Cette thèse présente le développement d'une électronique de lecture et de traitement des signaux d'un calorimètre hadronique semi

Le détecteur MINOS a été développé jusqu'à mi-2013 pour la spectroscopie γ prompte de noyaux très exotiques à partir de réactions d’arrachage de protons. Il est composé d'une cible épaisse d'hydrogène liquide pour augmenter la luminosité et d’une chambre à projection temporelle (TPC) pour reconstruire la position du vertex de réaction et de compenser l'effet de la cible épaisse sur la correction Doppler.La chambre à projection temporelle a été développée avec l'expertise du CEA-Irfu sur les détecteurs gazeux de type Micromegas. Dans un premier temps, différentes solutions pour la TPC ont été testées dans une chambre d'essai avec une source α et des mesures de rayons cosmiques. Des muons cosmiques ont été détectés pour la première fois en utilisant la chambre d'essai en début 2013 et ont validé l'utilisation d'un plan de détection Micromegas. Le premier prototype de TPC a été achevé en mai 2013 et nous avons utilisé un banc de rayons cosmiques pour estimer l’efficacité de la TPC.MINOS a ensuite été expédié au Japon et un test de performance sous faisceau a été réalisée à l'installation médicale HIMAC (Chiba, Japon) avec deux cibles minces au lieu de la cible épaisse d'hydrogène pour valider l'algorithme de reconstruction et la résolution de la position du vertex. Un algorithme de reconstruction de traces basé sur la transformée de Hough a été mis au point pour l'analyse des données, testé avec ces données, et comparé à des simulations.La première campagne de physique avec MINOS a eu lieu en mai 2014, avec SEASTAR. Elle s’est concentrée sur la première spectroscopie des ⁶ ⁶ Cr, ⁷⁰,⁷²Fe et ⁷⁸Ni. L'analyse de la spectroscopie du ⁶ ⁶Cr a révélé deux transitions, assignées aux deux premiers états excités. Une interprétation avec des calculs de modèle en couches montre que le maximum de collectivité quadripolaire se produit à N = 40 le long de la chaîne isotopique de chrome.Le ⁶ ⁶Cr est toujours placé dans la région de l’Îlot d’Inversion à N = 40 et les calculs de modèle en couches ainsi que la comparaison avec des calculs basés sur HFB suggèrent une extension de cet Îlot d’Inversion vers N = 50 en dessous du ⁷⁸Ni. L'analyse des ⁷⁰,⁷²Fe effectuée par C. Louchart (TU Darmstadt, Allemagne) révèle la même tendance que pour les isotopes de chrome. Les données et notre interprétation par le modèle en couches suggère une grande collectivité les Cr et Fe riches en neutrons, éventuellement jusqu'à N = 50, ce qui remettrait en cause la solidité de la fermeture de couche N = 50 en dessous du ⁷⁸Ni. / The MINOS device has been developed until mid-2013 for in-beam γ spectroscopy of very exotic nuclei from proton knockout reactions. It is composed of a thick liquid hydrogen target to achieve higher luminosities and a Time Projection Chamber (TPC) to reconstruct the vertex position and compensate for the thick target effect on the Doppler correction.The Time Projection Chamber has been developed with the expertise of CEA-IRFU in gas detectors and Micromegas detectors. At first, different solutions for the TPC were tested in a test chamber with an α source and cosmic-ray measurements. Cosmic rays were detected for the first time using the test chamber in early 2013 and validated the use of a Micromegas detection plane. The first TPC prototype was finished in May 2013, and we used a cosmic-ray bench to estimate the effiiciency of the TPC. The MINOS device was then shipped to Japan and an in-beam performance test was performed at the HIMAC medical facility (Chiba, Japan) with two thin targets instead of the thick hydrogen target to validate the tracking algorithm and the vertex position resolution. A tracking algorithm for the offline analysis based on the Hough transform has been developed, tested with the data, and compared with simulations.The first physics campaign using MINOS took place in May 2014 with SEASTAR. It focused on the first spectroscopy of ⁶ ⁶ Cr, ⁷⁰,⁷²Fe, and ⁷⁸Ni. The analysis of the ⁶⁶Cr spectroscopy revealed two transitions, assigned to the two first excited states. An interpretation with shell model calculations shows that the maximum of quadrupole collectivity occurs at N=40 along the Cr isotopic chain.⁶⁶Cr is still placed in the Island of Inversion region of N=40 and the shell model calculations as well as comparison with HFB-based calculations suggest an extension of this Island of Inversion towards N=50 below ⁷⁸Ni. The analysis of ⁷⁰,⁷²Fe performed by C. Louchart (TU Darmstadt, Germany) reveals the same trend as for Cr isotopes, with a maximum of deformation at N=42. The full data set and our shell-model interpretation suggests a large collectivity for neutron-rich Cr and Fe, possibly up to N=50, questioning the robustness of the N=50 shell closure below ⁷⁸Ni.

