Description and simulation of the physics of Resistive Plate Chambers

par Vincent Français

Thèse de doctorat en Physique des Particules

Sous la direction de Didier Miallier.

Soutenue le 04-07-2017

à Clermont Auvergne , dans le cadre de École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand) , en partenariat avec Laboratoire de Physique de Clermont (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Description et simulation de la physique des détecteurs de type Resistive Plate Chambers


  • Résumé

    Le siècle dernier a vu le développement de la physique des particules, avec la fondation du célèbre modèle Standard de la physique des particules. Plus spécifiquement, durant les 70 dernières années de nombreuses particules ont été détecté et étudié. Parallèlement à ces découvertes, les moyens expérimentaux et les détecteurs ont grandement évolué. de la simple chambre à bulles de l'expérience Gargamel, qui a posé la première brique expérimentale du modèle standard, aux détecteurs complexes d'aujourd'hui tel que le LHC. Durant le développement de nouveaux détecteurs, nous pouvons distinguer deux grandes catégories: les détecteurs dits Solid State et les détecteurs gazeux. La première englobe les détecteurs tels que les Cherenkov ou les scintilateurs tandis que les derniers utilisent un gaz comme moyen de détection.Les détecteurs gazeux ont aussi grandement évolué durant le siècle dernier, des tubes Geiger-Muller au chambres à étincelles ou Pestov, qui peuvent faire face aux taux de détections toujours grandissant des accélérateurs de particules. The Parallel Plate Avalanche Chamber est un détecteur gazeux similaire mais fonctionne en mode avalanche, où les signaux électriques sont produits par une multiplication contrôlée des électrons dans le gaz. Les autres détecteurs susmentionnées fonctionnent eux en mode étincelle, où le signal détectée est produit par une décharge électrique dans le gaz.Le mode avalanche permets un taux de détection encore supérieur mais au prix de signaux électriques beaucoup plus faibles. Au début des années 80 un nouveau type de détecteur gazeux commence à se développer, les Resistive Plate Chambers. Ce détecteur présente la particularité de pouvoir fonctionner en mode étincelle ou avalanche, selon le design. Utilisé en mode avalanche, ils présentent un taux de détection particulièrement intéressant au prix de signaux électriques faibles, nécessitant un circuit d'amplification dédié. De nos jours les Resistive Plate Chambers sont très largement utilisés dans de nombreuses expériences de physique des particules, notamment pour leurs performances intéressantes et leur prix contenu. Malgré leur usage répandu, les Resistive Plate Chambers n'ont pas été beaucoup étudié d'un point de vue modélisation et simulation. La simulation d'un détecteur est un outil essentiel pour leur développement et leur fabrication, permettant de tester un design et calculer les performances que l'on est en droit d'attendre. Dans les travaux présentés dans ce document nous nous sommes intéressés à la description des différents phénomènes physiques se produisant durant une avalanche électronique au sein d'un Resistive Plate Chambers fonctionnant en mode avalanche, dans le but de les modéliser et simuler. Nous décrivons un modèle détaillé pour le processus d'ionisation, qui est l'évènement fondamental pour tout détecteur gazeux. Nous décrivons aussi un modèle mis au point par Riegler-Lippmann-Veenhof pour le développement d'avalanche électronique. Une simulation C++ a été produite dans le contexte de cette étude et quelques résultats sont présentés.


  • Résumé

    The 20th century saw the development of particle physics research field, with the fundationof the famous Standard Model of particle physics. More specifically during the past 70 years numerous particles have been detected and studied. Alongside those discoveries, the experimental means and detectors has greatly evolved. From the simple Gargamel bubble chamber, which lay the first brick to the Standard Model theory, to the nowadays complex detectors such as the LHC. In the development of newer particles detector, one can distinguish two big categories:the solid state detectors et the gaseous detectors. The former encompass detectors suchas Cherenkov and scintillator counters while the later make use of gases as detection medium. The gaseous detectors have also greatly evolved during the past century from theGeiger-Muller tube to the spark or Pestov chambers, which can cope with the increasing detection rate of particles accelerator. The Parallel Plate Avalanche Chamber is a similar gaseous detector but operates in avalanche mode, where the detected signal is producedby a controlled multiplication of electrons in the gas. The aforementioned detectors were operated in spark mode, where the detection is made through a spark discharge in the gas.The avalanche mode allows even greater detection rates at the expense of signal amplitude. In early 80s a new gaseous detector design began to emerge: the Resistive Plate Chambers.This detector has the particularity to operates in spark or avalanche mode depending on its design. Operated in avalanche mode, they present an impressing detection rates at the expense of very small electric signals, requiring dedicated amplification circuitries. Nowadays the Resistive Plate Chambers are widely used in numerous experiments worldwide,because of their interesting performances and relatively small price. Despite their widespread usage, the Resistive Plate Chambers have not been extensively studied from a simulation and modelisation point of view. Simulation of a detectoris an essential tool for its development and construction, as it allows to test a design and predict the performances one may get. In this work we focused on the description of the physics phenomenons occuring during an electronic avalanche inside a Resistive Plate Chambers operated in avalanche mode, in order to properly modelise and simulate them. We review a detailed model of the ionisation process, which is the fundamental event in any gaseous particle detector, alongside theRiegler-Lippmann-Veenhof model for the electronic avalanche. A C++ simulation has been produced in the context of this work and some results are presented.


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