• No results found

Study of MicroMegas detectors with resistive anodes for the muon reconstruction in ATLAS at HL-LHC

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "Study of MicroMegas detectors with resistive anodes for the muon reconstruction in ATLAS at HL-LHC"

Copied!
90
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

Master of Science Thesis

A study of MicroMegas detectors with resistive anodes for muon reconstruction in

HL-LHC

   

Guillaume CAUVIN

Particle Physics, Department of Physics School of Enginnering Sciences

Royal Institue of Technology, SE-106 91 Stockholm, Sweden Stockholm, Sweden 2012

 

(2)

Page 2  

                                     

Examsarbete inom ämnet fysik för avläggande av civilingenjörsexamen  inom utbildingsprogrammet Teknisk Fysik 

Graduation thesis on the subject Particle Physics for the 

degree of Master of Science in Engineering from the School of Engineering Physics  TRITA‐FYS 2012:56 

ISSN 0280‐316X 

ISRN KTH/FYS/‐‐12/56‐SE 

(3)

Page 3

Abstract

 

By 2018, the luminosity of the proton‐proton collisions in the High‐Luminosity Large Hadron Collider will  increase  by  a  factor  of  ten.  Furthermore,  the  energy  at  the  center  of  mass  will  reach  14TeV.  This  will  imply a lot of consequences, especially concerning detectors. The detectors of the muon spectrometer  will need to be replaced.  

The  MicroMegas  detector  is  a  very  new  and  promising  gaseous  detector  technology.  The  MAMMA  collaboration has the aim to develop Micromegas detectors as a replacement solution. The purpose of  this diploma work is to study a new concept of Micromegas: the resistive. It is supposed to handle very  high‐rate  of  very  high‐energy  particles.  In  order  to  better  understand  the  behavior  of  the  resistive  Micromegas, some experimental tests such as characterization of new prototypes will be described and  analyzed  in  this  report.  Moreover,  ageing  tests  have  been  performed  during  my  thesis  to  prove  the  capability of these detectors to operate in long data taking periods in the HL‐LHC. We irradiated a sample  with X‐rays, cold neutrons and gammas and observed the evolution of some observables such as the gain  of the detector and the generated current. 

Then, the MAMMA proposal implies the construction and the integration of 128 Micromegas chamber of  2m² into ATLAS. The process of assembly of this structure deserves special  attention. We need to find  out a way to assemble and align all the detectors together with accuracy better than 30µm in order to  reconstruct the particle tracks within the muon spectrometer.  

Finally  and  since  experiments  need  to  be  proved  by  the  simulation,  many  2dimensional  models  of  Micromegas were created with an appropriate software in order to investigate the influence of the size  of resistive anodes on the field lines and the gain of the detector. 

                   

(4)

Page 4

ACKNOWLEDGMENTS

 

First,  I  would  like  to  thank  the  CEA  and  especially  the  Detector  Service  (SEDI)  for  accepting  me  as  a  trainee and for welcoming me so warmly. The working conditions and atmosphere were great and help  me to feel good as soon as my arrival.  

Then,  I  want  to  thank  Philippe  SCHUNE  for  supervising  me  and  my  work  during  this  internship.  His  passion, his wit and his 1000 ideas per second were very inspiring and motivating. 

Thanks to Fabien for having been at my side and taken care of me every day, for his patience with me,  his  very  reassuring  self‐confidence,  his  advices  and  his  orders.  My  comprehension  of  the  Micromegas  technology went really faster with him. I have to admit I was impressed by his general culture and his  competence in physics. 

Thanks to Esther for her kindness and for having integrated me in the “Spanish physics task force”, a very  powerful  diaspora  here  in  CEA.  She  was  able  to  motivate  and  guide  me  during  periods  of  discouragement. 

Thanks to both of them for their rants, which were very funny and entertaining. 

Thanks to Javier for his patience and for having dedicated lot of his time to explain me how to deal with  Micromegas detectors and for all the works I have stolen. 

Thanks to Paco for his motivation,  his always  good  mood and  for having flirted  with the waitresses to  have a better coffee. 

Thanks to Ali for having supported and helped me and for having shown interests to my works. 

Thanks to Finbarr for all the discussions about Sports and Travels and how France is better than Ireland  in Rugby. It really helped me to take a break and be more focused on my work afterwards. 

Thanks to Thomas for all the weather forecasts in all the French ski resorts. 

Thanks to Jacques and Ioannis for their scientific advices, their help and their expertise. 

Thanks to Arnaud for his very precious technical support. 

Thins long‐term internship enables me to think about my professional future and how I want my carrier  to look like. Thanks to all of them for their helps, their supports and the constructive discussions. 

       

(5)

Page 5  

                                 

   

(6)

Page 6

TABLE OF CONTENTS

 

ACKNOWLEDGMENTS ... 4 

INTRODUCTION ... 12 

I SCIENTIFIC AND INDUSTRIAL CONTEXT ... 13 

I‐1 CEA ... 13 

I‐2 Scientific Context ... 14 

I‐2‐1 CERN ... 14 

I‐2‐2 LHC ... 14 

I‐2‐3 ATLAS ... 16 

I‐2‐4 Muon spectrometer ... 18 

I‐2‐4 The HL‐LHC ... 20 

I‐2‐5 The muon spectrometer upgrade ... 20 

I‐2‐6 The MAMMA collaboration ... 22 

I‐2‐7 The decision... 22 

I‐3 Micromegas ... 23 

I‐3‐1 Gaseous detector ... 23 

I‐3‐2 Principle ... 23 

I‐3‐3 Performance, Advantages and Drawbacks (Sparks) ... 27 

II EXPERIMENTAL TESTS ON MICROMEGAS DETECTORS ... 30 

II‐1 Characterization and various tests on Micromegas ... 30 

II‐1‐1 Aim and Experimental Set‐up ... 30 

II‐1‐2 Calibration and gain computation ... 32 

II‐1‐3 Samples studied ... 34 

II‐1‐4 Micromegas characterization ... 36 

II‐1‐5 Results and conclusions ... 38 

II‐1‐6 Sparks production ... 40 

II‐2 Ageing tests and background in ATLAS ... 42 

II‐3 Ageing studies with X‐rays ... 43 

II‐2‐1 X‐rays tests set‐up ... 44 

II‐2‐1 Tests and results ... 46 

II‐4 Ageing studies with Neutrons ... 49 

II‐4‐1 Set‐up and installation ... 49 

II‐4‐2 Calibration and activation of the detectors... 51 

(7)

