Développement d'un détecteur micropiste gazeux à microstructure pour les particules chargées et les rayons X: la clepsydre

Sand-glass: a novel position sensitive micro-pattern gaseous detector for ionization and X-ray detection

• Auteur / Autrice : Pawel Majewski
• Direction : Abdenour Lounis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des particules
• Date : Soutenance en 2002
• Etablissement(s) : Université Louis Pasteur (Strasbourg) (1971-2008)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayons X

Détecteurs de rayonnement

Particules (physique)

Résumé

Le sujet de cette thèse porte sur le développement de nouveaux types de détecteurs gazeux à microstructure et micropistes notamment les chambres micropistes gazeuses à deux dimensions (Micro Strip Gas Chamber 2D ou MSGC-2D), les enceintes gazeuses à multiplication de charges (Gas Electron Multiplier ou GEM) et enfin un type nouveau que j'ai conçu: le Sand-Glass Gas ou détecteur SGG. L'objectif à atteindre avec ces détecteurs est la détermination avec haute précision, uni et bi-dimensionnelle, des trajectoires des particules ionisantes ainsi que des rayons X qui les traversent. Dans ce travail, tout d'abord, je présenterai les résultats de simulation obtenus avec ces détecteurs puis je montrerai les résultats expérimentaux des tests de deux prototypes du détecteur SGG que j'ai conçus et réalisés. Dans mes études, je présenterai la simulation du détecteur Sand-Glass et les résultats des tests de deux proto- types avec une surface active de 10x 10 cm2 chacun. Pour tous les deux, l'électrode centrale a été divisée en 512 pistes qui ont été groupées et liées avec 20 canaux de lecture. Les cathodes ont été divisées en quatre larges pistes chacune. Grâce à la simulation détaillée, j'ai défini successivement la forme de l'impulsion électrique produite dans la chambre et l'absence du phénomène de diaphonie. J'ai aussi calculé la résolution spatiale de 45 æm pour une périodicité de 200 æm et un mélange de gaz Ar/CO2 (87. 8%/12. 2%). J'ai également constaté que le dépôt éventuel de charges sur la surface de l'isolant des trous est provoqué par les charges négatives seulement. Les résultats des tests des deux prototypes des chambres avec une configuration symétrique du champ, en utilisant la source faible de Fe55 émettant des rayons X d'énergie 5. 9 keV ont montré la possibilité d'un fonctionnement avec le gaz ininflammable et plus économique comme l'Ar/CO2 et permet d'obtenir avec un mélange (87. 8%/12. 2%) un gain au-dessus de 103 et aussi une résolution en énergie de 18%. En utilisant le mélange gazeux Ar /C4H10 (95%/5%), j'ai obtenu un gain supérieur à 104. Je présenterai aussi la possibilité d'une lecture des signaux des trois électrodes de la structure. Pour la détection des rayons X, j'ai constaté que les amplitudes des signaux lus sur chaque électrode étaient différentes et cela nous donne donc la possibilité de déterminer la direction dans laquelle les rayons ont été émis.

This work is devoted to investigating new types of gaseous micro-pattern radiation detectors such as Micro Strip Gas Chamber 2D (MSGC-2D) and Sand-Glass Gas (SGG) detector with geometry based on the Gas Electron Multiplier (GEM). The aim of those detectors is the precise spatial determination in one or two coordinates the trajectory of the traversing ionisation particles as well as of X-rays. In the thesis I present results of the simulation and experimental tests of two SGG prototypes with the active area of 10 x 10 cm2 each, which I designed and built. In the chamber prototypes the anode electrode was divided into 512 strips grouped into 20 readout channels while the cathodes consisted of four large strips each. Thanks to detailed simulation I found the shape of the electric signal readout on all electrodes and the absence of the cross-talk phenomenon. I have estimated the spatial resolution to be of the order of 45 æm for the electrode pitch of 200æm and gas mixture Ar/CO2 (87. 8%/12. 2%). Simulation investigation shown also that the eventual charging up of the insulator will be only due to negative charges. The test have been carried out with a weak X-ray source Fe55 and a symmetric configuration of the electric field in the chamber. The gas gain above 1000 and energy resolution of 18% have been achieved with Ar/CO2 (87. 8%/12. 2%) showing possibility of working with a safe and cheap gas mixture. With Ar/C4HIO (95%/5%) gas mixture the gas gain above 104 has been measured. I present also the possibility of independent signal readout from three layers of electrodes. For the X-ray detection I found that the signal amplitudes readout on each electrode is different allowing to determine the direction from which the X-ray was emitted.