Le but du réglage est de modifier l’angle d’inclinaison des cristaux jusqu’à obtenir l’angle de Bragg correspondant à une énergie diffractée de 122 keV. Cela signifie que le cristal diffracte des énergies différentes au cours du réglage, puisque l’angle varie (relation de Bragg). Deux méthodes sont facilement utilisables :
La première consiste à utiliser une source radioactive qui délivre une énergie précise. Cette solution nécessite d’avancer pas à pas pour trouver le pic de diffraction à 122 keV. En considérant une mosaïcité d’environ 35 secondes d’arc et en appliquant la relation donnant l’efficacité de diffraction (relation III-2), on obtient une largeur en énergie de 2.6 keV à 0.8 keV (anneau 0 à anneau 7). Ces valeurs représentent la taille maximale du pas pour chercher le pic de diffraction. De plus, l’expérience acquise au cours des tests du système de réglage montre qu’il n’est pas possible d’approcher manuellement le pic de diffraction avec une précision angulaire meilleure que le dixième de degré. Selon l’anneau, cela revient à effectuer 12 itérations si aucun imprévu ne vient perturber la mise en œuvre. En dépit d’un faible bruit de fond (quelques dizaines de coups par seconde sur la gamme 30 keV - 150 keV contre 3.7 107 coups pour la source radioactive) l’intégration ne peut durer moins de 1500 secondes avec une source de 57Co de 1 mCu pour avoir un peu de statistique et pouvoir ajuster une courbe.
Cela implique une durée de 2 à 4 heures par cristal dans le meilleur des cas pour trouver le pic. Il faut ensuite effectuer 3 à 4 intégrations plus longues pour placer ce pic à ± 0.05 keV. Au total, le réglage d’un cristal peut durer jusqu’à 10 heures, c’est-à-dire un seul cristal par jour. Et il y a environ 600 cristaux à régler! Cette méthode est donc trop longue pour le réglage mais constitue un outil puissant pour vérifier l’intégrité du réglage au cours du temps. Il suffit en effet de placer une source radioactive de 57Co, qui produit une raie à 122 keV, à 14162 mm sur l’axe gamma et de compter le nombre de coups dans le détecteur. S’il ce nombre est en diminution, cela sera un indice du déréglage de la lentille. Cette solution simple à mettre en œuvre nous sera très utile sur le site de lancement.
Une meilleure méthode pour régler la lentille est d’avoir un générateur de rayons X fournissant un continuum. Au fur et à mesure que l’angle du cristal change, ce dernier trouve toujours une énergie à diffracter. Le résultat est un déplacement dans le détecteur du pic de diffraction au fur et à mesure du réglage. La position du pic en cours permet d’estimer l’angle restant à parcourir pour accéder plus rapidement à l’angle final. Les caractéristiques du
Chapitre V : Une méthode universelle pour régler la lentille
tungstène. Les électrons produisent un rayonnement Bremsstrahlung et la réorganisation des couches électroniques est productrice de photons X ainsi que de deux raies intenses (Kα et Kβ). Ces dernières sont nettement visibles dans le spectre mais ne participent que très peu au flux compte tenu de leur largeur (Chambellan et al., à paraître).
Fig V-II-1 : Spectre du générateur X. En abscisse la haute tension appliquée et en
ordonnée le flux en ph s-1 keV-1 sr-1 mA-1. Les deux raies distinctes sont celles du tungstène. Le générateur produit un flux élevé de photons et réduit ainsi la durée d’intégration minimale pour obtenir un pic de diffraction exploitable (statistique suffisante). Le flux total accessible dépend à la fois de la tension fournie et du courant. Il peut être évalué par la relation simple suivante : F = 108 U2(kV) ph s-1 sr-1 keV-1 mA-1. Un cristal situé à 15 mètres reçoit par conséquent environ 700 ph s-1 keV-1, ce qui correspond à 20 coups s-1 keV-1 dans le détecteur en tenant compte des divers facteurs tels que l’efficacité de diffraction du cristal ou l’efficacité de détection du détecteur. Les taux de comptage obtenus dans le détecteur sont en accord avec ces prédictions, puisqu’elles varient de 15 à 30 coups s-1 keV-1. Avant d’inclure ce générateur dans la ligne de réglage, il convient de simuler la ligne de réglage en incluant le générateur afin de déterminer les caractéristiques du pic diffracté. Cela permettra de dimensionner les autres éléments de la ligne de réglage, comme les masque de radioprotection.
La simulation de la ligne de réglage a été réalisée en incluant le générateur X, un cristal et le détecteur. Un tirage Monté-Carlo choisit l’énergie des photons X, leur position de départ dans la source X (diamètre 0.8 mm) et leur direction de propagation. Afin de rendre la simulation plus rapide, la gamme des angles autorisés pour la direction de propagation était limitée à ceux permettant de toucher le cristal à coup sûr. Une hypothèse de travail est de considérer le cristal comme homogène. Ainsi, chaque photon incident a la même probabilité de diffracter s’il possède la même énergie et arrive selon le même angle quelle que soit la position sur le cristal. En tenant compte ensuite de l’efficacité du détecteur (80% à 122 keV), il est possible de comptabiliser le nombre de photons arrivés et leur énergie en fonction de l’inclinaison du cristal. On peut alors tracer une courbe reportant l’énergie diffractée en fonction de l’angle du cristal (Figure V-II-2).
Chapitre V : Une méthode universelle pour régler la lentille
Fig V-II-2 : Énergie diffractée en fonction de l’angle d’inclinaison du cristal. La
largeur du tracé provient de celle de la bande d’acceptance du cristal (relation IV-3).
Le graphe débute à 150 keV car le réglage s’effectue vers les énergies plus basses. La simulation est volontairement stoppée à 110 keV puisque l’énergie qui nous intéresse est centrée sur 122 keV. On constate que quel que soit l’angle de rotation du cristal, on aura toujours un pic de diffraction. Grâce à cette simulation, il est possible de prendre des tranches verticales de la courbe correspondant à un angle d’inclinaison précis et voir l’influence de la présence d’une fente. En effet, l’absence de cette dernière augmente la valeur de l’angle sous- tendu par le cristal depuis le générateur X, qui serait de 145 secondes d’arc (10 mm de taille vus à 14162 mm de distance). C’est beaucoup pour régler un cristal dont la mosaïcité n’est que de 35 secondes d’arc. La présence d’une fente d’au maximum 3 mm devient obligatoire pour diminuer la largeur du pic. De plus, seul le centroïde du pic est intéressant car sa valeur donne l’angle d’inclinaison du cristal; or, si ce dernier n’est pas parfaitement homogène (cas réel), les pentes du pic ne seront pas forcément symétriques (présence de matériel autour du cristal) et un plateau apparaît en haut du pic, rendant le calcul du barycentre caduque à la précision nécessaire pour notre but (0.05 keV, voir le paragraphe IV.4). La simulation montre que la fente rend symétrique le pic en imposant des effets de bord identiques et évite le plateau.
Le calcul des largeurs des pics en fonction de la mosaïcité est abordé en annexe A. Tout au long de ce chapitre, nous aurons besoin de passer d’une largeur angulaire à une largeur en énergie et inversement. Cette équivalence est abordée en annexe B.