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Une TPC de nouvelle génération (programme ACTAR/TPC) - (2011-...)

(mise à jour : octobre 2012)

 

Collaboration :

  • CENBG (Bordeaux, F)
  • GANIL (Caen, F)
  • IPNO (Orsay, F)
  • coll. GET (General Electronic for TPCs)
  • CERN PCB Workshop

contact@CENBG : J. Giovinazzo

Introduction

Le principe d’une chambre à projection temporelle (TPC) pour l’étude de la radioactivité 2-protons est d’implanter les noyaux émetteurs dans un volume de gaz, où les 2 protons sont émis. Ils ionisent le gaz le long de leur trajectoire. Grâce à un champ électrique, les électrons dérivent vers un plan de détection à 2 dimensions (X-Y) et la 3ème dimension est obtenue en mesurant le temps d’arrivée des charges sur le plan de détection 2D.

La première TPC est basée sur un plan de détection utilisant 2 plans de pistes orthogonales (X et Y), et fournit 4 types d’informations à 1 dimension : la charge mesurée et l’instant de mesure de cette charge le long des dimensions X et Y. Cette technologie a permis la première observation directe de la radioactivité 2-protons, mais a également montré des limites instrumentales pour la reconstruction des trajectoires (lorsque les protons sont émis dans un même cadran du plan X-Y, trajectoires quasi-verticales, ...), et en terme de temps-mort d’acquisition des données.

C’est pourquoi le groupe a démarré un programme pour le développement d’un détecteur de type TPC de seconde génération.

Principe général

L’objectif de cette nouvelle TPC est d’obtenir une discrétisation complète du volume actif de la chambre en 3 dimension. Pour cela, nous développons un plan de détection 2D constitué de pads (au lieu des pistes) de 2x2 mm2, qui assure la discrétisation 2D du plan (X-Y). Pour chaque pixel, la discrétisation dans la 3ème dimension est obtenue par un échantillonnage en temps du signal (l’instant de mesure des charge est proportionnel au temps de dérive dans la chambre, et donc à la position dans la direction Z). Le principe est illustré sur la figure 1.

Figure 1 : Principe de la discrétisation 3D de l’espace de dérive. Les charges créées le long des trajectoires des particules chargées dérivent vers un plan de pads X-Y, et la dimension Z est discrétisée grâce à un échantillonnage en temps du signal.

Détecteur final

L’objectif de ce développement est de construire un détecteur de 64x256 pads (de 2x2 mm2), équipé avec l’électronique de lecture développée dans le cadre du projet GET (General Electronic for TPCs). Le signal d’ionisation recueilli sur chaque pixel (pad) est échantillonné en temps, fournissant ainsi une mesure de l’amplitude du signal (énergie) en fonction du temps (proportionnel à la position verticale de création des charges).

Dans le cadre de l’utilisation de l’électronique GET pour la radioactivité 2-proton, te tampon de mémorisation pour l’échantillonnage est divisé en 2 : la première moitié sert pour le signal d’implantation de l’ion émetteur, et la seconde pour le signal de radioactivité. Ceci est nécessaire du fait de la très courte durée de vie des émetteurs 2-protons (quelques ms), qui ne permet pas de traiter l’implantation suffisamment rapidement pour que le système soit prêt à mesurer la décroissance radioactive.

Ce type de détecteur a d’autres applications que la radioactivité 2-protons, et la collaboration ACTAR-TPC regroupe les équipes intéressées par ces développements.

Prototype : option CENBG

Dans le cadre de la collaboration ACTAR-TPC, un démonstrateur de petite dimension est actuellement en cours de développement. Deux options sont à l’étude pour le détecteur 2D à pixel, toutes deux basées sur l’utilisation d’un dispositif de type micromegas (pour l’amplification du signal).

La difficulté de conception du détecteur réside dans la densité des pads du plan 2D, et le fait que ce plan doit assurer l’étanchéité entre l’intérieur de la chambre (gaz) et l’extérieur (air), en supportant des différences éventuelles de pression. Une première option, développée par l’IPNO et le GANIL, utilise un circuit (PCB) standard pour le plan de pads, ce qui impose une armature sous le plan de détection, et par conséquent des connecteurs de taille réduite, qui imposent un routage des signaux.

L’option que nous tentons de développer au CENBG est basée sur un PCB en principe très simple, où les connecteurs sont en contact direct avec chaque pad. Cela impose de rigidifier le PCB, qui est dessiné sur un plan en aluminium haute résistance (voir figure 2). Ce développement est actuellement réalisé en collaboration avec l’atelier PCB du CERN.

Figure 2 : Principe de la conception du plan de détection sur un PCB à base d’aluminium haute résistance (en gris). Le circuit lui-même, en cuivre (orangé) est isolé de l’aluminium par une résine (en vert). Des connecteurs au pas de 2 mm sont insérés par dessous et soudés au PCB, puis le micromegas est ajouté sur la face supérieure.

 

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