Versatile low-energy electron source at the PHIL accelerator to characterise Micromegas with integrated Timepix CMOS readout and study dE/dx for low energy electrons

par Vladyslav Krylov

Thèse de doctorat en Physique des particules

Sous la direction de Sergey Barsuk et de Oleg Bezshyyko.

Le président du jury était Patrick Puzo.

Le jury était composé de Sergey Barsuk, Oleg Bezshyyko, Patrick Puzo, Giovanni Calderini, Volodymyr Storizhko, Igor Kadenko.

Les rapporteurs étaient Giovanni Calderini, Volodymyr Storizhko.

  • Titre traduit

    Source polyvalente d'électrons de basse énergie sur l'accélérateur PHIL pour caractériser des détecteurs Micromegas avec une lecture CMOS intégrée et étudier dE/dx pour les électrons de basse énergie


  • Résumé

    Dans le cadre de cette thèse, la conception, la construction et la mise en service de la plateforme de test LEETECH ont été réalisées. La performance de LEETECH, y compris le mode de fonctionnement à faible multiplicité a été démontrée. En fournissant des paquets d’électrons avec une énergie ajustable jusqu’à 3.5 MeV, une multiplicité ajustable à partir d’électrons simples et une durée des paquets jusqu’à 20ps, LEETECH prend sa place entre les faisceaux tests de hautes énergies et de coûts élevés d’un part et l’utilisation de sources radioactifs d’autre part. Dans la région, qui correspond à la particule d’ionisation minimale, la plateforme offre aux détecteurs de traces les conditions similaires aux celles de faisceaux des hautes énergies. Le mode de fonctionnement à faible multiplicité a été étudié en utilisant un détecteur diamant de grande surface. En plus une capacité d’un capteur diamant de résoudre des paquets à faible nombre des particules a été démontrée. Dans le cadre du développement de la chambre à projection temporelle (TPC) pour le projet ILC, une session de test a été dédiée à un détecteur Micromegas/InGrid de large surface. Pour la première fois les pertes d’énergie par un électron dans un mélange de gaz basée sur Helium ont été mesurées pour une énergie de quelques MeV. La résolution en dE/dx et un algorithme pour la reconstruction de traces ont été développés. Une caractérisation préliminaire du quartz barre lu par MCPPMT – un candidat pour le détecteur temps-de- vol (TOF) avec la mission de l’identification des hadrons chargés dans le futur usine tau-charm HIEPA – a été accomplie. La résolution temporelle de 50 ps obtenue pour le détecteur étudié met cette technologie prometteuse pour les études plus approfondies.


  • Résumé

    Within the present thesis the design, construction and commissioning of a new test beam facility LEETECH have been performed. Performance of the new facility, including low-multiplicity operation mode has been demonstrated. A number of interesting detector tests, including large-area diamond, Micromegas/InGrid and quartz bar detectors have been performed. Development of new detector technologies for future high-energy physics collider experiments calls for selection of versatile test beam facilities, permitting to choose or adjust beam parameters such as particles type, energy and beam intensity, are irreplaceable in characterization and tests of developed instruments. Major applications comprise generic detector R&D, conceptual design and choice of detector technologies, technical design, prototypes and full-scale detector construction and tests, detector calibration and commissioning. A new test beam facility LEETECH (Low Energy Electron TECHnique) was designed, constructed and commissioned in LAL (Orsay) as an extension of existing PHIL accelerator. Providing electron bunches of adjustable energy (up to 3.5 MeV), intensity (starting from a few particles per bunch) and bunch time duration (down to 20 ps), LEETECH fills the gap between high-cost high-energy test beam facilities and use of radioactive sources. Covering a minimum-ionization particles region (electrons of energy above 1.6 MeV), LEETECH provides for tracking detectors similar conditions as high-energy facilities. Using LEETECH as an electron source, several types of detectors were investigated in order to study their performance or applications, also providing a characterization of the LEETECH performance. First studies of the LEETECH facility were performed with a plastic scintillator coupled to the Micro-channel plate photomultiplier. A low-multiplicity mode was investigated using the diamond sensor, at the same time demonstrating its ability to resolve bunches consisting of a few particles. In framework of Time Projection Chamber development for the ILC project, a session dedicated to a large-area Micromegas/InGrid module was performed. For the first time the electron energy losses in Helium-based gas mixtures were measured for the energies of few MeV. The dE/dx resolution was obtained and track reconstruction algorithm was developed. Being a candidate for the time-of- flight detector of the BESIII upgrade and future HIEPA tau-charm factories, a preliminary characterization of the quartz bar performed. The time resolution of the detector module of 50 ps was obtained, giving a promising results for the further detector studies.


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