Les calorimètres à Argon liquide sont représentés sur la Fig. 3.1.
45
(EMB)
Figure 3.1: Vue schématique des calorimètres à Argon liquide, avec la partie électromagnétique (EM), les bouchons hadroniques (HEC) et les calorimètres avant (FCal).
3.2.1 Le calorimètre électromagnétique
Le calorimètre électromagnétique sert à reconstruire l’énergie des particules comme les
pho-tons et les électrons, et est également utilisé pour la séparationγ/π
0. Il est composé d’une partie
tonneau et d’une partie bouchon.
3.2.1.1 Le calorimetre électromagnétique tonneau
Le calorimètre électromagnétique tonneau (Electromagnetic Barrel, EMB) [41] est constitué
de deux demi-tonneaux (z < 0 et z > 0) dans la région |η| < 1.475. Les absorbeurs et les
électrodes sont pliés en forme d’accordéon [42] (cf Fig. 3.2), la lecture des signaux se faisant
à l’avant et à l’arrière. Cette géométrie assure aussi l’herméticité en φ : il n’y a pas de zones
mortes entre les modules.
Une particule provenant du point d’interaction rencontre successivement des couches de
Plomb et d’Argon, et des électrodes en Cuivre séparées par des couches de kapton, comme le
montre la Fig. 3.3.
Chaque demi-tonneau est constitué de 16 modules couvrant une région ∆φ= 22.5
◦∼0.4 rad.
Le découpage du calorimètre en cellules de lecture est fait selon trois directions, comme le montre
la Fig. 3.4 :
– radiale : trois compartiments en profondeur, auxquels il faut ajouter un pré-échantillonneur [43]
(voir ci-dessous),
– azimutale : les électrodes sont regroupées selonφ par des cartes sommatrices, la
segmen-tation selon φ dépend du compartiment,
– longitudinale : la segmentation selonη dépend du compartiment.
3.2 Géométrie des calorimètres 47
Figure 3.2: Structure en accordéon du calorimètre électromagnétique tonneau.
Électrodes de lecture Absorbeur
Couche de cuivre externe Couche de cuivre interne Couche de cuivre externe Kapton Acier Colle Plomb Argon liquide Argon liquide HT HT Kapton P
Figure 3.3: Schéma des couches successives d’absorbeurs, Argon liquide, électrodes composant le calo-rimètre EM. La haute tension (HT) est appliquée entre les couches externes de l’électrode (cathode) et l’absorbeur (anode, reliée à la masse). La couche interne de l’électrode récolte le courant.
∆ϕ = 0.0245 ∆ η = 0.025 37.5mm /8 = 4.69 mmm ∆ η = 0.0031 ∆ϕ =0.0245x4 36.8mmx Trigger Tower ∆ϕ = 0.0982 ∆ η = 0.1 16X0 4.3X0 2X0 1500 mm 470 m m η ϕ
η = 0
Stri p cel l s i n L ay er 1 Square cel l s i n L ay er 2 1.7X0 Cells in Layer 3 ∆ϕ×∆η = 0.0245× 0.05 Cells in PS ∆ϕ×∆η = 0.025 × 0.1 Trigger Tower =147.3mm4Figure 3.4: Segmentation du calorimètre électromagnétique : pour chaque compartiment (Pré-échantillonneur,Layers 1, 2, 3), la taille des cellules est indiquée.
Les compartiments radiaux sont :
– Le pré-échantillonneur (PS, ouLayer 0) : il est situé entre le cryostat et le compartiment
avant. Il permet d’estimer les pertes d’énergie dans la matière en amont du calorimètre
(détecteur interne, solénoïde, cryostat). Il est formé d’une simple couche d’Argon liquide
et ses cellules ont une taille de ∆η×∆φ= 0.025×0.1.
– Le compartiment avant (ouLayer 1) : il est formé de cellules finement segmentées en η,
ce qui assure une bonne résolution en η. Ce compartiment permet ainsi de séparer des
gerbes spatialement proches, comme deux photons issus d’un π
0, et donc d’améliorer la
séparation γ/π
0. Les cellules sont formées par la somme des signaux de 16 électrodes, et
leur taille vaut ∆η×∆φ= 0.0031×0.1 pour|η|<1.4. Ce compartiment est peu profond
(4.4 X
0).
