Deux techniques sont employées pour produire des faisceaux radioactifs : (i) la fragmentation en vol où un faisceau primaire est envoyé sur une cible à haute énergie. Dans ce cas, les éjectiles gardent la même vitesse que la faisceau primaire et seulement les noyaux d’intérêt sélectionnés par un séparateur constituent le faisceau secondaire radioactif. C’est la méthode employée au GSI et qui permet d’atteindre des énergies de faisceau importantes, jusqu’au GeV/nucléon. (ii) la seconde méthode est dite ISOL pour Isotopic Separation On Line. Suivant cette technique, le faisceau primaire est arrêté dans une cible de production épaisse. Les résidus des collisions qui diffusent en dehors de la cible sont alors ionisés avant d’être accélérés. Cette méthode conduit à des faisceaux secondaires de plus faible énergie comparée à la méthode par fragmentation mais plus purs et de meilleure optique en raison de la réaccélération.
L’accélérateur linéaire UNILAC produit des faisceaux stables du proton à l’uranium à des énergies d’environ 11.4 MeV/nucléon. Le faisceau stable choisi est ensuite injecté dans le syn- chrotron SIS et est accéléré jusqu’à des énergies de 1 à 4.5 GeV/nucléon. Ce faisceau primaire bombarde alors une cible d’ions lourds pour créer plusieurs noyaux radioactifs par fragmentation. Le faisceau secondaire composé de ces différents noyaux est purifié en aval par le spectromètre à zero degré FRS [110]. Ces caractéristiques sont reportées dans le Tab.9.1. Il est composé de 4 dipôles et d’associations de quadrupôles placées avant et après chaque dipôle, dont la disposition est visible sur la Fig.9.1. Il est long de 74 m pour une particule suivant la trajectoire centrale. Un premier plan focal dispersif se trouve en S2 et le plan focal final situé en S4 peut être dispersif ou convergeant. La séparation des noyaux composant le faisceau secondaire se fait en trois étapes dite Bρ-∆E-Bρ.
Figure 9.1 – schéma du dispositif expérimental.
Table 9.1 – Caractéristiques du spectromètre FRS
Acceptance angulaire ∆Θ = ±10 msr
Acceptance en moment ∆p/p = ±1%
Dispertion du 1er étage D2 = -6.474 cm/% Dispetion du 2ème étage D4 = 7.239 cm/%
Bρmax 18 Tm
9.1.1 La méthode de séparation Bρ-∆E-Bρ
Les deux premiers dipôles du FRS constituent le premier étage de la sélection. Comme pour le spectromètre PRISMA, les ions de masse A et de charge Q se déplaçant à la vitesse β dans un champ −→B vérifient la relation :
A Q =
Bρe
βγuc (9.1)
où u=931.5 MeV/c2 est l’unité de masse atomique et ρ le rayon de courbure de la trajectoire, fixé à 11.25 m pour la particule de référence. Pour des noyaux complètement épluchés Q = Z, et (9.1) conduit à :
A Z =
Bρe
βγuc (9.2)
En considérant que les vitesses des fragments sont globalement les mêmes en sortie de cible, le champ −→B appliqué détermine le rapport A/Z. Seuls les noyaux ayant un Bρ autour du Bρ0
central (compris dans l’acceptance du spectromètre ∆pp = ±1%) sont transmis.
Le plan focal intermédiaire étant dispersif, les fragments qui possèdent des Bρ différents ont des positions différentes au plan focal suivant la formule :
∆x = D∆Bρ
où D est la constante de dispersion. De plus deux particules de même Bρ entrant à la même position mais à des angles différents, ont des positions différentes au plan focal. Pour éviter cette dépendance angulaire, des quadrupôles sont placés autour des dipôles. Il est alors possible de supprimer certains fragments en plaçant dans le plan focal des lèvres (slits) sur la trajectoire des fragments.
Un deuxième étage de sélection peut se faire au niveau du plan focal intermédiaire par l’utilisation d’un système de dégradeur (contitué de différents assemblages d’aluminium [111]). Lorsque les fragments passent le dégradeur, ils perdent une partie de leur énergie proportion- nellement à l’épaisseur traversée. Deux cas sont envisageables : (i) il est possible d’utiliser une couche d’aluminium dont l’épaisseur dépend de la position en X. Ceci permet d’homogénéiser les vitesses des fragments en sortie de dégradeur, et implique une conservation des positions des fragments au plan focal final. (ii) En mode achromatique, les fragments perdent une même énergie dans le dégradeur, permettant de refocaliser les fragments au plan focal image.
Enfin, de la même manière que les deux premiers dipôles, les deux derniers dipôles per- mettent de sélectionner uniquement les noyaux dont les Bρ ∼ Bρ0.
9.1.2 Les détecteurs au plan focal
Plusieurs détecteurs sont utilisés pour identifier en charge et masse les fragments composant le faisceau secondaire : deux scintillateurs placés en S2 (nommés SCI2 dans la suite) et en S4 (nommés SCI4 dans la suite), les chambres d’ionisation (MUSIC : MUltiple Sampling Ioniza- tion Chamber) placées en S4 et les chambres à projection temporelle (TPC : Time Projection Chamber).
