Détection de traces, mesure de la position
Toutes les chambres
Jeudi 19 Nov 98
Rappel Compteur proportionnel
L’avalanche commence à une distance λ de l’anode, λ = nb de longueurs moyens nécessaires pour former l’avalanche
C : Capacité par unité de longueur εε0 : permittivité du vide = 8.85 pF/m
V U r r
r r
CU r r avec C
r r
a
i a
a
i a
==
0==
0==
0
0
2
2 ln /
ln / ln /
ln / πε
πε
πε πε
E r U
r r r
CU
a i
r
( ) == ln
0/ ==
02
01 πε πε
Compteur proportionnel : Multiplication de la charge près de l’anode, proportionnel à U0 Avalanche après E critique Gain = M = Kexp(CU0) K=0.11 10-17 cm2 V-1 pour l’He
Le signal est dû aux ions qui dérivent !!! Ex ri=10µµm,
λλ=1µµm,ra=10mm, seulement 1% du signal dû aux électrons !!
∆∆
∆∆
∆∆
∆∆
u Q
lCU dV
dr dr Q
l r
r
u Q
lCU dV
dr dr Q l
r r u
r
r r
r r
i i
r r
a i i
i i
i i
i a
−− ++
++
++
−−
++
== −− == −− ++
== ==
++
==
++
==
∫∫
∫∫
0 0
0 0
2
2
λλ
λλ
πε πε
λλ
πε
πε λλ
λλ
λλ
ln( )
ln ln( )
/
Multiplication et signal
Effets secondaires
Retour à l’état initial des atomes excités par émission de photons Émission de photoélectrons par effet photoélectrique sur les métaux de la cathode et l’anode: γγ probabilité de processus secondaire
Avalanches secondaires
Si γγ < A
Décharge fatale
γγ 2ème coefficient de Townsend. Il vaut mieux qu’il soit faible
( )
M e e
e
x x e
x
= + + = − x
∞
α α
α
γ 2 .... 1 γ α
Temps de formation du signal
Temps des ions entre le point de formation de l’avalanche et la cathode.
Temps total T de dérive pour r(t)=ra.
Compteur à Argon avec
– ri=10µµm – ra=8mm
⇒ C=8 pF/m
• µµ = 1.7 cm2sec-1 V-1 atm-1
• U0=3000V
⇒ T = 436 µµs !!!! et t0 = 0.68 ns
u t du Q
l r t r w dr
dt
E P
CU P r r dr CU
P dt r t r CU
P t
u t Q
l
CU
r P t Q
l
t
t t r P
CU
t
i
r
r t
i
i
i
i
( ) ln ( ) /
( )
( ) ln ln
== −− == −−
== == ==
== == ++
== −− ++
== −− ++
==
∫∫
∫∫ ∫∫
0 0
0 0
0
0 0
2 0
0
0
0 2
0 0 0
0 2
0 0
2 2
1
2
4 1
4 1
πε πε
µµ µµ
πε πε µµ
πε πε
µµ πε πε πε
πε
µµ πε
πε πεπε
πε πε µµ
T P r r
CU
a i
= πε −
µ
0
2 2
0
( )
Developement en temps
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0
1 27 53 79 105 131 157 183 209 235 261 287
Temps (ns)
-V(t)
Il faut différencier le signal avec RC,
Multiplication et signal
1. L ’électron dérive vers l ’anode 2. Formation de l ’avalanche
3. Électrons et ions crées à la même place ( L ’avalanche s’arrête quand la charge d’ espace des ions réduit le champ)
4. Le nuage des électrons dérive vers l’anode d ’un coté 5. Les ions partent à la cathode lentement
Les électrons sont collectés rapidement par l’anode Le nuage d’ions va dériver lentement vers la cathode :
1ns t
Multiplication et signal
•Proportionnel A~103 - 105 100ns – Quencher
•Semi proport. A~104 - 106 ~µs – Plus de quencher
•Saturé Q~107 e- qqs µs – Gaz quenché
•Streamer limité Q~108 e- 10 µs – Gaz très quenché gros fil
•Geiger limité Q~109 e- qqs 100 µs
•Geiger Q~1010 e- qqs 10 ms
•Etincelles
– N’importe quel gaz
Choix du gaz
A priori n’importe quel gaz peut être utilisé
Le choix est contraint par la situation expérimentale
Taux de comptage élevé, temps de vie, haut gain, longueur d'interaction etc...
