2.3 Les radiations au niveau du dete teur ATLAS
Legrandnombrede ollisions,departi ulesemisesetleursintera tionsdansles alorimetres sont la ause d'une grandesour e de radiations. Un grandnombre de parti ules est pro-duitaupointd'intera tionaunefrequen eelevee. Cettesour eva reerunenvironnement radiatif assez severe pour les dete teurs. Les radiationsendommagent les materiaux qui onstituentlesmilieuxa tifsetpassifsdedete tionainsiquel'ele troniquedele turedans lesdi erentes partiesdudete teur ATLAS;ilestdon primordiald'evaluerleurtenue aux radiations.
2.3.1 Niveaux de radiation attendues
Di erentes etudes sont menees dans e domaine. Le ux des parti ules est estime en se basantsur plusieursprogrammesde simulation. Il s'agitde genererdes evenements stan-dardsduLHC(evenementsdebiaisminimum)etdesimulerlesintera tionsdesparti ules produites ave la matiere du dete teur ATLAS. Plusieursdetails sont presentes dans les referen es [9, 14, 16, 17, 18℄. La gure 2.8 presente les niveaux des doses radioa tives umulees par an, a haute luminosite pour le dete teur interne et les alorimetres. Les niveaux de radiationdiminuent en 1/R
2
par rapport al'axe des fais eaux et augmentent ave jj. Les dete teurs et leur ele tronique sont pla es pres du point de ollision des fais eaux, entre quelques dizaines de entimetres et quelques metres. Dans e volume doivent exister des milliers de dete teurs, d'ampli ateurs et de systemes ele troniques, pendant une duree de vie de 10 ans ave une probabilitede rempla ementnulle.
Les neutrons sont produits dans les alorimetres et di usent dans tout le dete teur. Leur energieest d'environ 1MeVetle ux orrespondantest relativementhomogene. Le tableau 2.5 pre ise l'environnement radiatifdans quelques regions du dete teur ATLAS: les doses annuelles etles uen es neutroniques (E
n
>100 keV).
Les materiaux organiques ommeles plastiques etles gaines des ^ables sont sensibles
a des doses umulees deposees par les neutrons et lesparti ules hargees. Lesmateriaux omme les semi- ondu teurs en sili ium, qui onstituent une partie du dete teur interne d'ATLAS, ont leur stru ture ristalline dire tement endommagee par les neutrons. Les e ets des radiationssur les materiaux et les dete teurs vont ^etre dis utes dans les deux
Figure 2.8: Doses annuelles integrees (Gy/an) aux di erentes positions du dete teur ATLAS.
Dete teur Dose (KGyan
1
) Fluen e neutronique (neutron/ m 2 an) Pixel 34 1.610 13 SCT (tonneau) 15 1.010 13 SCT (avant) 10 1.610 13 TRTtonneau 2.5 6.310 12 TRTbou hons 4.7 1.310 13 Calor. EM (tonneau) 0.6 1.510 13
Barreltile alor. 0.020 1.6 10
12 EB tile alor. 0.036 2.010 12 Barrel/EB rak 0.025 1.010 12 Calor. EM (bou hons) 53 4.110 14
Calor. HAD (bou hons) 12 6.110
14
Calor. avant 2300 1.010
16
2.3.2 E ets sur les materiaux
Nous ommen ons d'abord e paragraphepar une introdu tionsur les proprietesde base des materiaux, puis nous developpons les e ets des radiationssur es materiaux.
Engeneral,lesmateriauxsolidesdesignentlesmetaux,les eramiquesetlespolymeres. Unmateriaupolymeriqueapourbaseunpolymereave d'autresadditifs. Unpolymereest une ma romole ule onstituee de larepetitiond'unestru ture de basedite monomere qui determine letype depolymereetdon ses proprietes himiques. Lesproprietesphysiques et me aniques sontautant determinees par son degre de polymerisation,la longueur des ha^nes, la ristalinite,quepar ses elements de base et saformule himique.
Les materiaux polymeriques ontiennentegalementdivers elements qui peuvent modi er leurs proprietesphysi o- himiqueset me aniques, ommelesstabilisateurs, les olorants, les prote tions ontre le feu et les dur isseurs. Les fa teurs himiques ou physiques qui alterentles ha^nespolymeriquesmodi entlesproprietesdumateriau. Parmi esfa teurs, nous itonsl'oxydation,leshautesoubasses temperatures, les ontraintes me aniquesou
ele triques etles radiations ionisantes.
Apres des irradiations suÆsamment longues, la stru ture des polymeres purs peut ^
etre a e tee selon quatre me anismes [19℄: la s ission ou degradation par rupture de la ha^nepolymerique,lareti ulationoulaformationd'unlien himique entre deux ha^nes, l'insaturationparformationd'unedoubleliaisondansla ha^neetlaformationdegazpar rupture etrea tion d'uneterminaison. L'e et de l'irradiationest quanti e en utilisantle fa teur G, qui est le nombre d'evenements pour une absorptiond'energie de 100 eV.
