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MESURES DE SPECTRES DIRECTS

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B. ACQUISITION, TRAITEMENT ET ANALYSE

2. MESURES DE SPECTRES DIRECTS

a) spectres gommas.

La chaîne de détection comprend outre le détecteur et son préamplificateur, un amplificateur linéaire, un convertisseur analogique-digital et un analyseur multicanaux

(BM96 ou tridac inter-technique). Avant, et après, les expériences, l'appareillage est étalon­ né (énergie et efficacité) grâce à des sources standards (2*^^Bi, ®^Ta, ^^^Eu, °*^Co,

^^Na, etc.) [DW70, JM68]. Afin d'améliorer la précision des mesures d'énergie, des spectres gammas ont été enregistrés en incluant un stabilisateur (TRACOR NORTHERN NS 454) à la chaîne électronique. Cet appareil corrige la pente de conversion et le seuil canal zéro du conver­ tisseur en fonction des dérives observées sur deux pics pris comme références. Ces raies sont données soit par une source radioactive, soit par un générateur d'impulsions très stable

construit au laboratoire. Dans ce cas, globalement, la stabilité relative obtenue sur 24 heures est meilleure que 2 x 10“^ (mieux que 1 canal, au canal 4096).

Les mesures de spectre direct d'électrons utilisent directement le collecteur

d'aluminium qui provient du séparateur de masse. La qualité des spectres obtenus (voir chapitre III) montre que l'effet de la pénétration des ions dans le collecteur est négligeable devant la résolution du détecteur au Silium refroidi (2.5 keV de largeur totale à rai-hauteur). L'épaisseur du détecteur (3mm) assure une efficacité constante dans le domaine d'énergie qui nous intéresse.

Pour les mesures des spectres d'électrons, il est nécessaire de placer le détecteur et la source sous vide. Afin de simplifier les changements de source radioactive (étalonnages, mesures partielles etc.), le porte source est mobile et peut être amené dans un sas. Le montage utilisé est similaire à celui qui est décrit â la figure 11.3 de la référence [J H 75]. La méthode N.P.G. [J H 75] (normalisation des spectres gammas et électrons par l'intermédiaire d'une transition de multipolarité connue) nous permet d'obtenir les coefficients de conversion des transitions. Deux parties de la même source servent à la mesure simultanée des spectres directs gammas et électrons.

c) Mesures des distributions angulaires.

Pour ces mesures, deux détecteurs (et leur électronique linéaire) sont utilisés. Pendant l'expérience un des détecteurs est fixe, l'autre est mobile. Des spectres directs gammas

sont enregistrés à différents angles 0 (angle formé par l'axe du détecteur mobile et l'axe du faisceau)., les spectres correspondants au détecteur fixe servent à définir un coefficient de normalisation.

d) Analyse.

Les spectres sont analysés grâce aux ordinateurs de l'I.P.N. d'Orsay (l.B.M. 370.135, UNIVAC 1108 et UNIVAC 1110). Le transfert des spectres de l'aire expérimentale vers l'ordina­ teur (IBM 370.135) est assuré par le système RESEAU [CS 77], il permet de les sauvegarder sur disque magnétique et de les archiver sur bande magnétique. Les spectres sont alors exploités, soit par des tracés sur papier graphique (traceur Benson) soit par des visualisations sur

écran cathodique. Dans ce cas’, iç programme conversationnel Soleil [MC ] pemet une préanalyse des spectres. Il est possible de planimétrer les raies et de déterminer leur énergie. Une analyse plus fine est obtenue grâce à des programmes de déconvolution de spectres : [AV70] et Sampo

[JR69]. Une discussion générale de ce type de programme est donnée à la référence [RH75]. L intérêt principal de cette méthode est que l'ajustement, au sens des moindres carrés, d'une fonction analytique aux spectres expérimentaux rend l'analyse reproductible. On peut donc es­ pérer que les résultats sont obtenus avec une bonne précision relative.