Page 7

II‐4‐3 Results and conclusions ... 52 

II‐4‐4 Post characterization ... 53 

II‐5 Ageing studies with Gamma Sources ... 54 

II‐6 Conclusion ... 56 

III ALIGNMENT AND ASSEMBLY PROCESS OF THE MICROMEGAS SMALL‐WHEEL ... 57 

III‐1 A strong need of precision ... 57 

III‐2 Mechanical measurement of the New Small Wheel ... 58 

III‐2‐1 Detector components ... 58 

III‐2‐2 Chamber precision ... 60 

III‐2‐3 The New‐Small‐Wheel ... 61 

III‐3 Alignment and Assembly process ... 63 

III‐3‐1 Preliminaries ... 63 

III‐3‐2 Multilayer Assembly and alignment ... 64 

III‐3‐3 Quality and control ... 65 

III‐4 Mechanical analysis of Micromegas chamber ... 70 

III‐4‐1 The models ... 70 

III‐4‐2 First study: displacements under thermal conditions ... 71 

III‐4‐3 Second study: displacement under its own weight ... 74 

III‐4‐4 Conclusion ... 75 

IV 3D‐MICROMEGAS BEHAVIOR’S SIMULATION WITH LORENTZ‐3D ... 76 

IV‐1 The software ... 76 

IV‐2 3D‐models ... 77 

IV‐3 2D‐models ... 78 

IV‐4 Results and comparisons ... 79 

IV‐4‐1 Streamlines ... 80 

IV‐4‐2 Equipotential ... 83 

CONCLUSION ... 84 

REFERENCES ... 863 

APPENDIX ... 88 

(8)

Page 8

 

(9)

Page 9

TABLE OF ILLUSTRATIONS

Figure 1: CEA‐Saclay ... 13 

Figure 2 : Map of LHC‐CERN, Geneva ... 14 

Figure 3: ATLAS description ... 16 

Figure 4: Positions of different technologies in the muon spectrometer (from CERN‐OPEN‐2008 Atlas) . 19  Figure 5: Position of the Small‐Wheel in ATLAS ... 21 

Figure 6: Principle of a MicroMegas detector ... 24 

Figure 7: Simulation of an avalanche with GARFIELD ... 25 

Figure 8: Streamlines in a MicroMegas detector with LORENTZ ... 25 

Figure 9: Principle and scheme of a MicroMegas in 3D ... 26 

Figure 10: Different materials of the mesh ... 26 

Figure 11: Scheme of a resistive Micromegas (top: face view, bottom: side view) ... 29 

Figure 12: Electrical equivalent circuit of a resistive Micromegas (by Rui de Oliveira, CERN) ... 29 

Figure 13: Electrical set‐up for any experimental test with a Micromegas ... 31 

Figure 14: Electronics crate ‐ with power‐supply and amplifiers ... 31 

Figure 15: Schemes of Micromegas components (with Gerber software) ... 34 

Figure 16: Scheme of prototype 1 ... 35 

Figure 17: photo of prototype 2 with its mask, the pre‐amplifier and all connectors ... 35 

Figure 18: A typical transparency curve (Mesh voltage is fixed) ... 36 

Figure 19: A typical histogram with Amptek MCA software. ... 37 

Figure 20: schematic of prototype 2 ... 38 

Figure 21: Transparency curves of all zones and holes of Prototype 2 ... 39 

Figure 22: Gain curves of all zones of Prototype 2 ... 40 

Figure 23: Sparks production by zone ... 41 

Figure 24: scheme of 2D (X and Y readouts) Micromegas ... 44 

Figure 25: X‐rays test set‐up ... 45 

Figure 26: Photo of detector R17a with its mask before irradiation ... 45 

Figure 27: Evolution of the mesh current during the X‐rays exposure ... 46 

Figure 28: Gain curves comparison before and after the irradiation... 47 

Figure 29: Evolution of the mesh current during the second exposure ... 47 

Figure 30: Gain comparison on irradiated detector R17a (left) and non‐irradiated R17b (right)... 48 

Figure 31: Detector's emplacement at Orphee reactor neutron guide ... 49 

Figure 32: Photo of the detector R17a in the neutron guide ... 50 

Figure 33: Spectrum from the MCA after 5 minutes neutron exposure ... 51 

Figure 34: Spectrum from the MCA after 2 hours exposure ... 52 

Figure 35: Evolution of the mesh current during neutrons exposure ... 52 

Figure 36: photo of R17b, ready for a gain measurement ... 53 

Figure 37: Gains comparison before and after neutrons irradiation of detector R17a ... 54 

Figure 38: Detector R17a, the Cobalt source and its shielding (in Orange) ... 55 

Figure 39: Evolution of the mesh current in COCASE for the first four days (bottom: zoom of the top) ... 55 

(10)

Page

Figure 40: Current muon spectrometer's scheme. In blue, the three wheels of MDT chambers. ... 57 

Figure 41: Inspection of a Micromegas with a 3D‐microscope ... 58 

Figure 42: Geometrical properties of the Micromegas detector ... 59 

Figure 43: Scheme of a Micromegas multilayer ... 61 

Figure 44: schematic view of a Micromegas chamber ... 61 

Figure 45: Scheme of the New‐Small‐Wheel (from Saclay's engineering department) ... 62 

Figure 46: Typical dimensions and lengths of micromegas chambers ... 62 

Figure 47: Layout of the chambers to avoid dead‐zones and detect all particles ... 63 

Figure 48: Schematic view of a PCB and copper strips ... 65 

Figure 49: Scheme of the potential assembly device ... 65 

Figure 52: Schematic view of a possible device from optical control during the assembly ... 66 

Figure 53: Scheme of the optical control system with lenses, masks and cameras ... 67 

Figure 54: Possibility to design slots for a camera and masks on the PCB ... 68 

Figure 55: The current Small‐wheel with eight alignment bars full of optical devices ... 68 

Figure 56: The full optical control system ... 69 

Figure 57: The In‐plane system mounted on a chamber ... 69 

Figure 58: Models designed for the study ... 70 

Figure 59: Zoom on a multilayer from model 2 ... 71 

Figure 60: Thermal conditions applied on model 4 ... 72 

Figure 61: Displacement module (in millimeters) ... 72 

Figure 62: Longitudinal distortion (along the y‐axis) causing a misalignment of strips along z‐axis ... 73 

Figure 63: Von Mises stresses over the frame (in MPa) ... 73 

Figure 64: Conditions for study 2 ... 74 

Figure 65: Displacement module of model 1 for study 2 ... 75 

Figure 66: Logo of Lorentz ... 76 

Figure 67: Schematic views of Micromegas in 3D with LORENTZ ... 77 

Figure 68: Geometrical properties of the 2D model ... 78 

Figure 69: Materials used for 2D model ... 78 

Figure 70: Boundaries conditions and voltages of 2D model ... 79 

Figure 71: Streamlines for Micromegas detector. ... 80 

Figure 72: Streamlines for Micromegas detector. ... 81 

Figure 73: Streamlines for Micromegas detector. ... 82 

Figure 74: Equipotential lines near the strips (only from 0V to ‐500V) for the three configurations ... 83   

   

(11)

Page  

                                             

(12)

Page

Introduction

The Large Hadron Collider [1] in CERN [2] at Geneva is certainly one of the biggest and most impressive  experiments which have ever been built. Its size, its power, its costs and all the expectations associated  are  tremendous.  The  LHC  raised  a  new  hope  for  physicists  to  discover  a  new  physics  and  better  understand the existing one. It is a huge breakthrough for particle physics. 

However, scientists need and deserve always more and more to deeper investigate, find new particles  such as Higgs boson [3] or prove new theories like Supersymmetry .This is the reason why the CERN gave  birth to the HL‐LHC project which is simply an enormous upgrade of the existing LHC. The luminosity will  be increased by a factor of 10 and the energy in the center of mass of proton‐proton collision will reach  14 TeV by 2018‐2020. 

