Le calorimètre est la partie du détecteur qui sert à mesurer l'énergie et le temps de vol des particules. Il est composé de 712 modules optiques répartis selon trois géométries ayant chacune leur rôle et leurs caractéristiques. Chaque module optique est un assemblage d'un scintillateur plastique et d'un photomultiplicateur qui feront l'objet d'une description détaillée dans le chapitre 3.1.
2.4.1 Géométrie
Le calorimètre peut se décomposer en trois parties distinctes :
un calorimètre principal, séparé en deux murs disposés de part et d'autre du trajectographe. Ils sont communément appelés murs principaux (MWall, en bleu sur la gure 2.7) et chacun d'eux est composé de 260 (20 × 13) modules optiques (520 au total), 40 équipés d'un photomultiplicateur cinq pouces et 220 d'un photomultiplicateur huit pouces. Ce calorimètre a été produit à Bordeaux au CENBG.
un calorimètre secondaire, nommé XWall (en rouge sur la gure 2.7), qui est positionné de chaque côté du trajectographe. Il augmente la surface de détection en collectant les particules s'échappant latéralement dans le détecteur, notamment à cause de l'in uence du champ magnétique généré par la bobine. Au total, ce sont 128 modules optiques (photomultiplicateurs récupérés de NEMO3, scintillateurs produits en Russie) assemblés à Londres par UCL qui composent ce calorimètre.
un calorimètre tertiaire, formé par les gamma-veto (GVeto, en vert sur la gure 2.7). Ces 64 modules sont situés au dessus et en dessous du trajectographe. Comme leur nom l'indique, ils servent à améliorer l'e cacité de détection des rayons gamma et permettent d'assurer une couverture proche de 100 % du calorimètre aux photons gamma. Ils ont également été assemblés à UCL avec des photomultiplicateurs de NEMO3 et des blocs de scintillateurs produits en Russie.
2.4.2 Étalonnages
Étalonnage absolu en énergie
Le système d'étalonnage absolu en énergie est assuré par des sources radioactives de bismuth 207 (207Bi), sources émettrices d'électrons de conversion et de rayons gamma dont les énergies et les intensités sont présentées dans le tableau 2.1.
Les activités de ces sources sont seulement de quelques centaines de becquerels, pour limiter leur impact sur le vieillissement du trajectographe et éviter un emballement des
CHAPITRE 2. DESCRIPTION DU DÉMONSTRATEUR DE SUPERNEMO
Figure 2.7 Schéma des diérentes parties du calorimètre de SuperNEMO. En bleu : calorimètre principal (MWall) ; en rouge : calorimètre latéral (XWall) ; en vert : calorimètre gamma (GVeto).
Énergie (keV) Intensité (%)
e1 481,7 1,5 e2 975,5 7,0 e3 1682,0 0,02 g1 569,7 97,8 g2 1063,7 74,6 g3 1770,2 6,9
Table 2.1 Énergies et intensités des principaux électrons et photons gamma du207Bi.
cellules du premier plan (le plus proche de la source). Elles sont présentes au nombre de 42 dans le démonstrateur et sont réparties uniformément le long des feuilles sources ( gure 2.8-a, symbolisées par les rectangles cuivrés) permettant une illumination quasi homogène du calorimètre. Les sources de 207Bi sont déployées dans le détecteur ( gure 2.8-b) à l'aide d'un système dédié qui permet leur insertion et leur retrait, contrairement à NEMO3.
Le rôle de ces sources est de permettre un étalonnage du calorimètre avec une référence absolue en énergie à partir des spectres mesurés. Elles permettront aussi de mesurer la résolution en énergie des modules optiques mais également dans une moindre mesure d'étalonner la réponse du trajectographe grâce au suivi des traces des électrons émis par les sources.
Étalonnage relatif en énergie
En plus du système d'étalonnage absolu en énergie, il est prévu d'utiliser un système d'étalonnage relatif basé sur l'injection de lumière dans les modules optiques.
Il est composé de 20 LED pulsées dont la fréquence d'émission de lumière et l'intensité de l'impulsion lumineuse sont réglables. La lumière émise par les LED est acheminée jusqu'aux modules optiques du calorimètre grâce à un réseau de bres optiques regroupées en faisceaux d'environ 70 bres, à raison de deux bres par module optique. Pour avoir un contrôle précis sur la quantité de lumière injectée, des modules de référence (4 MWall, 2 XWall et 2 GVeto)
CHAPITRE 2. DESCRIPTION DU DÉMONSTRATEUR DE SUPERNEMO
a b
Figure 2.8 Schéma du système de déploiement des sources (a) et photographie des sources de bismuth 207 (rectangles en cuivre) déployées dans SuperNEMO (b). Les rectangles cuivrés sur la gure (a) symbolisent les positions des sources une fois déployées.
externes au détecteur sont également éclairés par ce système et en permanence étalonnés avec des sources radioactives de 207Bi et d'américium 241 (241Am).
