9.4
Détermination de la vitesse
Les chaînes électroniques et les méthodes de détermination de la postion et du temps des détecteurs MWPC-SeD ont été détaillées séparément. Pour déterminer la vitesse des fragments événement par événement, il faut maintenant corréler ces deux informations.
9.4.1 Chaîne électronique d’acquisition
Les systèmes d’acquisition utilisés pour les mesures de positions, DAQ GET, et de temps, DAQ GANIL, sont complètement découplés. Pour les déclencher simultanément sur un même événement, il faut construire une logique analogique, présentée sur la FigureC.9.12, pour générer un signal trigger et un signal V eto communs aux deux acquisitions.
Le V eto commun aux deux systèmes d’acquisition rejette un événement physique si toutes les acquisitions ne sont pas disposées à enregistrer un nouvel événement. Ce V eto est construit à partir des temps morts des différentes cartes électroniques, qui sont matérialisés par un signal BU SY comme le montre la Figure C.9.12. Ce signal V eto est envoyé dans la voie veto du module de coïncidence, générant le signal trigger, qui regarde si il y a bien une corrélation entre les signaux de l’anode du MiniSed et de l’une des deux anodes du Sed. Si il y a une corrélation entre les signaux anodiques et qu’il n’y a pas de signal en veto, le signal trigger est envoyé aux différentes DAQ permettant de geler les mémoires des cartes électroniques. Dans tous les autres cas, aucun signal trigger n’est émis.
CoBo Châssis µ-TCA Châssis VME MATACQ Busy Trigger TRIGGER IN OUT-1 OUT-2 OUT-N MVME 5500 Ordinateur GANIL DAQ ... MCH Ordinateur GET DAQ MuTAnt Busy Trigger Temps Positions FIFO-Ana Sed Anode 2 Discri Discri Discri FIFO-Ana Sed Anode 1 FIFO-Ana MiniSed Anode FIFO-Logique Anode 1 OU Anode 2 Module de coïncidence Module de coïncidence=TRIGGER FIFO-Logique =VETO MiniSed-T ET Sed-T MiniSed-Sed ET VETO Busy GANIL OU Busy GET
Busy
Figure C.9.12 – Schéma de la logique pour la synchronisation des acquisitions GET et GANIL.
9.4.2 Vitesse des fragments
La corrélation des signaux positions et temps des fragments événement par événement mène à la distribution en vitesse représentée en noire sur la FigureC.9.13. Cette distribution présente deux pics associés aux groupes des fragments légers et lourds respectivement à 1.321 cm.s−1 et à 0.986 cm.s−1 (Tableau C.9.6). La valeur moyenne du pic des fragments lourds est semblable à celle de la simulation. Elle ne diffère que de 0.7 %. Cependant les rapports des pics et de la vallée sont eux très différents. Par exemple le rapport de l’amplitude du pic des fragments légers sur la vallée (NL
NV) est égal à 2.53 pour l’expérience mais égale à 5.59 pour la simulation. Les
distributions de vitesse des fragments de la littérature [29] (détecteurs siliciums) présentent des rapports pics sur vallée dont la forme se rapproche plus des données simulées que des données expérimentales. Les données simulées tiennent compte des différentes incertitudes expérimentales et des pertes d’énergie subies par les fragments dans les matériaux.
CHAPITRE 9. DÉTECTEURS MWPC-SED : VITESSE DES FRAGMENTS signal lors du transit dans les câbles. L’installation des détecteurs MWPC-SeD dans la nouvelle chambre à réaction conçue pour le dispositif FALSTAFF pourrait améliorer la qualité du spectre si l’écart entre la simulation et l’expérience est liée à du bruit électronique.
Vitesse [cm/ns] 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 rience e Exp Simulation
Figure C.9.13 – Distributions de vitesse des fragments de fission d’une source de fission spon- tanée 252Cf expérimentale (noire) et simulée (rouge). La distribution expérimentale est obtenue en sélectionnant les fragments dont la vitesse est comprise entre 0.4 cm.ns−1 et 3 cm.ns−1.
Fragments légers Fragments lourds Vallée
Ampl. Moyenne Écart-type Ampl. Moyenne Écart-type Ampl.
Expérience 2.15 1.321 0.104 1.85 0.986 0.098 0.85
Simulation 2.85 1.312 0.070 2.47 0.984 0.081 0.51
Tableau C.9.6 – Résultats de l’ajustement des groupes des fragments légers et lourds par des fonctions gaussiennes des spectres de temps de vol expérimental et simulé (tenant compte des résolutions temporelles et spatiales de σ(t)=120 ps et de σ(X)=1.2 mm). Le symbole Ampl. signifie Amplitude et est un multiple de 10−2. La moyenne et l’écart-type sont exprimés en cm.ns−1.
Au début de cette thèse, les feuilles émissives des MWPC-SeD étaient constituées d’une feuille de mylar de 0.9 µm d’épaisseur sur laquelle un dépôt d’aluminium de 60 nm d’épaisseur était évaporé. De nombreux tests réalisés au cours de cette thèse ont permis de réduire l’épaisseur des feuilles émissives de 0.9 µm + 60 nm d’Al à 0.5 µm + 30 nm d’Al. L’influence de cette réduction décale la distribution de vitesse des fragments de +0.04 cm.s−1, comme le montre la Figure C.9.14. Ce décalage montre que les fragments ont plus d’énergie cinétique et ont par conséquent perdu moins d’énergie dans les matériaux [181]. Ce travail a été réalisé afin de limiter les pertes d’énergie des fragments dans les matériaux et donc de minimiser les corrections de perte d’énergie qui sont modèles dépendantes (SRIM, LISE++, Geant4) et dont les valeurs peuvent être très différentes selon le modèle utilisé.
