Les différentes configurations (longueur du cristal, scintillateur, revêtement) étudiées sont résumées dans le tableauIII.2.
État de
Revêtement Épaisseur (µm) LYSO GAGG
surface 50 mm 75 mm 100 mm 75 mm Dépoli Teflon 75 X 150 X X X X 225 X 300 X ESR 65 X PVC blanc 75 X 150 X 225 X BaSO4 + Aluminium 180 + 20 X X X Kapton 65 X Poli ESR 65 X
Table III.2 – Les configurations marquées d’un "X" ont été étudiées
Revêtement du barreau scintillateur
Pour la plupart des configurations étudiées, le cristal est dépoli, car cela se prête mieux à l’emploi de revêtement réfléchissant. Le teflon utilisé est un ruban de teflon GEB, d’épaisseur 75 µm et de largeur 12 mm, qui est ensuite enroulé autour du cristal. Le revêtement en PVC blanc est thermorétractable, offrant des facilités de conditionnement, une plus grande robustesse et une meilleure reproductibilité que le teflon. Le BaSO4
est principalement diffusant, avec un haut coefficient de réflexion, de l’ordre de 98 % à 420 nm [ Patterson et al. 1977 ]. Le revêtement ESR (pour Enhanced Specular Reflector) est fourni par 3M, avec une épaisseur de 65 µm sous forme de planche, qui est ensuite découpée en quatre bandes du bon format pour correspondre aux dimensions du cristal. C’est un revêtement purement spéculaire, avec un haut coefficient de réflexion, supérieur à 98 % [ Janecek et Moses 2008 ].
Couplage optique
Pour toutes ces configurations, les photons de scintillation générés ont été collec- tés de la même façon : à l’aide de SiPM Hamamatsu. Le couplage entre le cristal et les SiPM est assuré par de la graisse optique BC-630 de l’entreprise Saint-Gobain. La graisse optique BC-630 a un indice de réfraction de 1.465, et un taux de transmission de 95 % de 280 à 700 nm, une gamme de longueur d’onde suffisante pour le LYSO et le GAGG.
Banc de mesures
Un collimateur en tungstène, avec un trou de diamètre 2 mm, est placé au-dessus de ce cristal. Sur ce collimateur est placée une source de 22Na, d’activité 200 kBq environ. Cet isotope est émetteur β+ (causant par la suite une paire de gammas de 511 keV), et émetteur de gamma à 1.27 MeV. Le collimateur est tel que son épaisseur laisse passer moins de 1 % des photons gamma de 511 keV. En revanche, les photons gamma 1.27 MeV émis par la source ne sont que peu stoppés. Afin de pallier ce problème, ainsi que le déclenchement lié à la radioactivité interne du LYSO, un deuxième cristal est utilisé. Dans l’alignement du LYSO et de la source de 22Na, un cristal de NaI:Tl cylindrique de diamètre 15 mm et d’épaisseur 30 mm est couplé à un SiPM. Un événement n’est validé et enregistré qu’à condition de déclencher à la fois les deux extrémités du LYSO et le NaI. Ainsi, on s’affranchit des événements de 1.27 MeV du 22Na, et de la radioactivité interne
du LYSO. Les angles solides mis en jeu sont tels que le NaI n’est pas plus sélectif que le collimateur avec un trou de 2 mm. L’ensemble formé par le collimateur, la source, et le NaI couplé au SiPM est placé sur une platine de translation 3 axes. Deux axes sont réglés afin de se placer au plus près au-dessus du cristal et au centre. Le troisième axe est piloté sous LabView, afin de déplacer automatiquement l’ensemble le long du cristal à intervalle régulier de 5 mm. La distance entre le collimateur et le cristal est telle que le diamètre
Figure III.21 – Schéma du montage utilisé pour les mesures expérimentales
du faisceau est de 3 mm au niveau du cristal scintillateur. La Figure III.21 schématise le montage décrit ci-dessus. Ce dernier a été monté avec l’aide du service instrumentation du laboratoire (Laurent Pinot, Batiste Janvier et Cédric Esnault), notamment pour les aspects mécaniques et électroniques.