Of course, this kind of project has a lot of fallouts. Since the number of collision and their energy will get  bigger,  the  background  and  the  numbers  of  particles  created  will  reach  a  tremendous  level. 

Consequently,  many  evolutions  have  to  be  foreseen.  All  detectors  very  near  the  impact  point  or  the  vacuum tube will have to be upgraded in order to handle the new conditions and particle fluxes. 

The Small Wheel of the muons spectrometer is part of the devices that have to be redesigned. This is a  10 m diameter wheel, full of gaseous detectors, which plays a significant role in the study of muons. 

The  CEA,  within  an  international  community  called  MAMMA1,  is  involved  in  the  “competition”  for  the  Small  wheel  upgrade.  The  issue  is  to  replace  all  detectors  in  the  wheel  by up  to date detectors,  more  robust and precise.  The MAMMA collaboration proposes to install a new kind of micro pattern gaseous  detector  called  MicroMegaS  (MICRO  MEsh  GAseous  Structure).  This  very  recent  and  innovative  technology is a real breakthrough in the field of physics of detectors. 

The  CEA‐Saclay  on  behalf  of  the  MAMMA  collaboration  is  in  charge  of  some  parts  of  the  proposition. 

First,  R&D  researches  are  conducted  to  better  understand  the  detector  and  its  specificities.  Some  evolutions and new techniques had to be implemented on a classical Micromegas to enable it to cope  with extreme operations conditions. 

Then, the HL‐LHC research team has to study the  ageing  of the detector. The  principle is to prove  the  capability of detectors made of new Micromegas technology to operate in long data taking periods.  

Finally,  the  CEA  has  to  work  on  the  integration,  the  alignment  and  the  installation  of  Micromegas  detectors  chambers  on  the  New  Small  Wheel.  The  two  wheel  of  spectrometer  represents  more  than  1000m² of detectors that have to be placed and aligned with an accuracy of 30µm. 

As a long‐term trainee I have worked on the three tasks and had the possibility to see all the aspects of  the  projects.  After  a  brief  presentation  of  the  scientific  and  industrial  context,  I  will  present  results  of  experimental and ageing tests I conducted. Then, I will focus on the assembly process of the Small wheel. 

Finally, I will introduce some preliminary simulations of Micromegas behavior I have done.   

      

1 Muon Atlas MicroMegas Activity 

(13)

Page

I Scientific and Industrial Context

 

I‐1 CEA  

The  CEA  is  the  French  Alternative  Energies  and  Atomic  Energy  Commission  (Commissariat  à  l'énergie  atomique  et  aux  énergies  alternatives).  It  is  a  public  body  established  in  October  1945  by  General  de  Gaulle.  A  leader  in  research,  development  and  innovation,  the  CEA  mission  statement  has  two  main  objectives: To become the leading technological research organization in Europe and to ensure that the  nuclear deterrent remains effective in the future. 

The  CEA  is  active  in  four  main  areas:  low‐carbon  energies,  defense  and  security,  information  technologies  and  health  technologies.  In  each  of  these  fields,  the  CEA  maintains  a  cross‐disciplinary  culture of engineers and researchers, building on the synergies between fundamental and technological  research. 

In 2009, the total CEA workforce consisted of 15 718 employees. Across the whole of the CEA (including  both  civilian  and  military  research),  there  were  1,360  PhD  students  and  289  post‐docs.  In  2009,  the  civilian programs of the CEA received 45 % of their funding from the French government, and 34 % from  external  sources  (partner  companies  and  the  European  Union).  In  2009,  the  CEA  had  a  budget  of  3.9  billion euros. 

The CEA is based in ten research centers in France, each specializing in specific fields. The laboratories  are  located  in  the  Paris  region,  the  Rhône‐Alpes,  the  Rhône  valley,  the  Provence‐Alpes‐Côte  d'Azur  region, Aquitaine, Central France and Burgundy. The CEA benefits from the strong regional identities of  these  laboratories  and  the  partnerships  forged  with  other  research  centers,  local  authorities  and  universities. 

 

Figure 1: CEA‐Saclay 

The  SEDI  (Service  d’Electronique,  des  Détecteurs  et  d’Informatique  is  involved  in  many  international  experiments and I was integrated to a team working on HL‐LHC, the upgrade of LHC in CERN. The team is  composed by five physicists, a technician, consultants and students, who also work on other projects.  

(14)

Page I‐2 Scientific Context

I‐2‐1 CERN

 

Figure 2 : Map of LHC‐CERN, Geneva 

It  is  almost  unnecessary  to  introduce  CERN,  since  the  European  laboratory  is  very  well‐known  plays  a  major  role  in  Physics.  CERN,  the  European  Organization  for  Nuclear  Research,  is  one  of  the  world’s  largest  and  most  respected  centers  for  scientific  research.  At  CERN,  the  world’s  largest  and  most  complex  scientific  instruments  are  used  to  study  the  basic  constituents  of  matter  in  order  to  find  out  what the universe is made of and how it works.  

Founded in 1954, the CERN Laboratory has its site astride the Franco–Swiss border near Geneva. It was  one of Europe’s first joint ventures and now has 20 Member States. 

 

I‐2‐2 LHC  

a) The principle

The Large Hadron Colliger is a two ring superconducting hadron accelerator and collider constructed at  CERN. It has been designed to collide protons with a center‐of‐mass energy of 14 TeV. These conditions  have never been achieved before in any experiment. 

Before  been  injected  into  the  LHC,  protons  are  progressively  accelerated  through  a  set  of  linear  and  circular accelerators. Protons are injected into the two main LHC rings, such that they are assembled in  trains of bunches with around 1011 protons per bunch in both directions, clockwise and anti‐clockwise. 

Once there, these proton bunches will be accelerated up to 7 TeV (energy per proton) and finally collided  at  four  different  points  where  detectors  have  been  constructed  to  probe  the  physics  laws  at  thse  energies. 

The bunch crossing rate, at each of these points, will be about 40 MHz (25 ns). There are six detectors  installed at the LHC: Atlas, CMS, Alice, LHCb, Totem and LHCf. Atlas and CMS [4] are designed to cover  the  widest  possible  range  of  physics  in  proton‐proton  collisions,  while  LHCb  and  Alice  are  designed  to 

(15)

Page

study specific phenomena, LHCb for B‐physics and Alice for the interactions in heavy ions collisions. The  detectors  used  by  the  Totem  and  LHCf  experiments  are  positioned  near  CMS  and  Atlas  respectively. 

Totem and LHCf are designed to focus on particles which are scattered at small angles compared to the  beams. 

On November 2009, the proton beams were successfully circulated, and the first proton‐proton collisions  recorded  at  the  injection  energy  of  450  GeV  per  beam.  The  LHC  became  the  world’s  highest‐energy  particle  accelerator  on  30  November  2009,  achieving  1.18  TeV  per  beam.  After  the  2010  winter  shutdown, the LHC was restarted and the beam was ramped up to 3.5 TeV per beam. We reached 7 TeV  in 2011. 

