Etude et optimisation de la voie ionisation Etude et optimisation de la voie ionisation

dans l’expérience EDELWEISSdans l’expérience EDELWEISSBenjamin Censier

Responsable de thèse: Responsable de thèse:

Alexandre BroniatowskiAlexandre Broniatowski

IPN Orsay, 15 Février 2006

Laboratoire d’accueil

Financement Université

Matière noire ?Matière noire ?

• ML: Masse estimée via relations masse/luminosité

– Étoiles dans le visible, amas de galaxies dans les X..

• MC: Masse estimée via la cinématique observée

– Vitesse de rotation des galaxies, Théorème du viriel appliqué aux amas..

• + Fond diffus cosmologique 5% matière «lumineuse» 25% matière «noire» 70% énergie «noire» (Supernovae Ia)

• + Nucléosynthèse primordiale– La matière noire est essentiellement non-baryonique

• Hypothèse WIMPs: Weakly Interactive Massive ParticlesHypothèse WIMPs: Weakly Interactive Massive Particles

MMCC>M>MLL

F. Zwicky

Halo galactiqueHalo galactique

• Courbe de rotation des galaxies– Plate jusqu’aux limites observationnelles– Force centrifuge trop grande– Effet systématique

• Modèle de halo– Halo de WIMPs– Supposé sphérique, gaz parfait isotherme 1/r², M(<r) r, v(r)=cte

sauf près du centre distribution Maxwellienne

locale=0.3-0.5 GeV/cm3

• vRMS = 230 50 km/s• Vesc 650km/s

Halo

Vous êtes ici

500kpc

50kpc

Méthodes de détection directeMéthodes de détection directe

WIMPWIMP

ChaleurChaleur

IonisationIonisation

LuminescenceLuminescence

≈ quelques %

≈ 20 %

≈ 100%

absorbeurabsorbeur

GeGe

NaI, XeNaI, Xe

AlAl22OO33,LiF,LiF

DAMA (Italie)

IGEX(US/Russ) HDMS(All/Russ)

Liquid XeLiquid Xe

Ge, SiGe, Si

CaWO4, BGOCaWO4, BGO

EDELWEISS (Fr/All) CDMS (US)

CRESST(Ger) Rosebud(Esp/Fr)

ZEPLIN (GB) XENON (US) XMASS (Jap)

Contraintes de la détection directeContraintes de la détection directe

• Diffusion élastique des WIMPs sur des noyaux cibles– Energie déposée: de l’ordre de 10 keV

• Evènements rares (<0.1 /kg/jour)– Laboratoire souterrain + Blindage– Basse radioactivité– Masse exposée– Mesure stable sur temps longs (>année)

• Signature expérimentale– Modulation annuelle, journalière– Comparaison entre absorbeurs– Discrimination du fond événement par évènement

Maîtriser le fond

Détecteurs EDELWEISSDétecteurs EDELWEISS

Thermomètre NTD

Voie chaleur

Voie ionisation « Centre »

• IonisationIonisation: quelques milliers de charges collectées en quelques centaines de nanosecondes • électrodes Al + sous couche amorphe

• ChaleurChaleur: quelques µK en quelques ms• Neutron Transmutation Doped thermistor (NTD)

Détecteurs 320g Ge ultra-pur

Voie ionisation « garde »

Particuleincidente

electrons

trous

Gemonocristallin

E

Discrimination Discrimination événement par évènementévénement par évènement

73Ge(n,n’,)

Seuil ionisation

Neutrons, WIMPs

Reculs nucléaires

• Rapport ionisation/chaleur différent pour reculs nucléaires et électroniquesRapport ionisation/chaleur différent pour reculs nucléaires et électroniques

• Rejet de plus de 99.9% des reculs électroniques pour ERejet de plus de 99.9% des reculs électroniques pour Ereculrecul>15keV>15keV

Gammas, electrons

Reculs électroniquesQ

Calibration: neutrons+gammas Calibration: gammas seuls

Où en est-on ?Où en est-on ?

