L’anode segmentée

L’anode de la TPC de XEMIS fait l’objet de contraintes fortes qui nécessitent un travail de développement particulièrement innovant. En effet, cette anode sert d’entrée aux photons, elle doit donc être relativement fine et peu dense afin d’atténuer au minimum le flux de photons. De plus, l’un des côtés de l’anode fait face à du xénon liquide tandis que l’autre face est exposée au vide. L’anode doit donc résister mécaniquement à une différence de pression de l’ordre de 1 à 2 bar, avec une faible déformation tolérée. La TPC fonctionne à une température de ≈165 K, l’anode doit donc résister mécaniquement au froid. Étant collée sur un flasque d’acier, les matériaux de l’anode doivent avoir les mêmes coefficients de dilatation thermique pour rester solidaire au flasque lors des descentes en froid. Enfin, cette anode, qui doit être segmentée afin de fournir une information sur la position en x et en y des interactions, doit aussi transmettre les charges induites sur ses pixels à l’électronique de lecture, et ce en minimisant le parcours du signal afin d’avoir un bruit électronique le plus faible possible.

Nous allons aborder la structure de l’anode conçue pour tenir ce cahier de charges, puis mon-trer des résultats de tests de résistance à la pression et au froid qui ont été effectués lors de la validation du concept de l’anode.

Structure de l’anode segmentée

L’anode de la TPC est segmentée en seize pixels, ou pads. La zone active fait 2,56×2,56 cm², soit un pouce par un pouce. L’anode fait une épaisseur de 2,7 mm et est composée de plusieurs couches qui sont visibles sur la figure2.19. La couche supérieure, celle qui fait l’in-terface avec le xénon, est baptisée TOP et est en cuivre. La couche suivante est en céramique rogers RO4350d. Ce type de céramique présente comme qualités une bonne résistance aux chocs thermiques, une bonne résistance mécanique et d’être isolante. Son coefficient de dilata-tion thermique est de 15 K⁻¹, ce qui est très proche de ceux de l’acier inoxydable utilisé pour fabriquer le flasque et du cuivre, 17 K⁻¹. Ces coefficients très proches permettent à l’anode de ne pas se désolidariser du flasque en acier lors des descentes en froid. La couche qui suit est une couche de cuivre, baptisée L1. Les pixels de la couche TOP sont reliés à une languette

en cuivre sur la couche L1 par un via en cuivre. Vient ensuite une couche en prépreg. Le pré-preg, abréviation de préimprégné, est constitué de fibres de verre imprégnées de résine. Cette couche sert de colle entre deux couches de rogers. Cette succession de couches se répète trois fois dans l’épaisser de l’anode, jusqu’à une ultime couche de céramique et de cuivre, cette der-nière baptisée BOTTOM. Nous pouvons noter sur la figure2.20 que les différentes couches L de cuivre sont quadrillées. Le rôle de ces couches est de blinder l’anode. Cela permet de limiter les rayonnement électromagnétiques issus de la TPC, dûs aux alimentations et aux tensions sur les grilles, qui pourraient perturber les signaux lus par l’électronique front-end située de l’autre côté de l’anode. D’autre part, le quadrillage permet un bon collage entre le prépreg et la céra-mique. La structure de l’anode est un empilement symétrique dans sa largeur. Cela permet de limiter les efforts mécaniques dûs à la dilatation thermique.

FIGURE 2.19 – Coupe transversale de l’anode segmentée. A gauche un schéma de la coupe, à

droite une photographie d’une coupe. Les couches a, c, e et g sont en céramique. Les couches b, d et f sont en prépreg.

La figure 2.21nous montre la manière dont le signal induit sur un pad est transmis à l’en-vers de l’anode. Les charges induites sur le pixel vont d’abord migrer l’en-vers un via cuivré, ce via débouchant ensuite sur la couche L1. Les charges vont alors passer dans un trou dont la surface est métallisée. Nous pouvons observer sur le schéma de L1 de la figure2.20 que chaque pixel possède son via et son trou individuel. Cette architecture est nécessaire étant donné les condi-tions de fabrication de l’anode. Les différentes couches sont tout d’abord pressées. Les trous sont ensuite percés. La précision sur le percage n’est pas assez bonne pour percer directement jusqu’à la surface cuivrée tout en garantissant que le forêt ne perce pas cette surface. Le percage se fait donc jusqu’à la couche L1. Le via est percé au laser, puis la couche TOP est métallisée. Les charges vont migrer jusqu’à la couche BOTTOM, où chaque trou possède une languette cuivrée. C’est sur cette languette que se posera le connecteur Cinch qui assurera la transmission

FIGURE 2.20 – Schéma des différentes couches métalliques de l’anode segmentée. La couche TOP est au contact du xénon liquide et est constituée d’un dépôt de cuivre. La couche L1 sert de liaison entre le via issu du pas et le trou métallisé conduisant à la dernière couche. Les couches L2 à L6 sont des quadrillages de cuivre afin de faciliter le collage entre le prépreg et la céramique. Ces quadrillages ne touchent pas le trou. BOTTOM est la dernière couche, constituée notamment de pastilles servant de liaison entre le trou et le connecteur Cinch.

des charges vers l’électronique front-end.

Test pression-température de l’anode

Des tests ont été menés afin d’évaluer la résistance à la pression de l’anode lors de descentes en température, et de mesurer la déformation qui en découle. Une anode a donc été collée sur un petit flasque en acier et l’ensemble enfermé dans une petite enceinte en acier. Un léger vide a été maintenu du côté de l’envers de l’anode et de l’hélium est injecté de l’autre côté, à dif-férentes pressions. La déformation du centre de l’anode était mesurée avec un comparateur. La pression a été montée de 0 à 6 bar puis redescendue en trois cycles successifs, et ce une fois à température ambiante puis à 153 K, le système étant refroidi à l’azote liquide. Il n’y a pas eu de rupture mécanique et nous pouvons voir sur les figures2.22 et2.23 que la déformation au centre est inférieure à 10 µm pour des pressions inférieures à 2 bar, soit la gamme de pression de fonctionnement du prototype. Une déformation de cet ordre de grandeur est tout à fait satis-faisante, étant donné que le connecteur Cinch tolère une variation ≈100 µm.

FIGURE 2.22 – Mesure de la déformation

du centre de l’anode selon la pression, à température ambiante et au cours de trois montées en pression

FIGURE 2.23 – Mesure de la déformation

du centre de l’anode selon la pression, à -120 ◦C et au cours de trois montées en pression