 

b) Up‐grade and motivation

The  main  motivation  for  a  luminosity  upgrade  is  to  provide  more  statistics  to  improve  physics  studies  beyond those possible at the original LHC design. The HL‐LHC, with a tenfold increase in luminosity, will  extend the discovery reach of the LHC for new particles such as those arising from Supersymmetry, and  will allow for detailed measurements of Standard Model processes and any new phenomena discovered  during LHC operations. Some of the possibilities that can benefit from the increased luminosity of the HL‐

LHC are: 

 

 The precision measurement of the electroweak parameters is a tool to look indirectly for physics  beyond the Standard Model (SM). 

 

 Most  of  the  top  quark  studies  at  the  LHC  will  have  been  done  before  HL‐LHC  comes  into  operation. An important exception is the search for rare top decays. 

 

 If  Supersymmetry  (SUSY)  has  not  yet  been  discovered  in  data  samples  collected  during  LHC  running, inclusive searches may continue with the larger integrated luminosity of the HL‐LHC. If  evidence for SUSY is discovered, it will be important to measure: i) more exclusive final states in  order to measure the particle mass spectrum.  ii) to determine the  spin of the new particles  in  order to understand whether counterparts to the SM particles are observed with opposite spin  statistics, or whether some other new phenomenon is observed. 

 

 The increase in luminosity at the HL‐LHC will give access to jets with energy around 4.5 TeV. This  offers the opportunity to extend the search for quark substructure. 

 

 The Standard Model Higgs, if it exists, might have been discovered by the time the HL‐LHC starts  its operation. It will however remain important to measure its properties more precisely. If no  Higgs  is  discovered  then  it  is  expected  that  the  high  energy  scattering  of  electroweak  gauge  bosons will show structure beyond that expected in the Standard Model at WW and ZZ masses  of order of 1 TeV . The discovery of such effects may be very difficult at the LHC. 

 

(16)

Page I‐2‐3 ATLAS

 

Atlas  is  one  of  the  experiments  built  at  the  Large  Hadron  Collider.  It  is  a  general  purpose  detector  designed to explore physics at the TeV energy scale. Its dimensions are roughly: 44 m long, 25 m high  and 25 m wide, with a weight of 7000 tones. The main feature of this detector is its enormous toroidal‐

shape  magnet  system,  and  that  is  why  it  is  called  ATLAS,  A  Toroidal  LHC  ApparatuS  [5].  The  toroidal  magnet  consists  of  eight  25  m  long  by  5  m  wide  superconducting  magnet  coils,  arranged  to  form  a  cylindrical toroid surrounding the beam pipe. 

 

Figure 3: ATLAS description 

This experiment is the result of an international collaboration, where over 2900 physicists and engineers,  from 184 institutes, from 37 countries participate. 

The detector is made up of four sub‐detectors. These are:  

 Inner Detector: The task of the Inner Detector (ID) is to measure the track and momentum of  charged particles. The position of the charged particles is measured in different sets of layers as  they  pass  throughout.  Beginning  from  innermost  part,  the  inner  detector  has  three  layers  of  silicon  pixels  detectors,  four  double  layers  of  semiconductor  trackers  (SCT),  and  a  transition  radiation tracker (TRT). The TRT also identifies high energy electrons w.r.t  other charged particle  like  pions,  muons  etc.  The  tracking  system  sits  inside  a  solenoidal  magnet  that  produces  a  magnetic field of 2 T; thus, charged particles are bent permitting to determine their charge and  momentum. 

(17)

Page  

 Calorimeters:  High  energy  particles  initiate  hadronic  or  electromagnetic  showers,  as  they  encounter  the  detector  material.  The  Atlas  experiment  has  electromagnetic  and  hadronic  calorimeters were  the energy of particles  is  measured  by stopping  them with dense materials. 

The particles interact generating showers of secondary before being stopped (with the exception  of muons). The calorimeters are the primary shield protecting the muon system. 

   

 The  electromagnetic  calorimeter  system:  detects  and  identifies  electrons  and  photons,  and  measures  their  energy.  It  is  divided  into  a  barrel  and  two  end‐cap  calorimeters,  working  in  a  similar way. These calorimeters have an accordion‐shape structures that consist of many layers  of lead absorbers and liquid argon (LAr). A copper grid immersed in each liquid argon layer acts  as  an  electrode.  In  these  calorimeters,  the  particles  interact  with  the  lead  plates  generate  electromagnetic showers. Then,  the secondary particles ionize the argon as they pass through. 

The electrons resulting from the ionization are drifted to the copper electrodes and the electric  current  is  measured.  The  greater  the  energy  of  a  particle  entering  in  the  EM  calorimeter,  the  greater will be the number of secondary particles generated in the shower, and in consequence  the current. The accordion geometry of this calorimeter provides complete φ symmetry without  azimuthal cracks and good trigger capabilities. In front of the barrel calorimeter, there is also a  LAr layer with active electrodes. The information that it provides is utilized to correct the energy  lost by electrons and photons when they go through the matter in front of the calorimeter. 

 

 The  hadronic  calorimeter:  measures  the  energy  of  particles  where  only  part  of  the  energy  is  deposited when they traverse the EM calorimeter; these are primarily hadrons. This calorimeter  is divided into a barrel part and two end‐cap components as well. But in this case, these parts  work differently; the tile barrel calorimeters utilize scintillating plates and the end‐caps are liquid  argon  calorimeters  in  the  same  cryostat  as  EM  calorimeter.  That  is  because  the  radiation  emanating from the collision point is more intense at large values of , and the scintillating tiles  are damaged by excessive exposure to radiation. The tile barrel calorimeter utilizes steel sheets  in order to generate the hadronic shower and scintillating sheets as the active material. They are  placed  in  planes  perpendicular  to  the  beam,  forming  layers  of  steel  including  scintillating  material.  When  the  shower  particles  pass  through  the  scintillating  tiles,  they  emit  light  in  an  amount proportional to the incident energy. Then fibers carry the light to devices where the light  intensity  is  measured.  The  liquid  argon end‐cap  hadronic  calorimeter  is  very  similar  to  the  EM  calorimeter. The difference is that it uses copper planar plates instead of lead accordion plates,  which  are  more  appropriate  to  the  hadronic  showering  process,  and  the  argon  gaps  are  twice  larger as well. 

     

(18)

Page I‐2‐4 Muon spectrometer

 

High  momentum  final‐state  muons,  when  they  occur,  are  amongst  the  most  promising  and  robust  signatures of physics in the LHC. To exploit this potential, a high‐resolution muon spectrometer has been  installed.  This  sub‐detector  measures  the  particles  tracks  and  their  momentum  using  the  deflection  caused  by  the  superconducting  toroidal  magnets.  There  are  three  toroidal  magnets:  the  large  barrel  toroid and two smaller end‐cap magnets, which are inserted into both ends of the large one. The muon  spectrometer has been designed to have a good momentum resolution of  10 % even at p= 1 TeV.  

