Amplitude pulser (canaux)
5.3.2 Calibrations en énergie
5.3.2.1 Énergie cinétique (En)
A partir du temps de vol calculé, il est possible d’en déduire facilement l’énergie cinétique des neutrons :
Eneutron(T OF ) = mnc
2
q
1 − ( d+dint
c×tneutron)2 − mnc2 (5.8) avec mn la masse du neutron, tneutron son temps de vol donné par l’équation 5.7, d la base du temps de vol. dintcorrespond au parcours moyen du neutron dans le scin-tillateur liquide, avant la première interaction. Des simulations [Moua95, Labi99a] donnent une valeur de 8,5 cm. La résolution en temps de vol étant de l’ordre de 1,5 ns (largeur du pic γ), celle déduite en énergie est d’environ 6%.
5.3.2.2 Énergie par charge déposée (Ep)
En plus de la calibration en énergie cinétique, il est nécessaire de calibrer chaque module en fonction de la charge déposée par le neutron. Cette étape est utile pour fixer un seuil commun en MeVee à tous les détecteurs, pour l’utilisation du filtre cinématique de rejet de diaphonie et pour définir l’efficacité intrinsèque des modules dans la simulation.
A l’aide de sources radioactives émettrices γ, la charge collectée par un module peut être reliée à la quantité de lumière en MeV émise par le scintillateur [Tilq95]. Le γ interagit sur les électrons par effet Compton principalement, l’énergie maximale déposée correspond à la rétrodiffusion du γ et vaut :
Eemax− = Eγ 1 + mec2
2Eγ
(5.9) avec mec2 égal à 511 keV.
Les sources utilisées sont regroupées dans le tableau 5.1 et le spectre 5.12 montre la réponse d’un module à une source de 22Na.
Sources Eγ (MeV) Emax
e− (MeV=MeVee) Emax e− (MeVep) 22Na 0,511 0,341 1,294 1,275 1,061 2,975 137Cs 0,662 0,478 1,669 241Am9Be 4,440 4,198 7,917 Cosmiques - ∼27 ∼36
104 Les calibrations des détecteurs
Fig.5.12 – Spectre en charge d’une source de22Na. Les plateaux Compton sont déformés, en raison notamment de la résolution des modules.
Le plateau Compton étant déformé par la résolution du détecteur, il faut prendre le canal correspondant à 80% de la montée du plateau comme marquant l’énergie Emax
e− (simulations de [Labi99a]). Les émissions γ des sources sont à basse énergie mais les besoins du filtre imposent un point de calibration à plus haute énergie, donné par les rayonnements cosmiques(2
). L’énergie laissée par ceux-ci a été simulée [Tilq95] et est de l’ordre de 27 MeV.
En traçant la charge déposée en canaux en fonction de la lumière émise en MeVee pour toutes les sources (figure 5.13), il est possible d’obtenir la relation de calibration sous la forme d’un polynôme de deuxième ordre [Tilq95].
La calibration avec les sources est correcte à basse énergie et il est donc possible à ce stade de déterminer un seuil en MeVee commun à tous les détecteurs, but premier de cette étape. Celui-ci a été fixé à 500 keVee pour la majeure partie de l’analyse.
En revanche, la figure 5.13 illustre le fait que pour la zone des plus grandes énergies la parabole déterminée par les sources de calibration ne reproduit pas exac-tement les données, l’écart pouvant atteindre 20%.
Une nouvelle méthode de calibration, visant à fournir beaucoup plus de points que les seules sources, a donc été développée par [Norm04].
2
Les rayonnements cosmiques interagissent dans la haute atmosphère pour produire des gerbes secondaires détectables sur Terre. Il est possible d’avoir un deuxième point à haute énergie en plaçant les modules debout, les rayonnements laissant ainsi plus de dépôt dans le scintillateur mais il va de soi que cette méthode nécessite une manipulation non aisée des 90 modules. De plus, la nouvelle méthode de calibration dispense désormais des points de calibration aux énergies élevées.
5.3 DéMoN 105 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 0 10 20 30 40 50 60 En(ToF) (MeV) Q tot (Canaux)
Fig. 5.13 – Courbes de calibration en énergie pour un module DéMoN, en utilisant les sources et les cosmiques uniquement. Les points rouges correspondent aux valeurs en Me-Vep, les bleus aux valeurs en MeVee (cf. tableau 5.1). La droite permet de fixer le seuil à très basse énergie. La parabole, ajustée ici sur les valeurs en MeVee, montre que la calibration n’est plus valable pour les plus hautes énergies.
Cette méthode consiste à créer artificiellement des faisceaux mono-énergétiques de neutrons en découpant le spectre En(TOF) en tranches suffisamment étroites pour considérer l’énergie comme constante. De plus, le neutron ne peut pas déposer dans le scintillateur plus d’énergie qu’il n’en possède. En traçant la charge totale correspondant à une tranche donnée, le maximum de cette charge déposée équivaut donc à l’énergie de la tranche en question. La figure 5.14 illustre la technique utilisée. Ainsi, un nombre important de points de calibration peut être déterminé sur toute la gamme en énergie et à partir des données issues de l’expérience, sans nécessiter des «runs» de calibration spécifiques.
Une difficulté de cette méthode réside dans le fait que l’interaction considérée n’est plus celle des γ comme avec les sources mais celle des neutrons sur les pro-tons. La lumière émise est donc exprimée en MeVep (MeV équivalent proton) et une conversion s’impose pour ajouter les sources sur la calibration précédente. La der-nière colonne du tableau 5.1 reporte la valeur correspondante en MeVep des γ des
106 Les calibrations des détecteurs 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 0 10 20 30 40 50 60 En(ToF) (MeV) Q tot (Canaux)
Fig. 5.14 – Calibration en énergie d’un module DéMoN en utilisant la nouvelle méthode.
Le spectre de la charge déposée en fonction de l’énergie En(TOF) est découpé en tranches
et projeté sur l’axe de la charge. La fin du plateau correspond à l’énergie En(TOF) de la
tranche considérée. Chacune fournit donc un point de calibration, sur toute la gamme en énergie.
sources utilisées. La conversion dans le sens MeVee vers MeVep se fait par itération, la conversion inverse s’effectue quant à elle grâce à l’équation 4.4.
Cette nouvelle méthode(3
) permet donc d’obtenir une calibration complète en énergie de chaque module de DéMoN beaucoup plus fiable que la méthode avec les sources et les rayons cosmiques seuls. Son utilisation pour les hautes énergies n’est cependant pas utile dans cette analyse où l’énergie du neutron est donnée par temps de vol. En revanche, elle est nécessaire dans d’autres études, notamment concernant le tétraneutron, où une comparaison entre les deux méthodes de calcul d’énergie est réalisée.
3