9.4. DÉTERMINATION DE LA VITESSE Velocity [cm/ns] 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 m µ Thickness= 0.9 m µ Thickness= 0.5
Figure C.9.14 – Distributions en vitesse (non corrigées des pertes d’énergies) obtenues avec deux feuilles émissives de 0.9 µm + 60 nm d’Al et deux feuilles émissives de 0.5 µm + 30 nm d’Al [181]. Ces spectres ont été mesurés en août 2016.
Conclusion
Les détecteurs de temps de vol du dispositif FALSTAFF sont des MWPC-SeD. Le détecteur Start a des dimensions plus petites que celui du détecteur Stop car l’angle solide de détection dépend de la taille du détecteur Stop. La chaîne électronique et les différentes étapes nécessaires à la reconstruction des positions des fragments à partir des signaux électroniques issus des ca- thodes ont été exposées. La géométrie des détecteurs et la reconstruction des positions avec la méthode du barycentre mènent à des résolutions spatiales de l’ordre de 2 mm.
La connaissance des positions d’arrivée des fragments sur chacun des détecteurs permet de connaître leur trajectoire. Celle-ci est utilisée pour déterminer l’épaisseur de matière traversée par les fragments dans les différents détecteurs.
La chaîne électronique et la détermination des temps d’arrivée des fragments sur les détecteurs à partir des signaux anodiques, avec une méthode CFD, ont été présentées. Le temps d’arrivée correspond au temps au bout duquel 20 % de l’amplitude maximale du signal est atteint. Cette méthode permet d’obtenir des résolutions temporelles de 130 ps et d’environ 115 ps respective- ment pour le MiniSed et le Sed. Ces valeurs sont celles qui ont été définies dans le cahier des charges du dispositif.
Événement par événement, la corrélation de la distance de vol des fragments et de leur temps de vol permet de déterminer leur vitesse. Les moyennes et les écart-types des distributions de vitesse des fragments légers et lourds déterminés expérimentalement sont en bon accord avec les données simulées. Cependant le dispositif de mesure de vitesse doit encore être optimisé afin d’obtenir des rapports pics sur vallée plus grands.
Pour obtenir la masse des fragments après évaporation avec le prototype du premier bras de FALSTAFF (méthode EV), il faut maintenant caractériser la chambre à ionisation axiale du dispositif.
CHAPITRE 10. CHAMBRE À IONISATION AXIALE : CALIBER
Chapitre 10
Chambre à ionisation axiale :
CALIBER
La chambre à ionisation (ChIo) axiale du dispositif FALSTAFF doit remplir trois critères. Le plus important est que le détecteur doit mesurer l’énergie des fragments avec une résolution (∆E
E ) inférieure à 1 %. La ChIo doit aussi permettre la détermination du profil de perte d’éner-
gie des fragments. Finalement la surface de détection doit être la plus grande possible pour se rapprocher d’une efficacité géométrique de 1 % de 4π.
Le dimensionnement de cette chambre résulte du travail collaboratif entre les équipes du CEA-Saclay et du LPC-Caen (CNRS, Caen, France). Des études ont été réalisées par les cher- cheurs du LPC-Caen concernant la configuration du champ électrique [182] et la tenue mécanique des fenêtres d’entrée [183]. A la suite de ces études, un premier prototype appelé SACHA a été réalisé entre 2015 et 2016 par le LPC-Caen. Ce détecteur ne tenant pas la tension requise (cla- quages), un deuxième détecteur dénommé CALIBER (Cylindrical axiAL Ionisation chamBER) a été fabriqué en 2016. J’ai réalisé les premiers tests avec l’équipe du LPC-Caen, durant l’été 2016. Cette chambre a alors été livrée en octobre 2016 au CEA-Saclay.
Après une brève présentation des performances de chambres à ionisation axiales, ce chapitre décrit les caractéristiques de CALIBER ainsi que les études des performances et d’optimisation réalisées sur ce détecteur.
10.1
Intérêt d’une chambre à ionisation axiale
Expérimentalement, la charge nucléaire des particules peut être obtenue soit par une mesure de perte d’énergie et d’énergie résiduelle ∆E − Eres, soit à partir du profil de perte d’énergie
(PPE, dE
dx = f(x)) des particules.
La méthode ∆E −Erespeut, entre autres, être réalisée avec une chambre à ionisation dont le
champ électrique ~E est perpendiculaire à la trajectoire des particules et dont l’anode est segmen- tée. Cette segmentation permet de réaliser une mesure de perte d’énergie ∆E sur la première anode et une mesure d’énergie résiduelle Eres sur la deuxième. L’addition de ∆E et Eres donne
l’énergie cinétique de la particule et la corrélation ∆E − Eres permet de déterminer sa charge
Z. Néanmoins cette méthode n’est pas adaptée à l’étude des fragments de fission car elle ne permet pas de séparer les charges nucléaires des particules d’énergie inférieure à 1 MeV/A. De plus il existe une zone, définie par la distance entre la fenêtre d’entrée du détecteur et le début de l’anode, dans laquelle les électrons primaires ne sont pas détectés puisque le champ électrique est perpendiculaire à la trajectoire des fragments. Cela conduit à une énergie mesurée biaisée qui doit donc être corrigée.
La méthode de mesure du profil de perte d’énergie avec une chambre à ionisation axiale a été introduite dans les années 1980 par C.R. Gruhn et al. [184]. Il voulait à la fois mesurer l’énergie cinétique des fragments avec une très bonne résolution et déterminer leur charge nucléaire Z à partir de leur PPE. Dans ces détecteurs, un champ électrique parallèle à la trajectoire des parti- cules permet de collecter les électrons primaires en fonction du temps sur l’anode. Connaissant