ULTIMATE : MIMOSA-28

L’état de l’art des capteurs CMOS pour la physique des particules est représenté par

le capteur MIMOSA-28 alias ULTIMATE [55]. Ce capteur est illustré en figure 2.6. Il

s’agit du premier capteur à être intégré dans une expérience de physique des particules, à savoir STAR à RHIC. Ce capteur constitue la dernière étape dans le développement d’un capteur pour équiper les deux premières couches (STAR-PXL) du détecteur de vertex de l’expérience STAR : le Heavy Flavour Tracker (HFT).

ULTIMATE est composé d’une matrice de 928 (lignes) × 960 (colonnes) pixels et

est doté d’un pas inter-pixel de 20.7 µm. Le capteur mesure 20.22 mm × 22.71 mm2 et

(a) Schéma de MIMOSA-28.

(b) Photo d’un capteur MIMOSA-28.

Figure 2.6 – Représentation du capteur MIMOSA-28 alias ULTIMATE.

binaire (plus une sortie secondaire analogique beaucoup plus lente réservée aux tests en laboratoire) et d’un circuit de suppression de zéro. La lecture des pixels s’effectue grâce à l’architecture en volet roulant et la durée d’intégration est inférieure à 200 µs. Le capteur est conçu pour une tenue aux radiations de 150 kRad de dose ionisante et une fluence de

3 × 10¹²neq/cm² à sa température de fonctionnement de 35 ℃. Côté budget de matière,

ce capteur peut être aminci à une épaisseur de 50 µm,

Côté performances, ULTIMATE offre une efficacité d’environ 100 % pour un taux

d’impacts fantômes inférieur à 10−5 et permet une résolution spatiale inférieure à 4 µm.

La figure 2.7 illustre l’efficacité et le taux d’impacts fantômes en fonction du seuil des

discriminateurs, le tout pour différents types d’irradiations.

ULTIMATE, équipe depuis fin 2013 le premier détecteur de vertex basé sur les cap-teurs à pixels CMOS. Nommé STAR-PXL, ce détecteur de vertex est confectionné à partir de deux couches cylindriques, de rayon 2.5 et 8 cm. Il est constitué de 40 échelles comportant chacune 10 capteurs MIMOSA-28, soit d’environ 370 MP ixels. Le budget de matière pour chaque échelle s’élève à 0.37% X0. La première année de prise de don-nées a permis d’améliorer la significance du signal provenant des mésons D0 d’un facteur proche de 4.

2.1.6 Conclusion

Dans cette section nous avons vu que les capteurs CMOS sont de bons candidats pour les détecteurs de vertex du futur et en particulier pour celui de l’ILD. Ils offrent en effet, une très bonne résolution spatiale pour un budget de matière réduit. De plus les nombreux développements axés sur la vitesse de lecture, la tenue aux radiations et la puissance dissipée permettent de proposer des capteurs CMOS répondant aux exigences du cahier des charges du détecteur de vertex de l’ILD. L’intégration de ces capteurs constitue une étape de plus vers la réalisation d’un tel détecteur. Afin de tester les capteurs CMOS du futur et l’intégration de ces capteurs CMOS, un télescope en faisceau de grande précision et de grande surface est requis. Ce télescope devra voir le jour sous l’égide du projet européen AIDA (Advanced European Infrastructure for detectors at Accelerators).

2.2 AIDA : Advanced European Infrastructure for detectors

at Accelerators

Comme nous l’avons vu le détecteur de vertex pour l’ILD demande une précision sur le paramètre d’impact encore inégalée. Pour évaluer et développer les performances des prototypes de capteurs pixélisés pour l’ILD, un télescope de grande surface doté d’une grande précision permettra de réaliser des tests en faisceau d’un secteur de détecteur de vertex. Fort du succès du télescope EUDET, le projet AIDA s’enrichira d’un nouveau télescope en faisceau qui permettra un nouveau pas vers la réalisation des détecteurs du futur.

2.2.1 Work Package 9.3 : Precision Pixel Detector Infrastructure

Afin d’évaluer les performances et dans le but de développer les détecteurs de parti-cules de demain, des tests en faisceaux de ceux-ci sont nécessaires. Pour les détecteurs participant à la trajectométrie, il faut pouvoir identifier des traces dans le but de tester

avant la cible. Les impacts sur la cible provoqueront des vertex dont les traces associées se repartiront notamment sur la boite AID. Ainsi, la boite AID permettra non seulement la reconstruction des vertex mais aussi l’étude de l’alignement des échelles double faces. Afin de répondre aux différents besoins, le bras de télescope sera interchangeable, et plusieurs capteurs de technologies différentes pourront l’équiper. Le choix de la techno-logie pour ce premier bras de télescope sera fait selon les besoins de l’utilisateur. Les pixels hybrides utilisés par l’expérience ATLAS nommés FE-I4 permettront une vitesse de lecture équivalente à celle du LHC (de l’ordre de 25 ns), les capteurs TimePix per-mettront un étiquetage temporel encore meilleur (≈ 10 ns) avec une bonne résolution spatiale, enfin les super-plans SALAT développés dans le groupe PICSEL offriront une

grande surface (4 × 4 cm2), une résolution spatiale accrue de l’ordre de 3.5 µm, pour un

temps de lecture d’environ 200 µs et un budget de matière réduit (capteurs amincis à 50 µm).