Fin première génération (-n >10-6pb ): 0.1 évènements/kg/jour pour détecteurs cryogéniques

• Début d’exploration des modèles supersymétriques

CDMS-II, CRESST-II, EDELWEISS-II,XENON, XMASS sensitivity goals(~a few events/ton/day)

1 Ton sensitivity goal (optimistic)(~a few events/ton/year)

CDMS, CRESSTEDELWEISS-I present(~0.1 event/kg/day)

L. Rozkowski et al., hep-ph/0208069

Début deuxième génération (-n >10-8pb ):• But: amélioration d’un facteur 100• Cœur de l’espace des paramètres

Troisième génération (-n >10-10pb ): • 1 tonne de détecteur• Quelques évènements/t/an !

Les leçons d’EDELWEISS-ILes leçons d’EDELWEISS-I

EDELWEISS-II: 2 améliorations principales:

EDELWEISS-I: 2 limitations principales:

Fond neutrons (1 coïncidence n-n sur 62 kg.jour)

Evènements proches des Evènements proches des électrodes mal collectésélectrodes mal collectés

Amélioration blindage + veto muons

Identification des évènements proches des électrodes

Les leçons d’EDELWEISS-ILes leçons d’EDELWEISS-I

Données EDELWEISS-I, run de fond

Évènements mal collectés Évènements mal collectés proches des électrodesproches des électrodes

• Méthode passive: sous-couches amorphes (Ge ou Si hydrogéné)

• Méthode active: localisation des évènements dans le détecteur

identifier ces évènementsidentifier ces évènements

Calibration gammaCalibration gammaRun de fondRun de fond avecavec etet sans sans coïncidencescoïncidences

améliorer notre améliorer notre compréhension de la collecte compréhension de la collecte

de chargesde charges« Final results of EDELWEISS-I »

V. Sanglard et al. (2005)

Identification des évènements proches Identification des évènements proches des électrodesdes électrodes

Tirer le maximum d’informations de chaque évènement•Voie chaleur:

– Mesure des phonons athermiques (Couches minces NbSi)

•R&D Voie ionisation: – Mesures résolues en temps

des signaux ionisation– Simulation du transport

et des signaux associés

10

8

6

4

2

0Si

gnal

(m

V)

-800 -400 0 400 800Time (ns)

event 122keV

Experimental signal

Best fit by simulation

Electrons collected

Holes collected

Indu

ced

char

ge(A

.U)

Time (ns)

Broniatowski et al., 2001

•Travail de thèse: Travail de thèse: Utilisation conjointeUtilisation conjointe des expériences et des simulations des expériences et des simulations pour étudier la physique de la mesure d’ionisationpour étudier la physique de la mesure d’ionisation

Physique de la mesure d’ionisationPhysique de la mesure d’ionisation

Spécificités:– Très basses températures (Très basses températures (20mK)20mK)– Faibles champs de collecte (Faibles champs de collecte (V/cm)V/cm)

1ère conséquence: Régime non-ohmiqueRégime non-ohmique Porteurs «chauds»

hors équilibre thermique (Te>Tabsorbeur)

Vitesse proportionnelle au champ électrique

Mesure des lois de vitesse électrons à 8K (Jacoboni et al., 1981)

Physique de la mesure d’ionisationPhysique de la mesure d’ionisation

2ème conséquence: Accumulation charge piégéeAccumulation charge piégée

Faible densité de pièges (1010/cm3, sauf surfaces...)

Mais faible champ de collecte Et réémission négligeable

Constitution progressive Constitution progressive d’une charge d’espace d’une charge d’espace

Contre-champ induit suffisant Contre-champ induit suffisant pour perturber pour perturber le champ appliqué le champ appliqué ((10105 5 charges/cmcharges/cm331 V/cm)1 V/cm)

Bande de conduction

Bande de valence

Ene

rgie

e-

e-piégé

e-réémis

0.

