Development of PICOSEC-Micromegas for fast timing in high rate environments - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2020

Development of PICOSEC-Micromegas for fast timing in high rate environments

Développement de PICOSEC-Micromegas pour les environnements à haut flux de particules

Résumé

Future particle physics experiments will face an increasing particle flux with rising beam luminosity. Detectors close to the interaction point will need to provide robustness against the high particle flux. Moreover, a time resolution of tens of picosecond for Minimum Ionising Particles will be necessary to ensure a clear vertex separation of the reconstructed secondary particles and to reduce pile-up. This manuscript focusses on the PICOSEC-Micromegas, an innovative particle detector based on the Micromegas readout coupled to a Cherenkov radiator and a photocathode in front of the gaseous volume. In this way, each primary electron is located on the surface of the photocathode, suppressing thus the inevitable time jitter of several nanoseconds, due to the different ionisation positions created by the passage of a particle from the drift region of a gaseous detector. The drift region length is reduced to the same order of magnitude as the amplification region (100-200 μm) to minimise direct gas ionisation, and it is additionally used as a pre-amplification stage. A mathematical model, based on GARFIELD++ simulations, is developed to describe the propagation of the pre-amplification avalanche showing that the length and multiplication of the avalanche in the drift region is the dominant factor in the timing performance. The PICOSEC-Micromegas concept is studied with several prototypes optimising the electric fields, the drift distance, and the gas mixture in the LIDYL (Laboratoire Interactions, Dynamiques et Lasers) UV laser facility. A single photoelectron time resolution of ~44 ps is measured with the shortest tested drift region length of 119,μm and the highest stable field setting. Measurements performed in the secondary particle beam at CERN have resulted in a time resolution of 24 ps for 150 GeV muons with a drift region length of 200 μm and a CsI photocathode providing 10 photoelectrons per MIP. In order to evolve from the detection concept to a versatile instrument, several prototypes are developed, focusing on specific properties needed for future applications: anode segmentation, spark quenching, photocathode efficiency and robustness for higher particle flux. An hexagonal segmented multipad prototype is tested in the beam with a time resolution of ~36 ps in the central pad. The operation in high rate environments is studied with different resistive strip and floating strip anodes resistive detectors in muon and pion beams. Time resolutions significantly under 100 ps and stable operation in the pion beam are achieved with all resistive prototypes. Robust photocathode materials, as an alternative to CsI, are investigated to reduce degradation from the ion-backflow generated in the pre-amplification avalanche. The most promising materials are diamond-like carbon (DLC) and boron carbide (B4C). Considering all the results achieved, two application cases are projected with the PICOSEC-Micromegas detector. The first one is the use in a calorimeter as a timing layer. Many secondary particles are produced in an electromagnetic calorimeter after few radiation lengths and a time resolution down to ~5 ps is expected with the PICOSEC-Micromegas. The second one is particle identification trough time-of-flight (TOF) measurements. The PICOSEC-Micromegas is expected to double the momentum range of current TOF detectors for π/Κ separation with 3σ.
Les futures expériences de physique des particules devront être opérationnelles pour un flux de particules et une luminosité croissants. Plus particulièrement, les détecteurs proches du point d'interaction devront présenter une très bonne robustesse pour faire face à un flux de particules très élevé. De plus, une résolution temporelle de quelques dizaines de picosecondes pour les particules au minimum d’ionisation sera nécessaire pour assurer une séparation nette des vertex reconstruits et réduire l'empilement d’événements. Ce manuscrit a pour sujet l’instrument PICOSEC-Micromegas, un détecteur de particules innovant basé sur la lecture d’un détecteur Micromegas couplé à un radiateur Cherenkov et une photocathode. Dans ce dispositif, chaque électron primaire étant produit à la surface de la photocathode, l’étalement en temps du signal est minimal, alors qu’il peut atteindre plusieurs nanosecondes lorsque les ionisations primaires ont lieu sur le passage d'une particule dans l’espace de dérive. La hauteur de ce dernier est ici du même ordre de grandeur que celle de la région d'amplification (100-200 μm) afin de minimiser l'ionisation directe du gaz. L’espace de dérive est également utilisée comme espace de pré-amplification. Un modèle mathématique, basé sur des simulations GARFIELD++, a été développé pour décrire le développement de l'avalanche de pré-amplification. Il a permis de montrer que la longueur et la multiplication de l'avalanche dans l’espace de dérive sont les facteurs dominants dans la résolution temporelle. Le concept PICOSEC-Micromegas a été étudié avec plusieurs prototypes optimisant les champs électriques, la distance de dérive et le mélange gazeux auprès de l’installation laser du LIDYL (Laboratoire Interactions, Dynamiques et Lasers). Une résolution temporelle de ~44 ps a été obtenue pour un photo‑électron unique. Par ailleurs, des mesures effectuées en faisceau test au CERN ont permis d'obtenir une résolution temporelle de 24 ps pour des muons de 150 GeV, avec un espace de dérive de 200 μm et une photocathode en CsI (10 photoélectrons par MIP). Afin de passer du concept de détection à un démonstrateur plusieurs prototypes ont été développés, en se concentrant sur les propriétés spécifiques nécessaires aux applications futures: segmentation de l'anode, annulation des étincelles, efficacité de la photocathode et robustesse à haut flux de particules. Un prototype à pads hexagonaux a été testé en faisceau et montré une résolution temporelle de ~36 ps dans le pad central. Les performances à haut flux sont testées avec des détecteurs résistifs dans des faisceaux de muons et de pions. Des résolutions temporelles nettement inférieures à 100 ps et un fonctionnement stable en faisceau de pions sont obtenus avec tous les prototypes résistifs. Des matériaux de photocathode robustes, comme alternative au CsI, sont étudiés pour réduire la dégradation due au retour des ions. Les matériaux les plus prometteurs sont le “diamond-like carbon” (DLC) et le carbure de bore (B4C). Compte tenu des résultats obtenus, deux cas d'application sont considérés pour les perspectives de ce programme de R&D. La première application considérée est l'utilisation du détecteur PICOSEC à l'intérieur d'un calorimètre comme couche de synchronisation ou de nombreuses particules secondaires sont produites dans un calorimètre électromagnétique après quelques longueurs de radiation. Une résolution temporelle de ~5 ps est attendue avec le PICOSEC-Micromegas. La seconde application est l'identification des particules par des mesures de temps de vol (TOF) ou PICOSEC-Micromegas devrait permettre de doubler la plage d’impulsion des détecteurs TOF actuels pour la séparation π/Κ avec 3σ.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03167728 , version 1 (12-03-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03167728 , version 1

Citer

Lukas Sohl. Development of PICOSEC-Micromegas for fast timing in high rate environments. High Energy Physics - Experiment [hep-ex]. Université Paris-Saclay, 2020. English. ⟨NNT : 2020UPASP084⟩. ⟨tel-03167728⟩
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