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IReS-01-11
◦N. d’ordre 3815
THESE
pr´esent´ee et soutenue publiquement le 21 juin 2001
pour l’obtention du grade de
Docteur de l’Universit´eLouisPasteurdeStrasbourg
Sp´ecialit´ePhysiqueNucl´eaire
par Christophe SUIRE
Titre
Conception et r´ealisation de modules de d´etection
pour le trajectographe interne de l’exp´erience STAR
devant la commision d’examen:
Jean-Pierre Coffin Directeur de th`ese
Paolo Giubellino Rapporteur externe
Timothy J. Hallman Rapporteur externe
Daniel Huss Examinateur
Jean-Louis Riester Pr´esident du jury et rapporteur interne
Emmanuel Ancousture Membre invit´eCe travail de th`ese a pu ˆetre r´ealis´egrˆace au soutien financier
de l’entreprise Eurisys Mesure dans le cadre d’une BDI
CNRS-IndustrieRemerciements
Je tiens, en premier lieu, `a remercier Monsieur Jean-Pierre Coffin, mon directeur de
th`ese qui m’a accueilli dans son groupe de recherche et accord´e sa confiance. Je le remercie
sinc`erement d’avoir fait que ce travail se r´ealise dans les meilleures conditions scientifiques
et humaines.
Mes remerciements vont ´egalement a` Messieurs Paolo Giubellino, Timothy J. Hallman,
Daniel Huss, Jean-Louis Riester et Emmanuel Ancosture qui ont accept´edeconstituer
mon jury de th`ese, pour leurs lectures et leurs corrections de ce document.
Je remercie sinc`erement les membres du groupe ALICE-STAR de l’IReS, Alberto Tar-
chini, Laurent Arnold, Jean-Pierre Coffin, David Bonnet, Christian Kuhn, Carl Gojak,
Jerome Baudot, Magalie Guedon, Jean-Robert Lutz, Marie Germain et Boris Hippolyte.
Leurs comp´etences et leur soutien m’ont ´et´epr´ecieux tout au long des ces trois ann´ees.
Quotidiennement, j’ai eu la chance de travailler avec des amis plus qu’avec des coll`egues.
Merci de tout coeur.
J’ai aussi sollicit´e l’aide de nombreuses personnes, notamment a` l’IReS et au PHASE,
je les remercie du temps qu’elles m’ont consacr´e et de leur gentillesse.
J’exprime ´egalement ma gratitude aux personnes du LEPSI et d’EURISYS MESURES
avec qui mes contacts furent enrichissants et souvent porteurs de solutions. Je remercie
particuli`erement Jean-Daniel Berst, Wojciech Dulinski et Pierre Rohr. J’accorde une place`ere `a EURISYS MESURES qui m’a apport´e un soutien financier et mat´eriel fa-
cilitant mon travail de th`ese.
Pendant des heures, voire des jours entiers, j’ai maudit l’informatique et les probl`emes
de r´eseau, d’espace disque et de compilateurs etc... Ce temps perdu fut notablement di-
minu´egracˆe a` l’aide d’Alain Michalon et Benoˆıt Speckel, merci a` eux. Un grand merci
a` Charles Munch dont les photographies de qualit´e illustrent ce document et `aMarie-
Th´er`ese Lutz pour son aide ar` ´esoudre les petits tracas quotidiens et administratifs.
Une pens´ee amicale pour Julien, Fabien et Walter, avec une mention sp´ecialeaM` arcet
`a Paul, les ins´eparables, qui n’ont pas loup´e beaucoup d’occasions de transformer le couloir
(et aussi mon bureau) en terrain de jeux voire en champ de bataille. Boris a partag´etout
cela avec moi, mais ´egalement quelques p´eriodes plus ´eprouvantes au cours de la r´edaction
de cette th`ese, merci. Merci `aSt´ephane pour ses conseils litt´eraires, autour d’un caf´e, quim’ont permis de m’´echapper de la physique le temps d’un livre.
Loin de mon travail et de la Physique, je pense `a mes amis qui m’accompagnent depuis
si longtemps et avec lesquels j’ai v´ecu tant de moments inoubliables: ces quelques retours
aux sources furent toujours agr´eables et surprenants.
