Développement et caractérisation de détecteurs gazeux à micro-pistes et micro-motif pour des faisceaux intenses de Hadrons

Development and Characterization of Micro-Pattern Gas Detectors for Intense Beams of Hadrons

• Auteur / Autrice : Maxence Vandenbroucke
• Direction : Damien Neyret, Bernhard Ketzer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des Particules
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Paris 6 en cotutelle avec Technische Universität (Munich, Allemagne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Détecteurs gazeux (radioactivité)

Hadrons

Détecteurs de rayonnement

Résumé

Depuis l’invention de la chambre proportionnelle multifilaire en 1968, les détecteurs gazeux ont transformés les expériences de physique des hautes énergies. Les performances des chambres à fils ont beaucoup amélioré la précision des mesures jusqu’à ce que le flux de particules atteigne 104 Hz/mm2, la limite pour les détecteurs à lecture par fil. Pour dépasser cette limite, de nouveaux concepts de détecteurs gazeux sont apparus dans les années 1990, les Détecteurs Gazeux à Micro Motifs ou MPGD pour “Micro-Pattern Gas Detectors” en anglais. Avec l’avènement d’une nouvelle génération d’expériences, ces technologies connaissent un regain d’intérêt. En particulier les dé- tecteurs GEM et Micromegas ont prouvé qu’ils pouvaient atteindre une résolution spatiale meilleure que 100 μm, une résolution temporelle de 10 ns à un flux de particules supérieur à 106 Hz/mm2. Cette thèse est consacrée au développement, à la conception et à la caractérisation de ces détecteurs. La première partie de cette thèse porte sur le développement d’une chambre à projection temporelle, TPC pour “Time Projection Chamber” en anglais, destinée aux haut flux de particules. Traditionnellement lue par des chambres à fils, ces détecteurs sont limités par la charge d’espace crée par les ions qui remontent dans le volume de dérive. Il est donc nécessaire de neutraliser ces ions à l’aide d’une grille dont l’utilisation limite la fréquence de déclenchement à ∼ 1 kHz. Grâce à leur suppres- sion intrinsèque des ions, une lecture à base de GEM est envisagée pour lire une TPC sans avoir à recourir à une grille. Un prototype de 7 cm d’espace de dérive équipé de pads hexagonaux a été as- semblé à Munich. Munie de l’électronique AFTER dédié aux MPGDs, le détecteur a été testé à l’aide du faisceau d’électrons de l’accélérateur ELSA à Bonn, en Allemagne. Une seconde période de test à l’aide de muons de haute énergie a permis de démontrer les bonnes performances de la GEM-TPC. La seconde partie de cette thèse décrit le développement de la prochaine génération de détecteurs Micromegas pour l’expérience COMPASS-II. Les nouveaux Pixels Micromegas devront supporter un flux de hadrons de 5 × 106 Hz/mm2. Des tests avec les détecteurs actuels ont montré leur limitation en termes de flux de particules et de probabilité de décharge. Une réduction de cette probabilité d’un facteur de 10 à 100 est nécessaire. Ceci est à l’origine d’un programme de R&D qui a conduit à deux solutions : la pré-amplification par feuille de GEM et la protection des pistes par une structure resis- tive à base de résistances enterrées. Chacune de ces technologies a été testées avec des prototypes de 40×40 cm2, lus par l’électronique APV dans l’environnement de l’expérience COMPASS. Des résultats prometteurs en terme d’efficacité, de résolutions spatiale et temporelle sont présentés.

Since the invention of Multi-Wire Proportional Chambers (MWPC) in 1968, gaseous detectors have transformed the field of high-energy physics experiments. The performances of MWPCs have greatly improved the precision of measurements up to a the particle rate of 104 Hz/mm2, which is the limit for wire detectors. To overcome this limitation, new concepts of gaseous detectors, the Micro-Pattern Gas Detectors, appeared in the late 90’s. Nowadays, a renewed interest in these technologies is brought about by the design of the next generation of experiments. Specifically GEM and Micromegas track- ing detectors have proved to reach spatial resolutions better than 100 μm and time resolutions below 10 ns at a rate above 106 Hz/mm2. This work is dedicated to the development of these concepts and to the design and characterization of new detectors. The first part of this thesis reports on the development of a Time Projection Chamber (TPC) for high rate environments. Traditionally read out by wire-chambers, these detectors suffer from the space charge created by back-drifting ions. This implies the use of an ion gate that limits the rate to ∼ 1 kHz. Thanks to their intrinsic ion back-flow suppression, GEMs have been considered to operate TPCs in an un-gated mode. A prototype with 7 cm drift length and hexagonal pad readout has been assem- bled and connected to the low noise AFTER front-end electronic readout dedicated to MPGDs. The chamber has been commissioned with an external tracking telescope using an electron beam at the ELSA facility. A second test beam period for precision measurements using high-energy muons has demonstrated the great performances of the GEM-TPC. The second part of this dissertation describes the development of the next generation of Micromegas for the future COMPASS-II experiment. The new Pixel Micromegas will have to sustain a hadron beam of 5 × 106 Hz/mm2. Tests with current COMPASS Micromegas detectors have shown their limitations in term of maximal particle rate and discharge probabilities. A factor 10 to 100 in discharges rate reduction is required. This triggered a R&D project that concluded on the selection of GEM pre- amplification and buried resistors structure as realistic options. Both these technologies have been tested with 40×40 cm2 prototypes, read by the fast APV25 front-end electronics, in COMPASS environ- ment; promising results on efficiency, spatial and time residuals are reported.