[email protected] Astrophysics Detector Workshop – Nice – November 18 th, 2008 1 D. Attié, P. Colas, E. Delagnes, M. Dixit, M. Riallot, Y.-H. Shin, S

[email protected] Astrophysics Detector Workshop – Nice – November 18th, 2008 1

D. Attié, P. Colas, E. Delagnes, M. Dixit, M. Riallot, Y.-H. Shin, S. Turnbull

Tests en faisceau, Tests en faisceau, développements et développements et

publicationspublications

SOCLE, 10 novembre 2009 – Paris

i r f u

yalcas

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yalcas

[email protected] 2LCTPC Collaboration Meeting – DESY – September 21, 2009

SommaireSommaireSommaireSommaire

•Introduction, choix technologique

•Détecteur Micromegas à anode résistive

•Electronique T2K

•Grand prototype et faisceaux tests 2008-2009

•Résultats :– Vitesse de dérive– Résolution spatiale– Comparaison entre deux résistifs– Tests laser– Tests avec enveloppe silicium

•Perspectives et prochains tests

IntroductionIntroductionIntroductionIntroduction

[email protected] 3SOCLE – Paris – 10 novembre 2009

1. Reduire la taille des pistes: pixels+ efficacité à l’électron unique – besoin d’identifier les clusters d’électrons

2. Disperser la charge sur plusieurs pistes : anode résistive

+ reduction du nombre de voies, coût et matériaux+ protection de l’électronique– besoin de traitement informatique offline– peut limiter la séparation des traces

2. Anode résistive

55 mm

1. Pixels

•Trajectographe de haute précision pour l’ILC : ~200 points le long de la trace avec une résolution tranverse ~ 100 μm

– Exemple: 10 m² avec des pistes de 1 mm × 6 mm :1,2 × 106 voies d’électroniquez=0 > 250 μm car l’avalanche uniquement sur une seule piste

•Résolution spatiale σxy:

– limitée par la taille de la piste (0 ~ width/√12)

– distribution de charge étroite (RMSavalanche ~ 15 μm)

D.C. Arogancia et al., NIMA 602 (2009) 403

Grand Prototype de TPC pour l’ILCGrand Prototype de TPC pour l’ILCGrand Prototype de TPC pour l’ILCGrand Prototype de TPC pour l’ILC


• Construit par la collaboration

• Infrastructure financée par

EUDET pour tout utilisateur

• Exemples :

- aimant : KEK, Japon

- cage de champ : DESY, Allemagne

- trigger : Saclay, France

- endplate : Cornell, USA

- Micromegas : Saclay, France

- GEM : Saga, Japon

- TimePix : F, D, NL

Caractéristiques de l’électronique T2KCaractéristiques de l’électronique T2KCaractéristiques de l’électronique T2KCaractéristiques de l’électronique T2K


• Electronique basée sur puces AFTER (72 voies/puce) de la TPC de T2K (Saclay): – pre-amplificateur-shaper (700 e-) bas bruit– peaking time réglable de 100 ns à 2 μs– échantillonage par SCA– Suppression Zero

– Novembre 2008: AFTER 06’ – Mai-Juin 2009: AFTER 08’ avec possibilité de réduire le shaping au minimum

• Détecteur Bulk Micromegas: 1726 (24x72) pistes de ~3x7 mm²

– fréquence réglable de 1 à 100 MHz (most data at 25 MHz)

– 12 bit ADC (rms des piedestaux de 4 à 6 cannaux)

– pulser pour la calibration


•Installation d’un module Micromegas + électronique T2K dans le grand prototype en une heure

•Utilisation “user friendly”

•Gaz utilisé : Ar/CF4/Iso-C4H10; 97/3/2 (T2K gas)

•Trigger cosmique SiPM (contribution Saclay) très stable (0.65 Hz)

•Quatre périodes de test en faisceau à 5 GeV :

– Novembre-Décembre 2008 : standard, Kapton resistif

– Mai-juin 2009 : encre résistive, Kapton résistif

– Août 2009 : standard (laser)

– Novembre 2009 : nouveau Kapton résistif (Si enveloppe)

Les tests faisceauxLes tests faisceauxLes tests faisceauxLes tests faisceaux

Modules MicromegasModules MicromegasModules MicromegasModules Micromegas


Encre résistive

Kapton résistif Standard

Kapton résistif

Micromegas + électronique T2KMicromegas + électronique T2KMicromegas + électronique T2KMicromegas + électronique T2K


Micromegas + électronique T2KMicromegas + électronique T2KMicromegas + électronique T2KMicromegas + électronique T2K


DétecteurCouche isolante

Couche résistive

Résistivité (MΩ/)

