Le calorim` etre de GLAST
2.4 Le mat´ eriau actif : des barreaux de CsI(Tl)
densit´e 4.53 g·cm−3
indice de r´efraction 1.79
longueur d’interaction 37 cm
longueur de radiation X0 1.85 cm
rayon de Moli`ere RM 3.8 cm
temps de relaxationτr 0.5−1µs
temps de relaxationτl 7µs
poids du mode rapide f (protons) 70%
pic d’´emission 565 nm
rendement lumineux 5·104photons·MeV−1
pertes d’´emission 0.20 %/◦C
r´esistance aux rayonnements ionisants 10 Gy Tab.2.1 – Caract´eristiques des scintillateurs au CsI(Tl).
2. dEdx est l’´energie perdue par la particule incidente par unit´e de longueur dans le CsI(Tl).
3. dEdL est la luminosit´e cr´e´ee par unit´e d’´energie d´epos´ee dans le CsI(Tl) .
Les ´el´ements deux et trois sont int´egr´es le long de la trajectoire de la particule dans le cristal.
Leur expression d´epend de la nature (masse, charge et ´energie) de la particule incidente et feront l’objet de la sous-section 3.1.2 du chapitre suivant. Nous n’abordons ici que le troisi`eme.
4. TPropdonne l’att´enuation du signal lumineux qui se produit durant sa propagation dans le cristal.
5. TAna est la fonction de r´eponse des diodes, qui permettent la transformation du signal lumineux en signal analogique.
6. TDigi est la fonction de r´eponse du syst`eme de lecture, qui produit l’amplification et la digitisation du signal analogique.
Ces diverses transformations du signal aboutissent au signal mesur´eU. Notons que le but de la calibration en ´energie des cristaux, chapitre 3, sera d’associer `a la mesureU l’´energie d´epos´ee E0 =R
trajectoiredxdEdx.
La description du calorim`etre suit le trajet du signal. On d´ecrit en premier les cristaux dans lesquels se d´epose l’´energie des particules incidentes. Dans cette section 2.4 sont abord´ees la cr´eation d’un signal lumineux (dEdL) `a partir du d´epˆot d’´energie et sa propagation jusqu’au sys-t`eme de lecture (TProp). La section 2.5 traite ensuite de la transformation du signal lumineux en signal ´electrique analogique par les diodes (TAna), puis de l’amplification et la digitisation men´ee par l’´electronique de sortie (TDigi). La section 2.2 s’int´eresse aux essais environnemen-taux effectu´es sur chaque module. Ils permettent de s’assurer que ceux-ci pourront supporter les contraintes particuli`eres au domaine spatial.
2.4 Le mat´ eriau actif : des barreaux de CsI(Tl)
Le scintillateur retenu est le cristal de iodure de c´esium dop´e au thalium - le CsI(Tl). Ses caract´eristiques sont pr´esent´ees dans le tableau 2.1. Les barreaux du calorim`etre constituent le mat´eriau actif du calorim`etre. Leur dimensions sont de 326.5×26.7×19.9 mm. La production des cristaux de CsI(Tl) et leur usinage a ´et´e assur´ee par la soci´et´e Amcrys-H (Ukraine). Le contrˆole qualit´e et une premi`ere calibration des cristaux ´etait assur´ee par des laboratoires su´edois `a l’universit´e de Kalmar, l’universit´e de Stockholm et l’Institut Royal de Technologie (KTH).
42 CHAPITRE 2. LE CALORIM `ETRE DE GLAST 2.4.1 Le signal lumineux dans les scintillateurs inorganiques
La production de lumi`ere (dLdE) dans le CsI(Tl) r´esulte de la d´esexcitation des ´electrons du cristal de la bande de conduction `a la bande de valence, l’excitation r´esultant du passage de la particule ionisante. L’ajout d’impuret´es, les atomes Tl, permet de diminuer localement la barri`ere de potentiel entre les deux bandes et par l`a d’augmenter la production de lumi`ere.
On dit alors que le cristal est dop´e. Ce dopage a aussi pour effet de transformer le spectre de l’´emission en augmentant les modes entre 500 et 1100 nm au d´epend de ceux autour de 400 nm [55]. Ce spectre est alors plus adapt´e `a une lecture par des diodes Si (voir sous-section 2.5.1).
