Description et performances

1. d´etecteur Ge tronconique (EUROGAM phase I) : monocristaux

Germanium cylindrique de grand volume (diam`etre de 69 mm et longueur 78 mm), ces cristaux sont biseaut´es `a l’extr´emit´e en forme de cˆones pour permettre des configurations de multid´etecteurs sph´eriques plus compactes. Le maintien de la diode de Germanium hyper-pur de type n `a la temp´erature de l’azote liquide est assur´e par un cryostat (cf. fig. 3.4 b) et c)). Leur efficacit´e relative est de 70%, et leur bouclier anti-Compton est constitu´e de dix cristaux scintillateurs BGO [Bea92].

Fig. 3.4 – a) Vue d’ensemble d’EUROGAM I. b) Sch´ema d’un d´etecteur

tron-conique de la phase I muni de son syst`eme anti-Compton. c) G´eom´etrie des cristaux BGO du syst`eme anti-Compton.

Le multid´etecteur franco-anglais EUROGAM phase I (cf. fig. 3.4a)) a ´et´e utilis´e pendant 18 mois au laboratoire de Daresbury en Angleterre `a partir de 1992. Il ´etait constitu´e de 45 ensembles de d´etection Ge-BGO

pour une efficacit´e totale Ep = 0.048 [Bec92a]. Ils couvraient un angle solide d’un peu plus de 2π st´eradian, l’ouverture aux angles avants permettant de coupler le spectrom`etre `a un d´etecteur de recul, le RMS [Jam88]. A la mˆeme ´epoque, un autres spectrom`etre de conception presque identique `a EUROGAM phase I est install´e au Laboratoire National de Legnaro en Italie et d´enomm´e GASP [Ros93]

2. d´etecteur clover (EUROGAM phase II) : premier d´etecteur de type

composite utilis´e dans un spectrom`etre gamma, il est constitu´e de quatre diodes Germanium coaxiales de 50 mm de diam`etre et de 70 mm de long. Les cristaux sont usin´es afin d’ˆetre assembl´es de mani`ere compacte et mont´es dans un mˆeme cryostat avec une alimentation haute-tension commune. Leur efficacit´e relative est d’environ 20% par cristal. L’int´erˆet du d´etecteur composite est de pouvoir collecter les ´energies d´epos´ees par cristal si un seul cristal est touch´e, ou bien de sommer en mode add-back l’´energie totale d´epos´ee par un seul rayonnement gamma dans plusieurs cristaux du clover. Ainsi, en r´eduisant la taille du cristal et en sommant l’´energie d´epos´ee dans plusieurs cristaux adjacents, l’effet d’empilement diminue. L’efficacit´e relative du clover en mode add-back est de l’ordre de 130% [Duc99].

Fig.3.5 – Vue d’ensemble d’EUROGAM II. Vue stylis´ee d’un d´etecteur clover

et d´etail des quatre cristaux le composant.

Un avantage du clover est un angle solide r´eduit qui minimise

positionn´e `a 90˚ de l’axe du faisceau. La g´eom´etrie du clover permet la mesure de polarisation lin´eaire plane des gamma et donne acc`es au caract`ere ´electrique ou magn´etique des transitions gamma [Jon95]. Ainsi il devient possible d’assigner une parit´e aux ´etats du sch´ema de niveaux. Pour am´eliorer le rapport Pic sur Total, le clover est entour´e d’un bouclier anti-Compton constitu´e de 16 BGO.

Le multid´etecteur franco-anglais EUROGAM phase II (cf. fig. 3.5) a ´et´e utilis´e aupr`es de l’acc´el´erateur Vivitron `a Strasbourg de 1994 `a 1996. Il ´etait constitu´e de deux couronnes de 12 clovers chacune plac´ee autour de 90˚ et de deux calottes avant et arri`ere compos´ee chacune de 15 d´etecteurs

tronconiques. L’efficacit´e totale du spectrom`etre valait Ep = 0.075 [Nol94]

et son pouvoir de r´esolution ´etait accru par rapport `a EUROGAM phase I grˆace aux d´etecteurs clover.

3. d´etecteur cluster (EUROBALL phase III) : d´etecteur composite

constitu´e de sept cristaux Germanium tronconiques de gros volume (78 mm de longueur et 70 mm de diam`etre)(cf. fig. 3.6), ils sont mont´es dans un mˆeme cryostat mais aliment´es par des haute-tensions s´epar´ees [Ebe96].

Fig. 3.6 – Vue d’ensemble du d´etecteur cluster muni de son syst`eme

anti-Compton et d´etail d’une des sept capsules le composant.

Comme pour les clovers, il est possible d’utiliser ce d´etecteur cristal par cristal, ou en sommation. L’efficacit´e “photopic” relative d’un cristal isol´e de cluster vaut environ 60 %. Le fait que chaque cristal soit encapsul´e permet `a la fois de prot´eger sa surface et de faciliter l’´echange des cristaux en cas de panne. Le cluster est entour´e d’une enceinte anti-Compton

constitu´ee de douze scintillateurs BGO sur les cˆot´es plus six “backcat-chers” `a l’arri`ere. L’avantage des clusters r´eside dans leur bonne efficacit´e de d´etection `a haute ´energie. L’inconv´enient principal est l’importance du cristal central, qui s’il est endommag´e, empˆeche la r´ealisation de la moiti´e de la sommation add-back, et entraˆıne une diminution cons´equente de l’efficacit´e du cluster dans son entier.

Fig. 3.7 – Vue artistique d’EUROBALL III. En rouge, bleu et gris sont

repr´esent´es respectivement les d´etecteurs tronconiques, clover et cluster. Le faisceau p´en`etre dans le multid´etecteur par la droite.

