Lecture des électrons

Dans les DLArTPCs de WA105 et du prototype de 3 L, après extraction et amplification, les électrons sont dirigés vers les anodes par un champ électrique dit d’induction, créé par une différence de potentiel entre le haut des LEMs et les anodes. Un champ d’induction plus grand permet de récupérer une plus grande partie des électrons sortant du LEM (voir section 4.4), cependant des contraintes techniques empêchent d’augmenter infiniment ce champ tout en restant stable. Une valeur nominale de 5 kV cm−1est utilisée. Les anodes segmentées (voir Figure 3.15) sont de même dimension que les LEMs, et ont des canaux de lecture larges d’environ 3 mm. Les deux vues de ces anodes partagent la charge équitablement entre elle. Les anodes sont situées 2 mm au dessus des LEMs.

CHAPITRE 3. LE PROJET WA105

Figure 3.13 –Effet du champ d’extraction sur le gain mesuré dans le prototype de 3 L[11].

LEM Anode

Épaisseur FR4 1 mm Capacitance 140 pF m−1

Diamètre des trous 0,5 mm Largeur des canaux 3 mm

Géométrie Héxagonale

Rim 40 µm

Table 3.1 –Caractéristiques des LEMs et anodes préconisées par les résultats du prototype de 3 L

3.3.4 État de l’art

Une étude de 2008 sur les LEMs[12] a montré qu’il est nécessaire de munir ces derniers derims

protecteurs : autour des trous d’amplifications, un anneau sans cuivre doit être présent afin d’assurer la stabilité en tension (voir Figure 3.14). Sans ça, des effets de pointes provoquent des décharges fréquentes et empêchent d’atteindre les tensions requises pour avoir des gains conséquents. Par la suite, le prototype de 3 L[5, 6] a permis d’étudier de nombreux aspects de la technologie DLArTPC. Il a mesuré le gain effectif en fonction du champ d’amplification, montrant qu’un gain de 20 est atteignable pour un champ d’amplification de 31 kV cm−1, soit une différence de potentiel entre le haut et le bas du LEM de 3,1 kV (voir Figure 3.16). Il a également étudié le comportement du gain en fonction du

Figure 3.14 – Photo d’un LEM avec agrandissement de la disposition en nid d’abeille des trous

d’amplification. Le modèle présenté est celui utilisé dans le prototype de 3 × 1 × 1 m3, ceux utilisés dans le prototype de 3 L mesuraient 10 × 10 cm2.

Figure 3.15 –Photo et schéma d’une anode de 50 × 50 cm2. Le design vient des études du prototype de

3 L[11, 5] et permet un partage égal de la charge entre les deux vues tout en minimisant la capacitance.

temps. Ce dernier décroît jusqu’à atteindre une valeur plateau G∞suivant la loi

Gef f(t) = G∞_{ef f} 1 −  1 −G ∞ ef f G0  ×_e−_t/τcu . (3.7)

CHAPITRE 3. LE PROJET WA105 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 Amplification Voltage (kV) 1 − 10 1 10 2 10 3 10 Effective Gain Before Charging Up After Charging Up 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.2 Amplification Voltage (kV) 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6

Ratio before/after charging up

Figure 3.16 –Gauche : gain en fonction de la tension d’amplification, mesuré par le prototype de 3 L

avant et aprèscharging up, ajusté par l’équation (3.4). Droite : Ratio calculé entre le gain avant et après charging up avec les résultats de cet ajustement.

où G∞_{ef f} est le gain effectif quand t → ∞ et G_{ef f}0 est le gain à t = 0. Ce phénomène, appelé charging up, est due à l’accumulation d’électrons sur le FR-4 à l’intérieur des trous d’amplifications. Ceci vient du fait que les lignes de champs peuvent traverser le FR-4, à cause durim. Cette accumulation va peu à

peu modifier le champ électrique dans le trou, jusqu’à ce que les lignes de champ ne traversent plus le FR-4. À ce moment là, le gain est stationnaire. La valeur du temps caractéristique τ_cuva dépendre, pour un design de LEM fixé, du taux de charges arrivant, et donc de la longueur de la zone de dérive et de l’exposition. Dans le cas du 3 L, qui avait une dérive de 21 cm et était exposé aux rayons cosmiques en surface, ce temps était de l’ordre de la demi journée. Il a également été observé que, lors de la décharge d’un LEM, la zone autour de la décharge voit son gain revenir à G0_{ef f}, ce qui veut dire qu’une décharge "nettoie" le LEM des électrons accumulés sur le FR-4 autour de la zone de décharge (quelques centimètres carrés). Lecharging up diminue le gain en diminuant le champ d’amplification. Le gain en

fonction de l’amplification étant exponentiel, il est attendu que le rapport entre le gain avant et après

charging up augmente avec le champ d’amplification. Dans le papier du 3 L de 2014, trois mesures

de gain ont été faites aprèscharging up. Un ajustement à ces données du gain attendu (3.4) permet,

avec l’ajustement du même gain aux données avantcharging up, d’estimer la variation de ce rapport

avec le champ d’amplification. La Figure 3.16 montre le résultat de cet ajustement, qui est utilisé en sous-section 5.4.4 pour comparer les résultats du 3 × 1 × 1 m3à ceux du 3 L.

Le prototype de 3 L a utilisé ces mesures de gains pour déterminer les caractéristiques optimales des LEMs. Il a montré qu’à une tension d’amplification fixée, une épaisseur plus grande de FR-4 correspond à un temps de charge τcu plus grand. Une disposition hexagonale des trous permet d’atteindre des

gains plus grands qu’une disposition en carrés. Un diamètre des trous plus grand permet une meilleure stabilité en tension du LEM durant une exploitation de plusieurs jours, mais implique une baisse plus importante du gain durant lecharging up du LEM. La même étude a déterminé la géométrie des anodes

permettant un partage équitable de la charge entre les deux vues, facilitant la reconstruction, tout en réduisant la capacitance et donc le bruit électronique sur les canaux de lecture. Une asymétrie entre les vues de 0,7 % et une capacitance de 140 pF m−1(correspondant à un bruit électronique de 1240 électrons sur des canaux de 1 m) ont été atteintes par le modèle de l’anode présentée en Figure 3.15. Les caractéristiques des LEMs et des anodes sont résumées dans le Tableau 3.1.