10.3.3 Comparaison des grilles de Frisch
Le régime de chambre à ionisation du détecteur est obtenu quelle que soit la grille de Frisch utilisée, en fils ou en micro-grille, pour une pression d’isobutane de 30 mbar, une tension catho- dique de -6 kV et une tension anodique de +250 V. Le champ réduit dans la zone d’induction est donc égal à 26.5 V/cm/mbar. L’évolution de la charge collectée en fonction du champ ré- duit représentée sur la Figure C.10.16montre que pour cette valeur de champ réduit la charge collectée est semblable quelle que soit la grille de Frisch. La charge pour une grille en fils n’est pas plus élevée que celle en micro-grille. Si la grille en fils était moins efficace, on s’attendrait à ce que la charge induite soit plus élevée car une partie proviendrait du mouvement des charges présentes dans la zone de dérive. Ce n’est pas le cas ici. Par conséquent l’inefficacité de la grille de Frisch en fils de 25 % prédite par le critère de Bunemann n’est pas vérifiée.
Finalement les deux grilles de Frisch testées donnent les mêmes résultats lorsque le régime de chambre à ionisation est choisi.
/P [V/cm/mbar] i E 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Q [u.a.] 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500×103 FG en fils FG en micro-grille
Figure C.10.16 – Évolution de la valeur moyenne du pic des fragments légers d’une source de 252Cf en fonction du champ réduit dans la zone d’induction pour deux grilles de Frisch. La pression d’isobutane dans le détecteur est fixée à 30 mbar et la tension cathodique à -6 kV.
10.4
Résolutions en énergie de CALIBER
10.4.1 Résolution en énergie avec des particules alphas
Dans cette partie la méthode de détermination de la résolution en énergie de CALIBER est présentée. Les mesures sont réalisées avec une source d’241Am dont 85 % des particules alphas émises ont une énergie de 5.48 MeV. L’activité de la source est de 23.1 kBq. Une simulation Geant4 a permis de déterminer que la pression d’isobutane permettant d’arrêter les alphas dans la zone de dérive est de 40 mbar. Cette valeur a été confirmée expérimentalement en faisant varier la pression dans le détecteur jusqu’à ce que le pic alpha soit stable.
Le spectre de la FigureC.10.17a été obtenu avec un pré-amplificateur AMTEK A250 branché sur l’anode du détecteur et un condensateur de 2.2 nF relié à la masse sur la grille de Frisch. Ce spectre présente trois structures : un pic autour du canal 900 représentant le pic alpha, une bosse s’étalant du canal 100 à 900, et un pic autour du canal 150. Une mesure du bruit de fond, visible en rouge sur cette figure, a montré que le pic au canal 150 est du bruit électronique. La bosse allant du canal 100 à 900 s’explique par la géométrie du système de détection source- CALIBER. La modélisation de ce système avec Geant4, dont les résultats sont visibles sur la Figure C.10.18, montre que cette bosse est due à des particules alphas qui déposent une partie de leur énergie dans la chambre avant d’être stoppées dans le corps de chambre de CALIBER. En effet la trajectoire d’un alpha est déterminée par le couple d’angles (θ,φ). Lorsque θ =1.5 rad et φ=0 rad, les particules ont des trajectoires parallèles à l’axe de symétrie du détecteur et
CHAPITRE 10. CHAMBRE À IONISATION AXIALE : CALIBER que pour des φ compris entre 1.2 et 1.8 rad, la totalité de l’énergie est déposée (alphas d’énergie 5.48 MeV). Lorsque l’angle d’émission s’éloigne de θ =1.5 rad, l’énergie déposée par les alphas dépend alors de la distance qu’ils parcourent dans le gaz avant de s’implanter dans le corps de chambre. Anode [ADC] 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 100 200 300 400 500 600 700 800 α Spectre Bruit de fond / ndf 2 χ 64.06 / 39 Constant 761 ± 7.2 Mean 893.6 ± 0.1 Sigma 9.94 ± 0.08 Anode [ADC] 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 100 200 300 400 500 600 700 800 χ2 / ndf 64.06 / 39 Constant 761 ± 7.2 Mean 893.6 ± 0.1 Sigma 9.94 ± 0.08
Figure C.10.17 – Spectres en énergies des alphas obtenus avec une tension cathodique de -8 kV, une pression de 40 mbar d’isobutane, avec la contribution du bruit de fond électronique (à gauche) et avec le pic alpha ajusté par une fonction gaussienne (à droite).
nergie [MeV] E 0 1 2 3 4 5 6 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Simulation Geant-4 [rad] φ 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Energie [MeV] 0 1 2 3 4 5 Entries htemp 43602 Mean x 1.57 Mean y 1.426 RMS x 0.4643 RMS y 1.532 0 10 20 30 40 50 60 70 htemp Entries 43602 Mean x 1.57 Mean y 1.426 RMS x 0.4643 RMS y 1.532
Figure C.10.18 – A gauche : Spectre alpha obtenu avec la simulation Geant4 du dispositif expérimental. A droite : Énergie déposée par les particules alpha de 5.48 MeV dans CALIBER en fonction de leur angle d’émission φ. Le pas de la grille en énergie est de 50 keV et celui de l’angle est de 0.01 rad.