3. MESURES l^TIPARAlffiTRIQUES.

Les techniques exposées ci-dessus permettent d'atteindre l'énergie et l'intensité relative des transitions (gammas ou électrons de conversion). En général, les schémas de ni­ veaux ne peuvent être déduits de la connaissance de ces seules grandeurs. Prenons un exemple et supposons que les mesures de spectres directs révèlent l'existence de trois transitions Y]. Y2> Y3 (avec Ey < Ey < Ey , E + Ey = Ey, et ly > ly > ly . Dans ce cas, trois

schémas de niveaux sont envisageables (figu?e II.B.2). c4s trois possibilités peuvent être distinguées en faisant appel à la notion de sée^uence de transitions. Considérons le tableau

(II. B. 1). Il est construit de la manière suivante : Supposant qu'un noyau émette un gamma y (colonne 1)» nous portons aux colonnes 2.3.A (resp.) les transitions qui peuvent être, ou avoir été, émises par le même noyau, ceci est fait dans le cadre des hypothèses de schémas

Fig. Il,B.2. (Voir texte)

Tableau II.B. 1 « Séquence de transitions correspondant aux schéaias de niveaux de la figure II.B.2.

de niveaux a, b, c (resp.). C'est un des rôles des mesures multiparamétriques, ou mesures de corrélation, que d'offrir la possibilité de découvrir l'hypothèse à retenir.

i)- Coïncidence y~y.

Pour classer les transitions en séquence, on se tourne vers les mesures de coïncidences

y-y.

Dans ce cas, on mesure la fréquence des événements constitués par la détection des couples de gammas (Yf, Yj)i chacune, de ces transitions étant vues par un détecteur différent. On sélectionne les événements en imposant des contraintes au temps t^j qui sépare leur détec­ tion (tinf. ^ t ij ^ tsup,) .

- On parle de coïncidence rapide, ou prompte, si les gammas sont simultanément détectés. (Par simultanéité, il faut entendre que la résolution en temps des circuits ne permet pas de distinguer parmi les deux gammas en cascade, un antécédent et un conséquent).

- Dans le cas contraire, on parle de coïncidence retardée ou différée.

On se tourne également vers les mesures de corrélations pour mesurer les périodes des niveaux.

ii) Corrélation Y”Y“t.

Considérons l'hypothèse a de la figure II.B.2. On peut mesurer la période du niveau Nj en s'intéressant au temps t^j qui sépare l'émission de Y2 l'émission de Yl• Pour cela, on retient des événements constitués par les trois paramètres (Yi“Yj~tij).

iii)Corrélation Y“t.

Si pour une raison quelconque, on n'a pas pu mettre en évidence de gammas qui peuplent le niveau dont on veut mesurer la période, par exemple le niveau N3 (figure II.B.2.a), il faut alors étudier d'autres types de corrélations. Dans le cas d'un noyau produit par une réaction

N.B. Les corrélations entre plus de deux gammas ne sont pas forcément plus puissantes. Par exemple dans le cas de la figure II.B.2. les hypothèses b et c ne peuvent être distinguées par des mesures de coïncidence à plus de deux gammas. En outre, elles présentent l'inconvénient d'avoir une efficacité de détection très faible.

temps qui existe entre la réaction (détectée par le passage du faisceau) et la détection de Y3«

aj Mesures quadriparmétriques (4D).

La technique quadriparamétrique est destinée â l'étude de ces différentes corréla­ tions, et est, plus particulièrement adaptée aux mesures faites grâce aux réactions (Ions lourds, xn) induites par les faisceaux fournis par des cyclotrons.

N.B. Dans ce cas, on désire différentier les coïncidences Y“Y entre les transitions émises en phase avec la passage du faisceau dans la cible (transitions promptes)

les coïncidencés y~Y entre les gammas différés par rapport à la réaction. Lorsqu'il existe un niveau isomérique dans la cascade des gammas discrets, on amé­ liore ainsi la sélectivité des mesures (voir chapitre I.D).

i) Principe de la mesure.

Le dispositif expérimental (figure II.B.3.) comprend deux détecteurs semi-conduc­ teurs (Det.I et Det.II) et un scintillateur plastique mince (ou un appareillage destiné â la

prise de temps faite sur le signal haute fré­ quence du cyclotron).

Les événements tre paramètres

retenus sont décrits par

qua-'Se

l'énergie des Yi vus par le détecteur

- EYii l'énergie des Yli vus par le détecteur Detll

- tQ] le temps écoulé entre la détection de Yi et le passage des ions dans la cible. (le paquet d'ions retenu est celui qui a atteint la cible immédiatement avant la détection de Yj)

- t\2 le temps qui sépare la détection de Yi et Yii respectivement par les détecteurs

I et II.

fîr. II.b.3. ReprcsentaCîon schématique du

dispositif expérimental.