Une grande ‘Chambre à Projection Temporelle’ (TPC) est un candidat pour la détection et la mesure des traces chargées auprès de l’ILC, collisionneur linéaire d’électrons et de positons de 31 km permettant d’atteindre des énergies dans le centre de masse de 250 GeV à 1 TeV. Le travail de R&D décrit dans cette thèse porte sur un type nouveau de TPC, dont la lecture est assurée par des Micromégas à anode résistive. Ce dispositif permet de répartir le signal électrique sur plusieurs carreaux, même lorsque la charge est déposée sur un seul carreau. Il permet aussi de protéger l’électronique, ce qui est utilisé dans notre prototype pour miniaturiser les cartes de lecture. Dans ce travail, des modules Micromégas ont été testés et caractérisés, dans un premier temps, en faisceau, un par un au centre de la chambre, puis 7 modules montés en même temps de façon à couvrir la surface. Egalement, des tests sur un banc équipé d’une source de ⁵⁵Fe ont permis de caractériser les 7 modules utilisés. Une résolution en position de 60 microns par ligne de carreaux est obtenue à petite distance de dérive. L’uniformité est aussi évaluée, et des distorsions pouvant atteindre environ 500 microns sont observées. L’ensemble des résultats démontre l’adéquation de ce type de lecture à la TPC pour l’ILC. La fraction de retour des ions est également mesurée à l’aide d’un détecteur de même géométrie et avec le même gaz que ceux utilisés dans ces tests, et la loi en rapport inverse des champs est validée à nouveau dans ces conditions. La même technique est appliquée à la réalisation d’un imageur neutron, consistant en une TPC Micromégas ‘plate’ précédée d’un film convertisseur de 1mm d’épaisseur. Les protons éjectés par les neutrons sont ‘suivis à la trace’ dans le volume gazeux, ce qui permet de reconstruire avec une précision meilleure que le millimètre le point d’origine du neutron. / The study of the fundamental building blocks of matter necessitates always more powerful accelerators. New particles are produced in high energy collisions of protons or electrons. The by-Products of these collisions are detected in large apparatus surrounding the interaction point. The 125 GeV Higgs particle discovered at LHC will be studied in detail in the next e⁺e⁻ collider. The leading project for this is called ILC. The team that I joined is working on the R&D for a Time Projection Chamber (TPC) to detect the charged tracks by the ionization they leave in a gas volume, optimised for use at ILC. This primary ionization is amplified by the so-Called Micromegas device, with a charge-Sharing anode made of a resistive-Capacitive coating. After a presentation of the physics motivation for the ILC and ILD detector, I will review the principle of operation of a TPC (Chapter 2) and underline the advantages of the Micromegas readout with charge sharing. The main part of this PhD work concerns the detailed study of up to 12 prototypes of various kinds. The modules and their readout electronics are described in Chapter 3. A test-Bench setup has been assembled at CERN (Chapter 4) to study the response to a ⁵⁵Fe source, allowing an energy calibration and a uniformity study. In Chapter 5, the ion backflow is studied using a bulk Micromegas and the gas gain is measured using a calibrated electronics chain. With the same setup, the electron transparency is measured as a function of the field ratio (drift/amplification). Also, several beam tests have been carried out at DESY with a 5 GeV electron beam in a 1 T superconducting magnet. These beam tests allowed the detailed study of the spatial resolution. In the final test, the endplate was equipped with seven modules, bringing sensitivity to misalignment and distortions. Such a study required software developments (Chapter 6) to make optimal use of the charge sharing and to reconstruct multiple tracks through several modules with a Kalman filter algorithm. The results of these studies are given in Chapter 7. The TPC technique has been applied to neutron imaging in collaboration with the University of Lanzhou. A test using a neutron source has been carried out in China. The results are reported in Chapter 8.