The muon chambers are complemented by fast trigger chambers with a time resolution of the order of 2  ns. The chambers are arranged such that particles from the interaction point traverse three stations of  the  chambers.  The  position  for  these  three  stations  is  the  result  of  the  compromise  between  the  optimum momentum resolution and the place avalaible inside the detector (supports for the magnets,  electronics and services). Precision momentum measurement and triggering are done by four chamber  technologies that will be described in the following sections. 

a) Track and momentum measurement:  

To make precision measurements of the track coordinate two types of chambers are used: 

 The Monitored Drift Tubes (MDT) [6]: They are used in two regions, the barrel and the end cap. 

The basic detection element is a cylindrical aluminum drift tube of 30mm diameter with a central  wire of 50 μm diameter. The tube is filled with non‐flammable gas composed of Argon (91%) and  CO2  9%  at  3  bars  absolute  pressure.  When  a  ionizing  particle  passes  through  the  tube,  it  will  ionize the surrounding gas. The resulting ions and electrons drift in the electric field due to the  potential on the wire (3270 V). Close to the wire, the field is high enough to cause an avalanche  resulting  in  a  measurable  electric  current.  The  relation  between  the  drift  time  and  the  drift  distance can be calculated giving the local position of the muon track. 

An  MDT Chamber is an assembly  of six parallel layers of drift tubes on a support frame, three  layers on each side. The tubes are closely spaced so that each ’triple layer’ or ’multilayer’ has a  thickness of about 82 mm. This results in a measurement of effectively one coordinate with 40  μm precision and one angle with 3.10−4 precision.  

 

 Cathode  Strips  Chamber  (CSC)  [7]:  are  used  in  the  internal  part  of  the  end‐caps,  where  high  (>200Hz/cm2)  counting  rates  are  expected,  due  to  their  higher  rate  capability  and  time  resolution. The CSC’s are multiwire proportional chambers with cathode planes segmented into  strips in orthogonal directions. This allows  both coordinates to be  measured from  the induced  charge  distribution.  The  chamber  is  filled  with  a  gas  mixture  of  Ar  80%,  and  CO2  20%.    The  resolution of a chamber is 40 μm in the bending plane and about 5 mm in the transverse plane. 

The difference in resolution between the bending and non‐bending planes is due to the different  readout pitch, and to the fact that the azimuthal readout runs parallel to the anode wires. 

(19)

Page

To  achieve  the  required  resolution,  the  location  of  MDT  wires  and  CSC  strips  along  a  muon  trajectory  must  be  known  to  better  than  30  μm.  For  these  reason,  a  high‐precision  optical  alignment  system  monitors positions and internal deformations of MDT chambers. 

 

b) Trigger system: 

The precision tracking chambers have been complemented by a system of fast trigger chambers capable  of delivering track information within a few tens of nanoseconds after the passage of the particle. The  purposes of these trigger chambers are to provide:  

‐ the second coordinate measurement  

‐ timing information to relate muons tracks to the correct bunch crossings 

and define sharp pT thresholds for the trigger.  

For this purpose two types of detectors were used: 

 Resistive Plate Chamber (RPC) [8]: are placed in the barrel region. The RPC is a gaseous detector  (Tetrafluoretane C2H2F4 94.7% + C4H10 5% + SF6 0.3%) formed by parallel electrode plates with a 2  mm gap. A uniform electric field produces the avalanche multiplication of the primary electron. 

The  trigger  function  is  provided  by  three  planes  of  RPC  stations,  located  on  both  sides  of  the  middle MDT, and either directly above or directly below the outer MDT station. After matching  of the MDT and trigger chamber hits in the bending plane, the trigger chamber’s coordinate in  the non‐bending plane is adopted as the second coordinate of the MDT measurement. 

 

 Thin gap Chambers (TGC) [9]: are used in the end‐cap regions. TGCs are MWPC filled with a gas  mixture  of  55%  CO2  +  45%  C5H12.The  gap  is  also  around  2mm.  The  inner  tracking  layer  is  complemented  by  two  layers  of  TGC,  providing  second  coordinate  whit  out  participate  in  the  trigger.  The  traverse  momentum  selection  is  done  with  a  fast  coincidence  between  strips  on  different  planes.  The  number  of  trigger  planes  is  defined  by  the  need  to  minimize  the  rate  of  accidental coincidences and optimize the efficiency.  

 

Figure 4: Positions of different technologies in the muon spectrometer (from CERN‐OPEN‐2008 Atlas) 

(20)

Page I‐2‐4 The HL‐LHC

 

Since  the  end  of  2009,  the  LHC  has  worked  successfully.  Many  proton‐proton  collisions  are  already  recorded. On october 30th , the end of the 2011 proton‐proton luminosity was around 3.1033 cm‐2s‐1 with  beam crossing occuring almost every 25 ns. The road map and the schedule of the LHC plans to increase  the luminosity by a factor of ten by 2018. 

As  mentioned  before,  the  main  motivation  for  an  upgrade  is  to  provide  more  statistics  to  improve  physics studies beyond those possible at the LHC. The HL‐LHC with its tenfold increase in luminosity, will  extend the discover reached by the LHC for new particles such as those arising from Supersymmetry and  will allow for detailed measurements of Standard Models processes and any new phenomena discovered  during LHC operations.   

The completion of the program defines the phase‐1 upgrade which will be achieved after a shut‐down  currently scheduled for 2017, and will allow a peak luminosity of 3.1034 cm−2s−1, a factor of three higher  than the nominal luminosity of LHC. At this rate, the number of interactions per beam crossing (40 MHz)  in Atlas or CMS is equal to about 70. A second upgrade, called phase‐2, is being designed with the aim at  reaching a peak luminosity of 1.1035 cm−2s−1.  

This upgrade requires lots of changes. The LHC detectors must be adapted to these new conditions. Atlas  is already studying the upgrade solutions of phase‐1 and phase‐2. 

With the HL‐LHC luminosity,  the radiation (i.e.  thermal neutrons, photons…) and the event  pile‐up  are  expected to increase considerably, especially in the muon spectrometer. The background will  degrade  performance  and  damage  detectors  and  electronics  and  induce  more  data  corruption.  Therefore,  the  unprecedented level of radiation is going to have a major impact on the design of detectors. 

 

I‐2‐5 The muon spectrometer upgrade  

The muon spectrometer will have to be modified progressively. The first step is to upgrade detectors in  the Small Wheel. This wheel is the first and the smallest of the three wheels of the muon spectrometer. 

Its diameter is around 10 meters. There are two Small‐Wheels, one on each side of the collision point.  

(21)

Page

 

Figure 5: Position of the Small‐Wheel in ATLAS 

The ATLAS commission stated that the future muons chambers in the Small‐Wheel will have to meet the  following specifications: 

‐ High rate capability (<10 kHz.cm‐2

‐ Detector efficiency : 99% (for pT > 3GeV/c) 

‐ Spatial resolution : <100 µm  

‐ Time resolution : 5 ns 

‐ Level‐1 trigger capability 

‐ Radiation and ageing hardness 

Different technologies in competition  are being considered for the upgrade of the muon spectrometer. 