Souvent,des additifset des harges sontajoutesaux polymerespurs, pourdi erentes raisons. Parexempleonajoute, des hargesorganiquesa ertaines resines thermodur iss-ables, des omposesaliphatiques aux resines polysters ouepoxydes pour augmenter leur exibilite, des harges minerales omme les bres de verre pour augmenter la resistan e auxradiations. Lesisolantsde ^ables ontiennentsouvent des harges mineralesanti-feu. Les elements qui ameliorent leplus laresistan e aux radiationssont lesstabilisateurs de type antioxydant [19℄.
Les tests de resistan e me anique aux radiationssont egalement ne essaires. Ils sont faits selon des normes internationales, qui de nissent le type des tests me aniques a ef-fe tuer et les methodes d'evaluation des degradations. Deux tests sont prin ipalement pratiques: le test de tra tionet le test de exion. Les proprietes testees pour la tra tion sont l'elongation a la rupture, la resistan e a la rupture et le module d'elasti ite. Pour le test de exion, les proporietestestees sont laresistan e en exion, la deformationa la
apres irradiation d'un ompose a base d'epoxyde (R 423) et d'un lamine renfor e a la bre de verre (R 525) [20℄. Les gures 2.9 et 2.10 montrent l'evolution des proprietes me aniques(resistan e et deformation)en fon tion de la dose absorbee en MGy.
Ces testsme aniquessontfaitssoitadestemperatures ambiantes soitdans des ondi-tions ryogeniques. En general, laresistan e me aniquedes materiaux (rupture, module de Young, limiteelastique)et leur durete s'ameliorent en abaissant la temperature, mais ertainsmateriaux y sontfragiles.
Au CERN, plusieurs programmes de tests aux radiations ont permis d'evaluer le temps de vie et le omportement me anique des materiaux et des omposants dans l'environnement radiatif des a elerateurs de parti ules a haute energie [20℄, dont la plupart sont a base de polymeres. Souvent, es tests ont ete faits aupres du rea teur nu leaire ASTRA a Seibersdorf en Autri he. Parmi les elements les plus importants et les plus exposes aux radiations dans le LHC, nous trouvons les ele tro-aimants, leurs bobines, les elements d'a elerations, les ^ables ele triques et evidemment les dete teurs installes pour la physique du LHC. Les resultats de di erents tests sont presentes dans lesreferen es [8,14, 15, 21℄.
Figure 2.10: E et des radiationssur le omposite R525.
2.3.3 E ets sur les dete teurs
Le omportement d'un dete teur est relie a un ensemble de fa teurs: type de parti -ules, energie, ux, type de materiau,type de dopage,et . Les prin ipauxdommages des dete teurs sont d^us auxneutrons, protonset pions; aussi ela depend des uen es. Pour lesmateriauxsemi- ondu teurslesdommages ausespar lesradiationssontleresultatdes depla ements d'atomes du reseau ristallin (e et non-ionisant) et l'ionisationqui resulte des intera tions des parti ules hargees ave les ele trons des atomes. La ollision d'un neutron in ident sur un ristal provoque un atome de re ul primaire qui genere a son tour des atomes de re ul se ondaires. Ainsi la qualite du ristal se degrade par forma-tion des la unes et des atomes intersti iels. Les dommages sont fon tion de l'energie des neutrons in idents. La diminution de la densite des porteurs majoritaires qui en resulte se traduit par une augmentation des porteursminoritaires etegalementune aug-mentation des resistan es internes des omposants ele troniques, d'ou une variation des ara teristiquesele triques.
Lesneutrons introduisent:
une modi ationde laduree de viedes porteurs minoritaires.
Le alorimetre ele tromagnetique du
dete teur ATLAS
3.1 Prin ipes de alorimetrie
3.1.1 Introdu tion
Dans les experien es de la physique des hautes energies, les alorimetres ont onnu un developpement roissant. Ilssont onstituespar desblo ksde matiere d'epaisseur impor-tante dans lesquels une parti ulein idente depose presque la totalite de son energie par intera tionave lamatiere. Late hnique de alorimetriepermetladete tionetlamesure de l'energie,lapositionspatiale,ladire tionetdans ertains as lanaturede laparti ule primaire. Les avantages des alorimetres sont:
La possibilte de onstruire des dete teurs de grandes dimensions permettant une absorption omplete de laparti ulein identede treshauteenergie. Lesdimensions augmententde fa on logarithmique ave l'energie.
Lesmesures alorimetriquessontbaseessurl'e hantillonnagestatistiquedel'energie desparti ules, ainsilapre isiondes mesures estd'autantmeilleurequel'energiedes parti ules in identes est elevee.
Les alorimetres sontsensibles auxparti ules hargees et neutres, a l'ex eption des neutrinos et des muons.
