Principales caractéristiques de ProtoDUNE-DP

ProtoDUNE-DP est une LArTPC double-phase contenue dans un cryostat maintenant l’argon liquide à 87.4 K. Les principales caractéristiques du détecteur sont résumées dans le tableau 3.2. Une coupe verticale du détecteur est présentée sur la figure 3.3, et les principaux composants de la TPC sont présentés sur la figure 3.4.

Différents volumes

Volume Hauteur × Longueur × Largeur Masse de LAr

(m3) (t)

Interne 7.900 × 8.548 × 8.548

LAr 7.385 × 8.548 × 8.548 750

GAr 0.515 × 8.548 × 8.548

LAr actif 6 × 6 × 6 300

Collection de charges et de photons

Charge Nombre de canaux de lecture 7680

Lumière Nombre de PMTs 36

Table 3.2 – Principales caractéristiques de ProtoDUNE-DP.

Le cryostat est basé sur la technologie des cryostats à membrane utilisés dans le cadre du transport et du stockage de gaz liquéfié. Il est composé de panneaux de mousse de polyuréthane renforcée, d’une épaisseur de 1 m, assurant l’isolation thermique, recouverts d’une membrane ondulée en acier inoxydable de 2 mm d’épaisseur. Le haut du cryostat est fermé par une plaque en acier inoxydable de 100 mm d’épaisseur. La figure 3.5 présente deux photographies prises lors de la construction du détecteur, montrant la membrane interne du cryostat ainsi que l’extérieur du détecteur. Le cryostat est entouré de parois en acier, maintenues par une armature d’acier visible la figure 3.5 (armature rouge sur la figure de droite).

Le volume interne du cryostat est d’environ 7.9 × 8.5 × 8.5 m3 (inner vessel). Le cryostat est rempli principalement d’argon liquide, sur une hauteur de 7.4 m, ce qui donne une masse totale d’argon liquide d’environ 700 t, et d’argon gazeux sur les 0.5 m restant. La partie instrumentée du détecteur, qui est soumise à un champ électrique et dans laquelle les électrons d’ionisation vont dériver, couvre un volume de 6 × 6 × 6 m3, soit une masse active de 300 t. La collection de charges est assurée par 7680 canaux de lecture dans le CRP en haut du détecteur, et la collection de la lumière de scintillation par 36 PMTs en bas du détecteur. Une description des systèmes de collection de charges et de lumière sera donnée dans les sections3.2.2et 3.2.3.

Un champ électrique de dérive de 0.5 kV/cm est maintenu dans le volume actif d’argon liquide. Il est crée par une cathode, placée en bas du volume et le CRP placé en haut du détecteur. La cathode est maintenue à une tension de -300 kV. Elle est constituée de tubes en acier inoxydable de 20 mm de diamètre espacés de 105 mm. Ces tubes sont enchâssés dans un support, également en acier inoxydable, composé de tubes creux rectangulaires de 40 mm de haut et 200 mm de large. Les bordures extérieures du support sont composées de tubes d’un diamètre de 40 mm formant un carré aux bords arrondis. La structure totale (la cathode et son support) a une hauteur de 240 mm, et forme un carré de 6230 mm de côté. Elle est divisée en 4 modules identiques d’un volume de 3115 × 3115 × 240 mm3. La figure3.6

Figure 3.3 – Coupe verticale du détecteur ProtoDUNE-DP. Le schéma provient de [118], et les dimensions correspondent au design initial du cryostat. Les dimensions les plus récentes peuvent être trouvées dans la référence [141].

Nous verrons dans le chapitre 6 que la présence du support, ainsi que le diamètre des tubes, ont un impact majeur sur la transparence de la structure totale, et réduisent considérablement la quantité de photons collectés par les PMTs.

L’uniformité du champ électrique est assurée par une cage visible sur la figure 3.4, qui entoure le volume actif. Dans le design le plus récent, elle est constituée d’une superposition de 98 profilés creux d’aluminium espacés de 60 mm. Ils sont assemblés en 8 modules d’une surface de 6238×3017 mm2[141]. Dans les designs précédents, cette cage était constituée de 60 tubes en acier inoxydables (à la place des profilés) d’un diamètre de 69 mm [118]. Nous verrons dans le chapitre 4que c’est ce design initial qui a été utilisé pour les simulations réalisées au cours de cette thèse.