Dans un premier temps on s’int´eresse aux non-lin´earit´es dans la conversion dLdE suivant la nature des particules. Dans un second temps, on consid`ere la forme temporelle de l’´emission qui intervient dans la mesure du signal, plus pr´ecis´ement dans la conversion du signal lumineux en signal analogique TAna(D0).
Lin´earit´e de l’´emission
La lin´earit´e de la luminosit´e du scintillateur suivant l’´energie, la charge ou la masse de la particule incidente ne saurait ˆetre consid´er´ee comme acquise. En particulier, l’effet dit de quenching[14][13], ou ´etanchement, affecte les d´epˆots d’´energie par des ions. Or leur mesure intervient dans la calibration des gains (description sera faite dans le chapitre suivant). Il est donc n´ecessaire de param´etriser correctement les non-lin´earit´es. Des mesures prises sur acc´elerateurs permettront de d´eterminer ph´enom`enologiqment la courbe dLdE en fonction de la nature des ions incidents (voir sous-section 3.5). Cette partie s’attache `a comprendre les raisons th´eoriques duquenching.
L’effet d’´etanchement r´esulte de la densit´e limit´ee d’´electrons excitables dans le cristal.
Lorsqu’une particule au pouvoir ionisant important passe dans un cristal, il peut localement
´epuiser la r´eserve d’´electrons non-excit´es dans la bande de valence. Des modes autres que radiatifs se mettent alors en place. Il peut s’agir de modes d’excitation cristallins, tel les phonons - ´etats vibratoires du cristal. Des modes non-radiatifs de capture d’´electron-trous prennent aussi plus d’importance. Tous sont parasites car ils ne contribuent pas `aD0 et donc
`a la mesure du d´epˆot d’´energie. Cet effet, bien compris `a basse ´energie, est d’autant plus sensible que la particule est charg´ee et lente. Classiquement [14][13], pour un d´epˆot d’´energie C, la luminosit´eLest d´ecrite pour des ions de basse ´energie (E <50 MeV/nucl´eon) et de bas num´ero atomique (Z <16) par :
dL
dx ∼ NdCdx
1 +KdCdx (2.2)
d’o`u :
dL
dC ∼ N
1 +KdCdx (2.3)
avec :
– NdCdx le nombre d’´electron-trous cr´e´es au passage de la particule.
– KdCdx la propension des ´electron-trous `a se d´esexciter de fa¸con non-radiative du fait d’excitations de la structure cristalline.
La luminosit´e est donc lin´eaire pour des d´epˆots d’´energie faible puis tend `a saturer lorsque KdCdx se rapproche de 1.
A haute ´energie, les rayons δ (les ´electrons ´eject´es hors de leur orbite, voire mˆeme de la bande de conduction, par le choc avec l’ion) r´eduisent l’effet d’´etanchement. L’´energie cin´etique qu’ils emportent, pouvant atteindre plusieurs keV, sera d´epos´ee plus loin dans le cristal, hors
2.4. LE MAT ´ERIAU ACTIF : DES BARREAUX DE CSI(TL) 43 du rayon d’ionisation (400 nm) de l’ion. Ce rayon caract´erise la distance sur laquelle la particule incidente agit sur le mat´eriau par excitation des ´electrons. Ces divers effets ne sont mesur´es que de fa¸con relative, en prenant le proton comme r´ef´erence. Son potentiel ionisant est suffisamment faible pour que ces effets soient n´egligeables. Par rapport au proton, les mesures conduites au GSI [74] par la collaboration indiquent que l’´etanchement non seulement se r´eduit mais, de fa¸con surprenante, s’inverse pour des ions plus lourds (voir les mesures not´ees EM de la figure 3.43). Cet effet d’anti-quenching[74] reste pour l’instant incompris. Une caract´erisation empirique du ph´enom`ene suffit pour proc´eder `a la calibration en gain des barreaux. Les muons d’une masse neuf fois inf´erieure aux protons, et de charge ´egale ou oppos´ee, sont autant affect´es par ces effets que les protons. Notons que les gerbes ´electromagn´etiques, constitu´ees de photons et d’´electrons, ne sont donc pas affect´ees par le quenchingou l’anti-quenching.
