Etude et optimisation de la voie ionisation Etude et optimisation de la voie ionisation
dans l’expérience EDELWEISSdans l’expérience EDELWEISSBenjamin Censier
Responsable de thèse: Responsable de thèse:
Alexandre BroniatowskiAlexandre Broniatowski
IPN Orsay, 15 Février 2006
Laboratoire d’accueil
Financement Université
Matière noire ?Matière noire ?
• ML: Masse estimée via relations masse/luminosité
– Étoiles dans le visible, amas de galaxies dans les X..
• MC: Masse estimée via la cinématique observée
– Vitesse de rotation des galaxies, Théorème du viriel appliqué aux amas..
• + Fond diffus cosmologique 5% matière «lumineuse» 25% matière «noire» 70% énergie «noire» (Supernovae Ia)
• + Nucléosynthèse primordiale– La matière noire est essentiellement non-baryonique
• Hypothèse WIMPs: Weakly Interactive Massive ParticlesHypothèse WIMPs: Weakly Interactive Massive Particles
MMCC>M>MLL
F. Zwicky
Halo galactiqueHalo galactique
• Courbe de rotation des galaxies– Plate jusqu’aux limites observationnelles– Force centrifuge trop grande– Effet systématique
• Modèle de halo– Halo de WIMPs– Supposé sphérique, gaz parfait isotherme 1/r², M(<r) r, v(r)=cte
sauf près du centre distribution Maxwellienne
locale=0.3-0.5 GeV/cm3
• vRMS = 230 50 km/s• Vesc 650km/s
Halo
Vous êtes ici
500kpc
50kpc
Méthodes de détection directeMéthodes de détection directe
WIMPWIMP
ChaleurChaleur
IonisationIonisation
LuminescenceLuminescence
≈ quelques %
≈ 20 %
≈ 100%
absorbeurabsorbeur
GeGe
NaI, XeNaI, Xe
AlAl22OO33,LiF,LiF
DAMA (Italie)
IGEX(US/Russ) HDMS(All/Russ)
Liquid XeLiquid Xe
Ge, SiGe, Si
CaWO4, BGOCaWO4, BGO
EDELWEISS (Fr/All) CDMS (US)
CRESST(Ger) Rosebud(Esp/Fr)
ZEPLIN (GB) XENON (US) XMASS (Jap)
Contraintes de la détection directeContraintes de la détection directe
• Diffusion élastique des WIMPs sur des noyaux cibles– Energie déposée: de l’ordre de 10 keV
• Evènements rares (<0.1 /kg/jour)– Laboratoire souterrain + Blindage– Basse radioactivité– Masse exposée– Mesure stable sur temps longs (>année)
• Signature expérimentale– Modulation annuelle, journalière– Comparaison entre absorbeurs– Discrimination du fond événement par évènement
Maîtriser le fond
Détecteurs EDELWEISSDétecteurs EDELWEISS
Thermomètre NTD
Voie chaleur
Voie ionisation « Centre »
• IonisationIonisation: quelques milliers de charges collectées en quelques centaines de nanosecondes • électrodes Al + sous couche amorphe
• ChaleurChaleur: quelques µK en quelques ms• Neutron Transmutation Doped thermistor (NTD)
Détecteurs 320g Ge ultra-pur
Voie ionisation « garde »
Particuleincidente
electrons
trous
Gemonocristallin
E
Discrimination Discrimination événement par évènementévénement par évènement
73Ge(n,n’,)
Seuil ionisation
Neutrons, WIMPs
Reculs nucléaires
• Rapport ionisation/chaleur différent pour reculs nucléaires et électroniquesRapport ionisation/chaleur différent pour reculs nucléaires et électroniques
• Rejet de plus de 99.9% des reculs électroniques pour ERejet de plus de 99.9% des reculs électroniques pour Ereculrecul>15keV>15keV
Gammas, electrons
Reculs électroniquesQ
Calibration: neutrons+gammas Calibration: gammas seuls
Où en est-on ?Où en est-on ?
