Blindage passif vs blindage actif

Pour limiter le bruit de fond dans les d´etecteurs Ge, deux types de blindage permettent de limiter le champ de vue des d´etecteurs : les blindages passif et actif.

Blindage passif Un blindage passif est tr`es similaire aux collimateurs utilis´es en optique dont le but est de stopper les photons ne provenant pas de la direction d´esir´ee. N´eanmoins, s’il suffit d’une feuille de papier noir pour bloquer les photons optiques, les photons gamma ne sont notablement absorb´es qu’apr`es plusieurs millim`etres de trajet dans des mat´eriaux denses. A titre d’illustration, la figure 3.17 page suivante donne les libres parcours moyens (total et photo´electrique) pour trois ´energies (170, 511 et 1000 keV) en fonction du num´ero atomique.

Gehrels [1985] donne la forme des distributions spectrales du flux gamma atmosph´e- rique en fonction de l’´el´evation, ´evalu´ees pour une atmosph`ere r´esiduelle de 3,5 g.cm2_.

D’apr`es ces donn´ees et en supposant un d´etecteur identiquement sensible sur 4π st´era- dians, 70% du flux gamma atmosph´erique (au-dessus de 100 keV) est d’´energie inf´erieure `a 1 MeV. Mˆeme si ce seuil ne tient pas compte de l’activation locale par les particules charg´ees, un blindage passif peut ˆetre estim´e “efficace” si son ´epaisseur est grande devant le libre parcours moyen `a cette ´energie. La figure 3.17 montre alors qu’une ´epaisseur “rai- sonnable” (au plus quelques centim`etres) de blindage passif ne peut ˆetre obtenue qu’avec les mat´eriaux les plus denses (typ. Z>70). Parmi ces derniers, beaucoup sont impropres

0.01 0.1 1 10 100 1000 2 8 14 20 26 32 38 44 50 56 62 68 74 80 86 92

Libre parcours moyen [cm]

Numéro atomique He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po Rn Ra Ac Th Pa U Np Pu 170 keV 170 keV Photo 511 keV 511 keV Photo 1 MeV 1 MeV Photo

Fig. 3.17: Libre parcours moyen en fonction du num´ero atomique. Pour chaque ´energie (170, 511 et 1000 keV), les libres parcours moyens total et photo´electrique sont trac´es. Les pics correspondent aux composants gazeux, pris comme des gaz parfaits sous 1 atmosph`ere `a 25◦_C.

`a la r´ealisation d’un blindage, que ce soit en raison de leur raret´e (donc de leur coˆut), de leur usinabilit´e ou de leur radioactivit´e intrins`eque. Au final, le plomb est g´en´eralement l’´el´ement le plus ad´equat. N´eanmoins, lorsqu’un photon est absorb´e par effet photo´elec- trique, un ´electron de la couche K est ´eject´e (dans 96% des cas pour le plomb). L’atome se d´esexcite alors en ´emettant un photon de fluorescence dont l’´energie d´epend des niveaux de la transition ´electronique. Le blindage se comporte alors comme une source secondaire de rayons X. Dans le cas du plomb, les principales raies de fluorescence sont situ´ees `a 75, 72,8 et 85 keV et donc peuvent participer de fa¸con notable au bruit de fond instrumental. Pour ´eviter cela, on intercale entre le plomb et le d´etecteur des ´epaisseurs de mat´eriaux d’´energie de fluorescence de plus en plus basse, jusqu’`a sortir du domaine ´energ´etique du d´etecteur.

Lors du vol CLAIRE du 15 juin 2000, un blindage passif a ´et´e con¸cu, dont le sch´ema est donn´e en figure 3.18 page ci-contre. Le collimateur sup´erieur est constitu´e de couches successives d’´etain, de tantale et de plomb fix´ees sur un support cylindrique en aluminium. Les principales ´energies de fluorescence du tantale et de l’´etain sont respectivement de 56,3, 65,2 et 25,3, 28 keV, permettant une bonne r´ejection de l’´emission de fluorescence. Le collimateur inf´erieur est constitu´e uniquement de plomb, les d´etecteurs n’´etant pas en vue directe, les ´epaisseurs interm´ediaires de la capsule et des supports suffisent `a absorber les raies de fluorescence du plomb.

