chaque fragment détecté, ainsi que de mesurer son énergie et son angle d’émission. Cela implique également la connaissance précise du nombre d’ions carbone incidents. Un dispositif permettant de telles mesures entre 3° et 39° a été mis en place et sera décrit dans la section suivante. Cette expérience avait comme but de mesurer la production de fragments chargés. Pour cette raison, aucune détection de neutrons n’a été réalisée.
Cette expérience a été réalisée dans le cadre du projet France HADRON [66], qui a fourni le support financier nécessaire pour obtenir le temps de faisceau au GANIL.
2.1 Dispositif expérimental
Le dispositif expérimental était placé sur la ligne G2 du GANIL, avec un faisceau de
12C dont l’énergie a été mesurée à 50,13 MeV/n. La détection des fragments chargés était assurée par cinq télescopes, dont quatre étaient placés sur des bras rotatifs et confinés sous vide dans la chambre à réaction ECLAN. La position des bras était réglable à distance par ordinateur, permettant ainsi de modifier l’angle des détecteurs. Le cinquième télescope était fixé à un angle de 3° dans une petite chambre à vide plus loin sur la ligne, afin d’éviter au maximum de détecter les ions du faisceau. Toutes les cibles étaient disposées sur un porte cible à l’intérieur de la chambre ECLAN. Ce porte cible était également pilotable par ordinateur, permettant de choisir la cible à distance. Un moniteur faisceau était disposé en aval de la chambre à réaction. Il était constitué d’une feuille d’argent, qui lors du passage d’un ion va émettre des rayons X qui seront collectés par un détecteur Si(Li). Une vue globale du dispositif est présentée en figure 2.1 (a). Deux vues plus serrées sur le porte cible et le cinquième télescope sont présentées en figures 2.1 (b) et (c).
2.1.1 Cibles utilisées
Comme évoqué en introduction, nous avons utilisé pour cette expérience des cibles de C, CH2, Al, Al2O3, Ti et PMMA. Le calcul des sections efficaces dépend directement de la densité de noyaux cibles vus par le projectile. Cette densité, aussi appelée masse surfacique, correspond au produit de la densité volumique de noyaux du matériau par son épaisseur, notée ρ × e (voir eq. 2.3). La précision donnée par le constructeur sur cette grandeur étant de l’ordre de 10 %, nous avons donc entrepris de les déterminer plus précisément en utilisant une balance de précision (σm ≈ 2 · 10−4g) et une règle de précision (σl≈ 2 · 10−2cm), permettant des incertitudes sur les masses surfaciques infé-rieures à 1 %. Les caractéristiques de ces cibles (épaisseur, masse surfacique et incertitude associée) sont regroupées dans le Tableau 2.1.
2.1.2 Détecteurs de fragments chargés
Pour la détection des particules chargées, cinq télescopes identiques composés de trois étages de détection ont été utilisés. Les deux premiers étages étaient composés de diodes silicium, la première d’une épaisseur d’environ 150 µm (nommée silicium fin par la suite) et la deuxième d’une épaisseur d’environ 500 µm (nommée silicium épais par la suite). Leurs épaisseurs sont regroupées dans le tableau 2.2. Le troisième étage était composé d’un scintillateur inorganique CsI:Tl de 7,5 cm de longueur couplé à un photomultiplicateur (PM). Afin d’éviter la détection de la lumière de scintillation dans
(a)
(b)
(c)
Figure 2.1 – Représentation du dispositif utilisé pour l’expérience. En haut, vue de dessus de l’ensemble du dispositif, sur laquelle sont visibles tous les télescopes, le mo-niteur faisceau, le porte cible et la chambre de réaction ECLAN. En bas à gauche, vue rapprochée sur l’intérieur de la chambre à réaction, dans laquelle sont visibles les quatre télescopes mobiles et le porte cibles. En bas à droite, vue rapprochée sur le télescope fixe, en dehors de la chambre à réaction.
2.1. Dispositif expérimental Cibles Epaisseur e (µm) ρ× e (mg·cm−2) σρ×e ρ×e (%) C 250 42.6 0.46 CH2 400 36.6 0.56 Al 150 39.8 0.25 Al2O3 150 50.4 0.07 Ti 100 47.9 0.22 PMMA 500 71.5 0.80
Table 2.1 – Caractéristiques des cibles utilisées : épaisseur (en µm), masse surfacique
ρ× e (en mg·cm−2) et l’erreur relative associée σρ×e
ρ×e (en %).
le silicium épais, une feuille réfléchissante de Mylar aluminisée de 2,5 µm d’épaisseur a été placée entre le deuxième et le troisième étage du télescope.
Télescope 1 2 3 4 5
Si fin (µm) 164 159 152 156 161
Si épais (µm) 506 506 506 506 506
Table 2.2 – Valeurs données par le constructeur pour les épaisseurs (en µm) des diffé-rentes diodes silicium utilisées dans les télescopes.
Le diamètre actif de chaque silicium était de 19,5 mm, pour une surface d’environ 300 mm2. Ils étaient séparés d’une distance de 8 mm, due à l’épaisseur de leurs arma-tures. La distance entre le silicium épais et le scintillateur était d’environ 6 mm. Le scintillateur était de forme conique (voir figure 2.2), avec un rayon d’entrée de 25 mm et un rayon de sortie de 28 mm. Cette forme a été choisie de façon à limiter les effets causés par la sortie des particules par les parois du détecteur sans avoir déposé l’intégralité de leur énergie.
Les quatre télescopes mobiles situés à l’intérieur de la chambre de réaction étaient disposés par paire sur deux bras rotatifs. Sur un même bras, les télescopes étaient séparés d’un angle de 9°. L’entrée de chaque télescope était à une distance de 28,75 cm de la cible, couvrant ainsi chacun un angle solide de 3,67 msr. Le dernier télescope était fixé à une distance de 81,36 cm et à un angle de 3°, couvrant un angle solide de 0,45 msr.
2.1.3 Moniteur faisceau
Le dispositif de monitorage faisceau utilisé était constitué d’une feuille d’argent d’une épaisseur de 7 µm placée dans le faisceau, en aval du dispositif de détection. Cette feuille était orientée à 45° de façon à faire face à un détecteur Silicium-Lithium (Si(Li)) qui avait pour fonction de compter les rayonnements X émis lors du passage du faisceau. Le nombre de rayons X émis étant proportionnel au nombre d’ions carbone traversant la feuille, l’intensité faisceau peut donc être facilement calculée. La figure 2.3 montre la feuille
Figure 2.2 – Vue en coupe d’un télescope.
Figure 2.3 – Vue rapprochée sur le dispositif de monitorage faisceau sur laquelle sont représentés la feuille d’argent et le détecteur Si(Li) ainsi que son système de refroidisse-ment.
d’argent et le détecteur Si(Li). Pour assurer un bon fonctionnement et une meilleure résolution, le détecteur Si(Li) devait en permanence être refroidi à l’azote liquide. Le réservoir est également visible sur cette figure. Le moniteur faisceau est également visible au sein du dispositif expérimental global, sur la figure 2.1.