Fin première génération (-n >10-6pb ): 0.1 évènements/kg/jour pour détecteurs cryogéniques
• Début d’exploration des modèles supersymétriques
CDMS-II, CRESST-II, EDELWEISS-II,XENON, XMASS sensitivity goals(~a few events/ton/day)
1 Ton sensitivity goal (optimistic)(~a few events/ton/year)
CDMS, CRESSTEDELWEISS-I present(~0.1 event/kg/day)
L. Rozkowski et al., hep-ph/0208069
Début deuxième génération (-n >10-8pb ):• But: amélioration d’un facteur 100• Cœur de l’espace des paramètres
Troisième génération (-n >10-10pb ): • 1 tonne de détecteur• Quelques évènements/t/an !
Les leçons d’EDELWEISS-ILes leçons d’EDELWEISS-I
EDELWEISS-II: 2 améliorations principales:
EDELWEISS-I: 2 limitations principales:
Fond neutrons (1 coïncidence n-n sur 62 kg.jour)
Evènements proches des Evènements proches des électrodes mal collectésélectrodes mal collectés
Amélioration blindage + veto muons
Identification des évènements proches des électrodes
Les leçons d’EDELWEISS-ILes leçons d’EDELWEISS-I
Données EDELWEISS-I, run de fond
Évènements mal collectés Évènements mal collectés proches des électrodesproches des électrodes
• Méthode passive: sous-couches amorphes (Ge ou Si hydrogéné)
• Méthode active: localisation des évènements dans le détecteur
identifier ces évènementsidentifier ces évènements
Calibration gammaCalibration gammaRun de fondRun de fond avecavec etet sans sans coïncidencescoïncidences
améliorer notre améliorer notre compréhension de la collecte compréhension de la collecte
de chargesde charges« Final results of EDELWEISS-I »
V. Sanglard et al. (2005)
Identification des évènements proches Identification des évènements proches des électrodesdes électrodes
Tirer le maximum d’informations de chaque évènement•Voie chaleur:
– Mesure des phonons athermiques (Couches minces NbSi)
•R&D Voie ionisation: – Mesures résolues en temps
des signaux ionisation– Simulation du transport
et des signaux associés
10
8
6
4
2
0Si
gnal
(m
V)
-800 -400 0 400 800Time (ns)
event 122keV
Experimental signal
Best fit by simulation
Electrons collected
Holes collected
Indu
ced
char
ge(A
.U)
Time (ns)
Broniatowski et al., 2001
•Travail de thèse: Travail de thèse: Utilisation conjointeUtilisation conjointe des expériences et des simulations des expériences et des simulations pour étudier la physique de la mesure d’ionisationpour étudier la physique de la mesure d’ionisation
Physique de la mesure d’ionisationPhysique de la mesure d’ionisation
Spécificités:– Très basses températures (Très basses températures (20mK)20mK)– Faibles champs de collecte (Faibles champs de collecte (V/cm)V/cm)
1ère conséquence: Régime non-ohmiqueRégime non-ohmique Porteurs «chauds»
hors équilibre thermique (Te>Tabsorbeur)
Vitesse proportionnelle au champ électrique
Mesure des lois de vitesse électrons à 8K (Jacoboni et al., 1981)
Physique de la mesure d’ionisationPhysique de la mesure d’ionisation
2ème conséquence: Accumulation charge piégéeAccumulation charge piégée
Faible densité de pièges (1010/cm3, sauf surfaces...)
Mais faible champ de collecte Et réémission négligeable
Constitution progressive Constitution progressive d’une charge d’espace d’une charge d’espace
Contre-champ induit suffisant Contre-champ induit suffisant pour perturber pour perturber le champ appliqué le champ appliqué ((10105 5 charges/cmcharges/cm331 V/cm)1 V/cm)
Bande de conduction
Bande de valence
Ene
rgie
e-
e-piégé
e-réémis
0.