Le projet Hellaz se propose de mesurer séparément le flux des deux principales sources de neutrinos (pp and béryllium) émis par le Soleil, en utilisant la diffusion élastique neutrino-électron dans une chambre à projection temporelle (TPC) remplie d'hélium à 20 bars. La cinématique de cette réaction, permet de retrouver l'énergie du neutrino incident à partir de l'énergie et de la direction de l'électron de recul.<br> L'électron de recul crée une trace jusqu'à son arrêt dans la TPC ( 5 cm de long pour 100 keV), en ionisant le gaz le long de cette trace. Les électrons d'ionisation ainsi créés dérivent sous l'action d'un champ électrique, en diffusant,et sont détectés individuellement en X, Y et Z par des chambres ultrarapides MICROMEGAS.<br> Le travail de cette thèse a consisté à réaliser une chaîne complète de simulations permettant de montrer la faisabilité du projet.<br> Au départ, GEANT 3 simule le nuage d'électrons d'ionisation créé par un électron de basse énergie. L'efficacité de détection des électrons est calculée, en fonction de l'énergie de l'électron de recul et du lieu de l'interaction dans la TPC.<br> On montre alors qu'on peut mesurer le spectre des neutrinos solaires avec une résolution de 10%, et ce en introduisant un bruit de fond radioactif réaliste (10000 Compton par jour) provenant des gammas émis par l'U-Th résiduel des parois du détecteur, ce qui montre la faisabilité du projet, à condition toutefois de pouvoir détecter des électrons uniques.

PIM (Parallel Ionization Multiplier) est un détecteur gazeux à microstructure multi-étage utilisant la technologie des micro-grilles. Ce nouveau dispositif, basé sur le principe de fonctionnement du détecteur MICROMEGAS (MICRO-MEsh GAseous Structure), offre d'excellentes caractéristiques pour la trajectographie de particules au minimum d'ionisation. Cependant, lorsque ce type de détecteur est placé dans un environnement à forte composante hadronique, des décharges apparaissent et dégradent sensiblement l'efficacité de détection et constituent un risque non négligeable pour l'électronique frontale. Afin de diminuer la probabilité d'avoir de tels événements, il est possible de réaliser la multiplication des charges par étapes successives. <br />Dans le cadre du programme européen de physique hadronique (EU-I3HP-JRA4), nous avons investigué le détecteur multi-étage PIM pour une application sous un haut flux de hadrons.<br />Lors de ce travail de recherche et développement, nous avons caractérisé de nombreuses configurations géométriques d'une structure PIM à 2 étages d'amplification séparés par un espace de transfert opérant avec un mélange gazeux Ne+10%CO2. Des tests réalisés sous faisceau de hadrons de hautes énergies auprès du CERN ont montrés que la probabilité de décharges peut être fortement réduite avec une structure adéquate du détecteur PIM. Un taux de décharges inférieur à 10-9 par hadron incident et une résolution spatiale de 51 µm ont par ailleurs été mesurés au point de fonctionnement correspondant au début du plateau d'efficacité (>96%).

