Les d´ etecteurs gazeux ` a micro-pistes (MPGD)

Les MPGD ont vu le jour grˆace `a deux ´etapes essentielles : la miniaturisation de l’anode et la s´eparation des zones de d´erive et d’amplification, qui avant se faisaient dans le mˆeme espace.

Miniaturisation de l’anode

Cette premi`ere ´etape s’est faite notamment grˆace aux d´eveloppements des techniques de la micro-´electronique ainsi qu’aux travaux d’A. Oed qui a d´evelopp´e les chambres gazeuses `a micro-pistes (MSGC en anglais pour Micro-Strip Gas Chamber ) [23]. L’id´ee est de remplacer les fils d’anodes des chambres `a multi-fils par des pistes de cuivre faites par photolithographie sur un support d´edi´e (g´en´eralement un isolant de type circuit imprim´e). L’espacement entre les pistes, comme le montre la figure 4.9, est nettement r´eduit par rapport `a une chambre multi-fils, ce qui am´eliore significativement la r´esolution spatiale de ce d´etecteur (autour de 30µm). De plus l’alternance entre les diff´erentes pistes d’anode et de cathode permet d’obtenir un champ ´electrique tr`es ´elev´e au niveau des pistes d’anode et donc de permettre le d´eveloppement d’avalanches pr`es de l’anode. Ceci assure un tr`es bon rapport signal sur bruit, ce qui permet de lire facilement les signaux par une ´electronique de lecture sp´ecialis´ee. En plus de ces tr`es bonnes performances concernant la r´esolution spatiale, les MSGC permettent d’obtenir des gains tr`es ´elev´es (de l’ordre de 1044 <sub>[24]) ainsi que de tr`es bonnes r´esolutions temporelles (10 ns pour des flux de l’ordre</sub>

4.4. La lign´ee Micromegas 86

Figure 4.9 : Sch´ema d’une chambre `a micro-pistes et des lignes de champs. L’alternance entre les pistes d’anode et de cathode g´en`ere un champ intense qui permet l’apparition d’avalanche.

de champs aux bords des anodes, conduisent `a l’apparition de violentes d´echarges qui peuvent nuire aux d´etecteurs. De plus, l’accumulation de charges `a la surface du mat´eriau isolant entraˆıne une importante variation du gain au cours du temps.

S´eparation des zones de d´erive et d’amplification

Cette deuxi`eme ´etape permet de s´eparer en deux zones distinctes la zone de d´erive o`u se produisent les ionisations primaires, et la zone d’amplification o`u ont lieu les avalanches. La zone d’amplification est tr`es petite par rapport `a la zone de d´erive, ce qui fait que la collecte des ions est beaucoup plus rapide. Ainsi l’´ecrantage, qui est la principale cause des temps morts dans un d´etecteur gazeux, est lui aussi r´eduit. Ceci permet aux d´etecteurs MPGD de fonctionner `a des flux tr`es ´elev´es. Il existe de nombreuses mani`eres de s´eparer ces deux zones et de collecter les ions, c’est ce qui diff´erencie les diff´erents d´etecteurs MPGD et en fait une v´eritable famille de d´etecteurs. Actuellement, deux types de d´etecteurs sont principalement utilis´es par les exp´eriences de physique des particules : les d´etecteurs GEM et Micromegas. Le traitement des Micromegas sera fait dans la partie suivante.

Les d´etecteurs GEM (pour Gas Electron Multiplier ) ont ´et´e d´evelopp´es par F. Sauli en 1997 au CERN [25]. Les GEM tirent leur particularit´e d’une fine feuille de di´electrique (g´en´eralement une feuille de kapton de 50µm) recouverte de part et d’autre par deux couches de m´etal (g´en´eralement du cuivre). Cette feuille est trou´ee par photolithographie avec des trous de 70µm espac´es de 140 µm. Une diff´erence de potentiels entre les deux

couches de m´etal de la feuille permet de transformer chaque trou en un compteur proportionnel ind´ependant : les ´electrons cr´e´es par les ionisations primaires vont d´eriver vers la feuille de kapton et ˆetre “aspir´es” par les trous, `a cause de la disposition des lignes de champs, comme le montre la figure 4.10. Les ´electrons se trouvant dans les

Figure 4.10 : Simulation des lignes de champs au niveau d’un trou de feuille de GEM. L’avalanche prend place dans les trous grˆace `a la configuration de ces lignes et du champ ´elev´e qui est g´en´er´e [25].

trous, subissent un fort champ ´electrique, sup´erieur `a 10 kV · cm−1, ce qui leur permet d’initier des avalanches. La plupart d’entre eux sont transf´er´es apr`es le trou. Grˆace `a un champ ´electrique plus faible en sortie de trou, les ´electrons issus de l’avalanche sont guid´es vers l’anode. Quant aux ions, la configuration du champ ´electrique fait qu’ils sont rapidement collect´es par les faces m´etalliques. Grˆace `a ce concept, le gain d’un d´etecteur GEM est directement reli´e `a la qualit´e des trous et insensible `a la forme globale de la feuille, ce qui permet de relˆacher certaines contraintes techniques et autorise les d´etecteurs GEM `a ˆetre facilement produits `a grande ´echelle.

La grande force des d´etecteurs GEM compar´es aux d´etecteurs MSGC r´eside dans le fait que l’anode n’entre pas en jeu pour produire des avalanches. Ceci permet de ne pas appliquer de champs trop ´elev´es au niveau de l’anode et donc diminuer les risques de dommages. De plus, grˆace `a la densit´e ´elev´ee de trous, il n’y a pas ou peu d’accumulation de charges sur les parties isolantes de la feuille de kapton. Le gain est donc peu impact´e et stable au cours du temps. A l’inverse, le principal inconv´enient des d´etecteurs GEM est leur faible gain. Chaque feuille permet d’obtenir un facteur

4.4. La lign´ee Micromegas 88 d’amplification de l’ordre de 10. Afin d’atteindre de plus hauts gains, de nombreux d´eveloppements ont ´et´e r´ealis´es afin de cr´eer des d´etecteurs GEM avec plusieurs feuilles successives qui vont chacune jouer le rˆole de pr´e-amplificateur. Grˆace `a ce dispositif, le gain total peut atteindre des valeurs de l’ordre de 105.