Two of them are just an upgrade or an evolution of detectors that are already in the spectrometer and  have been introduced previously in this report: 

 Thin Gap Chamber (TGC): An upgraded version of this technology can henceforth provide: 

‐ precision tracking by analogue read‐out of strips orthogonal to the anode wires 

‐ second coordinate by grouping of anode wires or pad read‐out 

‐ Higher rate capability 

‐ Triggering devices   

   

(22)

Page

 Small Monitored Drift Tube (sMDT): A version with smaller diameter tubes (15 mm rather than  30 mm) is proposed for the upgrade of the Muon spectrometer. Compared to the current design,  the smaller radius provides an improvement of rate capabilities thanks to a reduced drift time,  thus reducing the sensitive time for background hits, by a factor of 3.5. A further reduction of the  background hit probability comes from the shorter track segment crossing the tube, which leads  to  shorter  pulses.  Another  reduction  comes  from  the  two  times  smaller  area  exposed  to  gammas.  The  small  tubes  also  allow  more  tube  layers  to  be  installed  in  the  available  space,  leading  to  improved  position  resolution  and  robust  tracking  in  the  presence  of  tube  inefficiencies. 

 

 Resistive Micromegas detector: This new technology was initially developed at CEA‐Saclay. This  is a totally innovative kind of detector which can play a role in the trigger as well. I was involved  in  the  study  and  the  development  of  Micromegas  detectors  during  my  internship.  They  are  described in detail in section I.3 

 

I‐2‐6 The MAMMA collaboration  

The  MAMMA  (Muon  Atlas  MicroMegas  Activity)  collaboration  is  a  group  of  laboratories  around  the  world, led by the CERN, aiming to develop Micromegas detectors as a replacement solution for the muon  spectrometer  of  HL‐LHC.  CEA  has  joined  this  international  community  in  2007.  21  institutes  such  as  Arizona, Athens, Brandeis (USA), and Naples belong to MAMMA. 

Micromegas is not the favored technology to replace the current detectors. Indeed, this is a new kind of  detectors  which  needs  to  be  tested  more  deeply.  Moreover,  the  other  candidates  are  already  used  in  ATLAS‐LHC and their lobbying is powerful and efficient. 

 

I‐2‐7 The decision  

At  the  time  of  writing  this  report,  the  decision  about  the  new  replacement  technology  is  discussed. 

However, the referees have proposed two consensual solutions : 

 The homogeneous solution : sTGC (trigger) + Micromegas (tracking: 1200 m²)  

 The split solution : sTGC(trigger) + sMDT(tracking in the outter part) + Micromegas(tracking in  the central part: 300 m²) 

The description made by the referees of the two proposals can be found in the Appendix. The proposals  are  highly  political  because  they  foresee  a  New  Small  Wheel  composed  by  a  mixture  of  different  technologies. It will make the construction process and the usage more complex. There will also be less 

(23)

Page

electronics  channels  and  problems  of  alignment.  Finally,  it  will  satisfy  more  laboratories  and  communities.  

The  good  news  is  that  Micromegas  is  involved  in  both  propositions.  That  justifies  and  rewards  all  the  work that has been and will be done. 

The final decision meeting was supposed to take place in CERN on March the 23rd. During the meeting, it  was decided to chose the homogeneous solution temporarly. Indeed, this solution is highly risky because  lot  of  works  is  still  needed  for  Micromegas.  Consequently,  the  deciding  committee  has  put  some  milestones during the present year. If technologies involved in the homogeneous solution fulfill all the  milestones, then the solution will be finally approved. Otherwise, the split solution will be chosen as a  backup solution. 

 

I‐3 Micromegas I‐3‐1 Gaseous detector  

In particle physics there are a large variety of detectors using different materials and based on different  technologies.  For  example,  one  can  mention  solid  detectors,  semiconductor  detectors  (silicon  or  germanium) or scintillation detectors. 

MicroMegas detectors belong to a particular sort of particle gaseous detectors. They are all based on the  same principle: the particle will pass through a certain gas, and will ionize atoms in it, and then create  ions and electrons. This ionization is amplified and converted into an electrical signal. Then, MicroMegas  can be classified as a Micro‐pattern gaseous detector [10]. 

To produce an electrical signal they all have the same basic design: the gas is embedded between two  electrodes, on which the ionization signal is collected 

Then,  the  method  to  count,  detect,  measure  or  amplify  the  signal  differs  from  a  gaseous  detector’s  technology to another. I will only focus on the one I worked with: The MicroMegaS Technology 

 

I‐3‐2 Principle  

MicroMegas detector stands for “MICRO Mesh Gaseous Structure”. This technology was created to be  used in accelerators and particle physics, especially for high‐rate applications. It was developed here in  CEA‐Saclay by Ioannis Giomataris [11] in the nineties. However, some predecessors thought about this  idea  before:  A.Oed  [12]  first  and  G.Charpak  &  F.Sauli  [13]  imagined  the  first  MicroStrip  Gaseous  Chambers. 

(24)

Page

The  principle  is  very  simple:    the  gas  volume  split  into  two  regions  is  separated  by  thin  micromesh  (typically of thickness of 30 μm), one where the conversion and drift of the ionization electrons occurs  and the other which is only 50 − 100 μm thick where the amplification takes place. In the amplification  region, a very high field (40 to 70 kV/cm) is created by applying a voltage of a few hundred volts between  the  mesh  and  the  anode plane,  which  collects the  charge.  The  anode  can  be  segmented  into  strips  or  pads. A schematic view can be seen in figure 7. Thus, a charged particle ionizes atoms in the conversion  region. Thanks to a high electrical field in the amplification gap, the electrons created in the conversion  gap will form an avalanche. Indeed, primary electrons will gain enough energy in the amplification gap to  ionize  other  gas  molecules.  The newly  created electrons will accelerate and  cause  new ionizations, and so on to form this avalanche. 

 

Figure 6: Principle of a MicroMegas detector   

The electron multiplication, taking place between the anode and the mesh is up to 105 or more. It means  that a primary electron (created by ionization) will cause another 105 ionizations Consequently, charge  amplification occurs near the copper strips. Electrons are then collected by the strips. Ions also created  via the ionization, slowly go up to the anode. The electrons move with typically 5 cm/µs (or 20 ns/mm) to  and through the mesh.  

The signal is generated thanks to the movement of the charged particles. Electrons travel only through a  tiny portion of the detector. The signal is mainly due to ions. These moves tend to create an electrical  field and thus a current on the strips. This can be explained by the Ramo’s theorem [14].  

(25)

Page  

Figure 7: Simulation of an avalanche with GARFIELD 

One  difficulty  is  to  make  the  mesh  transparent  for  electrons.  One  has  to  choose  an  appropriate  ratio  between the amplification field and the conversion’s one. The aim is to obtain a “funnel effect” with the  E‐field lines. This effect can be seen here: 

 

 

Figure 8: Streamlines in a MicroMegas detector with LORENTZ 

 

On a technical point of view, the mesh is supported by pillars. You can find one of them every 2 or 5mm  depending on the prototype. They are here to avoid the sagging of the mesh and keep the distance  between the mesh and the strips constant. 