L’incertitude σmesureet l’amplitude moyenne du pic E sont obtenues en ajustant le pic alpha par une fonction gaussienne sur une plage en canaux telle que χ2
ndf ∼1-2, comme le montre la
FigureC.10.17. La contribution de l’élargissement de la distribution en énergie des alphas due à leur passage à travers la fenêtre d’entrée du détecteur est de σmylar=25 keV, ce qui est négligeable (simulation Geant4). La résolution en énergie RE (avec ∆E FWHM) est alors donnée par :
RE = ∆E
E = 2p
2ln(2)σE
E (C.10.6)
Le temps de montée du signal en sortie du pré-amplificateur étant de l’ordre de 6-7 µs, la meilleure résolution est obtenue pour un temps de mise en forme de l’amplificateur de 6 µs. Pour des temps de mise en forme inférieurs, il y aura un déficit balistique, et pour un temps supérieur la décroissance du circuit RC du pré-amplificateur est intégrée ce qui conduit à une détérioration de la résolution.
10.4. RÉSOLUTIONS EN ÉNERGIE DE CALIBER
Les résolutions en énergie pour les deux grilles de Frisch avec deux pré-amplificateurs diffé- rents sont présentés dans le TableauC.10.2. L’AMTEK A250 possède une capacité de feedback Cf =1 pF tandis que l’ORTEC 142B possède une capacité de feedback de Cf=2 pF. Par consé-
quent pour une charge donnée Q, le gain, donné par la relation U = Q/Cf de l’AMTEK A250
est plus important que celui de l’ORTEC 142B. Avec une grille de Frisch constituée de fils, le changement de pré-amplificateur de l’ORTEC 142 B à l’AMTEK A250 permet de passer d’une résolution (FWHM) de 3.9 % à 2.5 %.
L’utilisation de la grille de Frisch en micro-grille par rapport à celle avec des fils, avec l’ORTEC 142B, dégrade la résolution de 3.9 % à 16 %. La grille de Frisch avec des fils est donc choisie. D’après le cahier des charges, la résolution en énergie des fragments doit être de 2.5 % (FWHM) ou 1 % (σ) (cf. Section 7.3.3). Les fragments étant plus énergétiques que les particules alphas, la résolution en énergie doit être meilleure car le nombre d’électrons primaires générés est plus important. En septembre 2017, l’étalonnage en énergie de CALIBER sous faisceaux d’ions sur l’installation ALTO (IPNO, France) permettra de mesurer cette résolution. Compte tenu de l’in- fluence du choix du pré-amplificateur sur la résolution en énergie, une des voies d’amélioration consiste à réduire le bruit électronique du pré-amplificateur.
Résolution alpha FWHM [%] pré-amplificateur Grille de Frisch
Fils Micro-grille
ORTEC 142B 3.9 16
AMTEK A250 2.5 /
Tableau C.10.2 – Résolutions en énergie obtenues par spectroscopie alpha avec une source d’241Am. Les mesures ont été réalisées pour différentes grilles de Frisch et différents pré- amplificateurs de charge.
10.4.2 Spectroscopie d’une source de 252Cf
Pour cette mesure, une source de 252Cf est placée devant la fenêtre d’entrée de CALIBER et la grille de Frisch utilisée est celle en fils. La pression dans le détecteur est fixée à 28.5 mbar et les tensions cathodique et anodique sont respectivement de -8 kV et de 0 V. Par conséquent, le rapport de champ Ei/Ed est égal à 2 et le champ réduit Ei/P est de 14 V/cm/mbar. Ces
conditions expérimentales permettent bien d’être dans le régime de chambre à ionisation (cf. Section 10.3.2.1).
Chacun des groupes des fragments légers et lourds du spectre anodique obtenu (Figure C.10.19) est alors ajusté par une fonction gaussienne afin de déterminer l’amplitude de ces pics notée NL et NH. La hauteur de la vallée (NV) est obtenue en réalisant un ajustement affine sur la plage en canaux [700 ;740]. Les valeurs des différents rapports pic/vallée de ce spectre (NL/NV, NH/NV, NL/NH) sont synthétisées dans le Tableau C.10.3. Les résultats sont en très bon accord avec les données présentes dans la littérature qui ont eux été obtenus avec des détecteurs silicium possédant une très fine zone morte dans laquelle les fragments perdent de l’énergie. Ces résultats valident encore une fois le bon fonctionnement de CALIBER (autre que la mesure de résolution avec des particules alphas).
CHAPITRE 10. CHAMBRE À IONISATION AXIALE : CALIBER Canal [ADC] 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 Nombre de coups 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
Figure C.10.19 – Spectre du 252Cf obtenu avec CALIBER en régime de chambre à ionisation. La grille de Frisch utilisée est celle constituée de fils, la pression d’isobutane est de 28.5 mbar, la tension cathodique est de -8 kV et la tension anodique est de 0 V.
Rapports pour le252Cf
Schmidt (1981) [204] Schmitt-Pleasanton (1966) [205] Ce travail
NL/NV 2.74 2.9 2.82
NH/NV 2.1 2.2 2.14
NL/NH 1.31 1.3 1.32
Tableau C.10.3 – Comparaison des rapports des amplitudes du spectre en énergie obtenus avec CALIBER par rapport aux données présentes dans la littérature. Les symboles NL, NH et NV désignent respectivement les hauteurs des pics légers, lourds et de la vallée entre les deux pics.