7eV
0.
01eV
(kT10-6eV)
Régénération, dégradationRégénération, dégradation
2 questions liées:2 questions liées:• Quelle est l’efficacité de la méthode de neutralisation des pièges ?
étude de la régénération régénération du détecteur• Quelle est l’influence du piégeage sur la qualité de la collecte ?
étude de la dégradation dégradation du détecteur
3 expériences:3 expériences:• Distribution de charge et dégradationdégradation due au piégeage en surfaceen surface• Caractérisation du piégeage en volumeen volume dans l’état régénérérégénéré• Distribution de charge et dégradationdégradation due au piégeage en volumeen volume
2 outils:2 outils:• Utilisation croisée des simulations et des mesures résolues en temps
– Amplitude des signaux ionisation: géométrie des lignes de champs– Temps de montée des signaux: valeur moyenne du champ électrique
Simulation du transport Simulation du transport & Synthèse des signaux ionisation& Synthèse des signaux ionisation
• Calcul du champ électrique– Géométrie du détecteur
+ tension appliquée– Charge d’espace– Interaction coulombienne
entre porteurs
+ Lois de vitesse– Mesures à 8K
(Jacoboni et al., 1981) Trajectoires des porteursTrajectoires des porteurs
• Théorème de Ramo Signaux induits Signaux induits
sur les électrodessur les électrodes
électrons
trous
Voie centre
Voie garde
Simulation 122 keV50 paquets de charge
Dispositifs expérimentauxDispositifs expérimentaux
• Cryogénie: cryostat à dilution 3He/4He, T20mK• Électronique: amplificateur de charge bas bruit
– Temps de montée 10%-90% de l’ordre de 100 ns
• Détecteurs:À Orsay
Au laboratoire souterrain de
Modane
I - Dégradation due au piégeage en I - Dégradation due au piégeage en surfacesurface
Piégeage en surfacePiégeage en surface
• Surfaces libres: densité de pièges > 10densité de pièges > 101111/cm/cm22
• Mise à profit des détecteurs testsdétecteurs tests (grandes surfaces libres)
• Méthode de création/caractérisation de charge surfacique dégradation contrôlée du détecteurdégradation contrôlée du détecteur
• 3 étapes:– Irradiation gamma 22Na
+ acheminement des porteurs aux surfaces
– Collecte des gammas 57Co sous l’effet de la charge piégée
– Modélisation/simulation
Boîtier Cu doré
1cm1 cm
57Co
1cm1cm
Tension centresignal centre Tension
gardesignal garde
Tension référence
-6V
-6V
Polarisation du détecteurPolarisation du détecteur
Boîtier Cu
Toutes les électrodes à la même tension + boîtier à la masse Toutes les électrodes à la même tension + boîtier à la masse toutes les lignes de
champs passent par une surface libre
-6V
-6V
Etape I – Dégradation Etape I – Dégradation Porteurs amenés aux surfaces libresPorteurs amenés aux surfaces libres
22Na
~500 keV
Irradiation gamma par source Irradiation gamma par source 2222Na Na génération de porteurs, conduits aux surfaces
(trous ou électrons suivant le signe de la tension)
Suivi de la dégradation Suivi de la dégradation Etat stationnaire dégradéEtat stationnaire dégradé
Le rendement Le rendement de collecte de collecte diminuediminue
La collecte se La collecte se ralentitralentit
Amplitude centre (V) vs. Temps (s)
Temps de montée garde (ns) vs. Temps (s)
Dans l’état dégradé stationnaire, champ électrique faible Dans l’état dégradé stationnaire, champ électrique faible
Le contre-champ induit par la charge piégée s’oppose au Le contre-champ induit par la charge piégée s’oppose au champ appliquéchamp appliqué
Etape II - Sondage de l’état dégradéEtape II - Sondage de l’état dégradé
122 keV
57Co Charge Charge surfacique surfacique négativenégative