Le multid´etecteur europ´een (Allemagne, Danemark, France, Italie, Royaume Uni et Su`ede) EUROBALL III (cf. fig. 3.7) ´etait constitu´e de trente d´etecteurs tronconiques provenant d’EUROGAM phase I et de GASP, de vingt-six d´etecteurs clover et de quinze d´etecteurs cluster. Les premiers et derniers ´etaient regroup´es en deux calottes d’environ 1π st´eradian respectivement aux angles avants et arri`eres du mul-tid´etecteur. Les clovers ´etaient arrang´es autour de 90˚ en deux couronnes de treize d´etecteurs chacune. L’efficacit´e totale du spectrom`etre valait

Ep = 0.094 [Sim97]. Du fait des distances importantes entre les d´etecteurs et la cible, le pouvoir de r´esolution ´etait grandement am´elior´e. EUROBALL III a fonctionn´e au Laboratoire National de Legnaro en Italie pendant 18 mois de 1997 `a 1998.

4. boule interne BGO (EUROBALL phase IV) : compos´ee de scin-tillateurs BGO, couvrant chacun au maximum 0.5% de l’angle solide 4π st´eradian pour limiter `a environ 10% la probabilit´e d’empilement pour une multiplicit´e de 30 gamma, la boule interne BGO est plac´ee `a l’avant des collimateurs des enceintes de r´ejection Compton de fa¸con `a couvrir l’essentiel de l’angle solide non occup´e par le Germanium. Ainsi la boule interne BGO (cf. fig. 3.8) est constitu´ee de trois parties diff´erentes [Inn98], une par type de d´etecteur :

– partie tronconique : la section avant est form´ee de 55 scintillateurs BGO trap´ezo¨ıdaux coupl´es `a 55 PM.

– partie clover : la section centrale forme une ceinture de collimateurs actifs qui couvre la moiti´e de l’angle solide de la boule interne. Cette section est constitu´ee de 26 d´etecteurs en forme de E, repr´esentant au total 65 cristaux scintillateurs coupl´es `a 117 PM. L’espace r´eduit entre le bouclier anti-Compton et la chambre de r´eaction a conduit `a un choix de PM tr`es courts, poss´edant de moins bonnes caract´eristiques dont une r´esolution d’environ 30% `a 662 keV. Une ´epaisseur de m´etal lourd est plac´ee entre la boule interne et le bouclier anti-Compton afin d’´eviter d’´eventuelles diffusions.

– partie cluster : la section arri`ere est constitu´ee de 80 scintillateurs BGO de forme hexagonale coupl´es `a 80 PM. La place pour les tubes des PM n’´etant pas limit´ee,leurs tailles et caract´eristiques sont meilleures que celles des PM de la partie clover. Par exemple, la r´esolution est de 17% `a 662 keV.

La boule BGO est constitu´ee de scintillateurs BGO d’efficacit´e totale  ≥ 0,8 qui couvrent un angle solide total Ω ≥ 0.9 strd, soit 60% de l’angle solide du mul-tid´etecteur, 40% environ de l’angle solide ´etant couvert par les d´etecteurs Ger-manium. Pour produire une information utile sur la multiplicit´e, les d´etecteurs Ge et BGO sont regroup´es pour former des ´el´ements d’efficacit´e ´equivalente cou-vrant `a peu pr`es le mˆeme angle solide. Le dispositif consiste en 164 ´el´ements

´equivalents avec une probabilit´e totale de d´etection Ptot ≥ 81% pour une ´energie

d’environ ∆M/M ≈ 0.26 (FWHM) pour M = 30. La mesure de l’´energie totale et de la multiplicit´e de la cascade gamma ´emise par le noyau servent de filtre pour s´electionner une voie de r´eaction particuli`ere. En utilisant la boule interne, la relation entre le rapport Pic sur Fond et la limite d’observation devient :

(^NP

Nf

)F = α₀R₀(0.76R)F (3.17)

o`u R0 est le facteur de r´eduction du fond li´e `a l’utilisation de la boule interne

BGO. La s´electivit´e du spectrom`etre est am´elior´ee par la tr`es bonne efficacit´e de d´etection, la grande couverture angulaire et la forte granularit´e de la boule interne.

Fig. 3.8 – Photographie de la boule interne BGO du multid´etecteur

EURO-BALL IV.

Le spectrom`etre europ´een EUROBALL IV a ´et´e install´e en 1999 aupr`es de l’acc´el´erateur VIVITRON de l’IReS de Strasbourg et a cess´e son activit´e `a la mi-avril 2003 apr`es environ quatre ann´ees d’exploitation intensive et fructueuse. Apr`es son d´emantelement, chacun des types de d´etecteurs a ´et´e allou´e `a un la-boratoire diff´erent pour des nouveaux projets. Ces campagnes post-EUROBALL

verront certains des d´etecteurs d’EUROBALL coupl´es avec des spectrom`etres de masse tr`es sp´ecialis´es. Les d´etecteurs tronconiques ont rejoint le Laboratoire de Jiv¨askyl¨a en Finlande pour former le multid´etecteur JUROGAM [Jur03] aupr`es de RITU afin d’effectuer la spectroscopie des noyaux tr`es lourds de la r´egion des Nob´eliums; les d´etecteurs clover le Laboratoire National de Legnaro en Italie pour former CLARA [Cla03] aupr`es de PRISMA pour ´etudier les noyaux riches en neutrons produits par r´eactions in´elastiques et de transfert multiple de nucl´eons; et les d´etecteurs cluster le laboratoire GSI de Darmstadt en Allemagne pour le projet RISING [Ris03] aupr`es du FRS afin d’exploiter en spectroscopie gamma les faisceaux radioactifs de haute ´energie produits par fragmentation.