Le but principal de l'ensemble expérimental est de sélectionner les événements 4D et 2D respectivement constitués par les paramètres

(Eyi» *^'2* toi) et (Eyj, tQ]), de les coder sous forme de mots binaires et de les stocker sur bande magnétique afin, ultérieure­ ment, de les traiter et de les analyser. Par ailleurs, on désire contrôler le bon déroulement de l'expérience : à cette fin, on visualise sur des analyseurs multicanaux les spectres qui correspondent aux différents paramètres Ey^., E , ti2 et tQj.

Avant de diacuter le schéma logique de l'électronique d'acquisition, il est utile d'expliciter la forme finale qui doit être donnée aux événements enregistrés.

ii) Structure finale et marquage des événements.

Deux impératifs sont à respecter :

La technologie que nous avons utilisée, impose que les événements physiques soient représentés par un nombre entier de mots de 32 digites. De plus, une plage de conver­ sion de 1024 canaux pour les énergies et de 256 canaux pour les temps est souhaitable. Il en résulte que les événements AD doivent, au moins, être constitués de 2 mots de 32 digites, un seul de ces mots suffit pour décrire les événements 2D.

Au moment du traitement, il est nécessaire d'être capable d'identifier chaque mots de 32 digites, de pouvoir reconnaître le type d'événements qu'il représente (2D ou AD) et les paramètres qu'il contient (Ey^-, tQl > %li* ^12^'

Aussi, on est amené à introduire des digites (dont la position dans le mot est fixe) qui, par leurs valeurs donnent ces informations, ce sont les digites, ou le code, de marquage. Un exemple est donné ci-dessous.

cvénament type 2D

ëvénement type AD

numéro des digites

La valeur des digites 1, 2, 3, 17, 18, 19 permet de déterminer l'événement présenté, les digites A, 5, 6, 20, 21, 22, 23, 2A ne contiennent tion ; les paramètres Eyj et occupent les digites 7 à 16, tQj et tj2 les

univoquement aucune informa- digites 25 â 32.

iii) Schéma logique (figure II.B.4).

On distingue dans le schéma logique trois grandes unités : - Traitement des données au niveau analogique.

- Traitement des données au niveau digital. - Logique de gestion.

Nous décrivons les fonctions principales :

• Prise des mesures et constitution des informations au niveau analogique : cette partie du schéma est illustrée à la figure II.B.3, les paramètres t^j et tj2 sont obtenus grâce à deux convertisseurs temps-amplitude.

, Mise en temps des informations : en attendant la décision prise par la logique de gestion, les paramètres issus de B] sont stockés sous forme analogique. • Description logique des événements : les signaux issus de Bj sont traduits en

quatre signaux logiques, chacun décrit la présence, ou l'absence, d'un paramè­ tre.

• Reconnaissance des événements intéressants : après un temps d'attente (ne pou­ vant excéder une durée maximale) l'événement est accepté, ou rejeté, en compa­ rant le code provenant de B3 à une description prédéfinie des événements â analyser.

- Si il est rejeté, la partie amont de la chaîne est libérée pour permettre l'analyse suivante,

- Si il est accepté, l'examen est poursuivi. Les données sont transférées de B2 vers B5 et le code descriptif de l'événement passe de B4 vers Bg.

• Conversion analogique-digitale : cette fonction est assumée par quatre conver­ tisseurs (A.D.C). Les fins de conversion sont signalées à B6.

• Reconnaissance des événements après conversion et marquage : les fins de con­ version sont comparées au code descriptif issu de B4. En cas d'acceptation, Bô autorise la prise en charge des informations par By, et construit les codes de marquage. En cas de refus, la chaine est libérée.