2.2.2 SALAT

SALAT est un télescope conçu par le groupe PICSEL pour constituer le premier bras du télescope AIDA. Il croisera ainsi le faisceau en premier. SALAT sera composé de 3 super-plans de grande surface et de grande précision. Cette grande surface est nécessaire pour fournir une reconstruction des traces issues d’un large faisceau afin de pouvoir fournir une large zone d’impacts sur la cible ou sur la boîte AID (sans cible).

Chacun des trois super-plans SALAT possède une zone sensible mesurant 4 ×3.8 cm2

et une résolution spatiale de l’ordre de 3.5 µm. Chaque super-plan est lui même composé

de 4 capteurs MIMOSA-28 (voir section 2.1.5). Le temps de lecture de chaque

super-plan est ainsi équivalent à celui de MIMOSA-28, et vaut environ 200 µs. Les 4 capteurs d’un super-plan sont collés sur une feuille de Mylar préalablement tendue (plus grande rigidité) d’une épaisseur d’environ 50 µm. Le super-plan possède ainsi une longueur de radiation de X0 = 28.7 cm (environ 3 fois celle du silicium).

Nous allons numéroter les capteurs de 1 à 4. La face avant du super-plan est définie

par la figure 2.10. C’est cette face qui sera touchée en premier par le faisceau lors des

tests en faisceau. Si l’on prend un axe Oz perpendiculaire au super-plan et passant en son centre au point O défini au milieu de la feuille de Mylar, la face avant du super-plan est définie par des coordonnées z négatives et la face arrière par des coordonnées z positives. Les capteurs numérotés 1 et 4 sont alors situés sur la face avant (z négatifs) du super-plan. Sur cette face, le capteur 1 se situe en bas à gauche et le capteur 4 est placé en haut à droite. Les capteurs 2 et 3 sont collés à la face arrière du super-plan (z positifs). Le capteur 2 se situe en bas à droite alors que le capteur 3 se situe en haut à

gauche lorsque l’on regarde le super-plan par la face avant (voir figure 2.10).

La figure 2.10 montre la géométrie pour les deux plans de la face avant et montre la

position des capteurs 2 et 3 situés sur la face arrière du super-plan. Les axes X et Y et l’origine O sont définis sur cette figure. Comme indiqué sur cette même figure les capteurs 1 et 3 et 2 et 4 ont une zone de recouvrement selon l’axe Y de 60 µm. Les capteurs 1 et 2

Figure2.12 – Photographie d’une échelle PLUME.

Le projet PLUME permet d’étudier la faisabilité technique de ce type d’échelles et permet d’explorer la valeur ajoutée des échelles double faces. Lorsqu’une particule chargée traverse l’échelle, un coup par face est créé dans une fenêtre temporelle réduite. L’asso-ciation de ces deux coups forme un mini-vecteur. Ce type d’objet pourrait permettre une meilleure association trace-impact et fournir une nouvelle méthode d’alignement pour des échelles double face composant une couche de détecteur de vertex.

Un prototype d’échelle PLUME a ainsi été testé en Novembre 2011 au SPS. L’objectif de ces tests en faisceaux était la validation et la caractérisation de la première échelle PLUME ainsi que le gain apporté par les mini-vecteurs sur la résolution spatiale. Nous livrerons les résultats de ces tests en faisceau dans le prochain chapitre.

2.2.5 AID Box

La boite AID (Alignment Investigation Device) du télescope AIDA accueillera un secteur de détecteur de vertex composé d’un système d’échelles de capteurs. Ainsi, des échelles double face de capteurs pourront être testées en condition réelles. En particulier, des échelles PLUME pourront être utilisées dans la boîte AID. Ce secteur de détecteur de vertex servira à l’étude de l’alignement et de la trajectométrie. En particulier, il permettra des études basées sur des échelles double face PLUME. Le passage du faisceau à travers la cible engendre des vertex qui pourront être reconstruits grâce aux traces reconstruites associées aux vertex dans la boîte AID. Des études d’alignement entre échelles double face adjacentes ou entre les différentes couches d’échelles pourront être entreprises. Elles permettront en particulier de valider les techniques d’alignement basées sur les mini-vecteurs développées dans cette thèse. La trajectométrie pourra de plus être étudiée, qu’elle soit basée sur les mini-vecteurs ou sur des techniques plus traditionnelles. Nous étudierons dans cette thèse des configurations basées sur des échelles double face PLUME.

Figure2.13 – Une des représentations possible pour la boite AID.

2.3 Conclusion

Au cours de ce chapitre nous avons relaté les caractéristiques des capteurs CMOS développés par le groupe PICSEL pour l’ILD mais aussi pour différents télescopes en faisceau. Nous avons ensuite décrit le projet du télescope en faisceau AIDA qui permettra le développement des trajectomètres de demain. Nous avons alors mentionné les apports du groupe PICSEL à la conception de ce télescope. Nous avons notamment décrit les échelles double face PLUME et le bras de télescope SALAT. L’objectif de cette thèse se place dans le développement d’un algorithme d’alignement développé autour du concept de mini-vecteurs. Comme nous l’avons vu la reconstruction de mini-vecteurs est permise par le concept d’échelles double face. Dans le prochain chapitre de cette thèse nous présenterons les résultats des tests en faisceau d’une échelle PLUME et d’un super-plan SALAT. Puis nous nous focaliserons sur la conception d’une simulation numérique d’échelles double face de type PLUME. Enfin, dans le dernier chapitre, nous utiliserons nos simulations d’échelles PLUME pour réaliser une méthode d’alignement d’échelles double face successives placées sur une même couche de détecteur de vertex, grâce aux mini-vecteurs reconstruits à l’intérieur de leur zone de recouvrement.

Chapitre 3