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David.Attie@cea.fr SOCLE 2007, Clermont-Ferrand – 18-29 novembre 2007
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TimePix à Saclay :TimePix à Saclay :réalisations et réalisations et perspectivesperspectives
David Attié, Maximilien Chefdeville,Paul Colas, Eric Delagnes,
Marc Riallot, Arnaud Giganon
SOCLE 2007, Clermont-Ferrand
18-19 novembre 2007
David.Attie@cea.fr SOCLE 2007, Clermont-Ferrand – 18-29 novembre 2007
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Sommaire
• SiTPC : proposition d’une lecture pixélisée pour une TPC
• Description de la puce TimePix
• Activités liées à SiTPC
• Premières lumières d’une chambre TimePix/Micromegas
• Grand prototype de TPC digitale
• Conclusion & perspectives
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SiTPC : proposition d’une lecture pixélisée pour une TPC
Caractéristiques nécessaires pour la TPC de l’ILC :
• Résolution spatiale (<100 μm) :– σxy limité par la largeur du pad (pas/√12)
– distribution de charge étroite (RMS ~15 μm)
• Granularité importante :– détection/suppression des δ-ray– directionnalité– mesure du dE/dx par comptage des clusters
Utilisation d’une lecture digitale pour la TPC en combinant :une puce CMOS pixélisée un détecteur gazeux GEM ou Micromegas
• Autres avantages :– sensibilité à l’électron unique– énergie + directionnalité permettent l’observation :
• électrons de faible énergie pour la polarimétrie X• reculs des noyaux issus des interactions WIMP ou neutrinos• 2 e- de la désintégration beta (ββ2ν)
SiTPC
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Principe de la TPC digitale
+
-
+
-
Puce TimePix
Particule
ionisante
Volume
de gaz
Système d’amplification (MPGD)
Cathode
~50 µm
80 kV/cm
Micromegas
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• Puce (CMOS ASIC) améliorée dans le cadre d’EUDET à partir de la puce Medipix d’abord développée pourdes applications médicales
• Technologie IBM 0.25 µm
• Caractéristiques:– surface : 1.4 x 1.6 cm2
– matrice de 256 x 256– pixel de 55 x 55 µm2
• Chaque pixel contient:– Préamplificateur + shaper– discriminateur de seuil– registre de configuration– logique de synchronisation (TSL)– compteur 14-bit
Seuil ~ 700 e-
55 m
55 m
11 22 33
44
55
55μm
55μm
Description de la puce TimePix
Plan d’un pixel
Pré
am
plifi
cate
ur
Dis
crim
inat
eur
Reg
istr
e de
con
figur
atio
n
Interface
Compteur
Log
ique
de
sync
hro
nisa
tion
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Mode MedipixMode TOT Mode Timepix
TimePix Synchronization Logic (TSL)
Mask P1 P0 Mode
0 0 0 Masked
0 0 1 Masked
0 1 0 Masked
0 1 1 Masked
1 0 0 Medipix
1 0 1 TOT
1 1 0 Timepix-1hit
1 1 1 Timepix
• Chaque pixel peut être configuré en 5 modes
• Horloge interne jusqu’à 160 MHz
Charge sommée
non detecté
detecté
100 MHz
Signal analogique
Shutter interne
Shutter
Horloge interne
Signal digital
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Ingrid ou Micromegas intégré par photolithographie
1. Le substrat peut être :– wafer de Si avec une simple anode– puce de lecture type TimePix
2. Application et exposition d’un photorésist– définition de l’espace d’amplification (qqs 10
μm)– définition des supports (piliers/murs)
3. Déposition d’un film métallique avec motifs– définition de la géométrie de la grille
4. Développement par dissolution des zones non exposées + nettoyage
substrat
photo-resist
pas de 20 μm
pas de 50 μm
MESA+
Univ. Twente
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Ingrid : résolution en énergie
• Amélioration du process : grille beaucoup plus plate
– très bonne résolution en énergie :13.6 % FWHM avec 55Fe dans le P10
– suppression de la raie Kβ à 6.5 keV :11.7 % @ 5.9 keV dans le P10
– avec F = 0.14 & Ne = 229 fluctuation du gain ~ 0.7
• Nouveau masque photolithographique :
- pas des trous jusqu’à 20 μm- avec différents géométries
• Augmentation en épaisseur de la grille : de 1 μm d’Al à 5 μm par électrolyse plus robuste
Échappement KαEchappement Kβ 13.6 %
FWHM
Kβ filtré en utilisant une feuille de Cr
11.7 %
FWHM
Max Chefdeville (NIKHEF/Saclay) + Twente Univ.