• Mise en forme définitive des informations et transfert vers les périphériques de stockage :

Par concaténation des paramètres et des codes de marquage, les informations sont mises sous forme de mots de 32 digites. Un organe logique gère les trans­ ferts vers les périphériques. Cette opération terminée, par l'intermédiaire de B6, il prépare la partie amont pour l'analyse de l'événement suivant.

traitement des données au niveau

I

Logique de gestion

Traitement des données au niveau digital

• Périphériques de stockage»; le plus important de ces périphériques est l'unité de bande magnétique (TITN), elle permet le transfert ultérieur des événements vers un ordinateur (I.B.M. 370 + 135). Les autres périphériques sont des analyseurs multi­ canaux utilisés pour contrôler le bon fonctionnement de l'appareillage. Afin de li­ miter le nombre de périphériques nécessaires â cette surveillance, les codes de mar­ quage sont employés pour aiguiller les spectres de contrôle dans différentes zones mémoires.

b) Traitement,

Lors de l'acquisition, les événements sont inscrits sur bandes magnétiques, au fur et â mesure de leur arrivée. Ils sont repérés par des coordonnées (les valeurs des paramétres et les codes de marquage), et à chacun d'eux est associée la fréquence unité. Il faut remarquer que plusieurs événements décrits par les mêmes coordonnées peuvent figurer sur les bandes

contenant des résultats. Afin de rendre l'analyse possible, deux modifications sont nécessaires. Il faut :

- Regrouper, en comptant leur fréquence, les mots physiques qui sont repérés par les mêmes coordonnées.

- Ordonner les événements de telle sorte que, n'importe lequel d'entre eux, soient aisé­ ment trouvés.

Ces opérations sont faites lors du classement.

Pour plus de simplicité, nous explicitons la méthode employée en considérant des événe­ ments biparamétriques (Eyj, Eyj;];), et nous donnons aux événements classés une représentation externe matricielle. Ceux-ci sont rangés sur disques magnétiques dans un ordre précis qui importe pas ici.

F)'II sont Les mots physiques sont lus sur bandes magnétiques et les paramètres Eyr et

extraits ; ils sont respectivement considérés comme les indices de ligne et de colonnes d'une matrice. Sur les disques magnétiques, atout couple (Eyj» associé à un compteur, et à chaque événement (Eyj, ^Yjj) rencontré, le compteur associé est incrémenté de un (macro-instruction SPDMOD [JA69]). Les disques magnétiques disponibles auprès du centre de calcul ARIEL autorisent l'utilisation de grandes matrices(4096 x 4096 par exemple).

Cette méthode n'est pas immédiatement applicable pour les expériences 4D. Les matrices, qui dans ce cas seraient nécessaires, sont trop grandes (1024 x 256 x 1024 x 256). Aussi, au départ des événements 4D, on forme différentes matrices biparamétriques. Deux des para­ mètres sont utilisés comme indices et les événements qui ne diffèrent que par les deux autres paramètres (avec éventuellement des contraintes) sont sommés. Par exemple : une matrice

(Eyj, Eyjj) est obtenue, en retenant les événements (Eyj, tQ], Eyjj, t]2) pour lesquelles

01 ^ toi ^ ..sup ^ _inf^ .< t^jPet t,2 « '12 t sup 12 29

Nous avons analysé cinq types de jnatrices (quatre de type ïjYjj une de type Yii* t]2)« nous les explicitons et nous illustrons leur sens physique particulier en

T|/2(N3)

T|/2 (N5)

II.B.St Schéma de niveaux modèles. Nous supposons que seules les périodes des niveaux N3 et N5 sont mesurables et qu'elles sont comparables à la période répétition du faisceau.

nous inspirant du schéma de niveau type de la figure II.B.5. Ces matrices ont été constituées en imposant des contraintes soit au paramètre tQj soit aux paramètres tQ| et tj2.

Les spectres de contrôles enregistrés en cours d'expérience servent â déterminer les valeurs â donner aux contraintes. Pour tQ] et t]2» on détermine les bornes des plages

qui correspondent soit au pic des coïncidences promptes (ou rapides) (tÎP , t®P , tjP , t?P), soit aux coïnci­ dences différées (ou retardées) tj-^ , t^^ tsds

figure II.B.6. ^ ‘ '2^

Les différentes matrices sont définies au tableau II.B.2.

af Analyse.

