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Accueil > Recherche > Les Axes et Activités de Recherche > Expériences et Modélisation en Astroparticules (EMA) > AMS-02 > Le Silicon Tracker d’AMS-02

Pourquoi un Tracker pour AMS ?

publié le , mis à jour le

Pourquoi avons-nous besoin du Tracker ?

(Version anglaise sur www.ams02.org )

Le Tracker est le seul détecteur d’AMS-02 capable de distinguer directement entre matière et antimatière au moyen de la détermination du signe de la charge électrique. Les directions de courbure d’une particule chargée positivement et négativement sont à l’opposé.

La mesure de la trajectoire de la particule fournit la direction entrante et le momentum (= masse multipliée par la vitesse) d’une particule. Il s’agit d’une information utile, en particulier à basse énergie, où toute une population de particules piégées dans le champ Géo-Magnétique, ne font pas partie des rayons cosmiques galactiques.

Le Tracker est aussi l’un des trois sous-détecteurs - avec le ToF et le RICH - en mesure d’évaluer la charge absolue (Z) d’une particule, ce qui contribue à la capacité de distinction chimique du spectromètre AMS-02.

Qu’est-ce que la rigidité ?

La rigidité est définie comme le momentum de la particule divisé par charge (R = p/Z). Les particules de haute énergie sont plus rigides que ceux de faible énergie. Deux particules avec momentum identique peuvent avoir des rigidités différentes : celle avec la charge la plus élevée est moins rigide que la seconde.

La relation entre la rigidité (R), le champ magnétique (B), et la courbure (r), est très simple : R = Br. Comme le Tracker mesure la courbure, la rigidité correspondante peut être immédiatement calculée. Puisque la charge Z est également mesurée, l’impulsion de la particule peut aussi être calculée.

Dans la vie réelle le calcul de la rigidité n’est pas une tâche facile. Vous devez prendre en compte la non-uniformité du champ magnétique, la dispersion de particules dans le détecteur AMS, des matériaux passifs et bien d’autres choses. En particulier, afin d’éviter les effets indésirables, les matériaux composant le Tracker et sa structure portante sont réalisés de façon à être aussi légers que possible.

Comment fonctionne le Tracker ?

Le trajectographe au silicium mesure avec une grande précision (10 µm = 1/100 mm) la position du passage d’une particule sur 8 positions différentes le long de la trajectoire. Le rayon de la meilleure trajectoire circulaire passant par les 8 points est la courbure de la particule.

Lorsque des particules de très grande rigidité ne sont que mal représentées par des lignes courbes, nous disons que la rigidité des particules est proche de la MDR (Maximum Detectable Rigidity). Pour AMS, le MDR est d’environ 2,2 TV, une valeur très élevée par rapport à des expériences similaires.

Comment le Tracker mesure-t-il la position ?

L’élément de base du Silicon Tracker d’AMS est le capteur (micro-strip) à double face. Ce capteur est constitué d’un substrat de silicium dopé d’une grande pureté et de 300 µm d’épaisseur.

Sur les deux côtés de ce substrat des bandes d’aluminium extrêmement fines s’étendent dans des directions orthogonales (la distance typique inter-bande est de 50 µm).

Lorsqu’une particule chargée traverse le substrat de silicium, environ 24000 paires d’électrons/trous sont créés. En l’espace de 10 ns ces paires dérivent dans des directions opposées à cause du champ électrique généré par une tension de polarisation appliquée entre les deux côtés (80 V). Seules les bandes à proximité des charges qui migrent fourniront le signal.

Le centre de gravité de la charge de ces bandes fournit une résolution dans la position de 10 µm. La somme des signaux électriques sur les bandes touchées est proportionnelle au carré de la charge absolue de la particule.

Comment le Tracker est-il construit ?

Avec une surface sensible de 6,2 m2, le Silicon Tracker d’AMS est le plus grand tracker de précision jamais construit pour des applications spatiales. Il est composé de 2 264 capteurs en silicium double face (72 x 41 mm2, de 300 µm d’épaisseur) assemblés dans des unités de lecture de 192, les échelles, totalisant 200 000 canaux de lecture ! Afin de maintenir la taille de l’événement à un niveau gérable, un début de suppression des valeurs à zéro est effectué au cours du traitement en ligne des données par le TDR (Tracker Data Reduction software) ou réduction de données.

L’électronique de lecture se caractérise par une très faible consommation électrique ( 0,7 mW par canal) et un faible bruit. Le grand nombre de canaux du Tracker génère environ 200 W de chaleur qui doit être évacuée. Pour cette raison le Tracker dispose de son propre système de régulation thermique, le TTCS (Tracker Thermal Control System).

Le système de contrôle thermique du Tracker (TTCS)

Les 200 000 canaux électroniques du Tracker produisent environ 200 W qui doivent être évacués. Dans l’espace, il n’y a pas d’atmosphère et il n’est pas possible d’utiliser des ventilateurs pour le refroidir ! La meilleure façon de refroidir un objet dans l’espace est de transférer la chaleur à un radiateur. Dans AMS il y a des radiateurs placés sur les deux côtés de l’expérience, capable de rayonner plus de 2 000 W.

Le couplage entre le Tracker et les radiateurs principaux d’AMS est réalisé par le TTCS. L’électronique frontale du Tracker est connectée grâce à des barres thermique à deux boucles de refroidissement remplie de liquide à haute pression de CO ₂. Le CO ₂ absorbe la chaleur, faisant une transition liquide/phase gazeuse. Le tube est thermiquement couplé à des radiateurs et il est refroidi, permettant au CO ₂ de retourner à une phase entièrement liquide.

Le TTCS est capable de trouver un point de stabilité permettant que le liquide CO ₂ nécessaire puisse circuler dans les boucles de refroidissement.