Dispositif expérimental de détection

Le faisceau secondaire de masse A = 62 récupéré à la sortie du séparateur de masse (ligne IGISOL) ou encore le faisceau 62Ga pur délivré par le système JYFLTRAP est envoyé sur le dispositif de détection.

Ce faisceau radioactif collimaté arrive sur une bande de mylar aluminisé, de 100 μm d’épaisseur et d’un 1/2 pouce de largeur, qui sert à collecter les ions transmis. Cette bande d’implantation est pilotée par un dispositif de contrôle (dérouleur) qui la déplace, d’environ 10 cm, à la fin de chaque cycle de mesure pour la série Central de prise de données. Pour la série Trap, le taux de contamination étant extrêmement faible, la bande n’est déplacée que tous les 1000 (ou parfois 9000) cycles. Grâce à ces déplacements, l’activité résiduelle implantée et générée par la décroissance des noyaux de filiation β est évacuée. Ceci permet d’une part de réduire la contribution du bruit de fond γ et d’autre part de séparer clairement les différentes contributions (Ga, Cu,..) au spectre total de décroissance. Autour du point de collection est placé le scintillateur plastique employé pour la détection des particules β. Quant à la détection γ, elle est assurée par un ensemble de trois détecteurs germanium composites de type Clovers EUROBALL situés directement autour du scintillateur plastique. Les figures 2.6 et 2.7 représentent respectivement une vue schématique et une photographie du dispositif expérimental.

2.3.2.1 Détection β

La bande de mylar est localisée au centre d’un scintillateur plastique de géométrie cylindrique, de 2 mm d’épaisseur, utilisé pour la détection des particules β. Le scintillateur couvre un angle solide total de détection proche de 4π et le diamètre de son trou d’entrée, par lequel arrive le faisceau, est de 12 mm.

Les scintillateurs plastiques sont des détecteurs organiques largement utilisés dans le domaine de la physique nucléaire notamment pour la détection des électrons et des neutrons. Ils sont caractérisés par une réponse particulièrement rapide comparée à celle de leurs homologues inorganiques tels NaI(Tl) ou CsI. En revanche leur résolution en énergie est moins bonne. C’est pour cette raison qu’ils sont plutôt employés pour des mesures de comptage et de temps de vol. La détection des particules β dans le scintillateur plastique repose sur le principe de scintillation. L’interaction d’une particule chargée, par transfert

83 2.3 Expérience JYFL05 d’énergie aux électrons du matériau scintillant, provoque la fluorescence de celui-ci. La fluorescence consiste en l’émission d’une lumière de scintillation (radiation située dans le domaine du visible ou proche du visible UV) suite à la désexcitation radiative des états énergétiques électroniques peuplés après passage de la particule chargée dans le matériau.

Fig. 2.6 : Schéma en 3D du dispositif expérimental de détection. Il se compose d’un scintillateur plastique employé pour la détection des particules β émises suite à la décroissance des noyaux implantés sur la bande de mylar. Autour du scintillateur sont installés les trois Clovers Ge de type EUROBALL. Ceux-ci permettent de détecter les rayonnements γ émis en coïncidence avec les particules β.

Le scintillateur plastique utilisé au cours de l’expérience était couplé, au travers d’un guide de lumière spécial, à deux tubes photomultiplicateurs (PM). Ceux-ci sont chargés de collecter la lumière émise suite à la détection d’un positon e⁺ et de la transformer en signal électrique. Chacun des PM utilisés possède une surface de collection de 2 pouces de diamètre. En effet, c’est aux PM qu’incombe la tâche de convertir les photons de scintillation en signal électrique et cela à l’aide d’une photocathode. Cette dernière est construite à partir d’un matériau caractérisé par une énergie d’extraction suffisamment faible pour que les photons incidents puissent arracher les électrons après interaction photoélectrique. Les photoélectrons ainsi libérés sont collectés et multipliés le long d’une série d’une dizaine de dynodes. L’avant dernière d’entre elles sert de sortie pour l’analyse rapide des signaux (logique) tandis que la dernière appelée “anode” est utilisée pour les mesures d’énergie.