Gap : 50 μm; Trou, pas : 32 μm, Ø : 14 μm
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70 μm 45 μm 58 μm
Ingrid : étude du retour des ions
• Dépendance du phénomène :– le gaz (Townsend, σt)
– la géométrie de la grille (gap, pas et taille des trous, taille de l’entonnoir et de l’avalanche)
• 3 géométries différentes :– gap à 45, 58 et 70 μm– opérant à 325, 350 et 370 V
– Ea de 72, 60 et 53 kV/cm (G~200, 550 et 150)
- coef. diffusion de 142, 152 et 160 μm/√cm- largeur d’avalanche de 9.5, 11.6 et 13.4 μm
• Le retour des ions atteint un minimum– prédit par la simulation à σt/p = 0.5
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Chambre TimePix/Micromegas
Cage de champ
Capot
MeshMicromeg
as
Puce Medipix2/TimePix
M. RIALLOT (DAPNIA/SEDI)
Fenêtre pour sources X
Fenêtre poursource
• Plans :
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Chambre TimePix/Micromegas
6 cm
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Source 55Fe
• Puce Timepix + mesh Micromegas :
• Puce Timepix + SiProt 20 μm + Ingrid:
Effet de Moiré
UniformeMESA+
IMT Neuchatel
CERN
Medipix mode
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Chambre TimePix/Micromegas : mode TOT
• Timepix chip+ SiProt 20 μm+ Micromegas
• 55Fe
• Ar/Iso (95:5)
• Mode TOT
• z = 60 mm
-
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Chambre TimePix/Micromegas : mode Time
• Timepix chip+ SiProt 20 μm+ Micromegas
• 55Fe
• Ar/Iso (95:5)
• Mode Time
• z = 25 mm
• Vmesh = -340 V
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Chambre TimePix/Micromegas : mode Time
• Timepix chip+ SiProt 20 μm+ Micromegas
• 109Cd
• Ar/Iso (95:5)
• Mode Time
• z = 60 mm
• Vmesh = -340 V
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Protection contre les étincelles
• Timepix chip+ SiProt 20 μm+ Micromegas
• 228Th220Rn
• Ar/Iso (80:20)
• Mode TOT
• z = 10 mm
• Vmesh = -420 V
~3 jours, 5.104 alpha
dont 1% de …
Provoquer des étincelles en introduisant un peu de Thorium dans le gaz
2.5×105 e-
2.7×105 e-
6.3 MeV
6.8 MeV
NIKHEF
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Observations des étincelles
• Timepix chip+ SiProt 20 μm+ Micromegas
• 228Th220Rn
• Ar/Iso (80:20)
• Mode TOT
• z = 10 mm
• Vmesh = -420 V
La puce fonctionnetoujours !!!
NIKHEF
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Large Prototype
InterchangableTechnologie bulk Micromegas
ø = 80cm D. Peterson, Cornell
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Panneau avec TimePix
Matrice 2x4
SiProt+Ingrid
1 MUROS
Pad ~ 2,8 x 6, 8 mm²
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Perspectives
•Micro TPC + TimePix : outil inégalable sensible à l’électron unique maintenant disponible pour l’étude et la caractérisation des gaz
•Observation de rayons cosmiques et mesures en faisceau polarisé
•La conception d’un PCB contenant une matrice de 2x4 TimePix a commencé et pourra utiliser la technologie InGrid
•Construction d’une boite pour des tests préalables au Grand Prototype (Large Prototype)
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Perspectives
• Saclay– David Attié– Max Chefdeville– Paul Colas– Esther Ferrer-Ribas– Arnaud Giganon– Ioannis Giomataris– Marc Riallot– Stephen Turnbull
• Résolution ultime de la TPC digitale pour l’ILC
• Ouverture sur de très nombreuses applications :
- Polarimétrie X
- Etude des propriétés des gaz
(statistique primaire, diffusion, fluctuations de gain, etc…)
- Matière noire directionnelle
- …
• CERN– Michael Campbell– Xavier Llopart
• NIKHEF– Yevgen Bilevych– Marten Bosma– Max Chefdeville– Martin Fransen – Fred Hartjes– Jan Timmermans – Harry van der Graaf – Jan Visschers
Collaboration
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