Fig. 3.18: Collimateur passif utilis´e pour le vol CLAIRE 2000

La conception d’un blindage passif a l’´evident avantage de la simplicit´e. N´eanmoins, lors de l’interaction d’un proton avec ce blindage, les particules secondaires cr´e´ees (es- sentiellement les neutrons) peuvent atteindre le d´etecteur et induire du bruit de fond (voir plus haut la description des sources de bruit de fond). Cet effet est d’autant plus important que le blindage est dense. D’autre part, les photons tr`es ´energ´etiques peuvent ne d´eposer qu’une partie de leur ´energie dans le blindage (effet Compton, production de paires), le photon ´emergeant pouvant alors interagir avec le d´etecteur. Ces d´esavantages sont, en partie, r´esolus grˆace `a la technique de blindage actif, plus complexe mais plus efficace.

Blindage actif L’objectif d’un collimateur actif n’est pas seulement de stopper les rayons incidents, mais aussi de d´etecter le d´epˆot d’´energie, il s’agit donc au final de fabriquer un collimateur qui soit aussi un d´etecteur. Les d´etecteurs `a semi-conducteur sont on´ereux et n´ecessitent une mise en œuvre relativement complexe (enceinte sous vide, refroidie) et ne conviennent donc pas pour la r´ealisation d’un blindage. Cependant, une bonne r´esolution ´energ´etique (avantage des d´etecteurs germnium) n’´etant pas un point crucial, des scintillateurs sont g´en´eralement utilis´es. Dans un scintillateur, la recombi- naison ´electronique (succ´edant `a l’interaction d’un photon) ´emet une lumi`ere visible (ou proche du visible), laquelle est collect´ee et amplifi´ee par un photo-multiplicateur. Les scintillateurs sont g´en´eralement fabriqu´es `a partir d’iodure de c´esium (CsI), d’iodure de sodium (NaI) ou de germanate de bismuth (Bi4Ge3O12 ou BGO).

Lorsqu’un ´ev`enement est d´etect´e par le blindage actif, les mesures du spectrom`etre principal sont rejet´ees pendant un certain laps de temps, la fenˆetre de co¨ıncidence. Le

Fig. 3.19: Collimateur actif utilis´e pour le vol CLAIRE 2001. Sur le dessin en perspective de gauche, le d´etecteur et son dewar sont en bleu clair, le blindage lat´eral (2 cm CsI) en bleu marine, le collimateur inf´erieur (3 cm CsI) en vert et le sup´erieur (2 cm CsI) en jaune. Sur la photographie de droite (vue de dessus), la matrice germanium est visible au centre du collimateur sup´erieur.

signal utile est donc largement am´elior´e car :

– Le blindage bloque les photons ne provenant pas du champ de vue de l’instrument (comme un blindage passif).

– La r´eponse du d´etecteur est ´epur´ee des interactions partielles (Compton, production de paires, β, cascades hadronique et ´electromagn´etique, . . . ) qui d´eposent une partie de leur ´energie dans le spectrom`etre et une autre dans le blindage.

Les performances des blindages actifs sont ainsi bien meilleures que les blindages passifs. N´eanmoins, comme pour les blindages passifs, une ´epaisseur importante induit une forte production de neutrons, ce qui limitent le gain de l’anti-co¨ıncidence. D’autre part, chaque ´ev`enement du blindage “bloque” le d´etecteur pendant un certain laps de temps (le temps mort) pendant lequel les mesures du spectrom`etre sont rejet´ees. Si le taux de comptage est important et/ou la fenˆetre de co¨ıncidence trop longue, ce temps mort peut limiter fortement le temps d’exposition effectif du spectrom`etre.

Le blindage utilis´e pour le vol CLAIRE du 15 juin 2001 ´etait de ce type et est re- pr´esent´e en figure 3.19. Sur le dessin de gauche, la structure m´ecanique de maintien du blindage est repr´esent´ee, ainsi que le d´etecteur. Ce blindage est constitu´e de quatre en- sembles de scintillateurs. Un cylindre de BGO (r=35 mm,L=30 mm) est mont´e derri`ere le d´etecteur (non visible sur le dessin). Six blocs de CsI (L=198 mm, e=20 mm) mont´es en hexagone forment le blindage lat´eral (les boˆıtiers peuvent recevoir des cristaux de 4 cm d’´epaisseur, disponibles, en pr´evision d’un vol d’observation `a 511 keV). Au-dessus, les deux collimateurs (inf´erieur et sup´erieur) sont des anneaux en CsI de hauteur 12 cm et d’´epaisseurs 3 et 2 cm respectivement. Cet ensemble d’anti-co¨ıncidence a r´ealis´e de tr`es bonnes performances, ainsi qu’il est montr´e dans le chapitre 4.3.2 page 187.