Dans le cadre du programme européen EUDET, débuté en 2006 et qui s’achève cet automne 2010, un nouveau télescope de faisceau vient équiper les infrastructures de tests en Europe. Il va permettre aux physiciens utilisateurs de mettre à l’épreuve leurs détecteurs et de faire progresser la R&D sur les capteurs de grande précision. En effet ce télescope de faisceau est très performant : entièrement digital, de grande précision et très rapide. En plaçant le détecteur en développement au centre du télescope, l’utilisateur connaîtra la position de passage de la particule du faisceau avec une précision du millième de millimètre, et pourra ainsi caractériser finement la performance de son dispositif. Les physiciens et ingénieurs de l’Irfu en collaboration avec ceux de l’institut IPHC de Strasbourg, ont conçu, réalisé et validé les capteurs CMOS intégrés aux six plans de détection constituant le télescope. Le capteur CMOS du projet EUDET est une matrice de 2cmx1cm regroupant plus de 660000 pixels sensibles aux passages des particules au minimum d’ionisation (c'est-à-dire des particules déposant peu d’énergie dans le volume sensible). C’est la première fois qu’une matrice à lecture digitale d’aussi grande taille est réalisée pour détecter des particules chargées de grande énergie. Un grand nombre de groupes à travers le monde a utilisé le télescope depuis son installation mi 2009 au CERN. Grâce à sa rapidité et à sa grande précision, ce dispositif sera fortement utilisé pour répondre aux besoins de la communauté de physique des particules. Rançon de son succès, deux copies de cet ensemble de détecteurs sont actuellement en cours de réalisation afin d’équiper d’autres laboratoire en Europe. Les très bonnes performances du télescope EUDET ont également suscité l’intérêt d’autres communautés travaillant sur l’imagerie X (rayonnement synchrotron et imagerie médicale).
Historique du programme
Le programme européen EUDET ("Detector R&D towards the International LinearCollider"), qui a débuté en 2006, est en train de s’achever cet automne 2010, avec la réalisation de nouveaux détecteurs et une moisson de résultats à la clef.
Le but de ce programme a été, entre autres, de fournir une nouvelle infrastructure de tests en faisceaux très performante (Activités de Recherche JRA11), grâce à la réalisation d’un télescope rapide, de très haute résolution spatiale, accompagné d’un aimant de haut champ magnétique. Cette infrastructure permet de faire progresser la R&D sur les détecteurs de grande précision. En effet, les tests en faisceaux des futurs détecteurs pour la physique nucléaire et physique des particules nécessitent des systèmes de test de plus en plus complexes, le tout dans un environnement réaliste de grande expérience.
Fig 1. Télescope EUDET avec ses six plans de détection,
en fonctionnement sur la ligne de test H6 du SPS au CERN
Des centaines de milliers de pixels de type CMOS monolithiques pour reconstruire des traces au millième de mm
L'IRFU, à travers des ingénieurs et physiciens du SEDI2 et du SPP3, a été impliqué dans l'étude, le prototypage et la validation des capteurs CMOSqui ont été intégrés pour former les 6 plans du télescope EUDET (fig 1). Chaque plan est équipé avec des pixels CMOS monolithiques (intégration des microcircuits de traitement du signal sur le même substrat que le volume sensible). Ces pixels CMOS monolithiques, de 18,4 µm de côté, sont groupés en une large matrice de 663 552 pixels, le tout représentant une surface active de 2 cm × 1 cm (fig 2). Cette matrice possède une lecture digitale complète, le double échantillonnage corrélé intégré au pixel, la suppression de zéro ainsi que des mémoires de sorties. C'est la première fois qu'une matrice à lecture digitale d'aussi grande taille est réalisée dans le but de détecter des particules au minimum d'ionisation.
Fig 2. Large matrice de 663 552 pixels de 18,4 µm de côté constituant le capteur CMOS du télescope EUDET, développé conjointement par l’IPHC et l’IRFU
Les performances du prototype intermédiaire et du capteur final d’EUDET remplissent le cahier des charges du projet et les résultats ont été publiés (voir liste des publications sur le sujet). La résolution spatiale des capteurs est généralement < à 4 µm (légèrement moins bonne sur la figure en raison d’un problème d’alignement par logiciel qui a été compris depuis), l’efficacité de détection est > à 99,8% et la probabilité de hits fantômes(hits fortuits par évènement et par pixel) est de l’ordre de 10-4 à faible seuil pour les discriminateurs (fig 3).