– Le compartiment milieu (ouLayer 2) : c’est le compartiment qui reçoit la plus grande
partie de l’énergie, sa profondeur étant d’environ 16 à 18 X
0. Les cellules regroupent 4
électrodes, correspondant à une granularité de ∆η×∆φ= 0.025×0.025.
– Le compartiment arrière (ouLayer 3) : ce compartiment sert à estimer les pertes vers
l’ar-rière de gerbes non contenues dans le calorimètre EM. Il a une profondeur de 2X
0àη = 0.
Sa granularité vaut ∆η×∆φ= 0.05×0.025.
Afin de garder constante la longueur de radiation du compartiment milieu, la profondeur
radiale des cellules diminue avecη. Une transition se produit à|η|= 0.8, où l’épaisseur de Plomb
est diminuée de 1.5 mm à 1.1 mm, permettant ainsi de garder une fraction d’échantillonnage
environ constante du calorimètre tonneau jusqu’à|η|= 1.475 (voir Fig. 3.5).
L’épaisseur de la couche d’Argon entre l’électrode et l’absorbeur étant constante (2.1 mm),
la haute tension l’est aussi (2000 V pour la haute tension nominale).
3.2 Géométrie des calorimètres 49
Back Middle Strips Electrode A Electrode B R η φFigure 3.5: Schéma en coupe (dans le plan R−η) d’une électrode du calorimètre tonneau. La seg-mentation radiale (selonR) laisse apparaître les compartiment avant, milieu et arrière, chacun ayant une segmentation longitudinale propre. On voit aussi le changement de taille des cellules àη= 0.8 (diminution de l’épaisseur de plomb) pour avoir une profondeur constante.
3.2.1.2 Le calorimètre électromagnétique bouchon
Le calorimètre électromagnétique bouchon (Electromagnetic Endcap, EMEC) [44] est situé
au bout du calorimètre tonneau, à |z| ≃ 4.3 m. Il couvre la région 1.375 < |η| < 3.2 et est
constitué d’une roue externe (1.375 < |η| < 2.5) et d’une roue interne (2.5 < |η| < 3.2).
Comme le tonneau électromagnétique, il a une géométrie en accordéon. La roue externe comporte
trois compartiments, et un pré-échantillonneur (pour 1.4 < |η| < 1.8). En revanche, la roue
interne ne possède pas de compartiment avant finement segmenté ni de pré-échantillonneur. Les
segmentations des roues externe et interne sont visibles sur la Fig. 3.6.
L’épaisseur de plomb vaut 1.7 mm pour|η|<2.5 et 2.2 mm pour|η|>2.5. Contrairement au
tonneau, l’épaisseur d’Argon varie avec η, et la haute tension également pour garder un champ
électrique (et donc un temps de dérive) constant.
3.2.1.3 Résumé des caractéristiques du calorimètre électromagnétique
Les tableaux 3.2 et 3.1 résument respectivement la granularité et l’épaisseur d’Argon et de
la haute tension pour les différentes régions du calorimètre EM. La Fig. 3.7 montre les régions
dont une partie au moins de la haute-tension n’est pas nominale : ceci représente environ 6% des
canaux. Pour chacune de ces régions, un facteur de correction est appliqué (voir section 3.6.3.1).
Le nombre total de canaux de lecture dans le calorimètre électromagnétique (tonneau et
bouchons) est de 173312.
3.2.2 Les bouchons hadroniques (HEC)
Les bouchons hadroniques [45] (HEC) assurent la couverture en calorimétrie hadronique pour
1.5<|η|<3.2. Ils sont logés dans le même cryostat que le bouchon électromagnétique. Comme
le reste des calorimètres hadroniques, ils permettent de reconstruire l’énergie de particules qui
ne sont pas stoppées dans le calorimètre électromagnétique. Si la partie centrale utilise une
Roue interne Roue externe
Figure 3.6: Schéma en coupe des électrodes du calorimètre électromagnétique bouchon, pour la roue interne et la roue externe.
