résolution en énergie du neutron incident dépend alors de la résolution des détecteurs de temps de vol du dispositif.
A NFS, les réactions de breakup utilisées (deuton sur une cible de béryllium ou de carbone) produisent des neutrons allant de ∼100 keV à ∼40 MeV. Bien que la durée de la mesure a été déterminée pour une énergie de neutron de 5 MeV, les réactions pour l’ensemble du spectre présenté sur la Figure C.7.1(droite) seront donc aussi étudiées simultanément.
7.3
Résolutions nécessaires
Dans les années 1980, le spectromètre 2V-EV Cosi-Fan-Tutte [33] avait une résolution en masse inférieure à 1 uma avec des détecteurs de temps de vol de résolution temporelle σt∼120 ps
et une chambre à ionisation possédant une résolution en énergie de ∆E
E ∼1 % pour les fragments
de fission (cf. Section 2.2.2). Par contre une telle résolution en masse a été obtenue avec une distance de vol d’environ 1 m, conférant à ce dispositif une très faible efficacité géométrique. Aujourd’hui le besoin d’avoir un angle solide de détection proche de 1 % de 4π ne permet pas d’avoir une distance de vol aussi grande.
La principale difficulté des études en cinématique directe est que les fragments de fission sont émis avec des énergies cinétiques faibles, de l’ordre de 110 MeV pour le fragment léger et 80 MeV pour le fragment lourd. Ils interagissent donc fortement avec la matière menant à d’importantes pertes d’énergie. Le dispositif expérimental doit donc être placé dans une chambre à réaction sous vide secondaire (P ∼10−6 mbar) et les épaisseurs des matériaux traversées par les fragments, nécessaires à leur détection, les plus minces possibles.
Les choix techniques tenant compte de ces critères (détecteurs, géométrie) réalisés en 2012 lors de la phase de conception du premier bras de FALSTAFF sont maintenant exposés.
7.3.1 Longueur de la base de vol et angle solide de détection
La longueur de la base de vol L entre les détecteurs ToF Start et Stop est le résultat d’un compromis entre la maximisation de l’angle solide de détection et la résolution en masse (σA)
souhaitée qui est en première approximation proportionnelle à σt
L. En effet, pour des surfaces de
détecteur de temps de vol fixes, une distance de vol (L) réduite permet de couvrir un angle solide plus grand, mais nécessite en contre partie que les détecteurs aient des résolutions temporelles très bonnes afin de compenser la dégradation de la résolution due à un L petit. Un L très grand permet d’améliorer les résolutions en masse mais au détriment de la couverture angulaire du dispositif, ce qui n’est pas souhaitable compte tenu du faible taux de réaction attendu. Sur la base de ces considérations, un compromis a été trouvé en fixant la distance de vol entre le détecteur de temps de vol Start et Stop à 50 cm. Une résolution spatiale des détecteurs de l’ordre du mm est suffisante [146].
7.3.2 Résolutions des détecteurs de temps de vol
La résolution temporelle des détecteurs de temps de vol (σt) est celle qui contribue le plus aux
résolutions en masse avant (σA∗) et après (σA) évaporation des neutrons. En effet, en supposant
que les détecteurs Start et Stop ont une résolution temporelle identique, les résolutions en masse avant et après évaporation sont σA∗ ∝ σt et σA ∝ 2
√
2σt (cf. Section 2.2.2). La Figure C.7.2
montre que la dégradation de σtde 110 ps à 180 ps a pour effet d’augmenter le RMS (Root Mean
Square Value) de A∗ de 0.1 uma, alors que le RMS de A augmente en moyenne de 0.3 uma [146]. Il est donc nécessaire d’obtenir la meilleure résolution temporelle possible.
CHAPITRE 7. CHOIX DES DÉTECTEURS
Figure C.7.2 – Influence des résolutions temporelles des détecteurs de temps de vol sur la reconstruction des masses avant et après évaporation des fragments [146].