Recette : prendre un gaz noble et le mélanger avec une molécule polyatomique
Gaz I0
(eV) W (eV)i
dE/dx MeV/grcm-2
nT
He 24.6 41 1.94 7.8
Ar 15.8 26 1.47 94
Kr 14.0 24 4.60 192
Xe 12.1 22 1.23 307
Formation d’atomes excités et émission de photons d’énergie (ex 11.6 keV pour l’Ar) >
que le potentiel d’ionisation de métaux (7.7keV pour le Cu)
Avalanche secondaire Il faut arrêter les photons
Gaz polyatomiques (n>4) ont de nombreux états de rotation, et vibration. Désexcitation
sans rayonnement
Absorbeurs de photons ! ex : CH4 absorbe 7.9 keV < Eγγ < 14.5 keV
Choix du gaz et vieillissement
L’excès d’énergie est dissipé par collisions successives ou dissociation en radicaux plus simples
Neutralisation à la cathode : polymérisation et la cathode est enveloppé par un isolant mince.
Si le flux de particules à travers le détecteur est grand, un nuage d’ions est formé à la cathode, et des électrons sont arrachés à la
cathode !!!
Avalanches !!!
Destruction du détecteur !!!
D’autres contaminants : ex silicium dans les bulleurs, les vannes ou les tuyaux. Se fixe sur l’anode ou la cathode
Le système de gaz doit être construit avec grand soin Tuyaux en inox, vannes sans graisse ...
Le système de gaz
Craintes et tabous
• Fonctionnement à gaz perdu – Tout le gaz à l'entrée est
évacué ! coût parfois très élevé – Pression stabilisée par un
bulleur à la sortie
• Recyclage. Le gaz est recirculé avec l’aide de
compresseurs peu ou pas de gaz perdu.
– Renouvellement du gaz rapide, 1 volume / shift
– Purification
– Elimination des contaminants – Pression régulée
Chambres proportionnelles
Ensemble de compteurs proportionnels sans murs
Fils de tungstène doré entre 10 et 30µµ tous les 2mm. Distance anode cathode 10mm. La cathode peut être une feuille métallique ou une série de fils.
Gain ~ 105 avec Ar-CO2 ou Ar- isobutane etc…
Généralement mesure de la position seulement et à une dimension
Résolution
Les fils se repoussent par la force électrostatique et il faut une tension suffisante pour éviter les oscillations ~ 50 gr. T tension (N)
Il faut aussi tenir compte parfois de la flèche due à la gravité
s l
Cathode
Fils d ’Anode
12
= d σ
0
4 0T LC
V ≤ s πε
Limitations de chambres à fils
Le champ électrique dépend de la capacité par unité de longueur.
•La résolution est dominée par l’espacement entre fils.
Difficile de faire s < 2mm Il faut tenir la charge par unité de
longueur CU0 constante pour obtenir le même gain
Si s décroît, et par conséquent C, il faut augmenter U0. Le champ E est aussi augmenté, et risque
de décharges.
