La Chambre `a Projection Temporelle

Le principal d´etecteur de trajectographie de STAR est sa Chambre `a Projec-tion Temporelle(TPC) qui a ´et´e choisie pour ses grandes acceptance et granularit´e permettant l’identification des particules. De plus, STAR doit ˆetre capable de sup-porter un environnement de tr`es grande multiplicit´e. Les TPCs ont montr´e dans le pass´e, du GSI au SPS [66], leur efficacit´e dans ce genre d’environnement.

La TPC de STAR est un cylindre mesurant4:2m de long, et 4m de diam`etre et rempli de gaz. Le rayon interne est de 0:5 m alors que le rayon externe est de2m, le tout couvrant un domaine d’environ 1:5 unit´es de pseudo-rapidit´e . En effet au niveau du rayon interne la TPC couvre2unit´es de pseudo-rapidit´e alors qu’au niveau du rayon externe n’est que de 1 unit´e. Or lors de la reconstruction des

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traces de particules charg´ee (que nous appellerons simplement traces dans la suite de ce document) dans la TPC, un nombre minimum de points de mesure est requis, la couverture moyenne en pseudo-rapidit´e ´etant alors comprise entre une et deux unit´es.

Le gaz utilis´e est du P10 `a pression atmosph´erique, un m´elange constitu´e de

90% de Argon (Ar) et 10% de m´ethane (CH4), qui a ´et´e choisi pour diverses rai-sons. D’une part l’att´enuation des ´electrons d´erivant dans la TPC doit ˆetre faible, et toute autre perte d’´electrons doit ˆetre minimis´ee pour ´eviter par exemple la fixa-tion d’´electrons sur des mol´ecules d’oxyg`ene ou d’eau, la concentrafixa-tion d’oxyg`ene doit donc ˆetre inf´erieure `a cent parties par million. D’autre part les diffusions transverse et longitudinale doivent ˆetre faibles pour assurer une s´eparation `a deux traces satisfaisante. La vitesse de d´erive des ´electrons d´etermine le taux maximum d’´ev´enements pouvant ˆetre mesur´e par la TPC. Dans les conditions d’utilisation de la TPC de l’´et´e 2000, la vitesse de d´erive des ´electrons ´etait de 5:440:01 cm=s, o `u 0:01 repr´esente l’amplitude des variations observ´ees pendant un intervalle de plusieurs journ´ees. Cependant pour une p´eriode donn´ee la vitesse de d´erive ´etait mesur´ee avec une pr´ecision de 0:001cm=s.

Le volume utile pour la trajectographie est divis´e en deux zones dans le sens de la longueur par le plan de la cathode de haute tension, aussi appel´ee membrane centrale, et plac´ee au centre de la TPC. La cathode est maintenue `a 31 kV de fac¸on `a cr´eer un champ ´electrique longitudinal entre la membrane centrale et les deux extr´emit´es de la TPC qui sont connect´ees `a la terre. Le volume utile de la TPC est d´elimit´e par les ”cages de champ” interne et externe, qui sont constitu´es d’anneaux de 11:5 mm d’´epaisseur harmonisant la chute de tension sur toute la longueur de la TPC, ceci permettant de maintenir un champ ´electrique uniforme de 148 V=cm. Les deux ”cages de champ” sont tr`es minces, avec des longueurs de radiation respectivement de 0:62% et 1:26% pour les ”cages de champ” interne et externe.

Les ´electrons cr´e´es lors du passage des particules dans le volume actif, d´erivent par l’action du champ ´electrique vers les extr´emit´es de la TPC. Une fois arriv´es `a la fin de la zone de d´erive, d´elimit´ee par le plan de masse, les ´electrons sont acc´el´er´es par la grille d’anodes maintenue `a 1265 V. Lors de cette re-acc´el´eration une ava-lanche est produite, les ions migrant vers le plan connect´e `a la terre, le signal induit ´etant lui recollect´e par un plan de pads plac´e derri`ere la grille des anodes. Le signal induit est proportionnel `a l’ionisation initiale. Pour ´eviter que les ions positif retournent dans le volume de d´erive, une grille porte fonctionnant `a 135 V

5.2.2 LA CHAMBREA` PROJECTIONTEMPORELLE 59

FIG. 5.4 – Arrangement des grilles de fils d’un des24secteurs de la TPC de STAR

est plac´ee avant le plan de terre et peut ˆetre ouverte ou ferm´ee si n´ecessaire. La figure 5.4 montre les positions relatives des diff´erentes grilles de fils d’un secteur des plans de lecture de la TPC.

Chaque surface de lecture plac´ee en bout de la TPC est divis´ee en 12secteurs principaux, qui sont eux mˆemes subdivis´es en un secteur interne et un secteur externe. Les pads sont arrang´es en lignes, le secteur interne comporte 13 lignes de pads et le secteur externe 32 comme peut ˆetre observ´e dans la figure 5.5. Les

pads du secteur interne mesurent 2:85 mm par 11:5 mm, et ont ´et´e choisis pour fournir la meilleure s´eparation `a deux traces dans une r´egion o `u la densit´e de traces est ´elev´ee car proche du vertex primaire. Comme la densit´e de traces est plus faible a l’ext´erieur de la TPC, les pads du secteur externe sont plus grands, ils mesurent6:2mm par19:5mm. A l’oppos´e du secteur interne, les pads du secteur externe couvrent la totalit´e de l’espace disponible ce qui les rend plus performants pour la mesure de la perte d’´energie et donc pour une meilleure identification des particules. Chaque secteur principal comporte 5690 pads, ce qui fait un total de

 137000 voies `a lire, chacune d’elles ´etant divis´ee en 512 paquets en temps, soit

70millions d’´echantillons ou pixels.

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FIG. 5.5 – Vue sch´ematique d’un des24secteurs de la TPC de STAR

CMOS. Chaque circuit int`egr´e poss`ede 16 voies d’entr´ee. Un premier circuit int`egre les fonctions de pr´eamplification et de mise en forme des signaux. Le second cir-cuit regroupe la m´emoire analogique ou ”Switched Capacitor Array” (SCA) et le Convertisseur Analogique Digital (ADC). Les donn´ees trait´ees par cette chaˆıne d’´electronique dite frontale sont par la suite envoy´ees vers le syst`eme d’acquisi-tion des donn´ees (DAQ) par des fibres optiques. Le syst`eme d’acquisid’acquisi-tion est conc¸u pour pouvoir lire un ´ev´enement de type collision centrale Au+Au par seconde.