Kapton résistif Verre époxy75 µm

Kapton chargé C

25 µm ~4-8

Encre résisitive

Verre époxy75 µm

Encre (3 couches) ~50 µm

~1-2

PCB

Prepreg

Kapton résistf

PCB

Prepreg

Encre résistive

Kapton résistif Encre résistive

Collage par lamination et chauffage (technique PCB)

Exemple de trace à 1 TeslaExemple de trace à 1 TeslaExemple de trace à 1 TeslaExemple de trace à 1 Tesla


• B = 1T

• gaz T2K

• peaking time : 100 ns

• Fréquence : 25 MHz

• z = 5 cm

Séparation des tracesSéparation des tracesSéparation des tracesSéparation des traces


r

φ

z

• B = 0T

• gaz T2K

• peaking time : 100 ns

• Fréquence : 25 MHz

• z = 5 cm

Vitesse de dérive vs. Peaking TimeVitesse de dérive vs. Peaking TimeVitesse de dérive vs. Peaking TimeVitesse de dérive vs. Peaking Time


Edrift = 230 V/cm

Vd

Magboltz = 76 μm/ns

Edrift = 140 V/cm

Vd

Magboltz = 59 µm/ns

Z (cm)

Tim

e

bin

s

Tim

e

bin

s

• Données à B=1T

• Pour différents Peaking Time: 200 ns, 500 ns, 1 µs,

2 µs

Z (cm)

Kapton résistif

Attié et al., MPGD09, JINST à paraître

UniformitéUniformitéUniformitéUniformité


Colas et al., TIPP09, À paraître

Résolution spatiale (transverse)Résolution spatiale (transverse)Résolution spatiale (transverse)Résolution spatiale (transverse)


• Résolution à z=0: σ0 = 54.8±1.6 μm avec des pads de 2.7-3.2 mm wpad/55)

• Nombre effectif d’électrons: Neff = 31.8±1.4

Kapton résistif

eff

2d2

0x NzC

σσ

Comparaison à B=1T, z ~ 5 cmComparaison à B=1T, z ~ 5 cmComparaison à B=1T, z ~ 5 cmComparaison à B=1T, z ~ 5 cm


• vdrift = 230 cm/s

• Vmesh = 380 V

• Peaking time : 500 ns

• Echantillonnage : 25 MHz

• Vdrift = 230 cm/s

• Vmesh = 360 V

• Peaking time : 500 ns

• Echantillonnage : 25 MHz


Pad Response Functions, z ~ 5 cmPad Response Functions, z ~ 5 cmPad Response Functions, z ~ 5 cmPad Response Functions, z ~ 5 cm


Γ = 7 mmδ = 10 mm

Γ = 11 mmδ = 13 mm

xpad – xtrack (mm)xpad – xtrack (mm)

xpad – xtrack (mm)xpad – xtrack (mm)

σz=5 cm = 68 μm σz=5cm = 130 μm !


•Motif en aluminium sensible aux UV

•B = O T : distorsion non perceptible

•B = 1 T : avec champ électrique rendu inhomogène en mettant les modulespériphériques à la masse

Test avec laser (août 2009)Test avec laser (août 2009)Test avec laser (août 2009)Test avec laser (août 2009)


Projection théorique

Champ électrique distordu

Tests début avec enveloppe Si (nov. 2009) Tests début avec enveloppe Si (nov. 2009) Tests début avec enveloppe Si (nov. 2009) Tests début avec enveloppe Si (nov. 2009)


Si

Tests avec enveloppe Si (nov. 2009)Tests avec enveloppe Si (nov. 2009)Tests avec enveloppe Si (nov. 2009)Tests avec enveloppe Si (nov. 2009)


TLU

Encre résistive

Kapton résistif


Comparaison de la résolution : ancienne méthode vs. “intégration (700ns)”

Données à 5T (DESY 2006) : nouvelle analyseDonnées à 5T (DESY 2006) : nouvelle analyseDonnées à 5T (DESY 2006) : nouvelle analyseDonnées à 5T (DESY 2006) : nouvelle analyse

• Ancienne Ancienne méthodeméthode : :3652/17669 Résolution : Résolution : 50 50 µµmm independante de z sur 15 independante de z sur 15 cm cm

• Nouvelle méthodeNouvelle méthode : : 5663/17669 Résolution : Résolution : 40 µm40 µm independante de z sur 15 independante de z sur 15 cm cm

Dixit, et al., NIMA 581, 254 (2007)

Prochaines étapesProchaines étapesProchaines étapesProchaines étapes


Tests 2008/2009 avec un seul module Tests 2010 avec 7 modules

Reduir

e l’e

nco

mb

rem

ent

de

Ll’é

lect

ron

ique

Choix

de la t

ech

nolo

gie

FEM

FECs

Statut des autres détecteursStatut des autres détecteursStatut des autres détecteursStatut des autres détecteurs