3.2.2 Système de collection de charges

La collection de charges est assurée par le CRP installé en haut du détecteur. Afin de couvrir une surface de 6 × 6 m2, correspondant à la surface active de ProtoDUNE-DP, le CRP est divisé en 4 modules couvrant une surface de 3×3 m2 chacun. Ces modules sont composés d’un support, lui-même composé de deux ossatures en invar et en G10, sur lequel sont fixés les plans d’anode et de LEMs, puis la grille d’extraction. La distance entre la grille d’extraction et le bas des LEMs est de 10 mm.

6

m

PMTs Charge Readout Planes

Ground grid Cathode

Figure 3.4 – Schéma des principaux composants de ProtoDUNE-DP [141].

Figure 3.5 – Construction du cryostat de ProtoDUNE-DP à la plateforme Neutrino du CERN, vue de l’intérieur du cryostat (gauche) [142] et de l’extérieur (droite).

Le niveau d’argon liquide devant toujours se trouver entre ces deux éléments, le CRP est attaché à un système de suspension chargé d’adapter en permanence la hauteur du CRP au niveau du liquide. La figure 3.8 présente un schéma de ces 4 modules, et le tableau 3.3 résume les distances entre les différentes électrodes du CRP, ainsi que les champs électriques appliqués entre elles et leurs valeurs nominales.

Figure 3.6 – Schéma des 4 modules formant la cathode de ProtoDUNE-DP et la structure la supportant [141].

Figure 3.7 – Disposition des tubes en acier inoxydable de la cathode de ProtoDUNE-DP. La partie supérieure du support des tubes est visible en bleu.

La grille d’extraction est formée de deux plans perpendiculaires de fils en acier inoxydable. Ces fils ont un diamètre de 100 µm et sont espacés de 3.125 mm. Les LEMs et les plans d’anode sont assemblés en « sandwiches ». Chaque module contient 6 × 6 sandwiches d’une surface de 50 × 50 cm2. Les LEMs sont constitués de plaques de 1 mm d’épaisseur, percées de trous de 500 µm de diamètre espacés de 800 µm selon un arrangement hexagonal. La densité de trous obtenue est d’environ 180 trous/cm2. Enfin, les plans d’anode sont formés de plusieurs couches de circuits imprimés. Les canaux de lecture sont formés par des pistes de cuivre recouvertes d’or, de 0.1 mm de large et espacées de 1.56 mm. Elles

Figure 3.8 – Schéma des 4 modules du CRP de 3 × 3 m² couvrant une surface active totale de 6 × 6 m2 [141]. Les plans d’anode sont visibles (jaune), ainsi que l’ossature en G10 (vert) et le support en invar (gris).

Champ électrique Distance Valeur nominale du champ

(mm) (kV/cm)

LEMs − Anode Induction 2 5

LEMs Amplification 1 30

Grille d’extraction − LEMs Extraction 10 2

Table 3.3 – Distances et champs électriques appliqués entre les différentes électrodes du CRP.

sont arrangées en une structure étudiée pour former deux vues indépendantes (en x et en y) ayant une résolution de 3.125 mm, et obtenir une répartition équitable de la charge entre ces deux vues. La figure3.9présente une photographie du CRP de ProtoDUNE-DP sur laquelle la grille d’extraction et les LEMs sont visibles. La figure 3.10présente un zoom sur les plans d’anode, ainsi qu’un schéma de la structure des différentes pistes.

3.2.3 Système de détection des photons

Le système de détection des photons de ProtoDUNE-DP est composé de 36 PMTs, installés en bas du détecteur, et d’une grille de masse chargée de les protéger de la haute-tension appliquée sur la cathode. Cette grille est placée quelques centimètres au-dessus des PMTs, et à environ 1 m des tubes de la cathode. L’espace entre le bas du support de la cathode et de la grille est de 700 mm. La figure3.11 présente une coupe verticale détaillée des différents éléments installés en bas du détecteur. Nous verrons dans le chapitre 6 que ces éléments, en particulier le support de la cathode et la grille de masse, ont une influence importante sur la quantité de lumière collectée par les PMTs.

