Développement et caractérisation de détecteurs gazeux à micro-pistes et micro-motif pour des faisceaux intenses de Hadrons

Depuis l invention de la chambre proportionnelle multifilaire en 1968, les détecteurs gazeux ont transformés les expériences de physique des hautes énergies. Les performances des chambres à fils ont beaucoup amélioré la précision des mesures jusqu à ce que le flux de particules atteigne 104 Hz/mm2, la limite pour les détecteurs à lecture par fil. Pour dépasser cette limite, de nouveaux concepts de détecteurs gazeux sont apparus dans les années 1990, les Détecteurs Gazeux à Micro Motifs ou MPGD pour Micro-Pattern Gas Detectors en anglais. Avec l avènement d une nouvelle génération d expériences, ces technologies connaissent un regain d intérêt. En particulier les dé- tecteurs GEM et Micromegas ont prouvé qu ils pouvaient atteindre une résolution spatiale meilleure que 100 m, une résolution temporelle de 10 ns à un flux de particules supérieur à 106 Hz/mm2. Cette thèse est consacrée au développement, à la conception et à la caractérisation de ces détecteurs. La première partie de cette thèse porte sur le développement d une chambre à projection temporelle, TPC pour Time Projection Chamber en anglais, destinée aux haut flux de particules. Traditionnellement lue par des chambres à fils, ces détecteurs sont limités par la charge d espace crée par les ions qui remontent dans le volume de dérive. Il est donc nécessaire de neutraliser ces ions à l aide d une grille dont l utilisation limite la fréquence de déclenchement à 1 kHz. Grâce à leur suppres- sion intrinsèque des ions, une lecture à base de GEM est envisagée pour lire une TPC sans avoir à recourir à une grille. Un prototype de 7 cm d espace de dérive équipé de pads hexagonaux a été as- semblé à Munich. Munie de l électronique AFTER dédié aux MPGDs, le détecteur a été testé à l aide du faisceau d électrons de l accélérateur ELSA à Bonn, en Allemagne. Une seconde période de test à l aide de muons de haute énergie a permis de démontrer les bonnes performances de la GEM-TPC. La seconde partie de cette thèse décrit le développement de la prochaine génération de détecteurs Micromegas pour l expérience COMPASS-II. Les nouveaux Pixels Micromegas devront supporter un flux de hadrons de 5 . 106 Hz/mm2 . Des tests avec les détecteurs actuels ont montré leur limitation en termes de flux de particules et de probabilité de décharge. Une réduction de cette probabilité d un facteur de 10 à 100 est nécessaire. Ceci est à l origine d un programme de R&D qui a conduit à deux solutions : la pré-amplification par feuille de GEM et la protection des pistes par une structure resis- tive à base de résistances enterrées. Chacune de ces technologies a été testées avec des prototypes de 40.40 cm2, lus par l électronique APV dans l environnement de l expérience COMPASS. Des résultats prometteurs en terme d efficacité, de résolutions spatiale et temporelle sont présentés.Since the invention of Multi-Wire Proportional Chambers (MWPC) in 1968, gaseous detectors have transformed the field of high-energy physics experiments. The performances of MWPCs have greatly improved the precision of measurements up to a the particle rate of 104 Hz/mm2, which is the limit for wire detectors. To overcome this limitation, new concepts of gaseous detectors, the Micro-Pattern Gas Detectors, appeared in the late 90 s. Nowadays, a renewed interest in these technologies is brought about by the design of the next generation of experiments. Specifically GEM and Micromegas track- ing detectors have proved to reach spatial resolutions better than 100 m and time resolutions below 10 ns at a rate above 106 Hz/mm2. This work is dedicated to the development of these concepts and to the design and characterization of new detectors. The first part of this thesis reports on the development of a Time Projection Chamber (TPC) for high rate environments. Traditionally read out by wire-chambers, these detectors suffer from the space charge created by back-drifting ions. This implies the use of an ion gate that limits the rate to 1 kHz. Thanks to their intrinsic ion back-flow suppression, GEMs have been considered to operate TPCs in an un-gated mode. A prototype with 7 cm drift length and hexagonal pad readout has been assem- bled and connected to the low noise AFTER front-end electronic readout dedicated to MPGDs. The chamber has been commissioned with an external tracking telescope using an electron beam at the ELSA facility. A second test beam period for precision measurements using high-energy muons has demonstrated the great performances of the GEM-TPC.The second part of this dissertation describes the development of the next generation of Micromegas for the future COMPASS-II experiment. The new Pixel Micromegas will have to sustain a hadron beam of 5 . 106 Hz/mm2. Tests with current COMPASS Micromegas detectors have shown their limitations in term of maximal particle rate and discharge probabilities. A factor 10 to 100 in discharges rate reduction is required. This triggered a R&D project that concluded on the selection of GEM pre- amplification and buried resistors structure as realistic options. Both these technologies have been tested with 40.40 cm2 prototypes, read by the fast APV25 front-end electronics, in COMPASS environ- ment; promising results on efficiency, spatial and time residuals are reported.PARIS-BIUSJ-Biologie recherche (751052107) / SudocSudocFranceGermanyFRD