Fig 3. Trois résultats issus des tests en faisceau d’un des capteurs CMOS du télescope EUDET: efficacité de détection (en noir), résolution spatiale (en rouge) et taux de hits fantômes (en bleu) en fonction du seuil des discriminateurs
Grande satisfaction despremiers utilisateurs du télescope
Du fait de son excellente résolution spatiale (six plans de capteurs CMOS de résolution intrinsèque <4,3μm, avec lecture complète de la matrice en 100 µs), le télescope EUDET offre aux utilisateurs la possibilité de mesures de position rapides et très précises. Par exemple, pour un détecteur à tester de petite taille, se trouvant au centre du télescope (position optimale), la résolution sur le paramètre d’impact est dans ce cas <3,0 µm.
Pour des détecteurs plus larges et plus massifs, placés par exemple à 60 cm du centre du télescope la résolution est <5,0 µm. Même à une distance 1,5 m derrière le télescope, une résolution meilleure que 25 µm est envisageable (fig 4).
Fig 4. Résolution spatiale attendue pour un détecteur à tester, en fonction de sa position, selon l’axe longitudinal, par rapport aux plans du télescope EUDET
Un grand nombre de groupes a utilisé le télescope EUDET depuis son installation mi-2009 au CERN tout d’abord, puis à DESY. On peut citer entre autre les groupes suivants : ATLAS 3DSi, FORTIS, DEPFET, ATLAS Lucid, TAKI, TimePix, SPIDER, NA62, RD42, ALFA, APIX-Diam, SILCRD, etc…
Le télescope a fonctionné 84 semaines en test faisceau, il a déjà enregistré plus de 1 Téraévènements (1000 milliards d’évènements), soit plus de 10 Tbytesde données.
Par tous ces aspects : conception thermomécanique, conception microélectronique, système de déclenchement, traitement des données, programmes d’alignement et d’analyse, travail collaboratif en équipe, ce projet a été une expérience de physique complète et enrichissante à tous niveaux.
Perspectives d’utilisation du télescope
Rançon de son succès, deux copies du télescope sont actuellement en cours de réalisation, afin d’équiper d’autres infrastructures de test en faisceau en Europe.
Le projet AIDA (FP7), réunissant la communauté de physique des particules du SLHC, ILC, CLIC et Super-B, va démarrer en février 2011. Il s’appuiera, dans un de ses groupes de travail, sur le télescope EUDET existant, dont les performances et les services seront améliorés et étendus pour répondre aux besoins de cette communauté d'utilisateurs encore plus grande.
Il est aussi important de noter qu’à l’issue du projet EUDET, les très bonnes performances, ainsi que la grande taille du capteur CMOS utilisé pour le télescope, ont également suscité l’intérêt d’autres communautés, comme notamment des groupes travaillant sur l’imagerie X (rayonnement synchrotron, imagerie médicale).
1La collaboration EUDET-JRA1 est composée des instituts suivants : DESY-Hambourg, CEA-Saclay, IPHC-Strasbourg, MPI-Munich, INFN-Ferrara, Université-Bonn, Université-Genève, Université-Bristol.
2Le service d'Electronique des Détecteurs et d'Informatique
3Le service de Physique des Particules
Contacts :
Fabienne ORSINI (SEDI)
Yavuz DEGERLI (SEDI)
Pierre LUTZ (SPP)
Publications :
· J. Baudot et al., “First test results of MIMOSA-26, a fast CMOS sensor with integrated zero suppression and digitized output”, Proc. IEEE Nuclear Science Symp., Orlando, FL, Oct. 2009.
· M. Gelin et al., “Test Results of the Zero Suppressed Digital Chip sensor for EUDET-JRA1 beam telescope”, EUDET Internal Note, Eudet-Memo-2009-26 JRA-1, December 2009.
· J. Baudot et al., “Validation of the Final Sensor Equipping the EUDET Beam Telescope”, EUDET Internal Note, Eudet-Memo-2009-25 JRA-1, August 2009.
· F. Orsini et al., “A Radiation Hard Digital Monolithic Pixel Sensor for the EUDET-JRA1 Project”, IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 57, no. 4, pp. 2287-2293, August 2010.
· C. Hu-Guo et al., “First reticule size MAPS with digital output and integrated zero suppression for the EUDET-JRA1 beam telescope”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, doi:10.1016/j.nima.2010.03.043, 2010.
· M. Gelin et al. “Intermediate Digital Monolithic Pixel Sensor for the EUDET High Resolution Beam Telescope”, IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 56, no. 3, pp. 1677-1684, June 2009.
· Y. Degerli et al., “Development of Binary Readout CMOS Monolithic Sensors for MIP Tracking”, IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 56, no. 1, pp 354-363, February 2009.
• Le Département d'Électronique des Détecteurs et d'Informatique pour la Physique (DEDIP) • Le Département de Physique des Particules (DPhP)