7eV

0.

01eV

(kT10-6eV)

Régénération, dégradationRégénération, dégradation

2 questions liées:2 questions liées:• Quelle est l’efficacité de la méthode de neutralisation des pièges ?

étude de la régénération régénération du détecteur• Quelle est l’influence du piégeage sur la qualité de la collecte ?

étude de la dégradation dégradation du détecteur

3 expériences:3 expériences:• Distribution de charge et dégradationdégradation due au piégeage en surfaceen surface• Caractérisation du piégeage en volumeen volume dans l’état régénérérégénéré• Distribution de charge et dégradationdégradation due au piégeage en volumeen volume

2 outils:2 outils:• Utilisation croisée des simulations et des mesures résolues en temps

– Amplitude des signaux ionisation: géométrie des lignes de champs– Temps de montée des signaux: valeur moyenne du champ électrique

Simulation du transport Simulation du transport & Synthèse des signaux ionisation& Synthèse des signaux ionisation

• Calcul du champ électrique– Géométrie du détecteur

+ tension appliquée– Charge d’espace– Interaction coulombienne

entre porteurs

+ Lois de vitesse– Mesures à 8K

(Jacoboni et al., 1981) Trajectoires des porteursTrajectoires des porteurs

• Théorème de Ramo Signaux induits Signaux induits

sur les électrodessur les électrodes

électrons

trous

Voie centre

Voie garde

Simulation 122 keV50 paquets de charge

Dispositifs expérimentauxDispositifs expérimentaux

• Cryogénie: cryostat à dilution 3He/4He, T20mK• Électronique: amplificateur de charge bas bruit

– Temps de montée 10%-90% de l’ordre de 100 ns

• Détecteurs:À Orsay

Au laboratoire souterrain de

Modane

I - Dégradation due au piégeage en I - Dégradation due au piégeage en surfacesurface

Piégeage en surfacePiégeage en surface

• Surfaces libres: densité de pièges > 10densité de pièges > 101111/cm/cm22

• Mise à profit des détecteurs testsdétecteurs tests (grandes surfaces libres)

• Méthode de création/caractérisation de charge surfacique dégradation contrôlée du détecteurdégradation contrôlée du détecteur

• 3 étapes:– Irradiation gamma 22Na

+ acheminement des porteurs aux surfaces

– Collecte des gammas 57Co sous l’effet de la charge piégée

– Modélisation/simulation

Boîtier Cu doré

1cm1 cm

57Co

1cm1cm

Tension centresignal centre Tension

gardesignal garde

Tension référence

-6V

-6V

Polarisation du détecteurPolarisation du détecteur

Boîtier Cu

Toutes les électrodes à la même tension + boîtier à la masse Toutes les électrodes à la même tension + boîtier à la masse toutes les lignes de

champs passent par une surface libre

-6V

-6V

Etape I – Dégradation Etape I – Dégradation Porteurs amenés aux surfaces libresPorteurs amenés aux surfaces libres

22Na

~500 keV

Irradiation gamma par source Irradiation gamma par source 2222Na Na génération de porteurs, conduits aux surfaces

(trous ou électrons suivant le signe de la tension)

Suivi de la dégradation Suivi de la dégradation Etat stationnaire dégradéEtat stationnaire dégradé

Le rendement Le rendement de collecte de collecte diminuediminue

La collecte se La collecte se ralentitralentit

Amplitude centre (V) vs. Temps (s)

Temps de montée garde (ns) vs. Temps (s)

Dans l’état dégradé stationnaire, champ électrique faible Dans l’état dégradé stationnaire, champ électrique faible

Le contre-champ induit par la charge piégée s’oppose au Le contre-champ induit par la charge piégée s’oppose au champ appliquéchamp appliqué