(26)

Page

 

Figure 9: Principle and scheme of a MicroMegas in 3D 

Many  different  technologies  have  been  developed  for  making  meshes.  A  mesh  can  be  built  in  many  metals: Nickel, copper, stainless steel, aluminum… but also gold and titanium are also possible.  I will not  get into the existing technologies, but here is a non‐exhaustive panel of what can be done: 

 

Figure 10: Different materials of the mesh 

 

The gas used is actually a mixture. The main component is a noble gas because the energy of the inner  gas has to be dissipated by ionization. Noble gas molecules have no rotation or vibration excited states. 

However, this kind of gas emits UV‐photons in the avalanche (11.6 eV for Ar). These photons are likely to  extract  an  electron  from  the  surrounding  environment  (i.e.  from  the  copper  cathode).  The  risk  is  to  generate  a  permanent  avalanche  and  make  the  phenomena  instable.  One  has  to  add  a  “quencher”:  a  heavier or polyatomic gas which is able to absorb these photons. It can be CH4, BF3, or CO2

Typically,  the  gas‐mixture  can  be:  90%  of  Argon  with  10%  carbon  dioxide.  One  can  found  some  percentages of isobutane also (but not in ATLAS, since it is flammable and not suitable for ageing tests). 

 

(27)

Page

I‐3‐3 Performance, Advantages and Drawbacks (Sparks)  

a) Previous experience  

The  advantages  of  Micromegas  follow  from  the  thin  size  of  the  amplification  gap  and  the  particular  configuration of the electric field on the two sides of the mesh, itself depending on the mesh pitch. The  gap being very small, the size of the avalanche and hence the signal rise time are very small, leading to  an excellent spatial and time resolution: 12 μm accuracy has been already reached while resolutions in  the  sub  nanosecond  range  have  being  measured  by  several  experiments.  Starting  from  the  avalanche  concentrated in the last few microns of the gap, the ions flow back to the mesh in the amplification field. 

Such a fast signal and ion collection allows high rates to be sustained. 

Micromegas’  properties  and  advantages  have  led  many  experiments  to  choose  this  technology.  Also,  Micromegas  has  already  proven  its  utility  and  efficiency  in  various  fields  of  particle  physics.  The  most  relevant for this purpose are: 

 

 COMPASS [15]which is fixed target experiment at CERN that has pioneered the use of large 40 ×  40 cm2 [16] Micromegas detectors for tracking close to the beam line with particle rates of 25  kHz/mm2.  All  detectors  performance  was  conserved  in  the  COMPASS  detectors  after  several  years of operation with an accumulated charge of a 2 mC/cm2

 

 T2K(Tokai to Kamioka) [17] is a neutrino experiment with an intense beam of muon neutrinos  from J‐PARC to Kamioka that is able to measure the momenta of muons produced by charged  current reactions in the detector. In order to do that, T2K has the largest Micromegas detector  ever constructed (9 m²). The capability to pave a large surface with a simple mounting solution  and small dead space has been demonstrated. This is of particular interest for applications in the  HL‐LHC context. 

 

Micromegas  are  also  in  use  or  under  development  for  low  energy  neutrino  experiments  including  neutrino  oscillations,  neutrino  magnetic  moment,  coherent  neutrino  scattering  and  searches  on  solar  axions or dark matter WIMPs. 

 

b) Limitations in HL‐LHC environment  

As mentioned before, our research group is focused on Micromegas detector studies as a replacement  solution  in  the  muon‐spectrometer  of  ATLAS.  Previous  uses  in  international  experiments  such  as  COMPASS and T2K have shown that MicroMegas could be a good alternative because of its good spatial  and time resolutions, its high‐rate capability, radiation hardness, robustness and the possibility to build  large areas. But in the HL‐LHC environment, the rate will be so high, that we will have to cope with other  obstacles. 

(28)

Page

The limitation for the Micromegas appears in the case of high‐energy deposition events which can occur  with a high frequency in ATLAS. Indeed, these events can produce accidental discharges or "Sparks" [18] 

and  then  limit  the  rate  capability.  The  sparks  develop  when  the  local  electron  charge  concentrations  exceed the Raether limit [19] (G × n0 < 108 electrons, where n0 is the number of primary electrons and G  the gain of the detector). Sparks are a major concern. When a sparks occur it leads to the discharge of  the micro‐mesh. The consequences for a running experiment can be translated into dead time; which is  mainly  due  to  the  readjusting  of  the  micro‐mesh  to  its  working  voltage,  and  can  take  around  1  ms  depending on the power supply. Also if the charge released in a spark is large enough it can damage the  electronics, therefore a protection is needed. The material of the detector must be chosen to handle the  radiation  environment  and  also  the  energy  released  in  a  spark  that  can  sometimes  be  destructive  for  very thin strips or thin micro‐mesh. 

So, there are two ways to approach the problem: Avoid high concentrations of charge e.g by spreading  the charge or live with it and make the detector insensitive to sparks. 

The problem was detected and solved since quite sometimes. Many options have been studied [20]. The  two main ideas were: 

 

Micro‐mesh  segmentation:  If  the  mesh  is  segmented,  the  electrical  capacity  of  the  detector  is  segmented  and  the  charge  stored  will  be  reduced  in  each  segment.  So  in  case  of  a  spark  the  charge  discharged  is  smaller,  and  that can  be translated in a  reduced   and local dead time and  reduce risk of  electronics  damages.  Moreover,  the  dead  zone  will  be  localized  to  the  segment  that  undergoes  the  spark. Segmentation is thus favorable for two reasons: reduction and localization of the dead time. The  problem  comes  with  the  multiplication  of  insensitive  zones  in  the  detector  due  to  the  segmentation  process. 

 

Resistive  anodes  strips:  A  way  to  avoid  high  concentrations  of  charge  is  by  spreading  the  charge.  A  possibility to make charge sharing is to make a resistive anode by adding a continuous RC circuit on the  top of the pad plane. A resistive anode will slow down the spark development, then reduce the drop in  voltage  and then the  dead time.  There are different techniques of resistive anodes.  The one I focused  one  is  to  implement  resistive  pads  or  resistive  strips.  All  the  detectors  described  in  this  work,  were  equipped with that technology. 

 

(29)

Page

Figure 11: Scheme of a resistive Micromegas (top: face view, bottom: side view)   

The idea is thus to spread out the charge thanks to resistive strips parallel to the standard copper ones  [21]. The resistive strips are connected to the ground through a resistor. They are not directly above the  standard strips: a thin insulating layer is between the resistive and the readout strips (figure [13]).  

In this configuration, sparks are neutralized through the resistive strips to the ground. 

The principle of operation of Micromegas is thus slightly modified. The signal is not read directly by the  copper strip anymore. Indeed, the electrons (and thus charges) are collected on the resistive strips and  the electrical signal is generated via a capacitive coupling between the resistive strips and the readout  strip. The layer in between plays the role of the insulator in a standard capacitor. 

One can thus sketch an equivalent circuit [22]of this kind of Micromegas (figure [14]): 

Figure 12: Electrical equivalent circuit of a resistive Micromegas (by Rui de Oliveira, CERN)  

This technology was a real breakthrough and enabled to use MicroMegas in high‐rate conditions. Many  laboratory tests have been conducted and have demonstrated the performances. 

