Le calorimètre électromagnétique Silicium-Tungstène (SiW ECAL)

Le calorimètre électromagnétique Silicium-Tungstène (SiW ECAL) 

Qu’est-ce qu’un calorimètre électromagnétique ?

Le mot « calorimètre » vient du latin « calor » qui signifie « chaleur ». Un calorimètre mesure donc la chaleur, ce qui dans le cas de la physique des hautes énergies, signifie l’énergie d’une particule. Les calorimètres de la physique des particules ne fonctionnent pas vraiment comme des calorimètres standards. Dans un calorimètre standard, les particules de haute énergie la perde lorsqu’elles pénètrent la surface du calorimètre et « chauffent » le matériau. C’est comparable à un thermomètre. Dans le domaine de la physique des particules il n’y a pas de dégagement de chaleur, une particule incidente va interagir dans le matériau (appelé absorbeur) et va être convertie en de multiples particules de plus basse énergie, chacune transportant avec elle une fraction de l’énergie de la particule de départ  . Cette réaction est appelée « gerbe électromagnétique ».

Dans le cas de l’ECAL pour l’ILC, le matériau utilisé pour créer cette gerbe est le tungstène (W). Du fait que ce soit un absorbeur, une partie de l’énergie est perdue et il est donc important de pouvoir estimer quelle fraction de l’énergie cela représente. Il y a plusieurs couches de tungstène et entre chaque couche se trouve une couche de détecteurs. Ces détecteurs vont mesurer l’énergie des particules les traversant et permettront donc d’évaluer l’énergie de la particule initiale. La raison pour laquelle de l’absorbeur est rajouté entre chaque couche de détecteur est que plus d’information est créée grâce à la pixellisation longitudinale et que l’analyse des particules individuelle en est facilité (plus précise). Ces couches d’absorbeur permettent également de contenir intégralement la gerbe dans une épaisseur réduite .

Le calorimètre est un large cylindre autour du faisceau. Ce cylindre est couvert par une matrice de détecteurs sur plusieurs couches. En étant capable de déterminer quel détecteur est touché à quel moment, il est possible de reconstruire la douche en énergie et en trajectoire (grâce à la pixellisation transversale).

Le terme « électromagnétique » fait référence au fait que ce calorimètre est développé pour mesurer l’énergie des particules qui interagissent par le biais de l’interaction électromagnétique (typiquement les photons et les électrons). Un calorimètre hadronique est utilisé quand les particules misent en jeu sont des hadrons. Un hadron traversant le calorimètre n’interagira avec la matière qu’à partir d’une certaine profondeur, ce qui explique qu’on les place derrière les calorimètres électromagnétiques et qu’ils soient beaucoup plus épais. Un calorimètre hadronique est conçu pour mesurer l’énergie de particules qui interagissent par l’interaction forte (les nucléons ou n’importe quelle autre particule faite de quarks, anti-quarks ou gluons).

Le Particle Flow Algorithm

Le particle flow algorithm (PFA) est une technique utilisée pour optimiser la reconstruction des gerbes électromagnétiques dans les calorimètres. Cela passe par la reconstruction des trajectoires des particules individuelles. Le but est d’être capable d’identifier les gerbes individuellement et éviter tout recouvrement entre elles.

Cette reconstruction est possible si le calorimètre a :

• Une grande résolution transversale ;
• Une grande résolution longitudinale.

La taille de chaque pixel de détecteur doit être au moins plus fine que le rayon de Molière, défini comme le rayon d’un cylindre contenant 90 % de l’énergie déposée par une gerbe électromagnétique, afin d’avoir une bonne résolution transversale. Ceci permet de discriminer deux gerbes incidentes proches.

La résolution longitudinale s’obtient en empilant plusieurs couches de détection. De la distance entre ces couches dépendra la finesse de la résolution. Entre chaque couche de détection s’intercale une épaisseur d’absorbeur pour d’abord créer et ensuite contenir la gerbe dans l’épaisseur du détecteur. Cette épaisseur de détecteur est déterminée par la longueur d’interaction du matériau absorbeur utilisé et par la quantité de matière. La segmentation longitudinale doit être la plus fine possible pour une résolution optimisée. De plus, si les couches d’absorbeur étaient trop éloignées la gerbe se disperserait trop et deux gerbes incidentes proches se recouvriraient et deviendraient indiscernables. C’est justement ce que l’on cherche à éviter.

Le détecteur

Schéma général

Le SiW ECAL a été optimisé pour l’utilisation du PFA. Les recommandations sont  :
• Grande granularité du calorimètre pour une bonne résolution transversale ;
• Segmentation fine pour obtenir une bonne résolution longitudinale ;
• Bobine créant le champ magnétique servant à courber les particules chargées idéalement à l’extérieur du calorimètre pour de meilleurs mesures d’énergie ;
➤ Calorimètre compact pour réduire le diamètre de la bobine.
➤ Dissipation de chaleur de l’électronique minimale pour éviter d’avoir un système de refroidissement trop important, ce qui épaissirait le calorimètre inutilement.