Etape II - Sondage de l’état dégradéEtape II - Sondage de l’état dégradé

122 keV

57Co Charge Charge surfacique surfacique négativenégative

Électrodes à la masse, source Électrodes à la masse, source 2222Na éloignée Na éloignée seul subsiste le champ induit par la charge

surfacique

Scatter-plot Scatter-plot amplitude centre vs. amplitude garde amplitude centre vs. amplitude garde

Run 57Co Surfaces chargées négativement Toutes les électrodes à la masse

Run 57Co Détecteur régénéré Toutes les électrodes à V<0

Etape III - ModélisationEtape III - Modélisation

Eint=0

-6V

-6VCharge surfacique négative

-6V

État dégradé stationnaire Charge surfacique négative

Détecteur équipotentiel

Métallisation des surfaces Portées à –6V Détecteur équipotentiel

Eext

Eint=0 Eext

Distribution de charge calculéeDistribution de charge calculée

Charge surfacique(107e-/cm²)

Distribution de charge surfacique annulant le champ appliqué Distribution de charge surfacique annulant le champ appliqué lorsque toutes les électrodes sont à –6Vlorsque toutes les électrodes sont à –6V

Scatter-plot simulé Scatter-plot simulé

• Scatter-plot experimental : détecteur dégradé sous –6V électrodes à la masse

• Scatter-plot simulé: électrodes à la masse + charge surfacique calculée + diffusion compton

Identification des populationsIdentification des populations

e- collectés par l’électrode centre

e- collectés par l’électrode référence

Division des charges réf/centre

Division des charges centre/garde

e- collectés par l’électrode

garde

En résuméEn résumé

• Méthodologie:– Validation de la méthode de création/sondage de charge d’espace

• Résultats:– Mise en évidence piégeage en surface– Influence d’une charge surfacique sur la collecte

II - Etude du piégeage en volume II - Etude du piégeage en volume dans l’état régénérédans l’état régénéré

Principe de l’étudePrincipe de l’étude

• Détecteurs EDELWEISS• Mesure des longueurs de piégeage longueurs de piégeage :

1)1) Déterminées par mesure du rendement de collecteDéterminées par mesure du rendement de collecte- Position en énergie de la raie 122keV (amplitudes des signaux)Position en énergie de la raie 122keV (amplitudes des signaux)

2)2) Déterminées par étude de la corrélation rendement de Déterminées par étude de la corrélation rendement de collecte/ position dans le détecteurcollecte/ position dans le détecteur- Corrélation amplitude/ temps de montée des signaux 122 keVCorrélation amplitude/ temps de montée des signaux 122 keV

i iN

1

i

Tension de collecte 57Co

position A

57Co position B

Ni: densité de pièges de type ii: section efficace de piégeage

e: électrons

h: trous

Spectre ionisation en fonction de la Spectre ionisation en fonction de la tension de collectetension de collecte

Raie 122 keV

Raie 136 keV

• Rendement de collecte diminue à basse tension

• Dégradation de la résolution à basse tension

Rendement de collecte Rendement de collecte en fonction de la tension de collecteen fonction de la tension de collecte

Tension de collecte négative: Tension de collecte négative: les électrons parcourent les électrons parcourent l’essentiel du détecteurl’essentiel du détecteur

V>0V>057Co

h+

V<0V<057Co

e-

Mesures de rendement de collecte, calibrées par rapport à +4V

Tension de collecte positive: Tension de collecte positive: les trous parcourent les trous parcourent

l’essentiel du détecteurl’essentiel du détecteur

Rendement de collecte Rendement de collecte et longueurs de piégeageet longueurs de piégeage

)1(Rendement d

ed

(d=2 cm)

• Asymétrie par rapport au signe de la tension et aux 2 positions de sources piégeage plus efficace des électronspiégeage plus efficace des électrons

he

Modèle 1D:

Corrélation Corrélation rendement de collecte/temps de montéerendement de collecte/temps de montée

