[email protected] 2007, Clermont-Ferrand – 18-29 novembre 20071 TimePix à Saclay : réalisations et perspectives David Attié, Maximilien Chefdeville,

[email protected] 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


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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


• 55Fe

• Ar/Iso (95:5)

• Mode Time

• z = 25 mm

• Vmesh = -340 V


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Chambre TimePix/Micromegas : mode Time


• 109Cd

• Ar/Iso (95:5)

• Mode Time

• z = 60 mm

• Vmesh = -340 V


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Protection contre les étincelles


• 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


• 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

Documents

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