Il faut aussi une tension sur les fils plus grande, et diminution
du diamètre du fil ! Segmentation et lecture de 2
cathodes
V x y CU l
s
x s
y s
E x y CU s
tg x
s tgh y s tg x
s tgh y s
E X y CU
r y s
C l
s
r s
i
( , ) ln sin sinh
( , ) ( , )
ln
= − +
= +
+
≈ <<
=
−
0 0
2 2
0 0
2 2
2 2
0 0
0
4
2 4
2
1
2 1
2 2 πε
π π π
ε
π π
π π πε
πε
π π
Pour l=8mm, diamètre du fil=30µµm, et
espacement entre fils de 2mm (1mm) C = 3.56pF (2.02pF)
( )
M = Kexp CU0
Chambres à dérive
Mesurer le temps entre le passage d’une particule et l’arrivée des électrons sur
l’anode
∫
−= w t dt
x ( )
La résolution est nettement améliorée, moins de fils à tisser
ex : w-=5cm/µµs et σσt=1ns σ σx=50µµ
•Chambres planes
–Relation linéaire entre le temps et la
distance. Introduction d ’un fil au potentiel -HV1 entre anodes. Champ électrique constant dans tout l ’espace de dérive.
•Chambres cylindriques
–Détecteurs centrales pour les expériences sur colisioneurs, avec un solénoïde.
–Juxtaposition de cellules cylindriques, fils parallèles au champ magnétique.
Organisation en couches et super couches à symétrie circulaire.
–Mesure de la coordonnée sur r-φφ –Mesure de z par de fils à angle γγ ( fils
stéréo) par rapport à z
ou par division de charge, z=(I1-I2)/(I1+I2)
Cellules ouvertes et fermées pour un meilleur champ E. Cellules hexagonales
Chambres à dérive
γ σ σ ϕ sin
, r
z =
La chambre de BaBar
•Rayon externe de 809mm, interne 236mm
•End plates en aluminium de 24mm et (24+12)mm
•Cylindre interne en Be 1mm, cylindre externe fibre de carbone 2x1.5mm sur du nomex
•40 couches de fils, formant de cellules, 7104 cellules hexagonales de dérive.
Fils de cathode de 80 et 120 mm, en aluminium dore. Cathode tungstène de 20 mm. ~28000 fils au total.
•Gaz 80%He et 20 Isobutane. Minimiser la diffusion multiple.
•Angle de Lorentz petit
•Résolution en masse pour B0 → π+π−
~22 MeV/c2
•Résolution dE/dx = 6.8%
Une cellule de dérive de BaBar
La chambre de BaBar
Time projection chamber
C’est l’optimum pour détecter les traces dans un volume cylindrique.
Les particules ne voient que du gaz
•Diffusion multiple réduite
•Peu de conversions de photons
•dE/dx
Électrode centrale à ~-qqkV, end plates à la masse, champ électrique // au champ magnétique. Diffusion transverse réduite.
Le électrons dérivent sur des longues distances. ALEPH 45µµs de temps de drift Gaz ultra pur, pas d'oxygène !.
Coordonnées x,y mesurées par plans de fils et cathodes segmentés
z : mesure du temps de dérive
Fils et damiers mesurent x,y
Pb : Grand nombre d’ions positifs produits sur les end plates doivent revenir au centre ! Collectés par une grille devant le plan de fils qui ne s’ouvre que pour un bon trigger
TPC d’ALEPH
•Diamètre 3.6m et longueur 4.4m
•Gaz 91% Ar+ 9%CH4 1 atm
•Électrode centrale à -27kV
•41004 damiers et 6336 fils de signaux
σσrφφ=170µµm et σσz=740µµm
σσpt/pt = 0.1%pt + 0.3% (GeV/c)
Comment faire une chambre rapide, d’excellente résolution, de gain élevé, stable, résistante au haut flux, qui ne vieillit pas, facile à
construire et pas chère ????
Les chambres modernes
Miniaturiser les chambres à fils
• Éliminer les fils qui flottent dans le gaz
• Réduire l’espace anode cathode et collecter les ions le plus vite
• Réduire l’espace entre les anodes
Nouvelles techniques empreintées à la micro-électronique
• Introduire deux cathodes :
– Un espace de dérive pour l’ionisation primaire de qq mm ~3mm – Un espace le plus court possible entre anode-cathode
• Dépôt d’anodes cathodes par des techniques de lithographie
Resistive plate counters
Comment obtenir un signal rapide ??