Les détecteurs de temps de vol permettant d’atteindre ces résolutions sont des détecteurs à feuille émissive d’électrons secondaires. Ces feuilles sont placées dans l’axe du faisceau avec un angle tel que les électrons générés puissent être accélérés vers un détecteur d’électrons placé hors de l’axe du faisceau. Les détecteurs d’électrons secondaires sont des détecteurs gazeux MWPC (Multi-Wire Proportionnal Counter) [147,148] ou des détecteurs solides MCP (Micro Channel Plate) [30]. Ce sont eux qui fournissent l’information sur le temps et la position d’arrivée des fragments sur le détecteur. Les inconvénients des MCP par rapport aux MWPC sont qu’elles ont un coût élevé et que leur taille est jusqu’à présent limitée. Les MWPC-SeD sont donc plus adaptés pour couvrir un grand angle solide.
Les deux détecteurs de temps de vol du dispositif FALSTAFF sont donc des MWPC-SeD.
7.3.3 Résolution en énergie
L’influence de la résolution du détecteur mesurant l’énergie des fragments sur leur masse après évaporation est présentée sur la Figure C.7.3 pour le 98Rb et 140Cs. On voit que le RMS des masses augmente d’environ 0.3-0.4 uma lorsque la résolution en énergie se dégrade de 1 % à 2 %. L’influence de la résolution en énergie est plus importante pour le fragment lourd 140Cs car il a une énergie cinétique plus faible que le 98Rb.
0 1 2 3 4 5 6 0% 2% 4% RM S de s ma ss es f in al es Résolution en énergie Rb-98 Cs-140
Figure C.7.3 – Influence de la résolution en énergie sur la masse des fragments après évapora- tion [146].
L’influence des résolutions en énergie étant importante sur les résolutions en masse après évaporation, il est important de choisir un détecteur avec lequel une résolution inférieure à 1 % est accessible.
Les détecteurs semi-conducteurs et gazeux permettent d’obtenir une telle résolution en éner- gie. Les détecteurs gazeux ne subissent pas de dommage aux radiations (gaz en constante circula- tion) contrairement aux détecteurs solides. De plus les détecteurs gazeux peuvent être construits de grande taille et à moindre frais contrairement aux détecteurs semi-conducteurs qui sont petits et chers. A cela s’ajoute le fait que les détecteurs gazeux peuvent donner accès au profil de perte d’énergie des particules, à partir duquel l’information sur la charge nucléaire des fragments peut
7.3. RÉSOLUTIONS NÉCESSAIRES être extraite.
Le détecteur d’énergie du dispositif FALSTAFF est donc un détecteur gazeux. Ce détecteur est placé dans le vide à une pression de 10−6 mbar et doit avoir une fenêtre d’entrée la plus mince possible pour minimiser les pertes d’énergie des fragments. Pour limiter les contraintes mécaniques sur la fenêtre d’entrée et avoir un profil de perte d’énergie long, ce détecteur est rempli avec un gaz d’une pression de quelques dizaines de mbar.
Géométrie du dispositif FALSTAFF
Le dispositif 2V-EV FALSTAFF est donc constitué de deux détecteurs de temps de vol, Start et Stop, MWPC-SeD distant l’un de l’autre de 50 cm et d’une chambre à ionisation placée au plus près du détecteur Stop. Les MWPC-SeD ont des feuilles émissives d’environ 140×200 mm2 [149,148] et la chambre à ionisation une fenêtre d’entrée de 230 mm de diamètre. Typiquement les feuilles émissives et la fenêtre d’entrée de la chambre à ionisation sont en mylar et ont respectivement une épaisseur de 0.5 µm et de 0.9 µm. Le prototype du premier bras est visible sur la Figure C.7.4.
Figure C.7.4 – Prototype du premier bras du dispositif FALSTAFF. De gauche à droite, les détecteurs de temps de vol MWPC-SeD (MiniSed et Sed) et la chambre à ionisation axiale (CALIBER).
