Modernisation du système d’acquisition électronique

aux analyses archéométriques peut utiliser pas moins de 4 détecteurs si- multanément pour tirer profit de trois méthodes IBA : RBS, PIXE, PIGE. La chaîne d’acquisition traitant les signaux électriques de chaque détecteur est basée sur un schéma similaire détaillé par la figure 1.21. La partie à gauche de la ligne pointillée, comprenant le détecteur et son alimentation, le pré-amplificateur et l’amplificateur n’a pas fait l’objet de modification. Par contre, le convertisseur analogique-digital (ADC), l’analyseur multi-canal (MCA) et l’ordinateur ont été améliorés. Les anciens éléments, le MCA- ADC Canberra S35+ et le Power Macintosh 7500/100, étaient en effet sujet à abandonner la vie de manière inopinée dans des délais plus ou moins brefs. Afin d’éviter tout problème pouvant stopper les recherches fondamentales et les analyses archéométriques basées sur l’utilisation des méthodes par fais- ceaux d’ions pour une durée importante, les techniciens ont développé un nouveau système d’acquisition “home made”. La figure 1.22 reprend le nou- veau système basé sur l’utilisation de quatre cartes électroniques, dont les ports d’entrée DB25 se trouvent en façade. Le nouveau dispositif permet donc également de récupérer les données de quatre chaînes de détection si- multanément. Il a l’avantage de transmettre les informations non plus via

CHAPITRE 1. LE CYCLOTRON CGR-MEV 520 97

une connexion antique mais via un connecteur réseau RJ45. Les données sont donc accessibles sur n’importe quel ordinateur connecté au réseau local.

Détecteur Pré-amp. Ampli. MCA- ADC

Ordinateur Haute

Tension

Figure 1.21 – Schéma d’une chaîne d’acquisition classique.

Figure 1.22 – Nouveau MultiChannel Analyzer “home made”.

Un nouveau logiciel écrit en JAVA (figure 1.23) a été développé par nos techniciens afin de traiter les données issues du “MCA Home Made”. Il permet de visualiser en temps réel les quatre spectres acquis selon des para- mètres d’acquisition modifiables :

• le temps d’analyse, en seconde ;

• le nombre de canal par spectre, en multiple de 1024 ; • le mode de contrôle de la dose et de l’arrêt faisceau ;

– le choix de la durée de l’analyse ;

– le choix du nombre de coups produits par l’intégrateur de courant récupérant le courant sur le nez d’extraction ;

– le choix du nombre de coups intégrés dans une région d’intérêt d’un spectre. Par exemple, un pic de l’or sur le spectre RBS.

CHAPITRE 1. LE CYCLOTRON CGR-MEV 520 98

Il permet aussi d’effectuer un premier traitement rapide des données : • la calibration en énergie ;

• le choix de l’échelle linéaire ou logarithmique ; • le calcul de la résolution ;

• l’intégration du nombre de coups dans une région d’intérêt ;

• la sélection d’un canal afin de connaître son énergie après calibration ; • le format texte d’exportation afin qu’ils soient lisibles par les différents logiciels de traitement (GupixWin, SIMNRA,..) adaptés à la méthode envisagée ;

• le temps mort de l’électronique.

De plus, le programme permet d’effecteur toutes les manipulations, y compris de lancer et stopper une acquisition, sur les quatre spectres indé- pendamment l’un de l’autre.

Figure 1.23 – Interface du logiciel d’acquisition.

1.5.4 Le système “Time Of Flight”

Un dispositif de mesure de l’énergie des particules accélérées par le cyclo- tron est en cours de développement au sein de l’institut, par G. Chêne, afin de répondre à la nécessité d’une précision en énergie de l’ordre du keV, selon le couple particule/énergie considérée, pour les mesures de sections efficaces Non-Rutherford dans le cadre de la méthode RBS.