Électrodes à la masse, source Électrodes à la masse, source 2222Na éloignée Na éloignée seul subsiste le champ induit par la charge
surfacique
Scatter-plot Scatter-plot amplitude centre vs. amplitude garde amplitude centre vs. amplitude garde
Run 57Co Surfaces chargées négativement Toutes les électrodes à la masse
Run 57Co Détecteur régénéré Toutes les électrodes à V<0
Etape III - ModélisationEtape III - Modélisation
Eint=0
-6V
-6VCharge surfacique négative
-6V
État dégradé stationnaire Charge surfacique négative
Détecteur équipotentiel
Métallisation des surfaces Portées à –6V Détecteur équipotentiel
Eext
Eint=0 Eext
Distribution de charge calculéeDistribution de charge calculée
Charge surfacique(107e-/cm²)
Distribution de charge surfacique annulant le champ appliqué Distribution de charge surfacique annulant le champ appliqué lorsque toutes les électrodes sont à –6Vlorsque toutes les électrodes sont à –6V
Scatter-plot simulé Scatter-plot simulé
• Scatter-plot experimental : détecteur dégradé sous –6V électrodes à la masse
• Scatter-plot simulé: électrodes à la masse + charge surfacique calculée + diffusion compton
Identification des populationsIdentification des populations
e- collectés par l’électrode centre
e- collectés par l’électrode référence
Division des charges réf/centre
Division des charges centre/garde
e- collectés par l’électrode
garde
En résuméEn résumé
• Méthodologie:– Validation de la méthode de création/sondage de charge d’espace
• Résultats:– Mise en évidence piégeage en surface– Influence d’une charge surfacique sur la collecte
II - Etude du piégeage en volume II - Etude du piégeage en volume dans l’état régénérédans l’état régénéré
Principe de l’étudePrincipe de l’étude
• Détecteurs EDELWEISS• Mesure des longueurs de piégeage longueurs de piégeage :
1)1) Déterminées par mesure du rendement de collecteDéterminées par mesure du rendement de collecte- Position en énergie de la raie 122keV (amplitudes des signaux)Position en énergie de la raie 122keV (amplitudes des signaux)
2)2) Déterminées par étude de la corrélation rendement de Déterminées par étude de la corrélation rendement de collecte/ position dans le détecteurcollecte/ position dans le détecteur- Corrélation amplitude/ temps de montée des signaux 122 keVCorrélation amplitude/ temps de montée des signaux 122 keV
i iN
1
i
Tension de collecte 57Co
position A
57Co position B
Ni: densité de pièges de type ii: section efficace de piégeage
e: électrons
h: trous
Spectre ionisation en fonction de la Spectre ionisation en fonction de la tension de collectetension de collecte
Raie 122 keV
Raie 136 keV
• Rendement de collecte diminue à basse tension
• Dégradation de la résolution à basse tension
Rendement de collecte Rendement de collecte en fonction de la tension de collecteen fonction de la tension de collecte
Tension de collecte négative: Tension de collecte négative: les électrons parcourent les électrons parcourent l’essentiel du détecteurl’essentiel du détecteur
V>0V>057Co
h+
V<0V<057Co
e-
Mesures de rendement de collecte, calibrées par rapport à +4V
Tension de collecte positive: Tension de collecte positive: les trous parcourent les trous parcourent
l’essentiel du détecteurl’essentiel du détecteur
Rendement de collecte Rendement de collecte et longueurs de piégeageet longueurs de piégeage
)1(Rendement d
ed
(d=2 cm)
• Asymétrie par rapport au signe de la tension et aux 2 positions de sources piégeage plus efficace des électronspiégeage plus efficace des électrons
