d´ etecteur PIM afin de minimiser les d´ echarges
4.2 Les d´ echarges sous un haut flux de particules de haute ´ energiehaute ´energie
4.2.1 M´ ecanismes responsables de l’apparition des d´ echarges
Nous avons vu dans le chapitre 1 que les particules charg´ees traversant un d´etecteur gazeux interagissent essentiellement par des diffusions coulombiennes se traduisant par l’excitation et l’ionisation des mol´ecules constituant le m´elange gazeux. Cependant, dans un environnement comportant des hadrons (i.e. particules sensibles `a l’interaction forte telles que : p, π, n, ...), un autre mode d’interaction, plus rare, peut ´egalement se pro-duire. En effet, ces particules peuvent interagir par un processus de diffusion ´elastique ou in´elastique avec les noyaux des atomes du gaz ou des diff´erents ´el´ements du d´etecteur (principalement les ´electrodes). Lors de ces ´ev`enements violents et rares, le hadron inci-dent peut, soit “casser” le noyau et g´en´erer des fragments de r´eaction, soit transf´erer une partie de son ´energie aux noyaux pr´esents dans le volume de d´etection (´electrodes, gaz) et cr´eer des noyaux de recul.
Ces particules (fragments de r´eaction ou noyaux de recul) sont caract´eris´ees par un fort pouvoir ionisant et sont commun´ement d´esign´ees par le terme anglais “HIP” (High Io-nization Particles). Lors de leur d´eplacement dans le volume de d´etection du d´etecteur, elles engendrent un nombre inhabituel de paires primaires (quelques milliers) au voisinage et/ou `a l’int´erieur de l’espace d’amplification. Ces paires sont ensuite multipli´ees par le facteur de multiplication G (soit le gain) caract´erisant l’´etage d’amplification consid´er´e. En l’absence du ph´enom`ene de charge d’espace et de la saturation du gain qui l’accompagne, l’avalanche peut alors diverger et g´en´erer un nombre de charges excessivement ´elev´e. Ces charges ´etant contenues dans un petit volume conduisent `a une densit´e de charge critique pour laquelle la propri´et´e isolante du gaz et le champ ´electrique se trouvent fortement
Véquilibre nominale
V
10 à 20 ms qq µs
0 20 ns
Efficacité ~ nulle
Gain variable t
Fig. 4.1 – Sch´ema de la variation du potentiel d’une ´electrode en fonction du temps.
modifi´es. Le gaz se transforme alors localement en plasma et un canal conducteur peut se propager entre les deux ´electrodes, c’est ce que l’on appelle une d´echarge.
4.2.2 Variation du potentiel des ´ electrodes
Lors de ces ´ev´enements, le canal conducteur form´e dans le gaz engendre un court-circuit entre les ´electrodes qui constituent un ´etage d’amplification. Le potentiel de chaque ´elec-trode tant `a s’´equilibrer et la diff´erence de potentiel devient alors nulle pendant un bref instant (quelques dizaines de nano-secondes). Cette d´echarge des ´electrodes est suivie par une phase de recharge plus ou moins longue dont la dur´ee d´epend de la capacit´e du d´etecteur (Cd) et du circuit de polarisation utilis´e pour alimenter les ´electrodes.
La figure 4.1 pr´esente une vue sch´ematique de la variation du potentiel d’une anode. Les dur´ees indiqu´ees sur ce sch´ema sont `a titre d’exemple.
La principale cons´equence de cette perturbation est une modification du champ ´electrique qui chute brusquement. L’´etage d’amplification perd alors sa capacit´e `a multiplier les charges primaires durant plusieurs microsecondes pendant lesquelles le d´etecteur n’est plus capable de “voir” les particules incidentes. Dans un deuxi`eme temps, le potentiel de chaque ´electrode tend `a retrouver sa valeur nominale. La diff´erence de potentiel entre les ´electrodes devient suffisante pour permettre une multiplication des charges primaires.
Pendant cette phase, le gain est variable et l’efficacit´e de d´etection est fortement perturb´ee.
4.2.3 Cons´ equences des d´ echarges sur les performances du d´ e-tecteur
La dur´ee correspondant `a la perturbation du potentiel initi´ee par une d´echarge est relati-vement faible pour peu que l’on utilise des circuits de polarisation ad´equats pour alimenter les micro-grilles qui permettent de minimiser le temps de recharge [The01]. Dans le cas
o`u les d´echarges sont peu fr´equentes, le temps mort qui en d´ecoule est n´egligeable. Mais sous un haut flux de hadrons ce n’est pas le cas. En effet, bien que la probabilit´e d’avoir de tels ´ev´enements dans le d´etecteur soit relativement faible ('10−6 hadrons−1 pour MI-CROMEGAS) [D+02,B+02c], le nombre de d´echarges (proportionnel au flux de hadrons incidents) devient non n´egligeable pour les flux ´elev´es attendus aupr`es des acc´el´erateurs de nouvelle g´en´eration tel que le r´ecent LHC (Large Hadron Collider). Dans ces conditions, le temps mort global du d´etecteur est important.
La perte d’efficacit´e temporaire, mais fr´equente, du d´etecteur n’est pas le seul probl`eme associ´e aux d´echarges. En effet, la charge contenue dans une d´echarge (∆q) est relative-ment importante (quelques centaines denC) et n´ecessite une protection de l’´electronique frontale du d´etecteur, soit par des circuits de protection int´egr´es aux cartes ´electroniques (pont de diodes par exemple), soit par la passivation des pistes [B+05a]. Au premier ordre, cette charge peut s’exprimer en fonction de la capacit´eCd du d´etecteur de la fa¸con suivante :
∆q= Z
Ialimdt =Cd.∆Vgrille (4.1)
Notons que les d´etecteurs gazeux `a micro-grille de type MICROMEGAS sont tr`es robustes face aux d´echarges et ne subissent pas de d´et´eriorations au cours du temps des perfor-mances du d´etecteur, comme l’ont d´emontr´e plusieurs ann´ees d’utilisation de chambres MICROMEGAS aupr`es des exp´eriences COMPASS (avec son syst`eme de trajectographie constitu´e de 12 chambres MICROMEGAS) [B+05b, K+06] et NA48/2 (avec le spectro-m`etre KABES) [Pey04].
4.2.4 Probabilit´ e de d´ echarge
Dans ce chapitre, nous pr´esentons de nombreuses mesures de probabilit´e de d´echarge. Il est donc important de bien d´efinir cette notion. La probabilit´e de d´echarge repr´esente le nombre de d´echarges observ´ees par particule incidente. Elle d´epend de la nature de la particule incidente et du Z moyen du m´elange gazeux (< Z >mix) [T+01]. Le gain du d´etecteur ainsi que la hauteur de l’espace d’amplification sont ´egalement des param`etres importants qui influencent fortement le taux de d´echarges, comme nous le verrons par la suite (Cf. 4.3).