7.3.4 Autres spectromètres 2V-EV en développement
Les équipes développant actuellement des spectromètres 2V-EV dans le monde font tous face aux difficultés présentées ci-dessus, mais y répondent avec des moyens techniques différents. Les dispositifs 2V-EV aujourd’hui en développement dans le monde sont VERDI au JRC-IRMM (Belgique), SPIDER au Los Alamos National Laboratory (États-Unis), STEFF à l’université de Manchester (Grande-Bretagne) et FALSTAFF au CEA-Saclay (France). Les différentes carac- téristiques des détecteurs de temps de vol et d’énergie utilisés par chacune des équipes sont regroupées dans le Tableau C.7.1. Les différentes méthodes mises en œuvre dans chaque dispo- sitif afin d’obtenir ces informations vont maintenant être décrites et comparées.
Les détecteurs de temps de vol Start sont tous constitués d’un matériau émetteur d’électrons secondaires (ES) et d’un détecteur d’électrons. VERDI utilise la cible et son support comme ma- tériau émetteur alors que les autres utilisent des feuilles minces en mylar, recouvertes ou non d’un matériau (Al, CsI) permettant d’augmenter le nombre d’ES produits. Les détecteurs d’ES sont des MWPC ou des MCP. VERDI a l’avantage de ne pas introduire de matériau supplémen- taire, et donc de perte d’énergie supplémentaire pour déterminer le Start du dispositif.
CHAPITRE 7. CHOIX DES DÉTECTEURS permettent en même temps de mesurer l’énergie des fragments. L’avantage de cette technique est que les fragments ne subissent aucune perte d’énergie supplémentaire avant que leur énergie soit mesurée. Par contre l’énergie déposée par le fragment (∼100 MeV) sur une petite épaisseur de matériau génère un plasma dans le silicium qui a pour effet de retarder la collecte des élec- trons, c’est le plasma delay effect. Ce retard peut induire un biais systématique et est difficile à quantifier.
Dans FALSTAFF et STEFF, un second détecteur de temps de vol MWPC-SeD placé entre le détecteur d’énergie et le détecteur Start génère le signal Stop. SPIDER utilise lui un dé- tecteur MCP-SeD. L’utilisation d’un second détecteur de temps vol a le désavantage de faire perdre de l’énergie supplémentaire aux fragments par rapport au détecteur VERDI. L’énergie mesurée sera donc plus faible qu’avec VERDI. Les corrections de perte d’énergie nécessaires à la détermination de l’énergie cinétique initiale des fragments sont donc plus importantes, ce qui rend l’énergie des fragments très dépendante des modèles de perte d’énergie utilisés, dont les énergies prédites peuvent différer jusqu’à 20 %.
Les spectromètres FALSTAFF, SPIDER et STEFF utilisent, pour mesurer l’énergie, des chambres à ionisation de type axial. Ce type de détecteur permet d’avoir accès à la charge nucléaire des fragments en mesurant le profil de perte d’énergie des fragments le long de leur parcours. SPIDER utilise une fenêtre d’entrée en SiN de 200 nm d’épaisseur ce qui limite les pertes d’énergies des fragments mais a le désavantage d’être très fragile et ne permet pour le moment pas de couvrir un très grand angle solide.
Carac-
téristiques FALSTAFF[32] [VERDI150,29] [39SPIDER, 30, 29] STEFF[40]
LOF [mm] 500 500 700 1000
tStart
FE Mylar+Al Support cible Ni Mylar Mylar+I
Dét. ES MWPC MCP MCP MCP
σt[ps] 120 150 105
tStop
FE Mylar+Al Carbone Mylar+Al
Dét. ES MWPC PIPS MCP MWPC
σt[ps] 120 150
Énergie Fenêtre ChIoDétecteur ChIo axialeMylar PIPS ChIo axialeSiN ChIo axialeMylar
∆E/E [%] 1.8 0.4
Efficacité 0.6 % de 4π 0.915 % de 2π 0.09 % de 2π
Tableau C.7.1 – Caractéristiques des spectromètres 2V-EV en développement dans le monde. Les symboles LOF, ChIo, MWPC et MCP signifient respectivement Distance de vol, Chambre à ionisation, Multi-Wire Proportionnal Counter et Multi Channel Plate. Les symboles FE, Dét. ES, ChIo, PIPS signifient respectivement feuille émissive, détecteur d’électrons secondaires, chambre à ionisation, Passivated Implanted Planar Silicon.