-1V 57Co position A

e-

Contribue à la dégradation de la résolution en énergie à basse

tension

Raie 122keV +1V

Raie 122keV –1V

Raie 136 keV

+1V

h+

Modélisation 1D: Modélisation 1D: rendement de collecte vs. position zrendement de collecte vs. position z

V

e-

h+

z

)1()1(R(z) he

z

h

zd

e ed

ed

Modélisation 1D: Modélisation 1D: temps de collecte vs. position ztemps de collecte vs. position z

(T=20mK, E=0.5 V/cm)

Modélisation 1D: Modélisation 1D: temps de collecte vs. rendementtemps de collecte vs. rendement

Rendement vs. z

Temps de collecte vs. z

Comparaison qualitative aux expériencesComparaison qualitative aux expériences

+1V, position A-1V, position A

Modèle 1De=21cm, h=71cm

(valeurs déterminées par mesure du rendement de

collecte)

Détermination de Détermination de

• Ajustement du modèle 1D rendement=f(z) aux données expérimentales Détermination de e et h

• Utilisation des données de localisation par la voie ionisation- Disponibles pour une tension de collecte de 1V

Détermination de Détermination de

e=214 cm h=71 50 cm

Compatible avec mesures de rendement de collecte:

Résumé des mesuresRésumé des mesures

Mesuré par rendement de collecte

Mesuré par ajustement sur la corrélation rendement de collecte/position

Nature des pièges ?Nature des pièges ?

• Peu de données sur le contenu en impuretés:– Dopage net: |Na-Nd|qques109/cm3

Na, Nd de l’ordre de 1010/cm3

• Données de la littérature:– Peu de données sections efficaces à

très basse température– Données disponibles: porteurs

thermalisés

Bande de valence

Bande de conduction

Niveaux donneurs, densité Nd

Niveaux accepteurs, densité Na

e-

h+

Sections efficaces de piégeage sur Sections efficaces de piégeage sur impuretés ioniséesimpuretés ionisées

Section efficace de piégeage des trous sur accepteurs ionisés -

(Abakumov, 1991)

Sec

tion

eff

icac

e (c

m²)

Température (K)

1/T3

Sections efficaces de piégeage sur Sections efficaces de piégeage sur impuretés neutresimpuretés neutres

Température (K)

(Abakumov, 1991)

Sec

tion

eff

icac

e (c

m²)

Électrons sur accepteurs neutres

Trous sur donneurs neutres

neutreneutre<< << ioniséionisé

(3 à 4 ordres de grandeurs)(3 à 4 ordres de grandeurs)

1/T2

Nature des piègesNature des pièges

de 10 cm à 100cm, =1/(N):– Avec N=1010/cm3, de 10-11 à 10-12 cm²

ionisé(T) T 3 à 10 K, cohérent avec 5 à 25K

• Si piégeage sur impuretés neutres: neutre 10-15cm2 N 1013 à 1014/cm3

Proportion significative des impuretés dopantes ionisée

k

mv²21

Etat de charge du détecteurEtat de charge du détecteur

Bande de valence

Bande de conduction

+++ + +

- ----

+ +

-

+

Bande de valence

Bande de conduction

+++ ++

- ---

+

-

++

-

Après mise en froid Après régénération incomplète

+ donneur ionisé+ donneur neutre

- accepteur ioniséaccepteur neutre-

Etat de charge du détecteurEtat de charge du détecteur

+

+

++

+

-

--

-+

-

++

-

+

+

+

+

+

+ --

- -

• Neutralité électrique globaleNeutralité électrique globale

• Champ électrique localChamp électrique local

En résuméEn résumé

• Méthodologie– Exploitation des mesures résolues en temps

• Résultats:– Asymétrie trous/électrons– Longueurs de piégeage impuretés dopantes chargées

III – Dégradation due au piégeage en III – Dégradation due au piégeage en volumevolume

Dégradation due au piégeage en volumeDégradation due au piégeage en volume

• Détecteur EDELWEISS

• Quelle type de distribution de charge due au piégeage en volume sous irradiation uniforme ?

