Autres détecteurs temps réel

Coupe de Faraday

L'interaction du faisceau de protons avec une électrode métallique génère des électrons et induit un courant proportionnel aux charges collectées dans l'électrode, [Park et al. 2006]. L'électrode est constituée d'une plaque métallique (cuivre, aluminium) permettant la conduction jusqu'à l'oscilloscope. Dans le cas d'une coupe de Faraday cylindrique, la réponse temporelle peut être obtenue en calculant la capacitance pour cette géométrie. La capacitance totale est la somme de la capacitance dûe aux eets de la géométrie cylindrique et celle due aux eets capacitifs, elle est dérivée de la formule :

Ctot= κ²0A_d + 2πκ²0 l

ln_ab (2.21)

où A et d sont l'aire et l'épaisseur du cylindre conducteur, κ la constante diélectrique du matériau, l, b et a respectivement la hauteur et les rayons interne et externe du cylindre conducteur. La réponse temporelle du détecteur est τc= RCtot.

Application numérique : Pour une coupe de Faraday de surface A = 841πmm2_{, une}

épaisseur d'électrode de 1.5mm un diamètre interne de 29mm et externe de 30.5mm et une hauteur de 32.5mm, le temps de réponse dû à la réponse capacitive est de τc= 2.6κns

Fig. 2.21 : Courbe de Paschen donnant la tension de claquage pour un champ élec- trique appliqué en fonction du produit pression - distance (bar mm) inter électrode. Cette courbe est issue de la publication n52 de la CEI.

L'arrivée d'un proton sur la plaque métallique attire un électron de la bande de conduc- tion, créant ainsi un déplacement de charge. Pour un ampère détecté, cela correspond à 6.25×1018électrons générés par seconde, on remonte ainsi au nombre de protons incidents sur l'électrode. Les signaux générés par les protons et par les électrons respectivement conduiront donc à un signal positif et négatif respectivement. Ce détecteur donne une mesure du courant able, ce qui en fait un détecteur très utilisé dans le cadre des accélé- rateurs conventionnels, une équipe [Park et al. 2006] présente l'utilisation de ce détecteur pour la détection de protons générés par laser. Les résultats ne sont pas concluants : le pic proton observé pouvant être dû au plasma généré lors de l'interaction. La gure 2.22 montre le signal obtenu au LOA pour une intensité sur cible de 5 × 1019_W/cm2_{. Le}

pic observé provient du signal des électrons, la remontée du signal n'étant pas forcément reliée à une population protonique.

105 110 115 -6 -3 0 S ig n a l C o u p e f a ra d a y (V ) Temps (ns) 2x12 m Al (E>55 keV) 6x12 m Al (E>100 keV) 2x100 m Cu (E>500 keV) Aimant + 2x12 m Al Signature Ølectron Signature proton

Fig. 2.22 : Signaux obtenus avec une coupe Faraday pour une expérience au LOA. La coupe faraday a été recouverte de ltres uniformes de diérentes épais- seurs an de couper la population électronique froide directement issue de l'expansion du plasma, l'énergie mentionnée est l'énergie cinétique des électrons coupée par la feuille.

Détecteur temps de vol

Les protons produits par laser ont des énergies non relativistes, il est donc facile d'opérer une discrimination temporelle du signal détecté. Cette détection requiert une résolution temporelle importante du détecteur. Les détecteurs utilisés doivent donc être des détecteurs "rapides", idéalement ayant des temps de réponse inférieurs à la nano- seconde, pour pouvoir à des distances abordables dans un laboratoire, discriminer avec une bonne résolution les protons émis. Dans la théorie classique, l'énergie cinétique (en MeV) des protons est déterminée par la relation Ep = 1/2mpv2. La vitesse des protons

étant constante après leur sortie de la cible, on peut exprimer v comme v = LD/ttransoù ttrans est le temps (en ns) de transport nécessaire au proton pour parcourir la distance LD qui sépare la cible du détecteur. Nous pouvons alors écrire que :

ttrans(ns) ≈ LD109

r

mp

3.5 × 10−30_c2_{Ep(M eV )} (2.22)

