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IReS-01-11
Numéro d'ordre 3815

THESE

présentée et soutenue publiquement le 21 juin 2001

pour l'obtention du grade de

Docteur de l'Université Louis Pasteur de Strasbourg

Spécialité Physique Nucléaire

par Christophe SUIRE

Titre

Conception et réalisation de modules de détection pour le trajectographe interne de l'expérience STAR

devant la commission d'examen :

Jean-Pierre Coffin Directeur de thèse

Paolo Giubellino Rapporteur externe

Timothy J. Hallman Rapporteur externe

Daniel Huss Examinateur

Jean-Louis Riester Président du jury et rapporteur interne

Emmanuel Ancousture Membre invité

Ce travail de thèse a pu être réalisé grâce au soutien financier de l'entreprise Eurisys Mesure dans le cadre d'une BDI CNRS-Industrie

Remerciements
Table des matières
Introduction
1. Concepts et instruments de détection

1.1 Physique des hautes énergies

1.1.1 Principes de base de la trajectographie
1.1.2 Instruments de détection

1.2 Un exemple : le SVT de BABAR

1.2.1 Description du SVT
1.2.2 Particularités du trajectographe interne

1.3 Les collisions d'ions lourds (ultra-) relativistes

1.3.1 Déconfinement et Plasma de Quarks et de Gluons (PQG)
1.3.2 Conditions expérimentales

1.4 Les expériences en cible fixe

1.4.1 Problématique des collisions en cible fixe
1.4.2 L'expérience WA97

a) Dispositif expérimental
b) Les points à retenir

1.5 Une nouvelle génération d'expériences

1.5.1 Un changement de philosophie
1.5.2 Le détecteur STAR
1.5.3 Le trajectographe interne

2. Un détecteur en silicium à micropistes pour l'expérience STAR

2.1 Un cylindre de détecteurs double-face en silicium à micropistes (SSD)

2.1.1 Présentation générale du SSD
2.1.2 Les apports de la couche SSD

2.2 Le module de détection

2.2.1 Les détecteurs en silicium à micropistes
2.2.2 Des besoins spécifiques

a) La multiplicité de particules
b) Une électronique de lecture adaptée

2.2.3 Système de contrôle et acquisition des données

2.3 Vers un module compact

2.3.1 La solution TAB

a) Description
b) Application au cas des détecteurs en silicium à micropistes

2.3.2 Le module de détection final

2.4 Les différentes étapes du développement

3. Caractérisation d'un module de détection

3.1 Principes de base des semi-conducteurs

3.1.1 Les principes fondamentaux
3.1.2 Le dopage
3.1.3 La jonction pn
3.1.4 La détection des particules

3.2 Les détecteurs en silicium à micropistes

3.2.1 Principe de la détection
3.2.2 Caractéristiques fondamentales

a) Technique de polarisation des jonctions
b) La lecture par couplage capacitif
c) Isolation des pistes sur la face ohmique

3.2.3 Capacités dans les détecteurs en silicium à micropistes

a) Description du réseau capacitif
b) Mesures de capacités

3.3 Electronique de lecture: le circuit ALICE128C

3.3.1 Présentation du circuit
3.3.2 Fonctionnalités du circuit
3.3.3 Tests spécifiques
3.3.4 Evolution du circuit ALICE128C : le circuit HAL025

3.4 Connectique TAB - Tape Automated Bonding

3.4.1 Le TAB dans les modules STAR
3.4.2 Principe des tests

a) Quelques explications
b) Analyse des données
c) Analyse des défauts

3.4.3 Résultats de tests pour modules prototypes

a) Protocole de test
b) Analyse des modules prototypes

3.4.4 Résultats
3.4.5 Conclusions

3.5 Test sous faisceau

3.5.1 Le banc de test sous faisceau

a) Le télescope
b) Le système d'acquisition de données

3.5.2 L'analyse des données

a) Piédestaux, bruit et CMS
b) Reconstruction du signal : les amas de charges
c) Position des amas

3.5.3 Performances du télescope

a) Piédestaux, bruit et signal
b) Reconstruction des traces et alignement du télescope
c) Calcul de résolution

3.5.4 Analyses d'un module prototype

a) Les variables d'analyse
b) Reconstruction du signal
c) Résolution en énergie
d) Alignement d'un module dans le télescope
e) Résolution en position

3.5.5 Résultats pour un module STAR

a) Résolution en énergie
b) Résolution en position
c) Efficacité de détection

3.5.6 Conclusions

3.6 Irradiation du module de détection

3.6.1 Dispositif expérimental

a) Description
b) Acquisition de données

3.6.2 Irradiation du circuit ALICE128C

a) Piédestaux et bruit
b) Modification du gain
c) Phénomène de latchup

3.6.3 Irradiation d'un détecteur en silicium

a) Courants de fuite
b) Bruit du détecteur silicium
c) Tests en source

3.6.4 Conclusions

3.7 Bilan relatif aux modules de détection

4. La production du SSD

4.1 Les détecteurs à micropistes

4.1.1 Critères d'acceptation et définition d'un label de qualité
4.1.2 Définition des tests

a) Tests visuels
b) Mesures électriques (statiques)
c) Support de tests pour les détecteurs

4.1.3 Description des tests

a) Mesure des courants de fuite
b) Mesure de la capacité du substrat (bulk)
c) Mesure des capacité de couplage
d) Stabilité sous tension

4.1.4 Résultats statistiques sur les tests de production

a) Tensions de fonctionnement
b) Pistes fonctionnelles
c) Courants de fuite
d) Bilan

4.1.5 Conclusion

4.2 Les circuits de lecture

4.2.1 Tests des circuits sous pointes
4.2.2 Tests de validation du TAB
4.2.3 Le protocole de test des circuits connectés au ruban
4.2.4 Résultats des tests

4.3 Autres composants d'un module de détection

4.3.1 Le circuit hybride
4.3.2 Le circuit de contrôle COSTAR

4.4 Assemblage et tests à définir

4.4.1 Assemblage d'un module de détection
4.4.2 Définition d'un protocole de test

4.5 Conclusions

Conclusion
Annexe 1: les expériences du RHIC
Annexe 2 : le câblage par fil
Références

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suire@in2p3.fr

Jean-Pierre Coffin		Directeur de thèse
Paolo Giubellino		Rapporteur externe
Timothy J. Hallman		Rapporteur externe
Daniel Huss		Examinateur
Jean-Louis Riester		Président du jury et rapporteur interne
Emmanuel Ancousture		Membre invité