07 novembre 2018
Le trajectographe de CLAS12, une « success story » de l’Irfu
Le trajectographe de CLAS12, une « success story » de l’Irfu

Trajectographe Micromegas à Jefferson Lab fin 2017, avec l'équipe Irfu lors de l'installation.

Dans le cadre du projet de jouvence du spectromètre CLAS en vue de la montée en énergie à 12 GeV du faisceau d’électrons du Jefferson Lab (USA), l’Irfu a mené une R&D pendant plus de 10 ans pour concevoir et réaliser un trajectographe de nouvelle génération, employant des détecteurs Micromegas minces et flexibles qui sont désormais en fonctionnement auprès du nouveau spectromètre CLAS12. Après un an d’installation, ce trajectographe est opérationnel et  remplit les caractéristiques attendues avec plus de 95 % d’efficacité de detection et une résolution spatiale de moins de 100μm. Après une prise de données dédiée pour mesurer les réponses des détecteurs, le nouveau spectrometre CLAS12 est à ce jour en prise de données pour l'experience de physique DVCS auquelle participe aussi l'Irfu et dont l'objectif est la mesure de la structure interne du proton en 3 dimensions. 

Ce projet de trajectographe, issu d’une collaboration étroite entre les départements d’ingénierie et de physique de l’Irfu (le DEDIP, le DIS et le DPhN) est une réussite exceptionnelle et a donné lieu à d’autres  projets pour de nombreuses expériences de physique depuis la chasse aux particules au LHC à l'imagerie muonique des pyramides, ainsi qu’à un transfert de savoir-faire à un industriel.

 
Le trajectographe de CLAS12, une « success story » de l’Irfu

Vue générale du spectromètre CLAS12 dans le Hall B du Jefferson Lab.

De Clas à Clas12

Dans le Hall B, le spectromètre à grande acceptance CLAS est entièrement refondu pour devenir CLAS12 comprennant deux sous-ensembles : un détecteur central et un détecteur vers l’avant.

  • Le détecteur central, entourant la cible et placé à l’intérieur d’un champ magnétique solénoïdal de 5 teslas, permet de détecter les particules à grand angle (35° à 125°) et de faible énergie. Le détecteur central comprend successivement à partir de la cible un trajectographe central, un compteur de temps de vol et un compteur à neutrons.
  • Le détecteur vers l’avant permet la détection des particules entre 5 et 35°, et est composé de chambres à dérives dans un champ toroïdal, des compteurs Tcherenkov, un compteur à temps de vol et enfin des calorimètres électromagnétiques.

 

Coupe verticale du détecteur central CLAS12 et en particulier du trajectographe Micromegas pour CLAS12.

La contribution de l’Irfu au spectromètre CLAS12 s’est focalisée sur le trajectographe central, inclus dans le détecteur central. Une première partie comporte un ensemble cylindrique de 3 doubles couches de Micromegas qui complètent des détecteurs Silicium développés par Jefferson Lab et situés juste autour de la cible : c’est le Micromegas Vertex Tracker ou MVT. Une deuxième partie, à la frontière entre les détecteurs centraux et vers l’avant, comporte 3 doubles couches de détecteurs Micromegas circulaires plans perpendiculaires à la direction du faisceau pour la reconstruction des traces des particules émises entre 5 et 35° : c’est le Forward Micromegas Tracker ou FMT.

 

 

 

 
Le trajectographe de CLAS12, une « success story » de l’Irfu

Vue du trajectographe Micromegas avant son insertion dans le reste du détecteur central de CLAS12.

10 ans de R&D

Le MVT, du fait de l’utilisation de détecteurs souples et donc de sa géométrie cylindrique est le fruit de plus de 10 ans de R&D à l’Irfu, menée grâce à l’atelier MPGD (Micro-Pattern Gas Detector) du DEDIP où les premiers détecteurs Micromegas courbes ont été fabriqués. La transparence aux particules des Micromegas courbes et minces est une contrainte de ce projet, leur longueur de radiation est de l’ordre de 0.4 %.

