Tests au Japon de la TPC Micromégas de l’ILC

Cafe SEDI - 30 mars 2006 Dan Burke - TPC Micromegas 1

Tests au Japon de la TPC Micromégas de l’ILC

Dan Burke - TPC Micromegas 2Cafe SEDI - 30 mars 2006

Introduction La TPC pour l’ILC

ILC et la TPC trois types d’amplificationdes tests pour ILC

Tests en faisceau à KEK théorie de la résolution (juin 2005)feuille résistif (octobre 2005)mystère du CF4 (janvier 2006)

Conclusions


ILC – International Linear Collider

Collisionneur linéaire d’électrons et positons

Quelques buts:

•Identité de la matière noire

•Etude détaillée du Higgs

•Recherche des dimensions supplémentaires

•Beaucoup d’autres

3 designs sur les 4 ont choisi une TPC comme tracker


TPC – Time Projection Chamber

E

Particule ionisante

Électrons séparés des ions

Les électrons diffusent et dérivent à cause du champ électrique

Le signal en temps et en X-Y

Bt

x

y

Un champ magnétique réduit la diffusion des électrons


Chambre à Fils

http://www.particle.kth.se/group_docs/particle/courses/xray_instr.html

La multiplication des électrons est fait près des fils

Soumis a des effets de ExB

B

B

E


GEM (Gas Electron Multiplication)

http://skappler.home.cern.ch/skappler/gem.htm

L’amplification est faite dans les trous des GEM

50µm


Micromégas50

µm


Micromégas

Diffusion et amplification des électrons

Lignes de champ électrique

L’entonnoir arrête le retour des ions positifs


Des tests pour la TPC de l’ILC

•Comparer les trois technologies dans les mêmes conditions

•Il faut un endroit avec un faisceau et un aimant


Trouvé une endroit

•CERN-les faisceaux ont été arrêtés en 2005 pour faire des économies pour le LHC

•DESY -électrons de 6 GeV; pas idéal pour nos tests

•FERMILAB-structure en temps du faisceau donne un fréquence d’événements de 0.25 Hz – trop lent

•KEK -un faisceau de pions à 4 GeV

-aimant JACEE de 1,2 T

-libre entre 2004 au fin 2005


PI2 à KEK avec l’aimant JACEE

KEK - Tsukuba


PI-2

4 GeV/c beam

Aimant JACEEdiamètre : 850 mmLongueur utile: 1 m


Les tests à KEK

•2004 – Chambre à fils

•avril 2005 – GEMs

•juin 2005 – Micromégas (P.Colas, A. Giganon, V. Lepeltier, T. Zerguerras)

•octobre 2005 – Micromégas avec feuille résistive en collaboration avec l’université de Carleton (D. Burke, P. Colas, A. Giganon, V. Lepeltier, T. Zerguerras)

•janvier 2006 – Tests en cosmiques en CF4 couplés à réunion T2K (D. Burke, P. Colas, A. Giganon)


Tests en faisceau à KEK – juin 2005

comprendre la résolution


MP-TPC

•384 canaux

•Pads de 2,3 x 6,3 mm

•Tests avec ArIso et ArCF4


MP-TPC (multi-prototype TPC)

Endplate fabriquée à Saclay


Display d’événement (software JTPC de D. Karlen)

Trace typique, seulement 1-2 pads touchés

À 4T presque uniquement 1 pad

t

x

y


A petite dérive la charge tombe sur seulement un pad. Il est impossible de calculer un barycentre et la résolution devient moins bonne.

e-

La dépendance en ‘Z’ de la résolutionLa dépendance en ‘Z’ de la résolutionLa dépendance en ‘Z’ de la résolutionLa dépendance en ‘Z’ de la résolution

Z

12

0pitch

z


La résolution

Avec un gaz à faible diffusion ou un grand champ magnétique, la résolution spatiale est limitée par le pas des pads.

ZNC effDx )/( 220

effN

pitch

120

Résolution à grande dérive: Résolution à petite dérive:

12

0pitch

z


Théorie analytique

Calculation for Ar+5% isobutane with Magboltz diffusion coeff. for B=0, 0.5 and 1 T, <1/N>=1/46 and Polya fluctuations with =0.5, pad pitch = 2.3 mm

(Keisuke Fujii)


SimulationSimulation de la résolution transverse d’un TPC Micromégas (par Khalil Boudjemline, Carleton U. Ottawa)

CD=193μm/√cm Ne=28 (fitted)

A petite dérive la résolution est limitée par la largeur des damiers


Résolution vs. Distance de dérive à B=0.5T

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 50 100 150 200 250 300

distance de dérive (mm)

réso

luti

on (

mm

)

Data

Theory

Résolution – Données

Les données sont en accord avec la théorie analytique et les simulations.