Fig, Spectres de con­

trôle des paramètres tpi (a) et t,, (b)

12

Les matrices sont analysées grâce à des représenta­ tions bi-ou tridirae.ntionnelles, sur papier graphique, ou sur écran cathodique.

i) Tridimentionnelles ; il s'agit d'une possibilité d'analyse globale. Deux programmes sont disponibles : Galaxie [RJ71] et Nucart [RJ69]. Le programme Galaxie donne une perspective cavalière de la matrice, ce qui permet de localiser les zones d'intérêt, et les lignes de diffusion Compton des garamas. Le programme Nucart donne une carte des lignes d'égales fréquence (semblable à des lignes de niveaux).

matrice indices de la matrice

contraintes sur les paramètres

mesure type de la figure I.B.6

sens physique du contenu de la matrice Coïncidences y-y promptes-pcomptes ^I et Eyjj IP SP '^01 < Cq, < tQ] SP SP t]2 < t]2 < t,2 Yl - Y2

coïncidences rapides entre les transitions en phase avec le passage du faisceau dans la cible. Coïncidences y-y promptes-différées Si IP SP *^01 *^01 *^01 ID SD t,2 < t,2 < t,2 Yl - Y3 ^1 -Y5

coïncidences retardées pour lesquelles Yi est en phase avec le passage du faisceau dans la cible.

Coïncidences y-y différées-promptes Si ID SD *^01 < tg, < tg, IP SP ti2 < t,2 < t,2 Y3 - Y4

•coïncidences rapides entre transitions différées par rapport à la réaction.

Coïncidences y-y différées-différées Eyi et Eyjj ID SD toi < tg, < toi ID SD ti2 < t,2 < t,2 ^3 - Y5

coïncidences retardées entre transitions différées par rapport à la réaction

Matrice Y”t ^^ll' *^12 IP SP *=01 tgi < tg, mesure de T,^2 des niveaux N3 et N5

période observée entre une transition

en phase avec la réaction et un autre y

ii) bidimentionnelles : L'analyse fine est faite grâce à des bandes de coïncidences. Ce sont des histogrammes obtenus par la sommation de plusieurs colonnes contiguës (bande sur Eyj), ou de plusieurs lignes contigus (bande sur Ey^^) de la matrice. On procède de la manière

Fig, Définition des bornes

des bandes de coïncidences pic et fond.

NB e(')-e(2) .(3) _ ,(4)

Yll YII Yii Yii

suivante : Sur une bande sur toutes les lignes, on déterminé

Eyjj obtenue par sommation de ______ _____________ , _______ ine les indices de colonnes qui correspondent à un pic photoélectrique (E.^'^ et

et à un fond proche de ce pic (E,^|^ et

II.B,7.). Une bande sur Eyj. est prise en sommant les colonnes E^O ^ Eyjj ^ (bande de coïn­ cidence pic), une autre bande (bande de coïncidence fond) correspond à la sommation des colonnes $ ^Yll E.^^^ . L'analyse est faite en traçant 1'histogramme obtenu par la soustraction canal à canal des deux bandes ainsi définie (pic-fond). On peut évidemment intervertir le rôle de Eyi et Eyjj.

NB : Dans certaines matrices y-y on peut tester la fiabilité d'une coïncidence en utilisant un critère de symétrie.

- Les matrices de coïncidences Y“Y prompte-prompte et différée-prompte sont symé­ triques. Ceci signifie que si deux transitions Y] et Y2 sont en coïncidence rapide, celle-ci peut être observée en prenant une bande de coïncidence sur Eyy correspon­ dant soit au pic Y] soit au pic Y2* Les éléments symétriques par rapport à une bis­ sectrice (définie par rapport aux énergies et non par rapport aux indices binaires) ont statistiquement la même signification physique.

- Dans les matrices de coïncidences y-y prompte différée ou différée-différée, les coïncidences (Yj, y2) et (Y2>Yi) sont mutuellement exclusives. La première implique l'antériorité de Y] par rapport à Y2i la seconde implique l'antériorité de Y2

par rapport â Yj•

4. MESURES DE COÏNCIDENCES A PARTIR DE LA_ DE_S INTEGRAT ION RADJOACTJVE DE_S BISigTH.

Pour les mesures de coïncidences Y"Y faites lors de la désintégration radioactive des Bismuth, nous avons utilisé une technique triparamétrique (Ey-r, Eyyj, tjo)* Ees mesures étant faites hors-ligne, le paramètre tg], lié à la détection du faisceau, n'existe pas. A cette différence près, la méthode de mesure est semblable à celle qui a été exposée pour la technique 4D.

Nous avons analysé deux matrices de coïncidences y-y. L'une correspond aux coïnci­ dences rapides, l'autre aux coïncidences retardées. La durée des plages prises sur tj2 sont égales, de sorte que, en l'absence de niveaux ayant une période appréciable (supérieur au temps de résolution du circuit), la seconde matrice donne une estimation du nombre de coïncidences fortuites.

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