En effet, la relation établie lors de l’installation du cyclotron entre la fré- quence de modification de la tension accélératrice au sein de l’accélérateur

CHAPITRE 1. LE CYCLOTRON CGR-MEV 520 99

et de l’énergie extraite ne permet pas d’obtenir une mesure en temps réelle suffisamment précise de l’énergie des particules incidentes du faisceau. De plus, l’emploi de nombreux éléments magnétiques le long de la ligne de trans- port empêche la répétabilité exacte d’un faisceau de même énergie pourtant réalisé avec les mêmes paramètres, à cause des phénomènes d’hystérésis des électro-aimants. Dans un premier temps, des sondes RMN (Résonance Ma- gnétique Nucléaire) ont été disposées au sein des électro-aimants “Berkeley” de l’analyse, qui sont les facteurs influençants le plus la sélection en énergie. Elles permettent d’établir une relation entre le champ magnétique impliqué et l’énergie des particules en fin de ligne. Ce dispositif s’est montré efficace lors de différents balayages en énergie, mais il manque de précision pour la réalisation des mesures de sections efficaces Non-Rutherford à cause, entre autre, du manque de stabilité des alimentations des électro-aimants.

Constituant une prometteuse alternative au long et conventionnel balayage d’un grand nombre d’événements de résonances nucléaires, le principe re- tenu consiste à déduire l’énergie des particules incidentes par une mesure directe et rapide de leur temps de parcours sur une distance connue et fixe. La possibilité d’appliquer cette technique connue sous le nom de “Temps de Vol” (“Time of Flight”) à des mesures d’énergie, repose donc sur la capacité à mesurer ces temps de parcours avec la précision requise [54].

La technique tire profit de la structure temporelle naturellement pulsée du faisceau produit par le cyclotron, au contraire des accélérateurs linéaires. En effet, le caractère continu du faisceau produit par des accélérateurs linéaires ne permet pas de différencier le passage de paquets d’ions différents. Il est dès lors impossible de mesurer le temps de parcours d’un paquet précis puis- qu’il est indissociable des autres. De surcroît, de part leur fonctionnement linéaire, les accélérateurs de ce type ne nécessitent qu’une courbe de calibra- tion entre la tension accélératrice appliquée et l’énergie réelle des particules. Celle-ci est obtenue à l’aide de seulement quelques résonances ponctuelles couvrant la totalité de la gamme d’énergie disponible.

Dans la pratique, des dispositifs permettent d’identifier le passage d’un pa- quet d’ions dans le cas d’un faisceau pulsé. L’utilisation de l’émission se- condaire d’électrons lors de la traversée d’une feuille de carbone ultra mince permet de s’affranchir de l’interception du faisceau primaire, afin qu’il puisse interagir avec l’échantillon en fin de ligne de transport. L’application d’un champ électrostatique, plus facile à mettre en oeuvre qu’un champ magné- tique, permet d’assurer la déflexion sélective de ces électrons et ainsi de les séparer du faisceau primaire. L’obtention et la transmission ultra-rapide des signaux de “Start” et de “Stop” sont dès lors assurées par une chaîne de dé-

CHAPITRE 1. LE CYCLOTRON CGR-MEV 520 100

tection :

• Deux détecteurs de type Micro Channel Plate (MCP) ou galettes de microcanaux assurant la collecte des paquets d’électrons secondaires et la production d’une impulsion électrique reproduisant les propriétés temporelles du faisceau primaire et ce, avec une résolution temporelle de l’ordre de quelques picosecondes.

• Deux chaînes électroniques similaires associées à chacun des détec- teurs et comprenant un préamplificateur de signal, un discriminateur (Constant Fraction Discriminator) permettant de sélectionner la ré- gion d’intérêt du signal analogique fourni, transmettent ce signal à un convertisseur digital de temps (TDC) qui à son tour permet le réfé- rencement, sur une base de temps commune, des différents temps de passage t1 et t2 des paquets d’ions devant chacun des points de détec-

tion.

L’ensemble du système constitué d’un tube sous vide secondaire de di- mension fixé à 2 mètres et de deux points de détections situés à ses extrémités a été initialement conçu pour s’adjoindre au bout de la ligne Haute Energie- Haute Résolution mais il peut être avantageusement déplacé et utilisé sur d’autres dispositifs ou lignes de faisceaux.