Comment améliorer la résolution à petite dérive?

ArIso – 220 V/cm


Une solution pour répartir les charges sur plusieurs pads:

Une feuille résistive

M. Dixit, Carleton U, Ottawa


Grille Micromégas

Feuille Résistive

Colle

Pads

Une couche résistive

En ajoutant une couche résistive (1M/ ) sur le plan d’anode on peut faire diffuser la charge après amplification.

M. Dixit et al.

(Carleton U. – Ottawa)


Étalement de la charge sur 3 pads

t t t


Tests en faisceau à KEKoctobre 2005

Collaboration Allemagne, Canada, France, Japon, Philippines

KEK, TUAT Tokyo Univ., Hiroshima Univ., Kogakuin Univ., Kinki Univ., Saga Univ., Tsukuba Univ., JapanJapan

MSU, PhilippinesPhilippines, Carleton Univ.of Ottawa,Univ. de Montréal, CanadaCanada, MPI, GermanyGermany, DAPNIA-CEA, Saclay, IN2P3-LAL and IPN, Orsay, France France



Le groupe à KEK (environ 40 personnes)


TPC utilisée dans l’expérience

Carleton Ottawa Saclay TPC MP- TPC


L’équipement

MP-TPC Électronique d’ALEPH

(préampli, digitiseur 12,5 MHz) Source 55Fe intégré

Calibration en permanence Courbe de gain

Carleton TPC Préampli ALEPH, digitiseur

de Montréal 24 MHz


Micromégas et feuille résistive

Feuille résistive

Micromégas

Endplate fabriquée par Orsay-Saclay

MP- TPC


Le dîner japonais


Le restaurant ‘Mexico’


Les Résultats: Tests en faisceau à KEK en champ magnétique

Résolution en énergie Gain Décharge de la grille Résolution spatiale


Résolution en énergie

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

240 260 280 300 320 340 360 380

Vmesh (V)

Rés

olu

tion

pic de 55Fe 5.9keV

pic d’échappement

3keV

σ=7%


Gain micromégas avec feuille résistiveArIso - KEK 16 octobre, 2005

100

1000

10000

100000

1000000

10000000

200 250 300 350 400 450

Vmesh (V)

Gai

n

Gain

Gain dépasse 106 – la feuille

résistive stabilise Micromégas

*points mesurés avec le courant


Décharge de la grille avec le temps

Quand on débranche le câble haute tension, le détecteur continue à marcher pendant plusieurs heures. Déchargé uniquement par la source

Décharge de la grille (commencant avec Vmesh = 360V)ArIso - KEK October 16th, 2005

0.1

1

10

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

Temps (s)

Am

pli

tud

e (V

)Tremblement de terre


L’étalement de la charge (en temps et en XY) dû à la feuille résistive est vu sur 6 pads

Étalement de la charge

x

y


PRF (Pad Response Function)


(r=3.7cm at 1T ~11 MeV)

Trace non-typique!

t

x

y


Résolution – Carleton TPCAr/iC4H10:95/5 TPC Micromegas avec feuille résistive

(pads de 2,3 mm x 6,3 mm)

0 = 1/55 du pas des pads!


Résolution – Carleton TPCComparaison faisceau-cosmiques

TPC Micromégas

Ar/CO2:90/10 (pads de 2,3 mm x 6,3 mm)

FaisceauCosmiques


Résolution – MP TPC

0 = 96 ± 3 µm

préliminaire


Le mystère du CF4

janvier 2006


Ar jCF4 – des after-pulses

Trace typique avec des after-pulses qui continuent jusqu’au bout du temps enregistré


Ar jCF4 – des after-pulses


Ar jCF4 – Spectre de 55Fe

Ar eCF4 à Saclay (tests T2K)


Ar jCF4 Isobutane – Spectre de 55Fe

En ajoutant quelques pourcent d’isobutane le spectre se calme


Conclusion Beaucoup de données avec et sans feuille

résistiveExcellents résultats préliminaires avec micromégas

et feuille résistiveComparaison avec les autres technologies

Ecriture d’un papier sur la théorie de la résolution en coursUne théorie qui permet d’optimiser le design de la

TPC d’ILC


ILC TPC en construction (année 2015)A

lice

(C

ER

N)

déce

mbr

e 20

05

Documents

Tests au Japon de la TPC Micromégas de l’ILC