Région EMB
|η| 0−1.475
Gap (mm) 2.1
Tension (kV) 2.0
Région EMEC roue externe
|η| 1.375−1.5 1.5−1.6 1.6−1.8 1.8−2.0 2.0−2.1 2.1−2.3 2.3−2.5
Gap (mm) 2.7 2.5 2.2 1.9 1.6 1.4 1.2
Tension (kV) 2.5 2.3 2.1 1.7 1.4 1.25 1.0
Région EMEC roue interne
|η| 2.5−2.8 2.8−3.2
Gap (mm) 2.5 2.0
Tension (kV) 2.3 1.8
Table 3.1: Valeurs nominales des épaisseurs d’Argon et de la haute-tension appliquée dans les différentes régions du calorimètre EM.
Limites en |η| pré-échantillonneur avant milieu arrière
Tonneau 0−1.475 0.025×0.1 0.0031×0.1 0.025×0.025 0.05×0.025
1.4−1.8 0.025×0.1 0.0031×0.1 0.025×0.025 0.05×0.025
Bouchon 1.8−2.0 − 0.004×0.1 0.025×0.025 0.05×0.025
2.0−2.5 − 0.006×0.1 0.025×0.025 0.05×0.025
2.5−3.2 − 0.1×0.1 0.1×0.1 −
Table 3.2: Taille des cellules de lecture dans les différents compartiments et régions du calorimètre électromagnétique.
3.2 Géométrie des calorimètres 51
LAr readout channels with reduced High Voltage (correction factor from 1.01 to 2)
-3 -2.5 -2 -1.5 φ -3 -2 -1 0 1 2 3 EMECC L0 accordion EMECC -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 -3 -2 -1 0 1 2 3 EMBC(H) EMBA(I) EMB η 1.5 2 2.5 3 -3 -2 -1 0 1 2 3 EMECA 04. May 10 EMECA
10492 of 173312 channels affected in EM calorimeters (6.054%)
Figure 3.7: Régions du calorimètre électromagnétique avec une haute-tension non nominale sur au moins un coté de l’électrode. Les zones en rouge sont l’accordéon (compartiments avant, milieu et arrière), les régions en jaune le pré-échantillonneur. Au total, 6.1% des canaux du calorimètre électromagnétique ont une haute-tention non nominale.
technologie avec des tuiles scintillantes (voir chapitre 2), la partie avant est beaucoup plus
exposée aux radiations, et l’Argon liquide, plus résistant, a été choisi comme milieu actif. Une
couche d’Argon de 8.5 mm est intercalée entre deux couches d’absorbeurs (plaques de cuivre),
comme le montre la Fig. 3.8.
Les bouchons hadroniques sont composés de deux roues indépendantes. La granularité des
canaux de lecture varie en η. Pour 1.5 < |η| < 2.5, les cellules ont une taille de ∆η×∆φ =
0.1×0.1, alors que pour 2.5<|η|<3.2, les cellules ont une taille de ∆η×∆φ= 0.2×0.2. Le
nombre total de canaux de lecture dans les bouchons hadroniques est de 5632.
3.2.3 Les calorimètres avant (FCal)
Afin d’assurer une bonne herméticité de la couverture calorimétrique, des calorimètres sont
placés à l’avant [46], dans la région 3.2<|η|<4.9. La technologie à l’Argon liquide a été choisie
également pour sa bonne résistance aux radiations, très élevées dans les régions avant. Comme
le montre la Fig. 3.9, les calorimètres avant sont séparés en un compartiment électromagnétique
avec des absorbeurs en Cuivre, et deux compartiments hadroniques avec des absorbeurs en
Tungstène. Les absorbeurs sont des tubes insérés dans une matrice (voir Fig. 3.10). Pour cette
raison, les canaux de lecture des calorimètres avant sont mieux situés dans un plan (x, y) que
par les coordonnées usuelles (η, φ).
La quatrième couche n’est pas instrumentée, et sert seulement à protéger les chambres à
muons qui se trouvent à l’arrière. Le nombre total de canaux de lecture dans les calorimètres
avant est de 3524.
Figure 3.8: Schéma d’un secteur d’un bouchon hadronique. Le milieu actif (Argon liquide) est inséré dans un gap de 8.5 mm entre les plaques d’absorbeur (Cuivre).
Figure 3.9: Vue schématique en coupe d’un calorimètre avant. Le compartiment FCAL1 est électro-magnétique et les deux compartiment hadroniques sont FCAL2 et FCAL3. La dernière couche n’est pas instrumentée.