Mesure du flux de protons par le TPR-CMOS

Deux méthodes peuvent être envisagées pour la mesure du flux de protons incidents sur le télescope, d’une part une mesure directe par le détecteur Si(Li) placé en fin de télescope et d’autre part une mesure des traces en coïncidences dans les trois capteurs CMOS et la diode Si(Li). Si la première méthode peut être vue comme une mesure équivalente à celle réalisée par le PTB pour obtenir le flux de référence, la seconde méthode permet d’estimer l’efficacité globale de détection des protons du TPR-CMOS, en regard des mesures de références réalisées au préalable.

Détection des protons par la diode Si(Li) du télescope

Le télescope utilise une diode Si(Li) pour mesurer l'énergie résiduelle des protons de recul. Le signal dans cette diode peut être utilisé comme une référence pour la mesure du flux de protons et comparé à la référence donnée par le détecteur PTB.

Figure 4-16 : Distribution en énergie des particules mesurées dans le détecteur Si(Li) du TPR-CMOS pour un faisceau de protons de 16.4 MeV

La Figure 4-16 indique qu'un bruit de fond à basse énergie est mesuré par le détecteur silicium, en bon accord avec les mesures de référence du PTB. Ce bruit de fond peut facilement être discriminé du signal des protons, grâce à l’information sur l’énergie déposée dans les CMOS (Cf. section 4.2.3), situé entre 2000 ADC et 2500 ADC. Les résultats, en termes de flux de protons, sont présentés pour 10.0 et 16.4 MeV dans le Tableau 4-6.

Tableau 4-6 : Comparaison des mesures réalisées par la diode Si(Li) du TPR-CMOS par rapport aux mesures réalisées par le PTB

Energie des

protons [MeV] d’irradiation [s] ^{Temps Flux de protons TPR-}CMOS [cps.s-1] CMOS/PTB [%] ^Ratio

TPR-10.0 906 13.1 98 %

16.4 325 14.9 93 %

Le très bon accord entre la mesure de référence du détecteur du PTB et la diode Si(Li) du TPR-CMOS indique que cette dernière peut être utilisée comme référence du flux de protons incident sur le télescope. Néanmoins, des incertitudes importantes doivent être soulignées sur cette mesure, ceci pour les mêmes raisons que pour le détecteur du PTB (sélection des événements dans le pic de protons, incertitudes statistiques etc.)

119 Mesure des traces en coïncidences

Les traces en coïncidence obtenues dans le TPR-CMOS sont validées comme de bons événements si l'énergie déposée dans chacun des trois capteurs CMOS est plus grande que 35 keV dans la couche epitaxiale. Cette limite est nécessaire pour distinguer le bruit de fond par rapport aux protons. Une trace est composée d'un impact dans chaque CMOS et d’une mesure d’énergie résiduelle dans la diode Si(Li). Le programme d'analyse des données évalue l'énergie du proton incident en entrée du télescope en prenant en compte selon la mesure de l'énergie résiduelle dans le détecteur silicium et les pertes d'énergie dans les capteurs CMOS, comme détaillé dans la section 2.5. L'angle de diffusion de la trace reconstruite est également étudié afin d’obtenir une valeur quantitative pour les diffusions multiples du proton lors de sa traversée des capteurs CMOS – voir Figure 4-18.

Figure 4-17 : Reconstruction de l’énergie des protons en face avant du télescope, pour une énergie attendue de 16.4 MeV.

La Figure 4-17 présente la distribution en énergie mesurée dans le détecteur Si(Li). La part la plus importante du signal est due aux protons incidents de 16.4 MeV (plus de 95%). En outre, quelques événements à basse énergie sont également enregistrés. De manière plus précise, trois catégories d’événements peuvent être distinguées : la première catégorie est constituée d’événements présentant une charge ADC déposée dans les capteurs CMOS comprise entre 1000 et 3500 : ces événements sont des protons incidents bien reconstruits. Une seconde catégorie d’événements est liée aux protons de basse énergie située entre 12 et 2 MeV avec une charge d'ADC entre 3000 et 8000 ADC : ces événements sont dus aux protons ayant subis des diffusions dans la ligne faisceau, dans la feuille d’aluminium et dans les capteurs CMOS. La dernière catégorie d’événements représente les protons d’énergie inférieure à 2 MeV, mais ayant une signature énergétique dans les capteurs CMOS compatible avec des protons de 15 MeV : ces événements sont complexes à identifier mais peuvent être considérés comme de bons événements pour l'évaluation du flux de protons. Finalement, le flux de protons estimé par les traces en coïncidence s’approche à 93 et 94 % par rapport aux références du PTB. Ce résultat, à nuancer compte tenu des incertitudes de mesures, indique que le dispositif TPR-CMOS présente une efficacité de détection proche de 100 % vis-à-vis de protons de quelques MeV.

120 Figure 4-18 : Angle de diffusion des protons évalué à l’aide de l’estimateur θ12 pour des protons de 16.4 MeV

L'angle de dispersion reconstruit est présenté sur la Figure 4-18, conformément aux prédictions, les protons sont détectés avec un angle proche de zéro degré (68 mrad). La déviation angulaire observée des protons est imputable aux diffusions multiples dans la feuille d'aluminium placée en entrée du détecteur et dans les capteurs CMOS. Cette déviation est évaluée à 25 mrad pour chaque capteur CMOS.

Conclusion

Figure 4-19 : Résumé de l’expérience menée au PTB concernant le flux de protons à 10 et 16.4 MeV. Les barres d'erreur sont estimées à 5 % pour le TPR-CMOS.

Cette expérience a montré un très bon accord pour la mesure de flux de protons à l’aide du TPR-CMOS comparée aux mesures de référence fournies par le laboratoire PTB - Figure 4-19. Un des points importants à souligner durant cette campagne expérimentale est l’existence d’incertitudes importantes, que ce soit pour les mesures de références ou les mesures réalisées par le TPR-CMOS. Cette limitation peut expliquer les contradictions

121 observées pendant les expériences, plus particulièrement, les fluctuations du flux de protons et la procédure mise en place pour son évaluation.

Malgré cette limitation, l'expérience indique que les capteurs CMOS sont parfaitement appropriés pour la détection de protons autour de quelques MeV, avec une efficacité de détection proche de 100 %. Le programme d'analyse de données mis en place a démontré sa capacité à reconstruire les paramètres d’intérêt des faisceaux produits, que ce soit au niveau de l’énergie des protons ou au niveau de leurs flux, exception faite de quelques événements à faible énergie. Puisque les neutrons rapides sont détectables par des protons de recul, cette expérience ouvre ainsi la voie à la spectrométrie des champs neutroniques par le TPR-CMOS. Le chapitre suivant de cette thèse y est consacré.

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5 Caractérisations de champs