La résolution que l'on peut atteindre est donc fonction de la distance cible détecteur et de l'énergie de la particule incidente. Pour deux protons d'énergie E1 et E2, on aura

un δt : δt = 109LD r m_p 3.5c2 · √ E1− √ E2 E1E2 ¸ (2.23) Application numérique : pour séparer temporellement deux protons de 9 et 10 MeV de 4 ns, il faut éloigner le détecteur à une distance de 3m

Déconvolution du signal

L'origine temporelle est prise sur un signal de particules relativiste (rayons X ou électrons) produit lors de l'interaction. La gure 2.24 montre le signal obtenu en utilisant une détection par TOF à trois étages : MCP (une seule galette micro canaux), scintillateur (Zn :Ag) et photomultiplicateur (XP 2020), gure 2.23. Les résultats seront développés dans le chapitre suivant.

Pour remonter au spectre de protons produits, gure 2.27, il faut déconvoluer le signal par la réponse temporelle du détecteur et par la courbe de dispersion des protons, gure 2.25. Comme nous l'avons vu dans la section 2.2.4, la MCP fonctionne sous un vide de 10−7_{mbar. Les pompes Alcatel situées sous l'enceinte expérmentale de la salle jaune}

collection Angle de Laser

visible

Rayonnement

Electrons

solide

Cible

microcanaux

Galette

Scintillateur_rapide

Plasma

secondaires

rapide

PM

Fig. 2.23 : Détecteur TOF développé au LOA. Le faisceau de protons dépose son énergie dans la MCP qui la convertit en électrons, qui sont ensuite envoyés dans le scintillateur. Le rayonnement émis par le scintillateur est ensuite collecté par le photomultiplicateur. La réponse temporelle du système a été estimée à 2 ns. −500 0 500 1000 1500 −25 −20 −15 −10 −5 0 5 Temps (ns) Voltage sur le PM (V) signal proton signal X et électron

Fig. 2.24 : Signal TOF obtenu avec une tension de 0.7 kV sur la galette micro canaux et 7kV entre la sortie de la galette et le scintillateur. Les signaux observés correspondent à un signal rapide qui est la signature des électrons relati- vistes (ou des rayons X produits au cours de l'interaction) et d'un signal plus étalé dans le temps correspondant à un signal de protons d'énergie comprise entre 1 et 3.5 MeV.

permettent d'obtenir un vide de 10−5_{mbar, un vide diérentiel est donc nécessaire pour}

l'utilisation dans de bonnes conditions de la MCP. Une feuille de mylar d'une épaisseur de 23µm, sépare l'enceinte expérimentale de l'enceinte de détection, permettant d'obtenir des vides diérents de part et d'autre de la feuille. Une telle épaisseur de mylar permet d'arrêter les ions générés et les protons d'une énergie inférieure à 1,1 MeV. La perte en énergie n'étant pas linéaire, pour les protons traversant la feuille, on utilise le code SRIM pour simuler la perte d'énergie des protons dans la feuille, on obtient alors l'énergie en sortie de feuille, Esort, en fonction de l'énergie incidente, Einc, telle que :

Esort= Einc− dE

dxl (2.24)

où l est l'épaisseur de la feuille. On peut alors faire les corrections du temps de vol des protons et en déduire la courbe de dispersion temporelle de la cible jusqu'au détecteur, gure 2.26.

Pour connaître la réponse temporelle du système, nous avons mené une campagne expérimentale sur un accélérateur Tandem Van der Graaf, au CEA. Les paquets de protons monoénergétiques produits sont d'énergie variable entre 3 et 12 MeV et de durée de 1.6 ns. Le système a un taux de répétition variable entre 10Hz et 2.5 MHz, ce qui a permis de mesurer une réponse temporelle de 4 ns pour un paquet de protons. La largeur à mi-hauteur du signal de rayon X observé (origine temporelle) est aussi un indicateur de la résolution du système, en supposant le signal X comme un dirac, on obtient une résolution de 4 ns (LMH). La résolution peut être améliorée en utilisant un photomultiplicateur plus rapide que le XP 2020, le Planatron de Burle par exemple.