• Utilisation de la méthode de caractérisation de la charge d’espace:1) Dégradation contrôlée par 60Co jusqu’à l’observation d’un état

stationnaire (effets marqués de la charge piégée + reproductibilité)

2) Sondage de la distribution de charge piégée avec 57Co et sans tension appliquée

I – Dégradation contrôléeI – Dégradation contrôlée

• Source 60Co en dehors du cryostat 2.2105 paires électron-trou /cm3/s (40MeV/s dans le détecteur)– Irradiation sous tension appliquée 1V

• Suivi amplitude et temps de montée en cours de dégradation

1V57Co (sonde)

60Co (dégradation)

I – Dégradation contrôléeI – Dégradation contrôlée

Suivi des temps de montée en cours de dégradation

(104 s)

1V

60Co

I – Dégradation contrôléeI – Dégradation contrôlée

Suivi de l’évolution du rendement de collecteCalibrations intermittentes avec 57Co

II – Caractérisation de l’état dégradé: II – Caractérisation de l’état dégradé: temps de montéetemps de montée

• Toutes les électrodes à la masse, source 57Co

• Distribution des temps de montée Contre-champ de l’ordre du champ appliquéContre-champ de l’ordre du champ appliqué

57Co

II – Caractérisation de l’état dégradé: II – Caractérisation de l’état dégradé: Scatter-plot centre vs. gardeScatter-plot centre vs. garde

• Contre-champ opposé au champ appliqué lors de la dégradation

Scatter-plot sans tension appliquée, après dégradation sous

+1V

Scatter-plot avec tension –1V, détecteur régénéré

Raie 122 keV, évènements centre pur

II – Caractérisation de l’état dégradé: II – Caractérisation de l’état dégradé: Scatter-plot centre vs. gardeScatter-plot centre vs. garde

• Rendement de collecte important (80%)– Les charges parcourent l’essentiel de l’épaisseur du détecteur– Pas de dépendance à la position de source

Rendement de collecte limité par la géométrie du champ électrique

Scatter-plot sans tension appliquée, après dégradation sous

+1V

Histogramme amplitudes des évènements centre pur

Rendement de collecte80%

Distribution de charge piégée (1D)Distribution de charge piégée (1D)

E80%100%

• Flux de porteurs inhomogènes

• Croissance de charge plus rapide sous les électrodes

• Nécessité d’une distribution piquée vers les électrodes

100%

80%

Simulation 2DSimulation 2D

Modèle simplifié

Scatter-plot simuléScatter-plot simulé

• Modèle simplifié

• Position et énergie des évènements fournis par GEANT (Gérard Nollez, IAP)

Collimateur

collecte

Ge

Expérience complémentaireExpérience complémentaire

Sondage de l’état de charge sous les électrodes par Sondage de l’état de charge sous les électrodes par rayonnement rayonnement peu pénétrant peu pénétrant

60CoDétecteur test

241Am

Expérience complémentaireExpérience complémentaire

Vcollecte=+49VVcollecte=- 49V

Alpha 5.5 MeV (241Am)

Raie 1333 keV (60Co)

En résuméEn résumé

• Méthodologie:– Méthode de création/sondage de charge d’espace– Exploitation des mesures résolues en temps

• Résultats:– Développement de charge sous les électrodes– Efficacité régénération sous les électrodes?

Conclusions et perspectivesConclusions et perspectives

• Piégeage en surface/ piégeage en volume– Charge surfacique: Importance de la géométrie– Piégeage en volume: relativement faible aux tensions de collecte

utilisée dans EDELWEISS (rendement >99% à 4V)– Piégeage près des électrodes zone morte

• Régénération– État de charge du détecteur– Efficacité près des électrodes ?

• Conception des détecteurs– Technologie des contacts électrode/Ge– Optimisation de la géométrie des électrodes– R&D électrodes segmentées (interdigitées)