Trigger Tracking
Deux électrodes de 2mm de Bakélite ( résistivité = 1011Ohms) paint avec du graphite, séparés d’un gap de gaz (Ar +
C4H10 + Freon) de 2mm.
10kV entre les 2 couches de graphite.
Production d’une étincelle, t=~10 ns, au passage d’une particule.
Etincelle quenchée par : 1) absorption de gammas 2) Capture des électrons par du Freon, 3) Neutralisation du champ électrique très localement(
0.1cm2)
Lecture sur des strips d’aluminium par effet capacitif. Signal de 100pC, pas besoin de pre-ampli, temps de montée 2ns et durée 10ns
Résolution en temps de 1ns ! 2500 m2 de chambres
Microstrip gas chambers (MSGC)
Flux de particules et taux d’interactions très élevés MWPC ne fonctionnent plus
MSGC : Chambre à fils miniature, sans fils à tendre réduction d’échelle de 10 ou 100 fois !
Les fils sont remplacés par des pistes de 10µµm, anodes, et 100 µµm cathodes sur un substrat isolant. Plan de dérive à quelques millimètres du substrat.
Pistes déposées par lithographie sur un substrat de verre de 500µµm
Distance entre anodes 200µµm, 10 fois mieux qu’une MWPC.
Y.Karyotakis 21
• Tension des cathodes ~-500 V
• Tension plan de dérive ~-3.5kV
• Gaz Ar-DME (Dimethyléther
CH3OCH3) ou Ne-DME. (40% 60%)
• Évacuation très rapide des ions, ils parcourent une plus petite distance que dans les MWPC.
• Formation du signal en 100ns
• Résolution 30 à à 50µµm
Problèmes
• Gain faible < 104
• Instabilités pour opérer la
chambre dues à l’accumulation d’ions sur le substrat
• Vieillissement ???
Détecteur central de CMS, couches externes
10000 détecteurs de 25 ( 5) cm x 10cm Microstrip gas chambers (MSGC)
E
Substrat
Détecteur central de CMS, couches externes
• 10000 détecteurs de 25 ( 5) cm x 10cm
• 0.1 à 1 Mrad / an
Micro-gap chamber
• Dépôt d’une cathode d’aluminium de 1µµm sur un substrat de quartz
• Dépôt de strips isolantes de 2mm, sur une largeur 17µµm
• Distance anode cathode de 2µµm !
• Sur les strips isolantes dépôt de l’anode en aluminium de 9µµm
• 3mm d’espace de dérive
Presque tous les ions sont collectés sur la cathode proche en temps record
MGC 10000 plus rapides que MWPC Après 20ns la charge collectée est de :
– 25 % pour les MWPC – 55% pour les MSGC
Alternative pour les MSGS
•Des fils de Tungstène doré de 5 à 10 µµm tendus tous les 200 µµm au dessus d’une cathode.
•Distance anode - cathode 40 µµm,
d’isolant déposé par photolithographie.
•Plan de cathode en or portée à ~-600V.
•Plan de dérive à qqs mm
•Gain ~1055
•Temps de formation du signal < 40 ns
•Cathode évacue les ions et n’est plus chargée
•Vraie chambre à fils miniature Microgap wire chamber
Micromegas
Espace de dérive et espace d’amplification séparés par une grille
Grille métallique de 3µµm d'épaisseur,
trous de 37µµm tous les 50µµm, à 100 µµm au dessus de l’anode. -350 à -450 V sur la grille.
Stripes d’anodes de cuivre doré 317 µµm de large sont déposées sur du kapton tous les 70 µµm, et mises à la masse.
Les électrons primaires dérivent dans l’espace de conversion et sont multipliés au passage de la grille. Les ions sont collectés sur la grille.
Résolution spatiale ~50µµm et
opération à flux élevé 2 x 109 / mm2 s
