26 juin 2012
Micromegas prend l’air

Une équipe commune du service de physique nucléaire et du service des détecteurs, d’électronique et d’informatique de l’IRFU (SPhN et Sédi) a récemment montré que la nouvelle génération de détecteurs Micromegas pouvait être utilisée dans l’air atmosphérique. Grâce à la technologie des pistes résistives mise au point par le CERN, ce détecteur atteint en effet des gains d’amplification de 2 à 5 fois supérieurs à un Micromegas standard. Un premier spectre d’une source radioactive (Fe55) a été obtenu, et une détection de rayonnements cosmiques a été mise en évidence. L’utilisation de ce détecteur sans aucun système de gaz, souvent contraignant, pourrait ouvrir de nouvelles possibilités d’applications, par exemple dans l’imagerie ou la dosimétrie.

 

Les travaux de cette étude ont fait l’objet d’un article accepté en juin à publication dans Nuclear Instruments and Methods in Physics.

 

Contexte


Les détecteurs gazeux ont joué un rôle majeur dans l’histoire de la détection de particules, depuis l’invention de la chambre à brouillard par Wilson il y a un siècle. De nos jours, des chambres proportionnelles multi-fils, des chambres à dérive, ainsi que des détecteurs à micro-pistes équipent la plupart des grandes expériences de physique à travers le monde. L’une des dernières générations de ces détecteurs est le Micromegas, dans lequel l’amplification du signal est réalisée entre le plan d’anode (pistes) et une micro-grille. Ce détecteur présente l’avantage d’être très résistant à des flux de particules élevés, et moins cher que des détecteurs solides type Silicium pour des surfaces beaucoup plus grandes. Ses performances l’ont également rendu attractif pour de nombreuses applications en dehors de la physique fondamentale, comme l’imagerie médicale ou récemment la détection d’incendies de forêts. 

Dans tous les cas, ces détecteurs doivent être remplis avec un gaz approprié, ce qui implique généralement l’installation et la maintenance d’un système de gaz et éventuellement la mise en place de règles de sécurité (afin de parer aux risques d’inflammabilité ou d’anoxie).  En pratique, l’air « simple » n’est jamais utilisé car il ne permet pas une amplification suffisante des charges, en raison de la forte probabilité de recombinaison des électrons avec les atomes d’oxygène de l’air. Une plus grande amplification nécessiterait des tensions électriques plus élevées. Or ce régime est instable et se traduit par l’apparition de claquages entre les bornes du détecteur.

 

 

 
Micromegas prend l’air

Schéma du détecteur à pistes résistives(Alexopoulos et al.). Les pistes résistives (en bleu) sont placées en regard des pistes de lecture (en orange), et séparées par une couche isolante de 75 microns d’épaisseur. Les pointillés représentent la micro-grille.

Le détecteur Micromegas à pistes résistives

Le développement de claquages dans le Micromegas est souvent un facteur limitant dans des conditions extrêmes d’utilisation, notamment dans des flux très élevés de particules. Ces claquages sont généralement liés à une trop forte accumulation de charges dans l’espace d’amplification (typiquement une densité surfacique de quelques milliards d’électrons par mm²), et engendrent des chutes de gains ainsi qu’une possible dégradation du détecteur à long terme. Pour cette raison, une R&D est activement menée par le CERN depuis plusieurs années afin de réduire l’amplitude et l’impact des claquages dans le Micromegas. L’un des développements les plus prometteurs est l’ajout de pistes résistives entre les pistes de lecture et la micro-grille. La présence de ces pistes permet d’éteindre très rapidement la formation du claquage, et d’évacuer les charges vers la masse. Cet effet de protection a été vérifié lors de tests en faisceaux intenses d’hadrons, au cours desquels aucune dégradation de l’amplification n’a été observée dans le détecteur.
 

 
Micromegas prend l’air

Spectre du signal de Fe55 obtenu avec le détecteur résistif dans l’Argon-isobutane et dans l’air.

Fonctionnement à l’air libre


Suite à ces travaux, le groupe CLAS12 de l’IRFU a décidé de tester ces détecteurs en vue d’une utilisation dans le futur spectromètre du Hall B au Jefferson Laboratory. Un petit prototype a donc été fabriqué au CERN pour être caractérisé à Saclay avec la nouvelle électronique DREAM développée pour le projet CLAS12.

La courbe de gain obtenue dans un mélange d’argon et d’isobutane a confirmé la remarquable stabilité de ce détecteur, et la possibilité d’opérer à des gains beaucoup plus élevés (jusqu’à 60 000 dans ce gaz, contre 10 à 20 000 pour un détecteur standard). Des tests supplémentaires ont alors été réalisés en débranchant le système d’alimentation en gaz, c’est-à-dire en laissant le détecteur à l’air libre.

Dans ces conditions, un signal de source de Fe55 (photons X de 5,9 keV) a pu être observé pour des champs d’amplifications inaccessibles avec un détecteur standard. Le spectre ci-contre a permis d’estimer le gain maximum du détecteur à environ 1000. Un test de stabilité dans le temps du signal a par ailleurs montré que les fluctuations de gain étaient acceptables, et inférieures à 10% sur 16 heures de prises de données. Ces fluctuations de gain peuvent s’expliquer par des changements de température et de taux d’humidité dans l’air ambiant.
 

 
Micromegas prend l’air

Courbe d’efficacité en cosmiques du détecteur à l’air libre, en fonction de la tension de la grille.

Tests en rayons cosmiques

 

Une seconde étude a alors été menée pour tester la capacité du Micromegas à détecter des particules provenant du rayonnement cosmique. Ces particules chargées sont les plus difficiles à détecter, car elles ionisent « au minimum ». Le détecteur a ainsi été placé dans le banc cosmique de CLAS12, dans lequel le passage d’une particule est signé par la coïncidence temporelle du signal provenant de deux scintillateurs. Cette coïncidence est par ailleurs utilisée pour déclencher la lecture du signal des pistes du détecteur, et mesurer ainsi son efficacité. La Fig. 3 montre qu’une efficacité maximum de 42% a pu être obtenue, avec plusieurs sources d’améliorations possibles :

  • l’utilisation d’une micro-grille plus transparente pour maximiser la collecte des électrons primaires
  •  l’installation de l’électronique sur le détecteur lui-même, et non au bout de câbles de connections de 150 cm qui détériorent le rapport signal sur bruit
  •  l’optimisation possible de la résistivité des pistes pour augmenter encore le gain maximal
     

Conclusion

En attendant de pouvoir quantifier ces améliorations, cette étude démontre déjà que le Micromegas résistif peut être utilisé à l’air libre pour détecter de nombreux rayonnements ionisants, ce qui pourrait ouvrir la voie à de nombreuses applications en physique expérimentale mais aussi en imagerie médicale ou dans l’industrie (capteur, contrôle, dosimétrie).

 

Contacts :

Sébastien Procureur (SPhN)

Irakli Mandjavidze (Sédi)

David Attié (Sédi)

 

 

 

 

 

Maj : 06/12/2013 (3190)

 

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