Les alorimetressont nementsegmentesenpetites ellulespouranalyseretmesurer ave une grande pre isionles positions etles anglesdes parti ules in identes.
ave les onstituantsdu milieu. Les photons, lesele trons et les positrons deposent plus fa ilement leur energie a faibleprofondeur. Les hadrons de hauteenergie penetrent plus profondement la matiere. Cette di eren e de omportement permet de distinguer les hadrons des photons et des ele trons (positrons) et aussi le type de alorimetre asso ie. Dans e hapitrenous nous interessons auxme anismes d'intera tionele tromagnetique.
3.1.2 Developpement des gerbes ele tromagnetiques
Lepassaged'uneparti ule hargee danslamatierefaitintervenirplusieursme anismesde perted'energie. Lesphotons perdent leurenergiepar laprodu tiondepaires, ladi usion Compton et l'e et photoele trique. Les ele trons et les positrons perdent leur energie essentiellement par le rayonnement de freinage ou rayonnement dit Bremsstrahlung et l'ionisation. L'importan e relative de es di erents pro essus est liee prin ipalement a l'energie de la parti uleetau nombre atomique (Z) du milieu.
Lesintera tionsele tromagnetiquesdesparti ules hargeesave lamatieresederoulent en une serie d'intera tions qui produisent des parti ules se ondaires, quivont aleur tour interagiret produire de nouvelles parti ules et ainsi de suite jusqu'a e que l'energiedes parti ules in identessoitabsorbee ouquittentledete teur. Ladegradationsu essivedes parti ulesprimairesprovoqueledeveloppementd'unegerbede parti ulesse ondairesdite gerbeele tromagnetique.
Ledeveloppementde ettegerbedependde ladensiteele troniquedu milieutraverse. Le hoixdesmateriaux onstituantle alorimetreestfondamental. Lespremieresepaisseurs du alorimetre sont onstituees de materiaux lourds omme le plomb ou l'uranium dans lesquelles sedeveloppent lesgerbes. Lepouvoirabsorbantest ara terisepar lalongueur de radiationX
0
et l'energie ritique "
. Ces parametres permettent de de rire la propa-gation des ele trons et des photons dans un absorbant. Lalongueur de radiation X
0 est introduite omme unite ara teristique du developpement longitudinal de la gerbe. Elle est de nie omme la distan e ne essaire a un ele tron de haute energie pour perdre en moyenne 63.2 % (1-1/e) de son energie par Bremsstrahlung dans le milieu traverse. La longueur de radiationest donnee en premiere approximation par:
X 0 = 180 A Z 2 (g= m 2 ) (3.1)
AestlenombreatomiquedumilieutraverseetZson numeroatomique. L'epaisseurtotale est hoisiedefa on quelesparti ulesdeposenttouteleurenergiedansle alorimetre. Une
epaisseur de 27X 0
est onsideree suÆsante pour arr^eter une gerbe ele tromagnetique de quelques dizainesdeGeV.Dansle asdel'ionisation,laperted'energiediminuepour
ten-augmenteave l'energiedel'ele tron. Ilexisteuneenergiepourlaquellelespertesd'energie par l'un ou l'autredes deux pro essus sontequivalentes, 'est l'energie ritique "
. Cette quantite est aussi une ara teristique importantedu milieutraverse par lesele trons.
" = 610 Z+1:24 (MeV) (3.2)
Ledeveloppementlaterald'unegerbeele tromagnetiqueest ara teriseparlerayonde Moliere R
M
, al ule apartir du libre par ours moyen des ele trons. Lerayon de Moliere R
M
est donne par la formule:
R M = X 0 " 21:2 MeV (3.3)
Le rayon de Moliere est un parametre important a onsiderer dans l'optimisation des dete teurs. Enmoyenne,99% d'unegerbeele tromagnetique est ontenue dans un ylin-dre de rayon 3.5R
M .
3.1.3 Calorimetre a e hantillonnage
Nous distinguons deux types de alorimetres (voir la gure 3.1). Les alorimetres ho-mogenes onstituesd'un blo d'uneseulematierepour lemilieua tifetl'absorbantetles alorimetres inhomogenes onstitues de ou hes d'absorbeurs passifs en alternan e ave des ou hes de materiaux a tifs de nature di erente. Ce dernier type de alorimetres est dit a e hantillonnage; il se ara terise par le terme d'e hantillonnage a, qui de nit le rapport de l'energie deposee par les parti ules au minimum d'ionisation (mip) dans la partie a tivesur l'energietotale deposee dans la ellule:
a = l a tive :(dE=dx) a tive l a tive :(dE=dx) a tive +l passive :(dE=dx) passive (3.4) (dE/dx) a tive et(dE/dx) passive
sontrespe tivementl'energiedeposeeparunitedelongueur auminimumd'ionisationdans une ou he a tiveetune ou he passivede largeur respe -tive l
a tive et l
passive .
La resolution en energie dans un alorimetre a e hantillonnage est dominee par les u tuations sur la perte d'energie dans les ou hes a tives. Le terme de u tuation statistiqueest donne par:
E E / r l passive E in (3.5)