Bonn/FreiburgKEK/Saga

2×4 TimePix

56 mm

ConclusionsConclusionsConclusionsConclusions

• Plusieurs Bulks Micromegas résistifs ont été testés dans l’infrastructure EUDET avec un champ magnétique de 1T pour réduire la diffusion transverse

• La technologie du Kapton chargé au carbone donne des meilleurs résultats que l’encre résistive

• La première analyse confirme l’excellente résolution à petite distance le Kapton chargé au carbone: 55 µm pour des pistes de 3 mm

• Nouvelle méthode d’analyse (fenêtre fixe d’intégration) semble prometteuse

• Les prochains tests avec un Kapton moins résistif (~1 MΩ/), ensuite construire les 7 modules en utilisant une électronique intégré en 2010

[email protected] LCTPC Collaboration Meeting – DESY – September 21, 2009 23


Prise de donnéesPrise de donnéesPrise de donnéesPrise de données


Electronique T2K

1728 voies

ElectroniqueBack-end(ML405)

PCT2K DAQ

sous Linux

ILC_DATA_01

ILC_DATA_02

ILC_BCKP_01

ILC_BCKP_02

Saclay

500 Go 500 Go

500 Go

1 To

500 Go

Convertion NativeToLCIO

TCP/IP via ethernet

Fibreoptique Sauvegarde horaire

automatique (rsync)

Grille

• Taux d’acquisition: <14 Hz (Zero Suppression mode)

• Triggered by beam (no TLU)

• Easy to use (GUI)

DAQ:

Résumé des tests à 5 GeV (B=1T)Résumé des tests à 5 GeV (B=1T)Résumé des tests à 5 GeV (B=1T)Résumé des tests à 5 GeV (B=1T)


Conditions Standard

Edrift=230 V/cmFaible diffusion Edrift=140 V/cm

Peaking time (ns) Peaking time (ns) 100 200 500 10002000 100 200 500 10002000

Z (cm)

5.4 311 309 310 287 288 308 307 304 30511.1 395 396 397 398 399 407 408 409 410 41121.1 353 354 355 356 357 363 364 365 366 36731.1 329 333 334 335 336 330 343 344 345 34641.1 373 374 377 378 379 385 386 387 388 38951.1 312 313 314 315 316 326 430 431 432 433

Conditions standards(25 MHz) 230 V/cmPeaking time (ns)

z (cm) 100 no Shaping

500 + Shapin

gZS No ZS ZS

4.3 575/576 583 57110 586 587/588 58415 606 607 60420 600 601/602 59925 608 609 61030 591 592 59040 597 598 59650 594 595 593

• Décembre 2008: AFTER 06’

• Mai-juin 2009: AFTER 08’ avec la possibilité de réduire le shaping au minimum (200 ns)

Numéros de runsKapton résistif

Détermination du tDétermination du t00Détermination du tDétermination du t00


• Données cosmiques à 25 MHz de fréquence d’échantillonnage bin en temps = 40 ns

• Longueur de la TPC = 56.7 cm en accord avec les mesures mecaniques

190 bin en temps

Surveillance des paramètresSurveillance des paramètresSurveillance des paramètresSurveillance des paramètres


•Eau (ppm) :

• Oxygène (ppm) :

Juin 09

Juillet 09

Août 09 Septembre 09

102

101

103

104

102

101

103

104

105

10-

1

10-

2

• 1 to 2 jours 45 L/h pour atteindreles valeurs nominales :

- H2O: 140 ppm

- O2: 30 ppm

Laser tests+std MM

Resistive MM

Bonn-GEM+TimePix

JGEM+TDC JGEM+ALTRO


Une meilleure façon d’analyser les données des anodes résistives :

•L’ « amplitude » de la PRF dépend des paramètres d’opération de la TPC

•Développer une méthode ne nécessitant pas de réglage spécifique

•Tester les nouvelles idées avec des données simulées

•Appliques et tester un nouvel algorithme pour analyser à nouveau les données de DESY à 5 T

•Critère : PRF peut être appliqué systématiquement et facilement à une large gamme de conditions d’opération de la TPC

•Fonction de résolution est Gaussienne

•La nouvelle résolution obtenue est meilleure que la précédente

•Une simple fenêtre fixé d’integration marche le mieux

Tests à 5T (2006): nouvelle analyseTests à 5T (2006): nouvelle analyseTests à 5T (2006): nouvelle analyseTests à 5T (2006): nouvelle analyse

Documents

[email protected] Astrophysics Detector Workshop – Nice – November 18 th, 2008 1 D. Attié, P. Colas, E. Delagnes, M. Dixit, M. Riallot, Y.-H. Shin, S