Temps d’´emission
L’´emission du CsI(Tl) dans le temps est complexe. Elle est souvent mod´elis´ee [17] [74] par deux exponentielles :
L(t) =Ltot·(f
τre−τrt +1−f
τl e−τlt) (2.4)
On distingue donc une composante de temps de relaxation longue (τl ∼7µs) et rapide (τr ∼ 0.5−1µs). Ltot est la luminosit´e totale int´egr´ee sur le temps. Enfin le param`etre f ∼ 70%
indique l’importance relative d’un mode par rapport `a l’autre. Ces modes d´ecrivent deux processus radiatifs diff´erents. La composante lente r´esulte de la capture individuelle d’´electrons et de trous libres. La composante rapide provient de la recombinaison des excitons par le biais des sites de thalium.
La mesure du d´epˆot d’´energie dans les cristaux de GLAST s’effectue via la mesure de la hauteur du pic du signal sur une fenˆetre de temps donn´ee. Les variations des poids des modes radiatifs en fonction de la nature (masse, charge et ´energie ) des particules incidentes influe sur le signal. La fonction de r´eponse TDigi ne conserve que la composante τr car une mise en forme du signal, filtrant la composante temporelle longue, pr´ec`ede la mesure du pic. Or le poids f et donc la mesure TDigi(D0) sont fonction de la nature des particules. La conversion U `aE0 n´ecessite donc une meilleure compr´ehension des param`etresτr, τl et f.
Les modes radiatifs ob´eissent `a des processus diff´erents d’excitation et de d´esexcitation.
On s’attend donc `a ce que les param`etres τl, τr et f soient diff´erents selon les ions incidents, ce qui a ´et´e abord´e par [44] o`u il a ´et´e remarqu´e que le temps de relaxationτr est fonction du nombre atomique Z de la particule incidente. Le poidsf entre les deux modes pourrait varier de 65% `a 85% entreZ = 1 etZ = 6. En tout ´etat de cause, ces exemples ne sont valables qu’`a des ´energies de moins de∼100 MeV par nucl´eon. A plus haute ´energie, aucune exp´erience n’a rapport´e de mesures pr´ecises deL(t) dans le CsI(Tl).
La collaboration GLAST a effectu´e des mesures des param`etres τl, τr et f dans le cadre des essais men´es au GSI, ce qui sera d´ecrit dans la sous-section 3.5. En effet, leur variations peuvent expliquer en partie les effets d’anti-quenching.
2.4.2 D´epolissage des cristaux, effets sur la propagation
La position mais aussi le d´epˆot d’´energie sont mesurables par l’effet d’att´enuation (ou tapering). Dans le calorim`etre de GLAST, cet effet est encore augment´e en d´epolissant deux des surfaces lat´erales des cristaux. Le premier effet est parasite. C’est la diminution de l’angle total de r´eflection, c’est-`a-dire l’angle maximal `a la normale d’une surface pour lequel un rayon lumineux sera r´efl´echi plutˆot que r´efract´e. Le d´epolissage augmente donc la fraction de lumi`ere s’´echappant du cristal lui-mˆeme. Pour r´eduire ces fuites, le cristal est envelopp´e
44 CHAPITRE 2. LE CALORIM `ETRE DE GLAST dans un film plastique r´efl´echissant [9]. Celui-ci augmente ´egalement l’effet recherch´e par le d´epolissage, une diffusion homog`ene de la lumi`ere dans le cristal. La diffusion permet d’att´enuer le signal lumineux se transmettant aux diodes en fonction de leur distance au d´epˆot d’´energie.
L’att´enuation TProp est exponentielle, d’une longueur dans le CsI(Tl) r = 800 mm, soit 30%
de pertes sur les 326 mm d’un barreau.
Pour illustrer les moyens de mesurer d´epˆot d’´energie et position `a l’aide du d´epolissage, deux relations sont utilis´ees. Consid´erons donc le signal lumineux D0 produit en un point l du cristal de longueurL, avec une origine en son centre. On d´efinit parQN et QP les signaux TProp(D0) `a chaque extr´emit´e. Les deux signaux s’´ecrivent :
QP =D0·exp(l−L/2
r )
QN =D0·exp(−l+L/2
r )