(30)

Page

II Experimental tests on Micromegas detectors

 

In  order  to  better  understand  the  MicroMegas  technology  and  to  build  a  detector  meeting  all  the  requirements use at the HL‐LHC, one has to thoroughly investigate the behavior of different MicroMegas  prototypes under different experimental conditions. 

In order to obtain a detector able to deal with the HL‐LHC conditions, the MAMMA collaboration ordered  several prototypes of Micromegas detectors with different intrinsic properties and asked CEA‐Saclay to  study some of them. One of my tasks was to characterize them. 

 

II‐1 Characterization and various tests on Micromegas  

“To characterize a detector “ implies to gather various information regarding behavior, performance and  limits of operation of a detector. It is a mandatory and essential step before experimentally testing the  sample. 

Two values are really significant: The gain and the energy resolution. The gain of a detector is the ratio  between  the  number  of  electrons  collected  and  the  number  of  electrons  released  by  ionization.  The  value  strongly  depends  on  the  gas‐mixture,  the  amplification  field  and  the  gap.  The  energy  resolution  reflects the fact that, for the same deposited energy, there are fluctuations in the number of avalanche  of  electrons  created.  This  value  is  useful  to  determine  how  precisely  the  detector  can  evaluate  the  energy deposited by a particle. 

Thus,  a  characterization  means  gain  measurements  under  different  conditions  (gas  mixture,  pressure,  voltages) as function of position in the detector.  

II‐1‐1 Aim and Experimental Set‐up  

Before introducing the samples I studied, the experimental set‐up is described. 

The  gas  was  the  one  generally  used  by  the  MAMMA  community:  90%Ar  +  10%CO2.  MicroMegas  detectors have previously been successfully tested with this gas. The gas is enclosed in a box. 

55Fe  radioactive  source  is  used  to  create  the  incoming  particle.  This  source  emits  photons  with  an  energy of 5.9keV, and is placed above the detector. The window is around 1.5cm above the conversion  gap. The source is collimated to only irradiate a small portion of the detector. 

     

(31)

Page Here is a scheme of the electrical set‐up: 

 

Figure 13: Electrical set‐up for any experimental test with a Micromegas 

 

 

Figure 14: Electronics crate ‐ with power‐supply and amplifiers 

The drift of the Micromegas detector is connected to the power supply through a RC‐filter. This filter is  low‐pass filter and is used to reduce the noise and the background. 

As we will see later, we will extract interesting information via the mesh. To read out the mesh, we first  go through a pre‐amplifier and an amplifier. They integrate and shape the signal . Then, one can read the  signal via an oscilloscope or a Multi‐Channel Analyzer linked to a computer. The MCA is a device that is 

(32)

Page

able to read a voltage level and with its software generate a histogram. We will be able to see the iron  peak thanks to the MCA. We just have to calibrate the whole chain to know the relation between the  MCA’s channel number and the charge at the entrance of the amplification chain (see II‐1‐2 Calibration  and gain computation) which is directly related to the gain of the detector. 

A major problem is to ground the installation. The ground, provided by the power supply, is connected to  almost all wires and connectors of the detector, via a big copper wire. It is a step that one should not  neglect because it is necessary to reduce the noise in the future measurements. Sometimes, a Faraday  cage has to be used to protect the detector from parasite signals. 

II‐1‐2 Calibration and gain computation  

One  of  the  main  tools  to  proceed  to  a  characterization  or  any  experimental  tests  on  detectors  is  to  measure and compute the detector’s gain. In order to perfectly evaluate this gain, one has to know the  transfer function of the electronics, thus to calibrate all the electronics chain. 

To accomplish a calibration, we inject a signal, provided by a pulse generator through a capacitance. The  signal  passes  by  all  electronic  devices  (preamplifier  and  amplifier)  and  is  read  by  an  oscilloscope.  The  capacity C is then known and the voltage V delivered by the pulse generator can be read. Then, we can  know the charge that we put in thanks to: 

.  

One can establish a relation between the amplitude   (in Volt) of the measured signal at the end of  the chain and the charge Q we inject by reading the   with an oscilloscope. It then yields the relation  between    and the number n of the MCA’s channel corresponding to the position of the peak. The  amplification is linear and the plot V(n) is a straight line. 

Here,  the  pulse  generates  an  input  voltage  of  600mV  and  the  capacitance  is  4.9pF.  Moreover,  we  get  4.8  . 

It  yields  that:  2.94   and  the  coefficient  is 1.5 . .  One  just  has  to  determine  with channel n of the MCA corresponds to   and deduce the coefficient K, the slope of V(n). 

Once the chain is calibrated, the same devices have to be kept for any tests. Hence, we know the relation  between V and n, we can determine the gain G of the detector. The gain is defined as the ratio between  the total number of electrons in the avalanche and the number of ionized electrons 

 

Indeed, the incoming particle will produce a certain amount of primary ionizations and thus create pair  of electron‐ion. The newly created electrons will get enough energy to induce new ionizations. The sum  of these two phenomena constitutes the quantity of ionized electrons. It is directly related to the nature 

(33)

Page

of the gas and the energy of the incoming particle   (here equals to 5.9keV) and can be expressed like  this, 

 

Where    is  ionization  potential  of  the  gas  and  corresponds  to  the  necessary  energy  to  produce  a  electron‐ion pair. 

Here, the noble gas is Argon and  

26 /   The carbon dioxide can also play a role, so that  

33 /   and  

0,9 . 0,1 .  

It finally yields: 

221  

Then, it remains to compute the total number of electrons. It depends on the total charge  collected by  the anode, the electron charge   and the calibration constant K : 

. .

.   And finally, the gain formula is given by: 

.

221. .  

Consequently, in order to compute the gain, we just have to read the channel of the MCA corresponding  to  the  Iron  peak,  to  find  the  voltage  V  corresponding  to  the  channel  thanks  to  the  calibration  made  before. 

 

References

Related documents

Medan resursteamet möter förskolans behov utifrån en egen organisation, kommer den integrerade specialpedagogen att arbeta i samma organisation som lärarna vilket kan leda till

This PhD thesis aims to contribute to the body of knowledge by providing: (1) characterization models for IoT systems and ECs through taxonomies; (2) a concrete architecture and

I vår studie valde vi att ta hjälp av geofencing för att undersöka om den tekniken skulle vara en ändamålsenlig lösning för att skapa en kontextmedveten ljudvandring. Under

Fatima menar att idag finns det inte tydliga konsekvenser för de som kränker andra via sociala medier och att detta kan vara förebyggande för dessa problem?. Samtidigt påpekar hon

Däremot så står arbetet för Johan, Fred, Peter och Allan stilla och de visar inte på något egentligt intresse eller initiativ till att delta eller komma igång med något

En lärandemiljö där elever får lära sig matematik genom att använda sig av sitt första språk kommer även öka elevernas lust för att lära matematik.. Vidare konstaterar

Fokus ligger på att utveckla och presentera ett materialförslag samt väcka frågan om vad bakteriell cellulosa kan användas till i ett brett perspektiv och exemplifiera detta, snarare

Annat som kan utgöra ett hinder för äldre kvinnor att söka hjälp eller berätta om våldet är att samhället kommer således tendera att behandla den våldsutsatta utifrån