L’ensemble MVT et FMT forme une surface de 4m² de détection avec 24000 pistes, lues par une électronique dédiée également développée à l’Irfu, l’ASIC DREAM et sa carte frontale, qui permettent l’enregistrement des données de détecteurs à la capacité élevée, et ceci sans temps mort. Enfin, l’ensemble mécanique de soutien interne se devait d’être le plus transparent possible aux particules et a été conçu majoritairement en fibres de carbone montées sur un tube de support où sont installés les six boitiers comprenant les 48 cartes frontales de l’électronique de lecture. La contrainte d’éloignement entre les détecteurs et l’électronique de lecture à conduit à une R&D pour l’utilisation de câbles à faible capacité. Les détecteurs sont lus à travers des câbles micro coaxiaux, de 1.5 m à 2.2 m de longueur, avec une capacité linéique de 40 pF/m.

L’utilisation de détecteurs gazeux à dérive d’électrons dans un champ magnétique de 5 teslas a été validé par des simulations et une série d’essais en aimant, qui ont permis de limiter la dégradation de résolution spatiale due à l’angle de Lorentz en augmentant le potentiel de dérive.

Pour pouvoir caractériser la trentaine de détecteurs de CLAS12 avec des particules au minimum d’ionisation (MIP), un banc de test cosmique a été développé avec un système de multiplexage permettant d’utiliser un minimum de voies d’électronique pour une résolution de l’ordre de 100 µm. Les améliorations de ce banc de test cosmique ont d’ailleurs ouvert la voie à des expériences dédiées à la tomographie muonique.

Des retombées scientifiques et techniques

Des technologies mises au point ont été brevetées et réutilisées à la fois dans le cadre de projets Irfu comme ces experiences de physique fondamentale COMPASS, Minos, NSW, nTOF, nBNL, Gbar, Mimosa mais aussi utilisées pour des besoins d’autres instituts avec les expériences ASACUSA, Forward Tagger, Bonus TPC.  Cette R&D sur les Micromegas fait également l’objet de développements industriels, notamment avec le fabricant de circuits imprimés ELVIA.

 
Le trajectographe de CLAS12, une « success story » de l’Irfu

vue transverse (gauche) et longitudinale (droite) de traces détectées dans le trajectographe central de CLAS12.

les « premiers pas » du trajectographe

L’installation s’est effectuée en deux phases, avec en décembre 2016 les deux premières couches de détection, puis le reste de l’ensemble MVT et FMT en juin 2017 avec toutes les couches de détections, les 24000 voies d’électronique et leur refroidissement à air pulsé, la mécanique finale et un système de distribution de gaz contrôlé par un automate. L’intégration avec le reste du détecteur central et l’insertion dans l’aimant ont été réalisés avec succès au Jefferson Lab dans la foulée, et ce malgré des zones d’interface millimétriques. Les niveaux de bruit des détecteurs sont restés aussi faibles que prévu et les prises de données en faisceaux ont débuté en décembre 2017 pour un commissioning jusqu’en février 2018. Dès fin 2017, nos équipes ont pu observer les premières traces en faisceau dans nos détecteurs Micromegas. Les prises de données pour l’expérience de diffusion Compton profondément virtuelle (DVCS) ont ensuite démarré en deux phases en mars 2018 puis fin août 2018. Entre le deux, une maintenance a été effectuée à Jefferson Lab par les équipes de l’Irfu pour s’assurer que le redémarrage se fait dans les meilleures conditions possibles.

Le tracker est opérationnel et acquiert des données de l'expérience de physique DVCS dont l'objectif est la mesure des distributions de partons généralisées permettant une approche tridimensionnelle de la structure du nucléon. Les performances de ce nouveau spectrometre CLAS12 vont améliorer significativement la mesure de ces observables. Les physiciens du DPHN  sont impliqués dans l'analyse de ces données dont les résultats seront publiés prochainement.

 

 

Contacts: Franck Sabatié, Stéphan Aune

 

Maj : 08/11/2018 (4502)

 

Retour en haut