Micromegas (détecteur)

Un détecteur de particules est utilisé pour détecter le passage d'une particule et obtenir des informations telles que sa position, son impulsion, ou son temps de passage dans le détecteur. En physique, la particule détectée est en général produite par collision dans un accélérateur de particules mais elle peut aussi venir de l'espace (particule cosmique) ou d'un réacteur nucléaire.

Les détecteurs Micromegas, comme tous les détecteurs gazeux, détectent les particules par les charges que ces dernières créent dans le volume de gaz par ionisation. Dans les détecteurs Micromegas, le volume de gaz est divisé en deux espaces, l'espace d'ionisation et l'espace d'amplification, par une micro-grille métallique placée entre 25 ${\displaystyle \mu }$m et 150 ${\displaystyle \mu }$m de l'électrode de lecture (pistes ou strips sur le schéma). La micro-grille est l'élément le plus important des détecteurs Micromegas car elle permet à la fois un gain élevé grâce à un champ électrique important (de l’ordre de 4 kV ${\displaystyle \cdot }$ cm${\displaystyle ^{-1}}$) et un signal court en neutralisant rapidement les ions. Il peut s'agir, par exemple, de fils d'inox de 9 ${\displaystyle \mu }$m de diamètre tissés avec une maille de 50 ${\displaystyle \mu }$m.

En traversant le détecteur, une particule va ioniser les atomes du gaz en leur arrachant des électrons (1). En l'absence de champ électrique, les paires électron/ion se recombinent et rien ne se passe. Mais ici, sous l'effet du champ électrique présent dans le détecteur (de l'ordre de 400 V ${\displaystyle \cdot }$ cm${\displaystyle ^{-1}}$), les électrons dérivent (2) vers l'électrode d'amplification (la micro-grille) tandis que les ions dérivent vers la cathode. Lorsque les électrons arrivent à la hauteur de la grille (3), ils la traversent et pénètrent dans l'espace d'amplification situé entre la grille et le plan d'anodes. Dans cet espace le champ électrique est intense (typiquement de l'ordre de 4 kV ${\displaystyle \cdot }$ cm${\displaystyle ^{-1}}$). Accélérés par ce champ, les électrons obtiennent assez d'énergie pour produire à leur tour d'autres paires électron/ion qui engendrent alors d'autres paires et ainsi de suite. C'est le phénomène d'avalanche (4). Ainsi plusieurs dizaines de milliers de paires électron/ion sont produites dans l'espace d'amplification à partir d'une centaine issues initialement de l’interaction de la particule incidente avec les atomes du gaz. Un signal est alors induit sur l'électrode de lecture (5) par le déplacement des charges dans l'espace d'amplification et lu à l'aide d'une électronique amplificatrice de charges. L'électrode est généralement segmentée en pistes ou pixels ce qui permet de mesurer la position initiale de la particule dans le détecteur (puisque l'on sait quelle piste a été touchée et sa position). La forme et l’amplitude du signal électrique, lues par l’électronique du détecteur sur les pistes, permettent de mesurer le temps d'arrivée et l’énergie déposée par la particule incidente.

Le signal est formé par induction du mouvement des charges entre la micro-grille et les pistes. Il est composé d'un signal électronique (en bleu sur le graphique) et d'un signal ionique (en rouge), le tout ne durant qu'une centaine de nanosecondes. Du fait de leur grande différence de mobilité dans le gaz (d'un facteur 1000), le signal des électrons est beaucoup plus rapide (inférieur à quelques nanosecondes) que celui des ions. Il est utilisé pour reconstruire le temps d'arrivée des particules. Comme l'amplitude intégrée du signal ionique est plus importante que celle des électrons, il est nécessaire de recueillir l'intégralité du signal pour une bonne mesure de l’amplitude et donc de la quantité de charges créées par la particule incidente. Cette quantité est liée au type et à l’impulsion de cette particule.