Study of long-term sustained operation of gaseous detectors for the high rate environment in CMS

par Jérémie Merlin

Thèse de doctorat en Physique des particules élémentaires

Sous la direction de Jean-Marie Brom et de Archana Sharma.

Le président du jury était Jérôme Baudot.

Les rapporteurs étaient Johann Collot, Guy Wormser.

  • Titre traduit

    Etude du fonctionnement à long terme de détecteur gazeux pour l'environnement à haut flux de CMS


  • Résumé

    Le spectromètre à muons de CMS doit permettre l'identification rapide et efficace des muons produits lors des collisions proton-proton au LHC. Cependant, à cause d'un environnement de détection extrême, seules les chambres à pistes cathodiques équipent actuellement les bouchons de CMS. Cette faiblesse dans le système de détection pourrait devenir problématique après l'amélioration du LHC. L'augmentation du taux de particules dans les bouchons va dégrader les performances du système de déclenchement L1 ainsi que l'efficacité de sélection des phénomènes physiques intéressants. Le but du programme d'amélioration de CMS est de maintenir le taux de déclenchement L1 tout en gardant une efficacité de sélection maximale. La collaboration CMS GEM propose d'équiper les régions vacantes des bouchons avec des détecteurs basés sur la technologie d'amplification des électrons dans un gaz (GEM), appelés GE1/1. Le sujet de thèse proposé par la collaboration CMS GEM a pour but de justifier le choix de la technologie GEM pour l'amélioration de CMS. Trois projets ont été suivis pendant la thèse. La première partie du projet de thèse consistait à mesurer précisément les caractéristiques fondamentales et les performances de détection des détecteurs triple-GEM produit par la technique simple-masque. Ces éléments sont essentiels pour s'assurer que les détecteurs GE1/1 pourront fonctionner en toute sécurité dans l'environnement des bouchons de CMS. Le deuxième projet consistait à prouver que les excellentes performances des détecteurs GE1/1 ne vont pas se dégrader pendant leur utilisation dans CMS. Cette étape comprend l'étude du fonctionnement à long terme des détecteurs GE1/1, en particulier le phénomène de vieillissement, qui inclue tous les processus physiques et chimiques qui provoquent la dégradation graduelle et permanente des performances de détection. Plusieurs tests de vieillissement ont été menés dans des zones d'irradiations spécifiques au CERN pour reproduire un minimum de 10 ans de fonctionnement réel dans l'environnement de CMS après la montée en puissance du LHC. Enfin, les excellentes propriétés mesurées lors de la phase de R&D ont permis de valider la technologie triple-GEM, qui fut ensuite approuvée par la collaboration CMS et le comité du LHC. La production de 144 grands détecteurs GE1/1 sera partagée entre différents sites de production à travers le monde. Le troisième projet de thèse fut donc le développement des principales étapes du contrôle qualité nécessaire pour assurer une production uniforme et une même qualité pour tous les détecteurs GE1/1.


  • Résumé

    The muon system of CMS aims to provide an efficient and fast identification of the muons produced in the proton-proton collisions. However, the forward region of the end-caps is only instrumented with Cathode Strip Chambers. This lack of redundancy will be problematic after the high-luminosity upgrade of the LHC (HL-LHC), for which the increase of the background rate would degrade the Level-1 trigger performance and thus the selection of interesting physics channels. The goal of the CMS muon upgrade is to maintain the L1 trigger rate with maximum selection efficiency in order to fully exploit the HL-LHC. The CMS GEM Collaboration has proposed to instrument the vacant highetaregion of the muon end-caps with Gas Electron Multiplier (GEM) detectors, called GE1/1chambers.The Ph.D. subject proposed by the CMS GEM Collaboration aims to demonstrate that the GE1/1technology is the most suitable choice for the upgrade of the muon end-caps. Three main researchprojects were conducted in this context. The first project included the precise measurement of the fundamental characteristics and the detection performance of the triple-GEM detectors produced with the single-mask technique. Those characteristics are essential to ensure that the detectors can operate in the forward region of CMS. The second project was focused on the long-term operation of GE1/1 detectors, in particular the study of the aging phenomenon, which includes all the processes that lead to a significant and permanent degradation of the performance of the detectors. Several aging tests were performed at the CERN irradiation facilities to prove that the GE1/1 chambers can operate during at least 10 yearsat HL-LHC without suffering from performance losses. The excellent properties measured during the R&D phase led to the approval of the GE1/1 project by the CMS Collaboration. The third project, conducted in the framework of the mass production,consisted of developing of the main steps of the Quality Control of the GE1/1 chambers.


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