he
Modèle 1D:
Corrélation Corrélation rendement de collecte/temps de montéerendement de collecte/temps de montée
-1V 57Co position A
e-
Contribue à la dégradation de la résolution en énergie à basse
tension
Raie 122keV +1V
Raie 122keV –1V
Raie 136 keV
+1V
h+
Modélisation 1D: Modélisation 1D: rendement de collecte vs. position zrendement de collecte vs. position z
V
e-
h+
z
)1()1(R(z) he
z
h
zd
e ed
ed
Modélisation 1D: Modélisation 1D: temps de collecte vs. position ztemps de collecte vs. position z
(T=20mK, E=0.5 V/cm)
Modélisation 1D: Modélisation 1D: temps de collecte vs. rendementtemps de collecte vs. rendement
Rendement vs. z
Temps de collecte vs. z
Comparaison qualitative aux expériencesComparaison qualitative aux expériences
+1V, position A-1V, position A
Modèle 1De=21cm, h=71cm
(valeurs déterminées par mesure du rendement de
collecte)
Détermination de Détermination de
• Ajustement du modèle 1D rendement=f(z) aux données expérimentales Détermination de e et h
• Utilisation des données de localisation par la voie ionisation- Disponibles pour une tension de collecte de 1V
Détermination de Détermination de
e=214 cm h=71 50 cm
Compatible avec mesures de rendement de collecte:
Résumé des mesuresRésumé des mesures
Mesuré par rendement de collecte
Mesuré par ajustement sur la corrélation rendement de collecte/position
Nature des pièges ?Nature des pièges ?
• Peu de données sur le contenu en impuretés:– Dopage net: |Na-Nd|qques109/cm3
Na, Nd de l’ordre de 1010/cm3
• Données de la littérature:– Peu de données sections efficaces à
très basse température– Données disponibles: porteurs
thermalisés
Bande de valence
Bande de conduction
Niveaux donneurs, densité Nd
Niveaux accepteurs, densité Na
e-
h+
Sections efficaces de piégeage sur Sections efficaces de piégeage sur impuretés ioniséesimpuretés ionisées
Section efficace de piégeage des trous sur accepteurs ionisés -
(Abakumov, 1991)
Sec
tion
eff
icac
e (c
m²)
Température (K)
1/T3
Sections efficaces de piégeage sur Sections efficaces de piégeage sur impuretés neutresimpuretés neutres
Température (K)
(Abakumov, 1991)
Sec
tion
eff
icac
e (c
m²)
Électrons sur accepteurs neutres
Trous sur donneurs neutres
neutreneutre<< << ioniséionisé
(3 à 4 ordres de grandeurs)(3 à 4 ordres de grandeurs)
1/T2
Nature des piègesNature des pièges
de 10 cm à 100cm, =1/(N):– Avec N=1010/cm3, de 10-11 à 10-12 cm²
ionisé(T) T 3 à 10 K, cohérent avec 5 à 25K
• Si piégeage sur impuretés neutres: neutre 10-15cm2 N 1013 à 1014/cm3
Proportion significative des impuretés dopantes ionisée
k
mv²21
Etat de charge du détecteurEtat de charge du détecteur
Bande de valence
Bande de conduction
+++ + +
- ----
+ +
-
+
Bande de valence
Bande de conduction
+++ ++
- ---
+
-
++
-
Après mise en froid Après régénération incomplète
+ donneur ionisé+ donneur neutre
- accepteur ioniséaccepteur neutre-
Etat de charge du détecteurEtat de charge du détecteur
+
+
++
+
-
--
-+
-
++
-
+
+
+
+
+
+ --
- -
• Neutralité électrique globaleNeutralité électrique globale
• Champ électrique localChamp électrique local
En résuméEn résumé
• Méthodologie– Exploitation des mesures résolues en temps
• Résultats:– Asymétrie trous/électrons– Longueurs de piégeage impuretés dopantes chargées
III – Dégradation due au piégeage en III – Dégradation due au piégeage en volumevolume
Dégradation due au piégeage en volumeDégradation due au piégeage en volume
• Détecteur EDELWEISS
• Quelle type de distribution de charge due au piégeage en volume sous irradiation uniforme ?