Ce système à deux objectifs :
assurer un suivi quotidien du gain des photomultiplicateurs au pourcent près. En eet, le gain des photomultiplicateurs peut varier au cours du temps à cause de variations de la haute tension, des conditions expérimentales ou de leur vieillissement. La quantité de lumière envoyée par les LED sera quotidiennement comparée à la valeur initiale mesurée pendant la campagne d'étalonnage absolu a n de suivre l'évolution du gain des photomultiplicateurs.
tester la linéarité de la réponse en énergie des modules, en particulier à haute énergie. L'étalonnage absolu en énergie ne pouvant être fait que jusqu'à 1682 keV (énergie de l'électron de conversion de plus haute énergie du 207Bi), il est nécessaire de mesurer la réponse des photomultiplicateurs à des sollicitations lumineuses bien au delà de cette valeur. Le changement d'intensité lumineuse possible avec le système LED permettra cette étude.
Les 20 LED se répartissent selon deux groupes : 10 LED primaires pour éclairer tous les modules du calorimètre et 10 LED secondaires ( gure 2.9) qui serviront à remplacer celles du système primaire en cas de problème (LED primaire non fonctionnelle, bre optique abîmée). Le système, conçu par l'Université du Texas [99], est en cours de caractérisation.
CHAPITRE 2. DESCRIPTION DU DÉMONSTRATEUR DE SUPERNEMO
Figure 2.9 Schéma de principe du système d'injection de lumière LED.
Étalonnage en temps
La mesure du temps est cruciale dans SuperNEMO pour qu'il soit possible de discriminer les électrons provenant des feuilles sources de ceux traversant le détecteur, ou encore être capable de reconstruire le parcours d'un photon gamma dans le détecteur.
L'étalonnage en temps varie pour chaque module puisqu'il dépend : du temps de parcours des photons dans le scintillateur,
du temps de transit des électrons secondaires dans le photomultiplicateur,
du temps de transit du signal du photomultiplicateur jusqu'à l'électronique, et donc de la longueur des câbles acheminant ce signal,
du temps de traitement du signal dans les cartes électroniques.
L'utilisation de sources de 60Co émettant deux photons gamma en cascade de 1173 keV et 1332 keV permettra d'évaluer les caractéristiques temporelles de chaque module en comparant les temps mesurés entre toutes les paires de modules déclenchés. Ces sources seront placées à la même position que les sources de 207Bi pour permettre un éclairage homogène du mur et de toutes les paires de modules optiques.
2.4.3 Performances
Des contraintes sont imposées sur les performances du calorimètre et sur les niveaux de contamination des modules optiques [100].
La résolution en énergie des modules doit être de l'ordre de 8 % FWHM (Full Width at Half Maximum, largeur à mi-hauteur) à 1 MeV, soit 4,5 % FWHM à Q82Se
ββ = 2, 995 M eV. La résolution en énergie (FWHM) était de 13,7 % à 1 MeV dans NEMO3.
La résolution en temps est de l'ordre de 400 ps à 1 MeV entre deux modules optiques ayant été déclenchés. Cette résolution temporelle était de 250 ps dans NEMO3. Cette diérence s'explique par le changement de géométrie des modules optiques, avec des scintillateurs et des photomultiplicateurs plus volumineux dans SuperNEMO.
CHAPITRE 2. DESCRIPTION DU DÉMONSTRATEUR DE SUPERNEMO L'e cacité de détection des photons gamma doit être de l'ordre de 50 % pour des gammas de 1 MeV, contre 50 % à 50 keV dans NEMO3. Cela permet une meilleure réduction du bruit de fond et une amélioration de la sensibilité du détecteur sur la décroissance double bêta vers les états excités.
les niveaux de radiopureté atteints pour les photomultiplicateurs sont de 600 mBq/kg pour le 40K, 800 mBq/kg pour le 214Bi et 36 mBq/kg pour le 208Tl. Ces niveaux étaient de 1200 mBq/kg en 40K, 860 mBq/kg en 214Bi et 30 mBq/kg en 208Tl dans NEMO3. Même si ces niveaux n'ont pas tous été améliorés pour le démonstrateur SuperNEMO en comparaison de NEMO3, des travaux de R&D menés notamment sur le verre des photomultiplicateurs (société Primeverre, France) ont montré qu'il est possible de réduire signi cativement les contamination : ≈ 80 mBq/kg en 40K, < 4 mBq/kg en 214Bi et < 0,7 mBq/kg en 208Tl.