Le spectromètre magnétique PRISMA

Afin d’étudier les différents noyaux quasi-projectiles produits dans les réactions de transfert très inélastiques, nous utilisons le spectromètre magnétique PRISMA, dont les performances sont répertoriées dans le tableau 2.2.

quasi-T. 2.1– Caractéristiques de l’expérience CLARA-PRISMA réalisée en Février 2007.

Tension du Tandem 13.5 MV

Composition du faisceau 82Se

Charge du faisceau 12+

Energie du faisceau 515 MeV

Intensité du faisceau '45 nA

Composition de la cible 238U

Epaisseur de la cible 1.01 mg/cm2

Epaisseur du support C 40 µg/cm2(avant) + 10 µg/cm2(arrière)

Angle de grazing 64°

Coïncidence PPAC-Ge '1.8 kHz

T. 2.2– Caractéristiques optimales du spectromètre PRISMA.

Angle solide '80 msr

Acceptance en énergie ±20 %

Pouvoir de résolution p/∆p '2000

Résolution en masse 1/300 via TOF

Résolution en énergie 1/1000 via TOF

Résolution en Z 1/60

Produit Masse Energie ME/q² =70 MeV amu

Correction cinématique via software

Correction d’aberration via software

Dispersion 4 cm/%

Capacité de taux de comptage jusqu’à 2.105sec−1

projectiles émis dans son cône d’acceptance, puis les identifie au plan focal.

La bonne résolution en masse est acquise par reconstruction software des trajectoires des ions. Ceci est possible en utilisant les signaux de position et temps à l’entrée et au plan focal du spectromètre, ainsi que la mesure de l’énergie des fragments détectés.

Le design de PRISMA est assez simple. En effet, il consiste en un dispositif optique composé d’un quadrupôle et d’un dipôle, ainsi que d’un ensemble de détecteurs permettant l’identification des fragments.

Nous allons tout d’abord présenter succintement le dispositif optique, avant de s’attarder sur l’ensemble des détecteurs appartenant à PRISMA.

Dispositif optique

Le quadrupôle (∅=30 cm, longueur=50 cm) est placé à 50 cm à l’arrière de la cible à θ_gret sert à focaliser verticalement les fragments entrants tout en les défocalisant horizontalement. Le dipôle, qui est la pièce maîtresse du dispositif optique, est séparé d’environ 60 cm de la sortie du quadrupôle. Ses fonctions de focalisation-défocalisation sont inverses de celles du quadru-pôle. Il possède un angle de déflection de 60° pour les trajectoires centrales et un rayon de courbure de 1.2 m. Les limites du champ effectif dans le dipôle sont représentées par des lignes pleines sur la figure 2.3. Le produit masse-énergie (ME/q2) est de 70 MeV.amu, et la dispersion de 4 cm/%. Son grand angle solide de 80 msr correspond aux acceptances ∆θ ' 12 horizon-talement et ∆φ ' 22 dans le plan vertical. Toutefois les caractéristiques les plus intéressantes

F. 2.3– Vue schématique du spectromètre magnétique PRISMA.

sont la très bonne résolution en masse obtenue via la mesure du temps de vol (TOF), la résolu-tion en énergie proche de 1/1000, ainsi que la grande acceptance en énergie de ±20% de PRISMA.

Dispositif de mesures et d’identification

La reconstruction de la trajectoire des ions et leur identification nécessitent la mise en oeuvre des trois détecteurs décrits ci-dessous :

I MCP Le détecteur d’entrée du spectromètre PRISMA, placé en amont du quadrupôle, est composé de deux MCP, acronyme de Micro-Channel Plate, montés en chevron (80 × 100mm2), couvrant l’ensemble de l’angle solide de PRISMA. Ils donnent les positions X, Y ainsi qu’un signal temps pour les ions entrants dans le dispositif. En effet, les MCP détectent les électrons secondaires produits lors de l’interaction des fragments avec une fine feuille de carbone. Les électrons sont accélérés jusqu’à 300 eV et un champ magnétique parallèle à ce champ électrique est appliqué dans le but de préserver les informations sur les positions, en amoindrissant la dispersion des électrons. Les électrons ainsi multipliés sont collectés sur l’anode. Cette dernière consiste en deux lignes de tungstène plaqué d’or (∅ = 100µm) s’enroulant autour de deux cylindres de plexiglas de diamètres différents, leur permettant d’être isolées l’une de l’autre. Les tensions appliquées sont également différentes pour les deux lignes, de manière à partager

F. 2.4– MCP de PRISMA.

équitablement la charge venant du MCP. Comme on peut le voir sur la figure 2.4, les positions X, Y sont obtenues par la différence de temps entre ces lignes et un signal temps rapide de référence, dérivé du second MCP à travers une capacité.

