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Le principe de la chambre à fils

Georges Charpak

En 1968, le physicien français Georges Charpak invente la chambre à fils, qui va révolutionner la physique expérimentale et donner naissance à une nouvelle génération de détecteurs. Cela lui vaudra le Prix Nobel de Physique en 1992.

Le principe de la chambre à fils est très simple. Une particule chargée suffisamment énergétique est capable d'arracher les électrons des atomes du milieu traversé, c'est le processus d'ionisation.

Dans un détecteur à ionisation (ou chambre à fils), le milieu est plongé dans un champ électrique généré par une paire d'électrodes, généralement de géométrie cylindrique ou plane. Les électrons nouvellement créés se déplacent alors vers l'anode et les ions, vers la cathode.

Selon le type d'effet voulu, l'anode peut prendre la forme d'un ou plusieurs fil très fin près duquel le champ électrique devient très intense et les électrons sont accélérés jusqu'à être capables d'ioniser d'autres atomes, créant des électrons secondaires, capables à leur tour d'ioniser des atomes, ceci plusieurs fois de suite. C'est le phénomène d'avalanche.

Les électrons, environ 1 000 fois plus rapides que les ions, sont rapidement capturés par l'anode, mais le courant des ions dérivant vers la cathode induit un signal électrique relativement important sur les électrodes, directement mesuré par un pré-amplificateur qui produit le signal électronique.

Le signal détecté par l'amplificateur dépend de plusieurs facteurs, et avant tout du champ électrique appliqué entre les électrodes et, dans le cas d'un détecteur à gaz, de la pression.

Le principe d'ionisation

La région d'ionisation

Une fois que le champ électrique est assez fort pour limiter les recombinaisons, les charges d'ionisation dérivent presque intégralement vers les électrodes. On obtient un signal qui reflète la charge totale d'ionisation.

Le volume de dérive

Les détecteurs opérant dans cette région, par exemple les chambres à argon liquide et les détecteurs à semi-conducteurs, ont une excellente résolution en énergie et le signal mesuré est déjà assez proportionnel à la charge déposée (bonne linéarité). Les signaux sont assez faibles parce qu'il n'y pas d'amplification des charges dans le détecteur, et des amplificateurs spéciaux à bas bruit sont nécessaires.

Le volume de dérive, long de 1,30 m, est constitué d'un milieu actif composé à 80% d'Argon et à 20% de CH4 qui joue le rôle de quencher. La particule traverse le volume de dérive en ionisant le gaz (~20 paires électron-ion par cm).

Les électrons d'ionisation dérivent à 7cm/ms vers le volume d'amplification sous l'influence d'un champ électrique de 25 kV aussi uniforme que possible (dégradé de potentiel assuré par 333 résistances couplées à des bandes conductrices qui définissent les lignes de champ).

Diffusion des électrons d'ionisation

Les électrons d'ionisation vont rapidement atteindre une vitesse limite dans le gaz par équilibre entre champ électrique accélérateur et collisions avec les molécules de gaz. La diffusion transverse des électrons est réduite par l'utilisation d'un champ magnétique de direction parallèle au champ électrique de dérive.

L'amplification des électrons

On assiste alors à la formation d'une avalanche autour du fil sensible (d'un diamètre de 20 microns) avec une amplification des électrons (~104).

Les électrons sont collectés en ~1 ns, ce qui ne permet pas d'obtenir un signal électrique mesurable. Quant aux ions crées lors de l'avalanche(~1 000 fois plus lents), ils vont dériver entre fil anodique et plan cathodique. C'est le déplacement de ces charges qui va induire un signal mesurable entre les deux armatures du pseudo condensateur formé par le fil sensible et le plan cathodique.

La mesure des coordonnées

Les particules dans le plan (x,y)

Le plan cathodique

Il faut maintenant reconstruire en trois dimensions la trajectoire d'une particule chargée. La dérive des électrons sous l'influence du champ électrique de 25 kV fournit une image de la projection de la trace dans le plan transverse à l'axe des faisceaux.

Le plan cathodique situé à la fin du volume d'amplification est segmenté en 16 rangées de damiers (pads), chacun des pads étant relié à une voie d'électronique qui mesure la charge collectée en fonction du temps toutes les 7 ns (échantillonnage temporel).

La dérive des ions crées lors de l'avalanche autour d'un fil sensible va induire un signal sur les 2 à 3 pads voisins. Le barycentre de la charge collectée sur les 3 pads permet de déterminer un point de passage de la trace dans le plan transverse. En fonction de l'angle de la trace, on va ainsi mesurer jusqu'à 16 points du plan (x,y) de la projection de la trajectoire. La précision de la mesure est d'environ 200 microns.

La mesure de la coordonnée z

Pour obtenir la coordonnée z, il faut mesurer précisément le temps de dérive des électrons de chacun des 16 clusters. Ce temps de dérive est obtenu par la différence entre temps de création des électrons de dérive (quand la particule à mesurer traverse le volume de dérive) et temps d'arrivée de ces électrons sur les fils sensibles (signal induit par les ions de l'avalanche).

Le temps de départ correspond au croisement des faisceaux, qui est fourni par l'accélérateur, et le temps d'arrivée par l'obtention d'un signal sur l'électronique des pads. La vitesse de dérive est mesurée avec une précision de 0,1% par l'utilisation de lasers pulsés. Connaissant précisément la vitesse de dérive, le temps mesuré pour chacun des 16 clusters de pads permet d'obtenir 16 points du points (x,y,z) de la trace dans l'espace.

Quencher et skipping

Le rôle du quencher

Une partie des ions Argon créés dans l'avalanche se recombine et revient à son état fondamental en émettant des photons (seule voie possible de désexcitation). Ces photons vont ioniser à leur tour d'autres molécules d'Argon et on va voir apparaître un courant continu entre fils anodiques et plan cathodique.

Ce courant noir va entraîner des décharges permanentes et peut conduire à une destruction de la chambre. L'ajout d'autres molécules polyatomiques comme le CH4 se désexcitant par modes de rotation ou de vibration permet d'absorber les photons UV crées par l'Argon sans entretenir de courant noir.

Le zero skipping

Chacune des 22464 voies de la chambre fournit une information volumineuse :

  • Un échantillonnage toutes les 7 ns
  • Une durée d'échantillonnage de 22 ms
  • Une profondeur d'échantillonnage de 12 bits

Cela représente plus de 3 000 valeurs codées sur 12 bits à transmettre par voie : 3 000 x 12 x 22 464 / 1 024 / 1 024 = 771 Mo par événement !

En replaçant ce flux de données en 1986, date de conception de l'électronique de DELPHI, on se retrouve face à un sérieux problème. La solution : le zero skipping. Chacune des 22 464 voies ne transmettra ses données que si elles sont supérieures à un seuil programmé individuellement. On réduit ainsi le flux à environ 100 Ko par événement.