Chapitre 2

Etudes et conceptions des

déflecteurs

Sommaire

2.1 Déflecteur en voie 5 . . . 103 2.2 Déflecteur en voie 8 . . . 104 2.3 Etude des trajectoires . . . 105 2.4 Etude du cas des particules α . . . 108 2.5 Applications préliminaires des déflecteurs . . . . 109

2.5.1 Protons, déflecteur 7 cm, 0,57 T, d=0,6 cm et d=1,2 cm . . . 111 2.5.2 Protons, déflecteur 4 cm, 0,85 T, d=1 cm et d=3

cm . . . 112 2.5.3 Alphas, déflecteur 4cm, 0,85 T, d=0,8cm . . . 113 2.5.4 Interprétations des résultats . . . 114

La technique employée pour éviter l’absorption due à la fenêtre d’entrée, tout en préservant le cristal du détecteur X, est l’utilisation d’un champ magnétique, capable de dévier les particules chargées. Les particules rétro- diffusées par l’échantillon qui arrivent dans un champ magnétique, avec une vitesse initiale perpendiculaire à ~B, possèdent dans ce champ une trajec- toire circulaire, située dans le plan perpendiculaire à ~B comprenant ~v, suite à l’action de la force de Lorentz :

~

FL= q~v ∧ ~B (2.1)

Le rayon du cercle est donné par la relation suivante qui définit le rayon 101

CHAPITRE 2. DEFLÉCTEURS 102 de Larmor : RL= m |~v| |q|    ~ B    (2.2)

où m est la masse de la particule, q sa charge, ~v sa vitesse et ~B le champ magnétique dans lequel elle est plongée.

Par conséquent, un dispositif placé devant le détecteur et constitué de deux aimants reliés entre eux par une structure en fer doux (afin de confiner les lignes de champ) peut créer un champ magnétique perpendiculaire à la di- rection des particules rétrodiffusées ( ~B situé dans le plan horizontal) capable de dévier les particules incidentes d’une distance supérieure au diamètre de la fenêtre d’entrée du détecteur (voir figure 2.1). Ceci rend inutile l’ajout de béryllium devant la fenêtre d’entrée du détecteur.

Figure 2.1 – Trajectoire des protons dans le déflecteur.

Dans le cas de protons ou de particules α qui arrivent avec une vitesse initiale connue et situés dans le plan horizontal (selon l’axe X sur la figure 2.1) perpendiculaire à ~B ( ~B selon l’axe Y ), leur déviation se fera dans le plan vertical (selon l’axe Z). La trajectoire est un arc de cercle tant que la particule se situe dans le déflecteur, pour devenir une droite tangente au cercle de rayon RL centré en (0,0,RL) dès sa sortie du champ magnétique.

La déviation D de la particule par rapport à sa direction initiale dépend de plusieurs paramètres :

• la vitesse de la particule incidente ; • l’intensité du champ magnétique ;

CHAPITRE 2. DEFLÉCTEURS 103

• la longueur de l’aimant L ou la distance parcourue par la particule entre les aimants ;

• la distance d entre la fin du déflecteur et le détecteur.

Il faut aussi connaître la position d’entrée de la particule dans le déflec- teur afin de déterminer sa position de sortie et donc la distance parcourue par la particule dans le champ magnétique. Deux possibilités peuvent se présenter :

• soit la particule a une énergie assez importante, auquel cas sa dévia- tion dans le champ magnétique est faible. La particule parcourt alors l’entièreté de l’aimant et sort du déflecteur par la face arrière ; • soit, l’énergie est plus faible, ce qui implique une déviation importante.

Dans ce cas, la particule sort du déflecteur par sa face latérale. La connaissance de l’ensemble de ces paramètres permet de calculer l’équation de la trajectoire dont définit la déviation D de la particule.

2.1

Déflecteur en voie 5

Pour réaliser le déflecteur de la voie 5, deux aimants rectangulaires de 70x12x6 mm capables de créer un champ dans leur entourage d’environ 1,3 T ont été utilisés. Les deux aimants ont été placés côte à côte, à une distance d’environ 5 mm, et l’interstice a été comblé par une plaque de Plexiglas, un matériau léger qui permet d’éviter l’émission, par les parois des aimants, de rayons X détectables. Cette plaque a été percée en son centre d’un trou de la dimension de la fenêtre du détecteur, soit de 3 mm de diamètre, pour permettre le passage des rayonnements en direction du cristal (figure 2.2).

CHAPITRE 2. DEFLÉCTEURS 104