Les scintillateurs platistiques
Ils sont de type BC420 et couvrent l’ensemble de la surface active des plans focaux : 210×80 mm2 pour CSI1 et 200×80 mm2 pour CSI2. Ils sont couplés à des photomultiplicateurs HA- MAMATSU placés à gauche et à droite et autorisent un taux de comptage de l’ordre de 105 particules par seconde. La position en X est obtenue via la différence en temps entre les signaux des 2 PM. Ils servent aussi à obtenir un temps de vol des fragments entre S2 et S4. La résolution en temps attendue est de l’ordre de 100 ps pour des épaisseurs de 0.5 mm [110].
Les chambre d’ionisation
Elles ont une surface active de 200×80 mm2 et sont longues de 420 mm. Elles sont remplies de gaz CF4 à la pression atmosphérique. Un schéma du principe de ces chambres d’ionisation est donné à la Fig.9.2. Elles sont constituées d’une cathode, d’une grille de Frisch et de huit anodes indépendantes. Le passage des ions dans la chambre crée des électrons qui dérivent vers l’anode et dont le nombre est proportionnel à l’énergie perdue dans la chambre. L’énergie totale perdue dans la chambre d’ionisation est calculée comme étant la moyenne géométrique des énergies
mesurées par les 8 électrodes.
Figure 9.2 – schéma de principe de la chambre d’ionisation.
Les chambres à projection temporelle
Elles couvrent une zone de 70×65×240 mm3et sont composées d’Ar + 10% CH4 à la pression atmosphérique. La cage de champ est formée par des bandes de Mylar de 3 mm espacées de 5 mm. Le champ de dérive appliqué est de 400 V/cm. Le passage d’un ion dans le gaz crée des électrons qui dérivent avec des vitesses de 4 cm/µm vers la grille d’amplification avant d’être multipliés (voir Fig.9.3). Le temps de dérive jusqu’à l’anode permet d’obtenir la position Y. Et la différence en temps entre les deux signaux induits sur la ligne retard (composant la cathode) donne accés à X.
Figure 9.3 – schéma de principe de la chambre à projection temporelle.
9.1.3 Identification du faisceau incident
Information en charge
La formule de Bethe estime l’énergie perdue par un ion, de numéro atomique Z et allant à la vitesse β, dans un matériau de masse ˜A et de numéro atomique ˜Z :
−dE dx = KZ 2Z˜ ˜ A 1 β2 1 2ln 2mec2β2γ2Tmax I2 − β 2−δ 2 ! (9.4)
où K est une constante, me la masse de l’électron, Tmax l’énergie maximale transférée à un électron libre lors d’une collision, I l’énergie d’excitation moyenne de l’absorbeur et δ la correc-
tion due aux effets de densité. Pour un même absorbeur, l’énergie perdue par un ion est donc proportionnelle à une fonction qui ne dépend que de la vitesse des ions :
−dE
dx = Z
2f (β) (9.5)
Cette fonction est déterminée à l’avance par l’utilisation d’un faisceau stable à différentes éner- gies. Il est ainsi possible de remonter au numéro atomique de l’ion traversant la chambre connais- sant sa vitesse et sa perte d’énergie dans l’absorbeur. Plus de détails sur la calibration de la fonction f (β) peuvent être trouvés dans [112].
Information en masse
La formule (9.2) implique que le rapport A/Z est déterminé par la connaissance de Bρ et de β. D’après la relation de dispersion (9.3), on déduit le Bρ associé à un ion passant par la position X2 (par rapport à la trajectoire de référence) dans le plan focal intermédiaire et par X4
au plan focal final, avec :
Bρ = Bρ0− Bρ0 X4 D4 + Bρ0X2 D2 (9.6) où Bρ0 est associé à la particule suivant la trajectoire centrale. Les positions X2 et X4 sont données par les scintillateurs SCI2 et SCI4 respectivement. La vitesse est quant à elle calculée grâce à la mesure du temps de vol (noté ToF) entre les deux scintillateurs.
Pour le test de la cible, un faisceau stable de54Cr a été utilisé. Le spectromètre FRS a donc été optimisé pour transmettre le faisceau jusqu’en S4. Les caractéristiques du faisceau délivré par le SIS sont données au Tab.9.2 ainsi que les champs des dipôles de FRS utilisés. L’énergie sur cible a été calculée avec le programme LISE++ [54]. Sur la Fig.9.4, la matrice d’identification du faisceau arrivant sur la cible d’hydrogène montre que le faisceau de54Cr est pure à 90%.
Table 9.2 – Caractéristiques du test
faisceau 54Cr
énergie au SIS 360 MeV/A
intensité 400 000 particules/spill (10 s)
cible primaire 4 g/cm2 9Be
énergie sur cible secondaire 126 MeV/A
cible secondaire 2 cm d’hydrogène liquide
tâche faisceau 5 cm de diamètre (LTMH)
B1 0.50365 T
B2 0.47484 T
B3 0.4254 T
B4 0.42495 T