Il est estimé pour le moment que le calorimètre électromagnétique comportera 82 millions de canaux (contre 76200 dans le calorimètre électromagnétique de CMS au LHC par exemple). La grande granularité implique de très fortes contraintes de miniaturisation de l’électronique afin de pouvoir la contenir dans une surface réduite et sur une épaisseur la plus fine possible. C’est pour cette raison que la création d’ASIC dédiés à la lecture des détecteurs est inévitable. La contrainte de compacité du détecteur amène à choisir un matériau absorbeur ayant une faible longueur de radiation car l’épaisseur de matière nécessaire pour contenir une gerbe dépend de la longueur de radiation. Le rayon de Molière s’exprime également en fonction de la longueur de radiation du matériau, ce qui est intéressant car plus la longueur de radiation est faible, plus le rayon de Molière est faible.

Chaque module de l’ECAL est en tungstène et comporte des cavités dans lesquelles seront glissées les couches actives de détection. Il y a donc une alternance de couches d’absorbeur en tungstène et de couches de détection en silicium. Les couches de détection sont composées de matrices de diodes PIN et de leurs circuits de lecture dédiés.

Table des matières

Introduction
I. Contexte scientifique
1 Introduction
2 ILC
3 CALICE
4 Le calorimètre électromagnétique Silicium-Tungstène (SiW ECAL)
4.1 Qu’est-ce qu’un calorimètre électromagnétique ?
4.2 Le Particle Flow Algorithm
4.3 Le détecteur
4.3.1 Schéma général
4.3.2 Diodes PIN
4.3.3 Les couches de tungstène
5 Le circuit de lecture
5.1 Principes généraux et exemples historiques
5.1.1 L’Exemple d’ATLAS
5.1.2 L’exemple de CMS
5.1.3 Afin d’aller plus loin dans l’intégration
5.2 Préamplificateur
5.2.1 Différents types de préamplificateurs
5.2.2 Préamplificateur de charge
5.3 Filtres formeurs ou shapers
5.3.1 Influence de la bande passante du préamplificateur
5.3.2 Influence du déséquilibre de C1R1 et C2R2
5.3.3 Calcul du bruit en sortie de shaper
5.3.4 Un rapport signal sur bruit supérieur à 10
6 Cahier des charges du circuit de lecture idéal
II. SKIROC2
1 Présentation
2 Simulations
2.1 Cœur analogique
2.1.1 Préamplificateur
2.1.2 Shaper
2.1.3 Bandgap
2.2 Système de mémorisation des évènements et conversion digitale
2.2.1 Mémoire analogique
2.2.2 Boite à délai
2.2.3 ADC Wilkinson
3 Résultats de mesures sur carte de test
3.1 Carte de test
3.2 Signal d’entrée
3.3 Signaux de sorties analogiques
3.3.1 Préamplificateur
3.3.2 Slow shaper G1
3.3.3 Slow shaper G10
3.3.4 Fast shaper
3.4 Linéarité
3.4.1 Slow shaper G1
3.4.2 Slow shaper G10
3.5 Estimation de la capacité parasite d’entrée
3.6 Mesures de l’efficacité de déclenchement
3.6.1 Mesures classiques
3.6.2 Mesure des paramètres des piédestaux
3.6.3 L’importance de l’extraction des paramètre des piédestaux sur la calibration des seuils de déclenchement.
3.7 Discrimination du MIP unique
3.8 Mesure de l’ENC
3.9 Diaphonie analogique
3.10 Diaphonie digitale
3.11 Stabilité du piédestal des slow shapers
4 Intégration dans le détecteur
4.1 Power Pulsing
4.2 Plane events
4.3 Efficacité de déclenchement sur carte front-end
4.4 Diaphonies et re-déclenchement
5 Conclusion
III. Développement des buildings blocks dans la technologie XT018
1 Choix de la technologie
2 Présentation du circuit
3 Préamplificateur
3.1 PACSP
3.2 PACSN
3.3 PADIF
3.4 Etude en boucle ouverte
3.4.1 PACSP
3.4.2 PACSN
3.4.3 PADIF
3.5 Etude en boucle fermée
3.5.1 PACSP
3.5.2 PACSN
3.5.3 PADIF
3.6 Bruit
3.6.1 PACSP
3.6.2 PACSN
3.6.3 PADIF
3.7 Réjection d’alimentation
3.7.1 PACSP
3.7.2 PACSN
3.7.3 PADIF
3.8 Layout
3.8.1 PACSP
3.8.2 PACSN
3.8.3 PADIF
3.9 Conclusion
4 Shapers
4.1 Fast shaper
4.2 Slow shaper haut gain
4.3 Slow shaper bas gain
5 Bandgap
6 Comparateur
7 Boite à délai
8 Mémorisation analogique
9 ADC Wilkinson
10 Conclusion
Conclusion

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