Merci `a mon Anda pour son aide, ses conseils et son amiti´e.
aS` .,
6Table des mati`eres
Introduction 5
1. Concepts et instruments de d´etection 7
1.1 Physique des hautes ´energies.......................... 8
1.1.1 Principesdebasedelatrajectographie....... 8
1.1.2 Instruments de d´etection.... 10
1.2 Un exemple: le SVT de BaBar......... 1
1.2.1 DescriptionduSVT ................. 12
1.2.2 Particularit´esdutrajectographeinterne....... 13
1.3 Les collisions d’ions lourds (ultra-) relativistes......... 15
1.3.1 D´econfinement et Plasma de Quarks et de Gluons (PQG)...... 15
1.3.2 Conditions exp´erimentales.............. 17
1.4 Les exp´eriencesenciblefixe............... 17
1.4.1 Probl´ematique des collisions en cible fixe ...... 18
1.4.2 L’exp´erienceWA97....... 18
1.5 Une nouvelle g´en´eration d’exp´eriences..................... 21
1.5.1 Unchangementdephilosophie. 21
1.5.2 Le d´etecteurSTAR....... 2
1.5.3 Letrajectographeinterne............. 24
2. Un d´etecteur en silicium `a micropistes pour l’exp´erience STAR 27
2.1 Un cylindre de d´etecteurs double-face en silicium `a micropistes (SSD) . . . 27
2.1.1 Pr´esentation g´en´eraleduSSD..................... 28
2.1.2 LesapportsdelacoucheSSD. 29
2.2 Lemoduleded´etection......... 3
2.2.1 Les d´etecteurs en silicium `amicropistes................ 3
2.2.2 Des besoins sp´ecifiques................ 34
2.2.3 Syst`emedecontr oleˆ et acquisition des donn´ees... 38
2.3 Versunmodulecompact................. 39
2.3.1 LasolutionTAB 40
2.3.2 Lemoduleded´etectionfinal............. 42
2.4 Les diff´erentes ´etapes du d´eveloppement ................... 45
3. Caract´erisation d’un module de d´etection 47
3.1 Principes de base des semi-conducteurs ........... 47
3.1.1 Lesprincipesfondamentaux........... 47
3.1.2 Ledopage............ 48
3.1.3 Lajonctionpn ......... 50
3.1.4 La d´etectiondesparticules....................... 51
13.2 Les d´etecteurs en silicium `amicropistes.................... 53
3.2.1 Principe de la d´etection .... 53
3.2.2 Caract´eristiquesfondamentales 54
3.2.3 Capacit´es dans les d´etecteurs en silicium `amicropistes....... 56
3.3 Electronique de lecture: le circuit ALICE128C ................ 59
3.3.1 Pr´esentationducircuit................ 59
3.3.2 Fonctionnalit´esducircuit ... 60
3.3.3 Tests sp´ecifiques.................. 62
3.3.4 Evolution du circuit ALICE128C: le circuit HAL025 ........ 64
3.4 Connectique TAB - Tape Automated Bonding ....... 65
3.4.1 LeTABdanslesmodulesSTAR ................... 65
3.4.2 Principedestests................... 65
3.4.3 R´esultatsdetestspourmodulesprototypes .... 70
3.4.4 R´esultats ..................... 72
3.4.5 Conclusions 72
3.5 Testsousfaisceau............ 74
3.5.1 Lebancdetestsousfaisceau........... 74
3.5.2 L’analyse des donn´es ..... 76
3.5.3 Performances du t´elescope... 79
3.5.4 Analysesd’unmoduleprototype.................... 85
3.5.5 R´esultatspourunmoduleSTAR.......... 94
3.5.6 Conclusions........... 98
3.6 Irradiation du module de d´etection........... 9
3.6.1 Dispositif exp´erimental................ 9
3.6.2 Irradiation du circuit ALICE128C..........10
3.6.3 I d’un d´etecteur en silicium .................102
3.6.4 Conclusions...........104
3.7 Bilan relatif aux modules de d´etection ...........105
4. La production du SSD 107
4.1 Les d´etecteursa`micropistes...............107
4.1.1 Crit`eres d’acceptation et d´efinition d’un label de qualit´e ......108
4.1.2 D´efinitiondestests..................109
4.1.3 Descriptiondestests...............14
4.1.4 R´esultatsstatistiquessurlestestsdeproduction..19
4.1.5 Conclusion............12
4.2 Lescircuitsdelecture..............................123
4.2.1 Testsdescircuitssouspointes.123
4.2.2 TestsdevalidationduTAB..123
4.2.3 Le protocole de test des circuits connect´esauruban.........124
4.2.4 R´esultatsdestests..................126
4.3 Autres composants d’un module de d´etection........127
4.3.1 Lecircuithybride.................127
4.3.2 Le circuit de contrˆoleCOSTAR127
4.4 Assemblage et tests ad` ´efinir.................128
4.4.1 Assemblage d’un module de d´etection.................128
4.4.2 D´efinitiond’unprotocoledetest130
4.5 Conclusions...............130
2Conclusion 133
Annexe 1 : les exp´eriences du RHIC 135
Annexe 2 : le cˆablage par fil 137
34