difficilement être faites avant charging up avec la source radioactive utilisée dans l’enceinte haute pression du CEA Saclay. Les tendances
observées sont similaires, mais présentes des différences pouvant aller jusqu’à 15 %. Les résultats de cette simulation, ainsi que ceux de l’efficacité de collection du LEM, sont utilisés dans le chapitre suivant pour estimer le gain effectif dans le 3×1×1m3aux champs électriques utilisés dans le prototype de 3 L,
auxquels le 3 × 1 × 1 m3n’a pas opéré. Une simulation d’un LEM pendant et aprèscharging up pourra
être réalisée en itérant la méthode décrite en section 4.4 et en prenant en compte les modifications du champ électrique induites par l’accumulation d’électrons sur le FR-4 au niveau des trous des LEMs. Une efficacité plus grande est attendue après charging up, les lignes de champs empêchant alors les électrons de finir leur course sur le FR-4.
Références
[1] C. Cantini et al. « Long-term operation of a double phase LAr LEM Time Projection Chamber with a simplified anode and extraction-grid design ». In : (23 déc. 2013). doi : 10.1088/1748- 0221/9/03/P03017. arXiv : http://arxiv.org/abs/1312.6487v1 [physics.ins-det].
[2] B. Aimard et al. « A 4 tonne demonstrator for large-scale dual-phase liquid argon time projection chambers ». In : (8 juin 2018). arXiv : http://arxiv.org/abs/1806.03317v2 [physics.ins- det].
[3] C. Cantini et al. « Performance study of the effective gain of the double phase liquid Argon LEM Time Projection Chamber ». In : (14 déc. 2014). doi : 10.1088/1748-0221/10/03/P03017. arXiv : http://arxiv.org/abs/1412.4402v1 [physics.ins-det].
[4] H. Schindler.Garfield++ User Guide. https ://garfieldpp.web.cern.ch/garfieldpp/documentation/UserGuide.pdf.
Fév. 2017.
[5] Shuoxing Wu. « Study of alternative double phase LAr TPC charge readout systems ». en. Thèse de doct. 2017. doi : 10.3929/ethz-b-000172413.
5
Analyse des performances du
3 × 1 × 1 m3
5.1
Introduction
Le prototype de DLArTPC de 3 × 1 × 1 m3, premier prototype du projet WA105, a pris des données au CERN entre juin et novembre 2017. Son objectif premier était de vérifier que la solution DLArTPC est réalisable à grande échelle et de tester les choix technologiques en vue de la construction du démonstrateur de 6 × 6 × 6 m3. De plus, grâce aux données de muons cosmiques récoltées, le 3 × 1 × 1 m3 peut estimer le gain et étudier sa stabilité au cours du temps et à travers les 3 m2de son CRP. Il peut également regarder l’évolution du gain en fonction du champ dans les LEMs, mesures qui peuvent alors être comparées à celles effectuées en 2013 et 2014 dans le prototype de 3 L[1]. Ce sont ces derniers points qui sont traités en détail dans ce dernier chapitre.
Le 3×1×1 m3a rencontré un problème majeur durant son exploitation qui l’a empêché de fonctionner au mieux de ses capacités : la grille était limitée en tension à 5 kV au lieu des 6,2 kV minimaux requis pour fonctionner aux champs nominaux décrit dans le chapitre 3. Ceci a limité les différents champs applicables à travers le CRP, à savoir les champs d’extraction, d’amplification et d’induction. Cette limitation était due à un groupe de fils mal tendus ainsi qu’à un contact défectueux et ne remet donc pas en cause la technologie DLArTPC. En effet, malgré ces difficultés, le 3 × 1 × 1m3a démontré la
capacité de cette technologies à visualiser avec une grande précision des topologies complexes, comme le montre les trois exemples de la Figure 5.1. Ces événements ont été vus à des champs électriques bien inférieurs aux champs nominaux décrits dans sous-section 3.2.2. Ce problème de limitation en tension à néanmoins fait que le champ d’extraction était faible (de l’ordre de 1 kV cm−1) lors de la mesure du gain à des champs d’amplification supérieur à 30 kV cm−1. L’analyse des acquisitions correspondantes a nécessité le développement d’un algorithme d’analyse dédié, décrit en fin de chapitre.
Ce chapitre commence par une présentation de la méthode d’analyse en section 5.2 : comment le gain peut être estimé et comment la reconstruction des traces est effectuée par le logiciel LArSoft. Les principales incertitudes systématiques, dominantes par rapport aux incertitudes statistiques, sont également présentées. Dans la section 5.3 sont présentées les données utilisées : les dates de mesures et les champs électriques scannés, ainsi que les mesures du slow control (pression, température, niveau de l’interface liquide-gaz). Les résultats de l’analyse de stabilité dans le temps ainsi que des variations de gain sur la surface du CRP sont présentés en section 5.4. Y figure aussi l’évolution du gain en fonction
du champ électrique dans les LEMs. Enfin, l’analyse et la reconstruction des données aux champs d’amplification supérieurs à 30 kV cm−1est présentée en section 5.5.