2.3.1 Énergie du faisceau
La mesure de l’énergie des ions est effectuée par mesure de temps de vol événement par événement grâce à quatre lattes de scintillateurs plastiques situés le long de la ligne fais-ceau. Les positions de chacune des lattes sont détaillées dans le tableau 2.1. La distance entre les détecteurs étant connues, il est possible de remonter à l’énergie des particules en calculant leur vitesse.
Les scintillateurs plastiques sont communément utilisés en physique nucléaire du fait de leurs propriétés : ils permettent des mesures précises de temps de vol et sont assez résistants aux rayonnement ionisants. Lorsqu’une particule chargée traverse un plastique scintillant, elle provoque l’excitation des molécules de celui-ci. Leur désexcitation se fait par émission isotrope de photons dans le domaine du visible.
Cette lumière est récoltée par un photomultiplicateur (PM) à l’une des extrémités du matériau et ainsi convertie en un signal électrique proportionnel à l’intensité du signal lumineux. Ce signal est ensuite analysé pour déterminer un temps de déclenchement ou bien pour déterminer la quantité de lumière produite par le passage de la particule.
Dénomination Position relative épaisseur
mm mm
F3 -83600 3,0
F7 -36617 3,0
SBT1 -40 0,5
SBT2 +40 0,5
Tableau 2.1 – Propriétés des différents détecteurs plastiques disposés sur la ligne faisceau. Les distances relatives sont données par rapport au milieu des deux détecteurs SBT.
2.3. Caractéristiques du faisceau La désexcitation des molécules du plastique suit une loi exponentielle dont la constante
de temps est de quelques nanosecondes, ce qui permet d’obtenir une résolution en temps de l’ordre de 500 ps. Les plastiques utilisés le long de BigRips sont recouverts d’un isolant lumineux et deux photomultiplicateurs sont disposés à chacune des extrémités des lattes. Appliquer des conditions de coïncidence entre les deux PM permet de réduire les sources de bruit. Durant l’expérience Samurai-DayOne, deux plastiques fins appelés SBT (Secondary Beam Trigger) ont été placés à 8 cm d’intervalle le long de l’axe du faisceau. Ils ont la particularité d’être beaucoup plus fins que les autres plastiques afin de minimiser la probabilité de réaction dans le matériau. Ils ont pour fonction de déclencher l’acquisition de données et servent de référence en temps pour l’intégralité des autres détecteurs de l’expérience.
2.3.2 Charge des ions
La charge des ions est déterminée grâce à une chambre d’ionisation, nommée icb (Ion Chamber for Beam), placée juste après les deux SBT. Elle mesure 260(H) × 250(V ) × 511(P ) mm3 et sa zone active 150(H) × 150(V ) × 420(P ) mm3. Elle est remplie d’un mélange de 90% d’Argon et de 10% d’Isobutane à pression atmosphérique et est pourvue de 21 fils, 11 cathodes et 10 anodes, disposés verticalement le long de la chambre.
Le principe de fonctionnement de tous les détecteurs gazeux de l’expérience est si-milaire. Ils possèdent une chambre hermétique remplie de gaz au sein duquel des élec-trodes appliquent une tension. Le passage d’une particule chargée dans le gaz provoque l’ionisation de ses molécules et, si le champ électrique est suffisamment fort, les paires électrons-ions ainsi crées dérivent respectivement vers la cathode ou l’anode avant d’avoir le temps de se recombiner. Cette dérive induit un signal sur les électrodes dont la charge est directement proportionnelle à l’énergie perdue par la particule au cours de l’ionisation. C’est cette information qui est utilisée pour déterminer le numéro atomique de la particule incidente dans l’icb grâce à la relation de Bethe-Bloch :
∆E ∝ Z
2
v2. (2.2)
Dans cette équation ∆E représente la perte d’énergie dans le gaz, Z le numéro ato-mique de l’ion et v sa vitesse. Une fois calibré, l’icb permet de déterminer la charge des ions incidents avec une résolution allant de σZ = 0,18 pour les isotopes de Bore à σZ= 0,14 pour les isotopes d’Oxygène.
2.3.3 Masse des ions
La masse des noyaux du faisceau est aussi déterminée par un détecteur gazeux. Ce dernier est un compteur proportionnel appelé bpc (Beam Proportional Chamber) placé perpendiculairement à la trajectoire du faisceau dans le plan focal F5. De section rectan-gulaire, ses dimensions sont 412(H) × 296(V ) × 80(P ) mm3. La bpc est remplie d’Iso-butane à la pression de 50 Torr. Elle est conçue pour mesurer la rigidité magnétique, événement par événement, des ions incidents. Pour cela, elle est pourvue de deux rangées de fils verticaux, distants de 4 mm les uns des autres. Les deux plans de fils sont encadrés par des feuilles de Kapton aluminisées jouant le rôle de cathodes.
Figure2.4 – Présentation en coupe de l’ICB. Les dimensions indiquées sont en milli-mètres.
L’objectif du détecteur étant différent de celui de l’icb, la tension appliquée au sein de la bpc est bien plus importante, entraînant un régime de fonctionnement différent. En effet la tension appliquée est tellement importante que les paires électrons-ions crées par le passage d’une particule chargée dans le gaz acquièrent suffisamment d’énergie pour elles même ioniser d’autres molécules de gaz et ainsi créer une avalanche électronique. Ce phénomène diminue la relation de proportionnalité entre courant mesuré et énergie déposée dans le détecteur, mais produit un signal bien plus fort sur les anodes.
Le barycentre des positions des fils touchés est reconstruit afin de déterminer la po-sition horizontale moyenne du faisceau. Le plan F5 étant dispersif en moment, les ions sont dispersés le long du plan focal selon leur rigidité magnétique. La position du bary-centre permet d’estimer la déviation de l’ion par rapport à la trajectoire centrale. Les propriétés optiques du dipôle étant bien connues, cette déviation permet de remonter à la valeur absolue de la rigidité magnétique. Enfin la rigidité magnétique de chaque ion permet de déterminer son rapport masse sur charge grâce à la formule du Bρ (2.1).
BPC BPC box ASD
Vacuum window
Figure 2.5 – Présentation en coupe de la BPC. Les dimensions indiquées sont en millimètres.