La première partie rapporte la caractérisation de prototypes de chambre MICROMEGAS en tests sous faisceaux et en laboratoire. L'étude détaille notamment l'efficacité de détection, la multiplicité de la réponse et dépendance du gain du détecteur vis à vis des conditions environnementales. Dans la seconde partie, La détection d'un boson de jauge Z', prédit par différends modèles de types Randal-Sundrum est étudiées dans le cadre de l'expérience CLIC. Le canal considéré implique l'émission du Z' par une paire de quarks top. Le Z' se désintègre ensuite en particules de matière noire.

Cette thèse décrit les premiers essais de tomographie muonique par absorption et par déviation en utilisant des détecteurs Micromegas à haute granularité. Cette technique d'imagerie utilisant les rayons cosmiques gratuits, sans dangers et disponibles partout a démontré sa capacité à imager des objets de tailles variées. Afin de construire des outils compacts, précis, et portables, utiliser une voie d'électronique pour lire chaque motif de lecture est impossible. Pour éviter ce problème, des détecteurs multiplexés ont été conçus, testés et mis en situation dans différentes conditions. Il a été tiré parti des dernières améliorations concernant le détecteur Micromegas telles que le multiplexage génétique ou la lecture 2D par pistes sous une couche résistive. Les prototypes qui ont été fabriqués ont atteint une résolution de 300µm sur une surface d'un quart de mètre carré en ne nécessitant que 61 voies d'électronique. Grâce à ces détecteurs, des campagnes de prise de données ont été faites, à la fois dans l'environnement semi-contrôlé du centre CEA de Saclay et sur le plateau de Gizeh en Egypte. Ces deux campagnes ont permis d'imager avec succès le château d'eau du CEA Saclay ainsi que la pyramide de Khéops et ce malgré les conditions extrêmes que les télescopes à muon ont endurées. Des variations de température de plusieurs dizaines de Kelvin ont été enregistrées alors que l'acquisition de données se déroulait de manière stable, c'est-à-dire que les variations du gain n'impactaient pas le système d'auto déclenchement. Cette stabilité a été rendue possible grâce à un ajustement des hautes tensions vis à vis des conditions environnementales. Cela constitue la première mondiale concernant le fonctionnement d'un dispositif de reconstruction de trace à base de Micromégas en extérieur. En parallèle des expériences de muographie par déviation ont été menées. Un dispositif imageant des objets de petite taille est capable de distinguer divers matériaux sur une échelle de temps de l'ordre d'une journée. Une plus grande installation a permis d'imager un conteneur entier. La résolution du problème inverse a été faite en utilisant à la fois l'algorithme simple dit du PoCA ainsi que celui de maximisation de vraisemblance proposé par Schultz et son équipe. / This thesis describes the first attempts to perform both absorption and scattering muon tomography using high granularity Micromegas detectors. This imaging technique using the free, available and harmless cosmic ray muons radiation shows great possibilities to study various sized objects. In order to make compact and precise portable devices, using one channel of electronics per readout pattern is not possible. To avoid this problem multiplexed detectors have been designed, extensively tested and used in numerous conditions. Latest developments in Micromegas design have been used such as the genetic multiplexing and the 2D strip readout using a resistive layer. The prototypes made were able to achieve a 300µm resolution at the scale of 50cm while using only 61 channels of electronics. Using these detectors, muography data taking campaigns have been performed both in the semi-controlled environment of the Saclay site of CEA and in the wild of the Giza plateau in Egypt. These two campaigns succeeded in imaging the CEA Saclay water tower and the Khufu's pyramid despite the extreme conditions endured by the Micromegas muon telescopes. Large temperature variations of a few tens of Kelvin have been recorded together with a stable operation i.e. an even gain ensuring a steady self triggering system. This stability was achieved using high voltage variations with respect to the environmental conditions. Together with this very first worldwide operation of a Micromegas-based tracker outside a laboratory, scattering muographies have also been done. A small setup imaging handheld objects performed well in separating various materials in time scales of the order of the day while a bigger 1m² setup allowing the scan of a full container was successfully operated. The inversion of the ill-posed problem of the muon scattering was performed using the crude PoCA method and the maximum likelihood one described by Schultz et al.