F. 2.5– MWPPAC de PRISMA.

I MWPPAC Au plan focal de PRISMA, soit à environ 6.5 m du MCP, on trouve tout d’abord un MWPPAC divisé en 10 sections égales et indépendantes formant une surface active de 100 × 13cm2. La structure, présentée en figure 2.5, est composée de trois électrodes : une cathode centrale soumise à une tension élevée pour la mesure du temps et deux plans de fils en X, Y, reliés à la masse, donnant les positions. Ces deux plans sont à égale distance (2.4 mm) de la cathode.

Les fils donnant la position en X sont séparés de 1 mm sur une largeur totale de 1000 mm. De plus, bien que le MWPPAC soit subdivisé en 10 entités indépendantes, ces dernières ont été conçues de manière à préserver cet écart entre deux sections consécutives.

La position en Y est déterminée par une seule section de 136 fils longs de 1 m et séparés de 1 mm les uns des autres, afin de préserver la symétrie du champ électrique. Comme la résolution en Y demandée est de 2-3 mm seulement, les fils sont connectés par groupe de deux, donnant 68 positions effectives en Y avec une résolution de 2 mm.

position en faisant la différence en temps entre les signaux reçus de part et d’autre d’une même ligne.

La trajectoire des ions dans le dipôle peut être déterminée ainsi que le TOF en utilisant la différence temporelle entre le signal start donné par le MCP et le signal stop, donné par la ca-thode du MWPPAC. En outre, connaissant la position de la cible, le MCP permet de déterminer la direction des ions avec une incertitude inférieure à 0.5° et contribue à la détermination off-line de leurs vitesses (par la connaissance du TOF), améliorant grandement la correction Doppler des raies γ en coïncidence avec les fragments.

F. 2.6– Chambre à ionisation de PRISMA.

I Chambres à ionisation Dans le plan focal de PRISMA, un ensemble de chambres à ionisation (IC) est positionné à 60 cm en aval du MWPPAC, avec un volume actif de 120cm3(profondeur× largeur× hauteur) segmenté en 10 parties se trouvant dans un unique volume de gaz. Dans notre cas, ce dernier est du méthane (CH₄) pur à 99% à une pression de 70 mbar. Le méthane permet une vitesse de dérive des électrons élevée, soit une bonne résolution en énergie malgré un taux de comptage important. Chaque partie est elle-même subdivisée en 4 sections dans la profondeur de manière à mesurer la perte d’énergie ∆E ainsi que l’énergie totale déposée E. En effet, lors de leur passage à travers la matière, les particules chargées interagissent par collision avec les électrons du milieu traversé. Ces collisions conduisent à l’ionisation du matériau. L’énergie déposée par la particule incidente est en moyenne proportionnelle au nombre de paires électron-ion créées :

n₀= ^∆E

W ^(2.1)

où n₀est le nombre total de paires, ∆E l’énergie perdue par la particule dans le milieu traversé et W l’énergie effective à fournir pour créer une paire électron-ion.

Les électrons issus de l’ionisation dérivent sous l’effet d’un champ uniforme vers la grille de Frisch commune à chaque section et composée de 1200 fils de tungstène plaqué d’or (∅ = 100µm) espacés de 1 mm. Ils sont ensuite amplifiés au niveau des fils d’amplification et collectés. La charge recueillie par les sections permet de mesurer la perte d’énergie des fragments dans la chambre. Deux sections supplémentaires (Side Detector), encadrant les chambres à ionisation, sont utilisées comme véto, afin de s’affranchir des ions sortant des chambres à ionisation. Ainsi, il est possible d’identifier les divers fragments, vu que la perte d’énergie ∆E est liée à la charge atomique par la formule de Bethe-Bloch pour les particules lourdes non relativistes, s’écrivant sous la forme :

∆E ∆x ^∝

AZ²

or, comme ^∆E_∆x et E sont connus, il est possible d’identifier les divers produits de réaction en visualisant la matrice ∆E versus E.