Durant l’expérience JYFL05, l’ensemble scintillateur−guide de lumière était placé à l’intérieur d’une enceinte en aluminium afin d’assurer la condition d’étanchéité à la lumière nécessaire pour éviter le bruit de fond de la salle provenant de la lumière environnante (cf. figure 2.7). Quant à la rejection du bruit de fond électronique, elle est réalisée en imposant le critère de coïncidence entre deux signaux (β1 et β2) : un événement de décroissance est retenu

Scintillateur plastique

Clovers germanium

Bande mylar Faisceau 62Ga

seulement si la particule β est détectée par les deux photomultiplicateurs en même temps. Ceci justifie l’emploi de deux tubes PM.

L’efficacité de détection β totale pour le scintillateur utilisé avoisine les 90%. Elle a été mesurée durant la phase de tests (avant l’expérience) en utilisant une source émettrice β− de

90Sr placée au centre du détecteur. Les tests ont également permis de déterminer le régime de fonctionnement optimal (région du plateau) pour chacun des PM : 2000V pour PM1 et 1900V pour PM2. La tension de polarisation des PM était maintenue aux mêmes valeurs durant la quasi-totalité de la prise de données.

2.3.2.2 Détection γ

Dans le cadre de l’expérience JYFL05 dédiée à l’étude de l’émission γ dans la décroissance β⁺ de 62Ga, les rayonnements γ sont détectés par trois Clovers germanium de type EUROBALL de haute résolution. Chaque Clover est composé de quatre cristaux germanium hyper purs (HPGe). Les détecteurs individuels ont les dimensions de 50 mm de diamètre et de 70 mm de long. Les cristaux Ge sont assemblés de manière compacte et montés dans un même cryostat, fabriqué en aluminium d’une épaisseur de 1.5 mm, avec une alimentation haute-tension commune. En outre, ils sont reliés à un réservoir d’azote liquide qui permet de les refroidir à la température de 70K, température nécessaire pour limiter le bruit de fond thermique.

Fig. 2.7 : Photographie du dispositif de détection dans la configuration de l’expérience JYFL05. Les trois Clovers EUROBALL sont identifiables grâce aux enceintes cylindriques de refroidissement. Les deux tubes métalliques (vertical et horizontal) constituent les capots en aluminium contenant les photomultiplicateurs. Le scintillateur plastique occupe la position centrale et enferme la bande de mylar qui y est acheminée par le bas.

85 2.3 Expérience JYFL05 Les Clovers EUROBALL utilisés lors de l’expérience sont segmentés mécaniquement. La segmentation en cristaux des détecteurs permet de collecter l’énergie déposée par un rayonnement γ dans chaque cristal touché. La segmentation fournit donc quatre mesures individuelles et indépendantes Eγi (i = 1 à 4) de l’énergie cédée par la radiation γ : on parle de mode direct de mesure. Par ailleurs, l’utilisation d’un détecteur composite offre la possibilité de récupérer l’énergie totale cédée par un rayonnement γ ayant interagi dans plusieurs cristaux adjacents du même Clover en appliquant la correction add-back (cf. paragraphe 2.2.3). Celle-ci consiste en la sommation des énergies partielles dans deux ou plusieurs cristaux touchés, événement par événement.

Les trois Clovers Ge sont placés directement autour du détecteur β dans une géométrie fermée de façon à couvrir le maximum d’angle solide de détection d’événements γ. Dans le montage de l’expérience (cf. figure 2.7), les Clovers Ge se trouvaient typiquement à une distance de 40 mm de la source (point d’impact du faisceau sur la bande de mylar). Durant la prise de données, un blindage formé de lingots de plomb était disposé tout autour des détecteurs Ge afin d’assurer leur isolation. L’intérêt étant de réduire le plus possible la contribution du bruit de fond γ dans la salle d’expérience. Celui-ci provient essentiellement des éléments radioactifs entrant dans la composition du béton des murs ainsi que de l’interaction des rayons cosmiques dans l’atmosphère terrestre.