1.1.1 Réglages de l’électronique
L’électronique de lecture a été ajustée afin d’obtenir des résultats robustes et optimaux. Ainsi, les paramètres tels que le gain d’entrée, le temps d’intégration et le délai du "hold" ont été calibrés avant toute mesure. Le gain d’entrée a des réglages différents selon les revêtements et les cristaux étudiés. Pour le réglage de ce dernier le critère était simple : choisir un gain tel qu’on se situe légèrement en dessous de la saturation de l’électronique, dans l’objectif d’utiliser au mieux la dynamique de l’ADC.
Le temps d’intégration du signal ainsi que le délai, quant à eux, dépendent du SiPM ainsi de la constante temporelle de scintillation du cristal. La constante de décharge des SiPM utilisés se situe aux alentours de 30 ns. Le LYSO, quant à lui, a une constante de temps de 41 ns, contre environ 90 ns pour le GAGG. Les temps d’intégration optimaux vont donc être différents. Pour le LYSO, l’optimum a été trouvé pour un temps d’intégration de 50 ns et un délai de 80 ns. En ce qui concerne le GAGG, l’optimum a été trouvé pour un temps d’intégration de 75 ns et un délai de 125 ns. Afin de déterminer cet optimum, la position du pic photoélectrique est présentée sur la Figure III.22 pour différents temps d’intégration et délais. On observe donc que la valeur optimale pour le GAGG est un temps d’intégration de 75 ns, et un délai de 125 ns.
Figure III.22 – Valeur de la position du pic photoélectrique en fonction du délai, pour différents
temps d’intégration, avec du GAGG
1.1.2 Réglages des SiPM
Pour exploiter de façon optimale la division de lumière, les SiPM doivent répondre de la même façon, c’est-à-dire présenter en particulier le même gain. Il est donc nécessaire de régler la tension d’alimentation de chaque SiPM individuellement, afin d’ajuster les gains au même niveau. Ces tensions d’alimentation peuvent être réglées à l’aide de la carte EASIROC, sur une gamme de 2.5 V et un pas d’environ 10 mV, grâce au DAC propre à chaque voie de 8 bits.
Avec un montage expérimental dédié, les SiPM sont éclairés de façon uniforme avec une LED à très bas niveau de lumière, de façon à pouvoir distinguer les photoélectrons, comme on peut le voir sur la Figure III.23. Ainsi, la mesure de l’écart entre les photo-
Figure III.23 – Acquisition à bas niveau de lumière avec un SiPM : on distingue le piédestal suivi
des signaux de 1, 2, 3... photoélectrons
électrons donne une mesure du gain (en unité arbitraire). Cette mesure est effectuée pour différentes valeurs de tension d’alimentation. Avant ajustement individuel de la tension d’alimentation, on observe sur la Figure III.24 deux populations de gain, provenant des deux SiPM distincts. Après ajustement des gains, la déviation standard sur les gains est inférieure à 3 % à 74 V (la tension d’alimentation utilisée par la suite pour tous les ré- glages). La tension d’alimentation a également été optimisée pour la résolution en énergie. Si la tension d’alimentation est trop faible, le PDE sera bas, et donc les résultats ne se-
Figure III.24 – Évolution du gain (en unité arbitraire) des 8 SiPM utilisés en fonction de la
tension d’alimentation, avant ajustement individuel à gauche, après ajustement individuel à droite
ront pas optimaux. À l’inverse si la tension d’alimentation est trop élevée, les effets liés au cross-talk et au bruit d’obscurité vont dominer et augmenter le bruit. Une valeur de tension doit a priori optimiser la résolution en énergie.
Une mesure a donc été réalisée sur un cristal de LYSO de 75x6.2x6.2 mm3 avec comme
revêtement 2 couches de 75 µm de teflon, lu par les SiPM ajustés en gain. La source était placée au centre de l’axe longitudinal du cristal, et une gamme de tension allant de 73.4 à 74.6 V par pas de 100 mV a été balayée. La résolution en énergie présente une plage de valeurs optimale s’étendant de 74 à 74.3 V, comme le montre la Figure III.25. Pour
Figure III.25 – Résolution en énergie en fonction de la tension d’alimentation pour un cristal de
LYSO de 75×6.2×6.2 mm3 enveloppé dans 150 µm de teflon
toutes les mesures effectuées par la suite dans ce chapitre, la tension d’alimentation sera la même, fixée à 74.0 V.