La grille de masse protégeant les PMT est constituée de fils en acier inoxydable de 2 mm de diamètre, enchâssés dans un support constitué de tubes rectangulaires de 40 mm de haut et 20 mm de large similaires à ceux utilisés pour le support de la cathode. La bordure extérieure de la grille est similaire

Figure 3.9 – Photographie du CRP de ProtoDUNE-DP (gauche) sur laquelle la grille d’extraction et les LEMS sont visibles, et détail des LEMs (droite) [118].

Figure 3.10 – Photographie du détail des pistes des plans d’anode (gauche), et schéma des deux vues indépendantes formées par ces pistes (droite) [118]. La vue 1 est en rouge, la vue 2 en blanc, et les connections entre les pistes (de l’autre côté des plans d’anode) sont en gris.

à celle du support de la cathode, constituée de tubes de 40 mm de diamètre. Des piliers en acier inoxydable rattachent cette grille à la membrane du cryostat. Initialement, cette grille devait reprendre la structure inférieure du support de la cathode, et donc couvrir une surface de 5240×5240 mm2. Elle a été ensuite agrandie pour reprendre la structure supérieure du support de la cathode, elle couvre donc finalement une surface de 6230 × 6230 mm2. Les fils de la grille sont soumis à un potentiel identique à celui de la photo-cathode des PMTs, afin de les protéger de la haute tension appliquée sur la cathode. La lumière est collectée par 36 PMTs cryogéniques de modèle R5912-20Mod [143] produit par Ha-mamatsu. Ils sont revêtus d’une couche de TPB, capable de décaler la longueur d’onde des photons de scintillation (λ = 128 nm) vers le spectre de longueur d’onde détectable pas les PMTs (λvis = 435 nm). Notons ici que plusieurs possibilités ont été étudiées concernant l’emplacement du TPB dans le détecteur. L’une d’elles consistait à remplacer les tubes de la cathode par une plaque de PMMA recouverte d’un matériau conducteur et d’une couche de TPB, mais elle n’a finalement pas été retenue pour ProtoDUNE-DP. Nous verrons également dans la section 3.3 de ce chapitre que les PMTs installés dans le pré-prototype 3 × 1 × 1 m3 utilisent deux approches différentes. La solution retenue pour ProtoDUNE-DP est de recouvrir directement les fenêtres des PMTs.

Figure 3.11 – Coupe verticale du bas du détecteur et des composants de ProtoDUNE-DP installés au-dessus des PMTs. La cathode (cyan), le support de la cathode (bleu) et la grille de masse (jaune) sont visibles.

Figure 3.12 – Schéma de la grille de masse protégeant les PMTs de ProtoDUNE-DP [141].

Les PMTs sont fixés au bas du détecteur par des supports en acier inoxydable collés à la membrane du cryostat. Ils sont répartis en bas de la cuve afin de couvrir de manière optimale une surface active de 6 × 6 m2, tout en étant compatible avec les ondulations de la membrane du crysotat. Le travail réalisé au cours de cette thèse a participé à l’étude des différentes possibilités de répartition, à travers l’étude de la quantité de lumière collectée par les différentes configurations de PMTs étudiées. Cette étude, ainsi que les différentes configurations étudiées, seront présentées dans le chapitre 6. La figure 3.13

fixé à son support. La disposition des PMTs finalement retenue pour ProtoDUNE-DP est présentée sur la figure3.14. Le PDS contiendra également un système de calibration destiné à contrôler la calibration des PMTs dans l’argon liquide [143].

Figure 3.13 – Photographie d’un PMT Hamamatsu R5912-20Mod (gauche) [144], et schéma de l’un des PMTs sur son support (droite) [141].

Figure 3.14 – Disposition des 36 PMTs de ProtoDUNE-DP.

Une grande partie du travail de thèse présenté ici a été consacré à l’implémentation des différents composants du détecteur ayant un impact sur la propagation et la collection des photons dans ProtoDUNE-DP, et sur l’étude de cet impact. Une description des composants implémentés dans la simulation sera donnée dans le chapitre4, et les différentes études réalisées sur l’impact du design du détecteur sur la collection de lumière seront présentées dans le chapitre6.