• Utilisation de la méthode de caractérisation de la charge d’espace:1) Dégradation contrôlée par 60Co jusqu’à l’observation d’un état
stationnaire (effets marqués de la charge piégée + reproductibilité)
2) Sondage de la distribution de charge piégée avec 57Co et sans tension appliquée
I – Dégradation contrôléeI – Dégradation contrôlée
• Source 60Co en dehors du cryostat 2.2105 paires électron-trou /cm3/s (40MeV/s dans le détecteur)– Irradiation sous tension appliquée 1V
• Suivi amplitude et temps de montée en cours de dégradation
1V57Co (sonde)
60Co (dégradation)
I – Dégradation contrôléeI – Dégradation contrôlée
Suivi des temps de montée en cours de dégradation
(104 s)
1V
60Co
I – Dégradation contrôléeI – Dégradation contrôlée
Suivi de l’évolution du rendement de collecteCalibrations intermittentes avec 57Co
II – Caractérisation de l’état dégradé: II – Caractérisation de l’état dégradé: temps de montéetemps de montée
• Toutes les électrodes à la masse, source 57Co
• Distribution des temps de montée Contre-champ de l’ordre du champ appliquéContre-champ de l’ordre du champ appliqué
57Co
II – Caractérisation de l’état dégradé: II – Caractérisation de l’état dégradé: Scatter-plot centre vs. gardeScatter-plot centre vs. garde
• Contre-champ opposé au champ appliqué lors de la dégradation
Scatter-plot sans tension appliquée, après dégradation sous
+1V
Scatter-plot avec tension –1V, détecteur régénéré
Raie 122 keV, évènements centre pur
II – Caractérisation de l’état dégradé: II – Caractérisation de l’état dégradé: Scatter-plot centre vs. gardeScatter-plot centre vs. garde
• Rendement de collecte important (80%)– Les charges parcourent l’essentiel de l’épaisseur du détecteur– Pas de dépendance à la position de source
Rendement de collecte limité par la géométrie du champ électrique
Scatter-plot sans tension appliquée, après dégradation sous
+1V
Histogramme amplitudes des évènements centre pur
Rendement de collecte80%
Distribution de charge piégée (1D)Distribution de charge piégée (1D)
E80%100%
• Flux de porteurs inhomogènes
• Croissance de charge plus rapide sous les électrodes
• Nécessité d’une distribution piquée vers les électrodes
100%
80%
Simulation 2DSimulation 2D
Modèle simplifié
Scatter-plot simuléScatter-plot simulé
• Modèle simplifié
• Position et énergie des évènements fournis par GEANT (Gérard Nollez, IAP)
Collimateur
collecte
Ge
Expérience complémentaireExpérience complémentaire
Sondage de l’état de charge sous les électrodes par Sondage de l’état de charge sous les électrodes par rayonnement rayonnement peu pénétrant peu pénétrant
60CoDétecteur test
241Am
Expérience complémentaireExpérience complémentaire
Vcollecte=+49VVcollecte=- 49V
Alpha 5.5 MeV (241Am)
Raie 1333 keV (60Co)
En résuméEn résumé
• Méthodologie:– Méthode de création/sondage de charge d’espace– Exploitation des mesures résolues en temps
• Résultats:– Développement de charge sous les électrodes– Efficacité régénération sous les électrodes?
Conclusions et perspectivesConclusions et perspectives
• Piégeage en surface/ piégeage en volume– Charge surfacique: Importance de la géométrie– Piégeage en volume: relativement faible aux tensions de collecte
utilisée dans EDELWEISS (rendement >99% à 4V)– Piégeage près des électrodes zone morte
• Régénération– État de charge du détecteur– Efficacité près des électrodes ?
• Conception des détecteurs– Technologie des contacts électrode/Ge– Optimisation de la géométrie des électrodes– R&D électrodes segmentées (interdigitées)